CN104158628A - 基于唯一可译码的中继转发方法 - Google Patents

Abstract

基于唯一可译码的中继转发方法，本发明涉及基于唯一可译码的中继转发方法。本发明是要解决现有物理层网络编码在瑞利信道误码率高及在M(M>3)节点的中继***中，需要传输的时隙数量增多，***的吞吐量降低的问题。对于一个M节点的中继***，包括M-1个用户节点和一个中继节点，任意一个用户节点利用两个时隙通过中继节点获得其他任意用户节点所发送的信息；在第一个时隙中，所有M-1个用户节点将进行唯一可译码编码后的信息，发送给中继节点；在第二个时隙中，中继节点经过判决和转发，把判决后的结果以广播的形式发送，每个用户节点通过把接收到的广播信息与唯一可译码的译码匹配。本发明应用于通信领域。

Description

基于唯一可译码的中继转发方法

技术领域

本发明涉及基于唯一可译码的中继转发方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在通信领域中，网络编码(Network Coding,NC)逐渐成为了一个热门的研究领域。网络编码可以用于无线网络***和有线网络***中，并且给予信息论，无线通信，网络架构等方面以很大的影响。而物理层网络编码(physical-layer networkcoding,PNC)已经逐渐成为网络编码领域中的一个重要研究热点。PNC通过有效地利用中继节点的性质，通过减少节点间需要传输的时隙数量，从而提高了***的吞吐量，不仅如此，PNC可以看作是一种协作通信。

关于PNC的研究，主要集中在以下方向。首先，关于PNC的编码方式上的研究，包括卷积码，低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)，LDPC积累码等等。其次，关于PNC调制方法的研究，包括不同的调制方式，包括频移键控调制(Frequency-shift keying，FSK)，正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)等等。除此之外，还有关于PNC中同步问题，信道容量等问题的研究。

现有的关于PNC的研究大多数都是在高斯信道(additive white Gaussian noise,AWGN)下，并且PNC在高斯信道下具有优秀的性能。而在瑞利信道中，PNC将很难进行，而现有的解决方案是利用多天线***(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)。但是这样会浪费掉MIMO技术带来的自由度增益。不仅如此，在M(M>3)节点中继***中，包括M-1个用户节点和1个中继节点，此时PNC将很难实现异或(XOR)运算。

发明内容

本发明是要解决现有物理层网络编码在瑞利信道误码率高及在M(M>3)节点的中继***中，需要传输的时隙数量增多，***的吞吐量降低的问题，而提供了基于唯一可译码的中继转发方法。

基于唯一可译码的中继转发方法按以下步骤实现：

对于一个M节点的中继***，包括M-1个用户节点和一个中继节点，任意一个用户节点利用两个时隙通过中继节点获得其他任意用户节点所发送的信息；

其中，在第一个时隙中，所有M-1个用户节点将进行唯一可译码编码后的信息，发送给中继节点；

然后在第二个时隙中，中继节点经过判决和转发，把判决后的结果以广播的形式发送，每个用户节点通过把接收到的广播信息与唯一可译码的译码匹配，从而获得其余用户节点所发送的信息，即完成了基于唯一可译码的中继转发方法。

发明效果：

本发明针对多节点中继***中PNC的缺点，从编码的角度入手，将唯一可译码应用在物理层，通过在中继节点的数据信息，对不同用户终端进行映射，从而提高了***的吞吐量。不仅如此。本发明提出的基于唯一可译码的中继转发策略，即使在瑞利信道中，也有不错的误码率性能。

高斯信道下，本发明的信道容量，以M＝3时，当信噪比较大时(SNR>8dB)，相对于PNC将有着质的提升，将突破M＝3时，PNC的信道容量上限(0.5)，而采用性能更好的唯一可译码，甚至可以让信道容量的上界接近0.75。而当M>3时，利用唯一可译码的中继转发***，可以大幅度减少传输时隙，并且通过2时隙即可完成，大大提升了***的吞吐量。

本发明提出的基于唯一可译码的中继转发策略，在M＝3的情况下，时隙1成瑞利信道时，仍有可以接受的误符号性能，并且具有较好的信道容量，此时仍旧能突破PNC信道容量的理论上界0.5。

附图说明

图1是具体实施方式一中的M节点的中继***框图；

图2是具体实施方式二中的时隙1***框图；

图3是具体实施方式三中的时隙2***框图；

图4是具体实施方式二中的时隙1***流程图；

图5是具体实施方式三中的时隙2***流程图；

图6是仿真实验中误码率仿真图；

图7是仿真实验中吞吐量仿真图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于唯一可译码的中继转发方法按以下步骤实现：

对于一个M节点的中继***，包括M-1个用户节点和一个中继节点，任意一个用户节点利用两个时隙通过中继节点获得其他任意用户节点所发送的信息；

其中，在第一个时隙中，所有M-1个用户节点将进行唯一可译码编码后的信息，发送给中继节点；

然后在第二个时隙中，中继节点经过判决和转发，把判决后的结果以广播的形式发送，每个用户节点通过把接收到的广播信息与唯一可译码的译码匹配，从而获得其余用户节点所发送的信息，即完成了基于唯一可译码的中继转发方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一个时隙的执行步骤如下：

步骤一，所有M-1个用户节点，将用户节点的有效信息数据通过唯一可译码编码器，得到编码后的码字d₁,d₂,...,d_M-1；其中，所述每一个码字都是一个n维向量；

步骤二，将步骤一中得到的M-1个码字d₁,d₂,...,d_M-1，分别调制成s₁,s₂,...,s_M-1，其中s_i代表第一个时隙中，第i个用户发送的调制后的符号，其中，i＝1,2,...,M-1；

步骤三，将步骤二中的s₁,s₂,...,s_M-1分别经过信道h₁,h₂,...,h_M-1，在中继节点接收到信号r_R；

其中， $r_R=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\·h_i+w_R---\left(1\right)$

其中，所述w_R表示在第一个时隙内，中继节点处的高斯白噪声，并且w_R为n维向量；

所述信道h₁,h₂,...,h_M-1，如果h₁＝h₂＝…＝h_M-1＝1，那么在时隙1中，每个用户和中继节点的信道就是高斯信道；

如果信道h₁,h₂,…h_M-1都是服从独立同分布的瑞利分布，那么每个用户和中继节点的信道就是瑞利信道；

步骤四，将r_R通过中继节点的判决器判决为判决后的符号

步骤五，计算集合其中，h_i代表第一个时隙由第i个用户到中继节点的信道参数，s_i为一个n维向量，i表示第i个用户；

步骤六，判断是否属于R_Relay，如果是，则该时隙完成，如果否，则调至步骤三，将s₁,s₂,...,s_M-1分别经过信道h₁,h₂,...,h_M-1重新发送，在中继节点接收到信号r_R。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述第二个时隙的执行步骤如下：

步骤一，将通过中继节点以广播的形式通过信道h′₁,h′₂,…h′_M-1发送出去；其中，所述信道h′₁,h′₂,…h′_M-1，如果h′₁＝h′₂＝…＝h′_M-1＝1，那么第2个时隙中，中继节点和每个用户的广播信道就是瑞利信道；

如果信道h′₁,h′₂,…h′_M-1都是服从独立同分布的瑞利分布，那么第2个时隙中，中继节点和每个用户的广播信道就是瑞利信道；

步骤二，在所有的M-1个用户中，把接收到的广播信息r₁,r₂,...,r_M-1判决成其中，r_i代表在第二个时隙中，第i个用户接受到的信号，则r_i(1≤i≤M-1)为

$r_i=h_i^{\′}\·{\hat{s}}_R+w_i---\left(2\right)$

其中，w_i(1≤i≤M-1)为独立同分布的高斯白噪声，w_i，r_i均为n维向量；

表示在第二个时隙中，第i个用户接受到的信号r_i被判决后的结果；

步骤三，计算h′_i表示第二个时隙由中继节点到第i个用户信道；

步骤四，判断是否都在R_user中，如果是，进行步骤五，第二个时隙结束；否则，则调至步骤一,将通过中继节点以广播的形式重新发送；

步骤五，在M-1个用户节点上分别把通过唯一可译码编码器映射，译码成时隙二结束。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述唯一可译码编码具体为：

在M节点的中继***中，假设对于第i个用户(1≤i≤M-1)的唯一可译码字集合为C_i，并假设每个用户的码字集合中，有|C_i|个码字，每个码字长度均为n，由唯一可译码的定义可知，在第i个用户中，任取两个不同的码字u_i和u′_i，需要满足

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{u}_i\≠{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{u_i}^{\′}---\left(3\right)$

其中，公式(1)两端都是一个n维向量，并且向量为M进制；

令集合E，为M-1个用户节点的所有可能的长度为n的码字的按位做和的集合，集合E表示为其中i＝1,2,...,M-1，根据唯一可译码的定义，可知集合E中有个元素，每一个元素都为n维的M进制向量；

译码过程中如下，由于M-1个用户的唯一可译码的性质，已知任意的M-1个码字的和，就可以唯一地映射成这M-1个码字，即唯一可译码的译码方式是根据码字的和向量，通过映射，还原出M-1个码字。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述第一个时隙的执行步骤二中调制方式如果是BPSK，那么

s_i＝2·d_i-I,(i＝1,2,...,M-1)   (4)

其中，I为n维全1向量即I＝(1,1,...,1)。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述判决为硬判决或是软判决。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

仿真实验：

(一)高斯信道

在高斯信道下，仿真参数如表1所示。

表1高斯信道仿真参数

此时的R_Relay为{(-2,-2),(0,0),(-2,0),(0,2),(0,-2),(2,0)}。同理可求，此时的R_user为{(-2,-2),(0,0),(-2,0),(0,2),(0,-2),(2,0)}。误码率仿真和信道容量的仿真的结果分别如图6和图7所示。

从图6和图7所示，在高斯信道下，虽然，本发明提出的基于唯一可译码的中继转发策略的误符号性能略差于PNC。但是本发明的信道容量，当信噪比较大时(SNR>8dB)，相对于PNC将有着质的提升，将突破M＝3时，PNC的信道容量上限(0.5)。而采用性能更好的唯一可译码，甚至可以让信道容量的上界接近0.75。

(二)瑞利信道

在瑞利信道下，仿真参数如表2所示。

表2瑞利信道仿真参数

为了方便表示，不妨令x＝h₁+h₂，y＝h₁-h₂。此时的R_Relay为{(-x,-x),(y,y),(-x,-y),(y,x),(-y,-x),(x,y)}。同理可求，此时的R_user为{(-x,-x),(y,y),(-x,-y),(y,x),(-y,-x),(x,y)}。误码率仿真和信道容量的仿真的结果分别如表3所示。

表3本仿真实验瑞利信道下性能

从表3中可以看出，本发明提出的基于唯一可译码的中继转发策略，在M＝3的情况下，时隙1成瑞利信道时，仍有可以接受的误符号性能，并且具有较好的信道容量，此时仍旧能突破PNC信道容量的理论上界0.5。

综上，本发明提出的基于唯一可译码的中继转发策略可以应用在M节点的中继***中，大幅度提升***的吞吐量，并且保证误码率在可以接受的范围之内。

Claims (6)

1.基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于基于唯一可译码的中继转发方法按以下步骤实现：

对于一个M节点的中继***，包括M-1个用户节点和一个中继节点，任意一个用户节点利用两个时隙通过中继节点获得其他任意用户节点所发送的信息；

其中，在第一个时隙中，所有M-1个用户节点将进行唯一可译码编码后的信息，发送给中继节点；

然后在第二个时隙中，中继节点经过判决和转发，把判决后的结果以广播的形式发送，每个用户节点通过把接收到的广播信息与唯一可译码的译码匹配，从而获得其余用户节点所发送的信息，即完成了基于唯一可译码的中继转发方法。

2.根据权利要求1所述的基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于所述第一个时隙的执行步骤如下：

步骤一，所有M-1个用户节点，将用户节点的有效信息数据通过唯一可译码编码器，得到编码后的码字d₁,d₂,...,d_M-1；其中，所述每一个码字都是一个n维向量；

步骤二，将步骤一中得到的M-1个码字d₁,d₂,...,d_M-1，分别调制成s₁,s₂,...,s_M-1，其中s_i代表第一个时隙中，第i个用户发送的调制后的符号，其中，i＝1,2,...,M-1；

步骤三，将步骤二中的s₁,s₂,...,s_M-1分别经过信道h₁,h₂,...,h_M-1，在中继节点接收到信号r_R；

其中， $r_R=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\·h_i+w_R---\left(1\right)$

其中，所述w_R表示在第一个时隙内，中继节点处的高斯白噪声，并且w_R为n维向量；

所述信道h₁,h₂,...,h_M-1，如果h₁＝h₂＝…＝h_M-1＝1，那么在时隙1中，每个用户和中继节点的信道就是高斯信道；

如果信道h₁,h₂,…h_M-1都是服从独立同分布的瑞利分布，那么每个用户和中继节点的信道就是瑞利信道；

步骤四，将r_R通过中继节点的判决器判决为判决后的符号

步骤五，计算集合其中，h_i代表第一个时隙由第i个用户到中继节点的信道参数，s_i为一个n维向量，i表示第i个用户；

步骤六，判断是否属于R_Relay，如果是，则该时隙完成，如果否，则调至步骤三，将s₁,s₂,...,s_M-1分别经过信道h₁,h₂,...,h_M-1重新发送，在中继节点接收到信号r_R。

3.根据权利要求1或2所述的基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于所述第二个时隙的执行步骤如下：

步骤一，将通过中继节点以广播的形式通过信道h′₁,h′₂,…h′_M-1发送出去；其中，所述信道h′₁,h′₂,…h′_M-1，如果h′₁＝h′₂＝…＝h′_M-1＝1，那么第2个时隙中，中继节点和每个用户的广播信道就是瑞利信道；

如果信道h′₁,h′₂,…h′_M-1都是服从独立同分布的瑞利分布，那么第2个时隙中，中继节点和每个用户的广播信道就是瑞利信道；

步骤二，在所有的M-1个用户中，把接收到的广播信息r₁,r₂,...,r_M-1判决成其中，r_i代表在第二个时隙中，第i个用户接受到的信号，则r_i(1≤i≤M-1)为

$r_i=h_i^{\′}\·{\hat{s}}_R+w_i---\left(2\right)$

其中，w_i(1≤i≤M-1)为独立同分布的高斯白噪声，w_i，r_i均为n维向量；

表示在第二个时隙中，第i个用户接受到的信号r_i被判决后的结果；

步骤三，计算h′_i表示第二个时隙由中继节点到第i个用户信道；

步骤四，判断是否都在R_user中，如果是，进行步骤五，第二个时隙结束；否则，则调至步骤一,将通过中继节点以广播的形式重新发送；

步骤五，在M-1个用户节点上分别把通过唯一可译码编码器映射，译码成时隙二结束。

4.根据权利要求3所述的基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于所述唯一可译码编码具体为：

在M节点的中继***中，假设对于第i个用户(1≤i≤M-1)的唯一可译码字集合为C_i，并假设每个用户的码字集合中，有|C_i|个码字，每个码字长度均为n，由唯一可译码的定义可知，在第i个用户中，任取两个不同的码字u_i和u′_i，需要满足

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{u}_i\≠{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{u_i}^{\′}---\left(3\right)$

其中，公式(1)两端都是一个n维向量，并且向量为M进制；

令集合E，为M-1个用户节点的所有可能的长度为n的码字的按位做和的集合，集合E表示为其中i＝1,2,...,M-1，根据唯一可译码的定义，可知集合E中有个元素，每一个元素都为n维的M进制向量；

译码过程中如下，由于M-1个用户的唯一可译码的性质，已知任意的M-1个码字的和，就可以唯一地映射成这M-1个码字，即唯一可译码的译码方式是根据码字的和向量，通过映射，还原出M-1个码字。

5.根据权利要求2所述的基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于所述第一个时隙的执行步骤二中调制方式如果是BPSK，那么

s_i＝2·d_i-I,(i＝1,2,...,M-1)   (4)

其中，I为n维全1向量即I＝(1,1,...,1)。

6.根据权利要求4所述的基于唯一可译码的中继转发方法，其特征在于所述判决为硬判决或是软判决。