专利名称：多个节点的无线协作中继网络中的信息通信系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及无线通信网络，更具体地说，涉及在协作中继网 络和多跳网络中的通信。
背景技术：
协作中继网络
在常规中继网络中，数据包经由单个路径并可能通过中继节点以多 个连续跳跃从源节点发送到目的节点。
在协作中继网络中，无线节点在并行发送数据包时彼此协作。通过 利用无线信道的同时到达多个中继节点的广播特性，并通过使这些中继 节点能够协作，可以减少将包从源节点递送到目的节点时的功耗。这还
能够显著提高总吞吐量和功率效率二者的增益，参见A. Nosratinia, T. Hunter禾卩A. Hedayat的"Cooperative communication in wireless networks", IEEE Communications Magazine, vol.42 ， pp. 68-73， 2004; A. Sendonaris ， E. Erkip禾口 B. Aazhang的"User cooperation diversity-Part I: System description", IEEE Transactions on Communications, vol. 51 ， pp. 1927-1938， 2003; A. Jardine ， S. McLaughlin禾口 J. Thompson的"Comparison of spacetime cooperative diversity relaying techniques", Proc. IEEE VTC 2005-Spring， pp. 2374-2378， 2005; J.N. Laneman， D.N.C.Tse， A. Stefanov和E. Erkip 的"Cooperative coding for wireless networks", IEEE Trans. Commun.， pp. 1470—1476， 2004年9月；以及G W. Wornell的"Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and' outage behavior " ， IEEE Transactions on Information Theory, vol. 50， pp. 3062-3080, 2004。
协作中继网络对于低成本、低功率、低复杂度的传感器网络很有用。 如果节点由电池供电，则最小化功耗很重要。最小化总发送时间是最小
化功耗的一种方式。
典型地，源节点并行地使用几个中间中继节点，将数据包并行发送
到目的节点，参见A. Wittneben， I, Hammerstroem和M. Kuhn的"Joint cooperative diversity and scheduling in low mobility wireless networks", IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM), vol. 2， pp. 780-784， 2004; A.E. Khandani, J. Abo腿di， E. Modiano禾口 L. Zheng的 "Cooperative routing in wireless networks" ， Allerton Conference on Communications, Control and Computing, 2003; 以及B. Rankov禾卩A. Wittneben的"Distributed spatial multiplexing in a wireless network", The Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers， pp. 1932-1937， 2004。
协作波束赋形也被称为分布式波束赋形，参见G. Barriac， R. Mudumbai禾口 U. Madhow的"Distributed Beamforming for Information Transfer in Sensor Networks", IPSN2004, pp. 81-88, 2004。描述了使用 来自主中继节点的触发脉冲机制来实现中继节点之间的同步的机制。分 析了协作错误的效果。然而，他们没有考虑任何中继选择或中断(outage)。 也没有考虑从源节点到目的节点的总功耗。
J. Luo， R. S. Blum, L J. Cimini， L J. Greenstein禾口 A. M. Haimovich 的"Link-Failure Probabilities for Practical Cooperative Relay Networks", IEEE Globecom 2005中描述了四种简单的中继选择标准。这些标准中的 两个"预选一个中继"和"最佳选择中继"基于平均信道增益而选择单 个最佳中继，而在其余两个标准"简单中继"和"ST编码中继"中，选 择对来自源节点的数据进行解码的所有中继。在"简单中继"中，中继 节点不对其相位进行同步，而在"ST编码中继"中，使用分布式空时码。 也描述了以上方案的混合。
在Z. Lin和E. Erkip的"Relay Search Algorithms for Coded Cooperative Systems",正EE Globecom， 2005中描述了用于基于节点之间 的平均距离或路径损失、帧错误概率以及成对码字错误概率来选择单个 中继节点的搜索算法。
Khandani等描述了 一种局限于具有相位补偿的加性白高斯噪声 (AWGN)信道的模型。该模型没有考虑动态衰落(fading)引起的信道 变化、中断或中继节点之间的协作所需的开销。
以上Laneman等和Rankov等假设了在发送器处的信道状态信息 (CSI)为已知。然而，他们没有考虑获得CSI的成本。Wittneben等只 考虑了放大转发(amplify-and-forward)，其同样忽略了获得CSI的成本， 也参见M. M. Abdallah禾卩H. C. Papadopoulos的"Beamforming algorithms for decode-and-forward relaying in wireless networks", Conference on Information Sciences and Systems ， 2005 。
如果中继节点没有CSI，则接收器至多能够例如通过空时编码而累 积来自各种中继节点的互信息，参见Luo等和Jardine等的文献。以下文 献描述了当链路以给定信噪比运行时对这种中继方案的中断分析Y. Zhao, R. Adve禾卩T. J. Lim的"Outage probability at arbitrary SNR with cooperative diversity",正EE Communications Letters, pp. 700-702, 2005; 以及A. Khisti ， U. Erez和G Wornell于2006年投给IEEE Trans. Information Theory 的 "Fundamental limits and scaling behavior of cooperative multicasting in wireless networks ，，。
以下文献描述了对于多播和单播分析也假设了互信息累积I. Marie 禾口 R. D. Yates的"Cooperative multihop broadcast for wireless networks", IEEE J. Selected Areas Comm., pp. 1080-1088， 2004;以及I. Marie和R. D. Yates的"Cooperative multicast for maximum network lifetime", IEEE J. Selected Areas Comm. ， pp. 127-135， 2005。
无比率码(Rateless code)
开发无比率码来处理在发送之前接收器和发送器不知道信道统计数 据的通信情况。在这种情形下，使用对于信道噪声而言过弱的标准块纠 错码会导致不可靠的通信，而使用对于信道噪声而言过强的块纠错码则 不很经济。
无比率码解决了这一问题。不是象标准块纠错码中那样将信息比特 编码为预定数量的比特，而是发送器将信息比特编码为可能无限的比特
流并开始发送这些比特。在接收器接收到足够数量的比特之后，接收器 能够对信息比特进行解码，并且所发送比特的数量是对于信道有效率的。
无比率码在编码理论中具有很长的历史。例如，在1974年， Mandelbaum描述了打孔(puncturing)低速率块码来构造这样的系统参 见D, M. Mandelbaum的"An Adaptive-Feedback Coding Scheme Using Incremental Redundancy", IEEE Transactions on Information Theory, vol.20， pp. 388-389， 1974年5月。可以应接收器的请求而通过发出先前 己经打孔的比特来发送附加比特。Manddbamn在其方案中使用 Reed-Solomon码，而其他人研究了基于低速率巻积码和turbo码的类似系 统，参见J. Hagenauer的"Rate-compatible Punctured Convolutional Codes and their Applications", IEEE Transactions on Communications, vol. 36， pp.389-400， 1998年4月;以及C. F. Leanderson， G Caire和O. Edfors 的"On the Performance of Incremental Redundancy Schemes with Turbo Codes", Proc. Radiovetenskap och Kommunikation, pp. 57-61， 2002年6 月。
无比率码最初是针对删除信道(erasure channel)设计，但其针对 AWGN信道的性能很好，参见O. Etasami， M. Molkaraie和A, Shokrollahi 的"Raptor codes on symmetric channels", Proc. Int. Symp. Information Theory, pp. 38， 2004;以及R. Palanki和J, Yedidia的"Rateless codes on noisy channels", Proc. Int. Symp. Information Theory, pp. 37， 2004。
还针对类似有线以太网的应用以及针对无线网络中点对点、广播和 多点传输应用而使用无比率码，参见J. Castura和Y. Mao的"Rateless coding over fading channels", IEEE Communications Letters, vol. 10， pp. 46-48， 2006;以及H. Jenkac禾口 T. Stockhammer的"Asynchronous media streaming over wireless broadcast channels", IEEE Int. Conf. Multimedia and Expo2005， pp. 1318-1321， 2005。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种用于多个节点的协作中继网络的系统
和方法。协作网络包括一个源节点、多个中继节点和一个目的节点。使 用无比率码将码字编码为数据流。将数据流从源节点广播到中继节点。 中继节点将数据流转发到目的节点。随后目的节点能够累积互信息，而 诸如重复或协作空时码的常规能量收集方法仅累积能量。
通过使用无比率码，减少了总发送时间以及将码字从源节点发送到 目的节点可能需要的总功率。
在本发明的一个实施方式中，在预定数量的中继节点对码字成功解 码之后，源节点停止发送而中继节点开始发送。该方法能够对该数量进 行优化，从而使发送时间或总功耗尽可能小。
在另选实施方式中，只要每个中继节点已对码字进行了解码，就与 其他中继节点的状态无关地开始向目的节点进行发送。这还因为中继节 点的发送能够被其他中继节点接收而减少了总功耗，并且帮助了那些在 对其码字解码时仍然处于接收模式的其他中继节点。
图1和图2是根据本发明实施方式的协作中继网络的图3表示根据本发明一个实施方式的协议的广播步骤；
图4表示根据本发明一个实施方式的协议的确认步骤；
图5表示根据本发明一个实施方式的协议的结束步骤；以及
图6表示根据本发明一个实施方式的同步协议的发送步骤。
具体实施例方式
图1和图2示出了根据本发明实施方式的协作中继网络100和200。 协作中继网络IOO包括源节点111、 一组N个中继节点121-124、以及目 的节点131，即分别是源节点、中继节点和目的节点。还应当理解，可以 通过如图2所示多个中继"跳跃"而使用本发明的实施方式。在此情况 下，中继节点125也充当针对"中间"中继节点126的"源节点"。该方 案可以扩展到附加的多跳。以下描述是指单跳的情况，但是以下描述的 所有方法对于包括中间中继节点的情况同样有效。 希望最小化在发送数据包时协作中继网络中的发送时间和/或功耗， 可能受到关于中断的限制，其中将中断定义为在预定时间内或在预定能 量内没有成功发送。
源节点将码字经由一组N个并行中继节点发送到目的节点。例如， 码字可以是数据字节(信息)文件。中继节点使用解码转发技术。码字
具有以缩放的(scaled) nat/Hz给出的、带宽归一化的大小为"。酬的熵， 其中nat是以自然单位(即，欧拉常数，2.71...)的信息量。
源节点以及中继节点使用无比率码对码字进行编码。所有节点以半 双工模式操作，即， 一个节点可以发送或接收，但是不能同时发送和接 收。
以下，我们允许利用直接序列频谱扩展技术进行发送。这种方法允 许以灵活和分散(decentralized)的方式发送不同的数据流，并且在接收 器能够区分这些数据流，所以对中继网络很有用。所有节点的发送功率 是Pt。将节点之间的传播信道建模为频率平坦性(frequency-flat)的分组 衰落(block fading)信道。与振幅的Rayleigh衰落对应，信道增益是独 立指数分布。同样，应当注意进行这些假设只是为了提供示例，并且可 以结合我们的方法而使用可能随剩余电池寿命、平均信道状态或瞬时信 道状态而变化的不同多址接入方案、以及针对不同节点的不同发送功率。
我们的接收器是互信息累积接收器。这些接收器可以区分可能同时 到达的来自不同中继节点的各种信息流。例如，接收器可以使用多用户 检测来区分不同的无比率码。在CDMA系统中，当数据流以大于码片持 续时间的相对延迟到达时，接收器可以对所接收的来自不同中继节点的 数据流进行处理。另选地，我们也可以使用空时码或协作波束赋形进行 发送。
接收器包括无比率码解码器，从而能够区分来自不同中继节点的数 据流，并能够累积从中继节点发送的信号的互信息。在用于CDMA系统 的本发明的一个实施方式中，不同的节点使用不同的扩频码，以使目的 节点对不同的数据流进行分离并提取包含在这些数据流中的信息。然而， 不同的扩频码并不总是必须的。例如，当所有中继节点使用相同无比率
码并且将它们的信号同时发送到目的节点时，可以使用相同的扩频码。 准同步发送
如图3所示，使用无比率码311和可选的扩频码312对码字301进 行编码(310)以产生数据流320。码字301可以是比特或"信息"的任 何任意累积集合。源节点(S) 325将目的节点(D) 327待接收的数据流 广播(330)到一组中继节点(R) 326。数据流的广播可以是包的形式。
如图4所示，每个中继节点在已经累积了对数据流进行解码以将该 码字恢复的足够的互信息时向源节点发回表示成功接收的确认(ACK) 400。
在源节点接收到预定数量的确认400之后，源节点可能在通知中继 节点将要结束来自该源节点的广播之后结束该广播。
同时，中继节点将恢复的码字重新编码为数据流，并从接收切换到
发送。对于该第二阶段，我们考虑两种情况
首先，所有的中继节点发送利用相同的无比率码编码的数据流410。 该无比率码可以与源节点使用的无比率码相同。由于来自随机设置的中 继节点的发送中固有的延迟差异，因此数据流以稍微不同的延迟到达目 的节点。以下，我们假设那些延迟大于码片持续时间而比符号持续时间 小得多。可以在具有大扩频因子的直接序列CDMA系统中实现该假设。 目的节点能够累积从中继节点接收的数据流的互信息。
第二，每个中继节点使用不同的无比率码和不同的扩频码来发送数 据流410。在这种情况下，目的节点可以通过不同中继节点的不同扩频码 而区分来自这些中继节点的信号，并且累积互信息。应当注意，目的节 点也可以使用由源节点广播的数据流309。
如图5所示，在以上任一情况下， 一旦在目的节点已成功解码了由 中继节点并可能由源节点发送的数据流从而恢复了码字时，目的节点就 向中继节点甚至可能向源节点广播要结束发送的信号500。
直观地，对于在具有删除概率A的删除信道上使用两个中继节点的
二进制信令的简单示例，最容易理解使用单个无比率码和多个无比率码 二者之间的差异。如果中继节点使用相同的无比率码，则将以概率^删 除每个比特，所以每个中继节点发送有效地接收1-乂比特。
另一方面，如果使用两个不同的无比率码，则发送是独立的，并且 每个中继节点发送会接收2 (1- A)比特。注意这两个协议所需的接收
器的复杂度没有显著差异。如果接收器中模数转换器(ADC)的采样率
与符号率相同，则这两个接收器需要丄个相关器。在第一种情况下，所
有的相关器形成与相同扩频序列的相关，并根据最大比(maximum-ratio) 合并将这些结果相加。
另选地，接收器可以只使用单个相关器，在每个符号持续时间期间 对其输出采样L次。这避免了一些硬件复杂度。然而，信号可以从不同 的中继节点以不规则的间隔到达，因此需要ADC能够以码片速率进行采 样。ADC的该快速釆样使功耗显著增大，因此对电池供电的传感器网路 应用可能是不理想的。
在第二情况下，每个相关器用于检测来自 一个不同的中继节点的信 号。主要差异在于解码器，如果使用多个无比率码，则解码器更复杂。 因为第二方法对于一个码字的发送而用完了多个扩频码，所以虽然提高 的编码增益部分地补偿了该效果，但是其频谱效率更差。
还要注意，也可以使用第一情况与第二情况的组合。
异步发送
通过如上所述准同步发送，中继节点仅接收由源节点广播的数据流。 然而，当我们使用无比率码时，中继节点也可以"帮助"其他中继节点 更快地解码数据流，从而加快了发送处理并由此减少了功耗。该想法是 在中继节点接收到用于对码字进行解码的足够信息时，中继节点开始将 重新编码的数据流发送到目的节点。该发送可以由仍然处于接收模式的 其他中继节点来接收。因此，处于发送模式的中继节点帮助仍然在接收 的中继节点更快地对数据流进行解码。即，其他中继节点对广播数据流 和重新编码的数据流进行解码。
如图3所示，源节点通过使用分配的扩频码和无比率码将数据流广 播到所有的中继节点而开始。
所有中继节点连续地累积互信息。当利用给定扩频码的发送开始时，
源节点发出信号以避免接收器不必要地接收噪声。源节点如图4所示地 停止发送。
如图6所示，在中继节点具有对码字进行解码的足够信息时，其从 接收模式切换到发送模式。中继节点使用为其分配的扩频码和无比率码
重新发送作为数据流601的码字。因为处于接收模式的中继节点同时观 察所有的扩频码，所以它们可以接收来自源节点的数据流330和正在从 中继节点发送到目的节点的数据流602，并累积来自所有这些节点的互信 息，以更快地对数据流进行解码。
目的节点连续地接收针对不同中继节点的所有数据流，并因此而累 积来自各种中继节点的信息。如上所述，目的节点也可以使用从源节点 直接接收的分支(contribution) 309。
如图5所示， 一旦在目的节点已经成功对源数据流进行了解码以恢 复码字时，其向中继节点并且还可能向源节点广播要结束发送的信号 500。
我们假设发送一直持续到目的节点已经成功恢复了码字。如果源节 点对中继节点进行监控，则能够节省一些功率，并且在所有的中继节点 都处于发送模式时就停止发送。
发明效果
本发明的实施方式提供了在使用准同步和异步协议的协作中继网络 中使用无比率码的方法。在准同步情况下，所有中继节点同时从接收模 式切换到发送模式，而在异步情况下，每个中继节点在其已经对源数据 流进行了解码时就切换到发送模式。
对于同步发送，对于应当发送信息的中继节点数量存在独特的最优 值，以最小化总功耗。该最优值典型地位于丄=2至4附近。并且，异步 协议可以进一步降低功率，并且，特别地是减少总发送时间。
对于准同步方案，如果发送器知道信道增益，则能够在没有无比率 码的情况下实现相同的性能。发送器可以只使用特别适用于在理想链路 上可用的信道增益的实现了极限容量(capacity-achieving)的编码。然而， 注意，在这种情况下，需要所有信道增益对各发送器的反馈，对于下行
链路部分，其与通知中继节点成功解码的单个比特相比频谱效率要差。 对于异步方案，因为无比率码使得"更好的"中继节点能够帮助"更弱 的"中继节点对码字进行恢复，所以无比率码具有独特的优点。
直到接收到所有的经编码信息比特时，来自中继节点的例如LDPC 码的常规的实现了极限容量的码的发送才会帮助其他的中继节点进行解
码。此处所述的方法可以扩展到如图2所示的多跳中继网络。
虽然以优选实施方式为例描述了本发明，但是应当理解可以在本发 明的精神和范围内做出各种其他修改和变型。因此，所附的权利要求的 目的是涵盖落入本发明的真正精神和范围的所有这种修改和变型。
权利要求
1、一种在多个节点的无线协作中继网络中进行信息通信的方法，这些节点包括一个源节点、一组中继节点和一个目的节点，该方法包括以下步骤使用无比率码将码字编码为数据流；从所述源节点对所述数据流进行广播；在该组中继节点的每个中继节点中接收所述数据流；在每个中继节点中对接收的所述数据流进行解码以恢复所述码字；在每个中继节点中利用所述无比率码将恢复的所述码字重新编码为所述数据流；将重新编码的所述数据流从每个中继节点发送到所述目的节点；在所述目的节点中接收重新编码的所述数据流；以及在所述目的节点中对重新编码的所述数据流进行解码以恢复所述码字。
2、 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤 使用扩频码对所述码字进行编码和重新编码。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述码字是任意累积的比特。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中将所述数据流作为包而广播。
5、 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤 在已经恢复了所述码字之后，从每个中继节点向所述源节点发送一个确认。
6、 根据权利要求5所述的方法，该方法还包括以下步骤 在所述源节点已经接收到预定数量的确认之后结束所述广播。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中每个中继节点进行所述重新编 码时使用的无比率码与所述源节点进行所述编码时使用的无比率码相 同。
8、 根据权利要求2所述的方法，其中每个中继节点使用的无比率码 不同，并且每个中继节点使用的扩频码不同。
9、 根据权利要求2所述的方法，其中每个中继节点使用的无比率码 不同，而所述目的节点使用多用户检测来区分这些不同的无比率码。
10、 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤 一旦在所述目的节点已经恢复了所述码字时，从所述目的节点广播用于结束发送的信号。
11、 根据权利要求1所述的方法，其中在所有的所述中继节点已经 恢复了所述码字之后，该组中继节点发送经重新编码的所述数据流。
12、 根据权利要求1所述的方法，其中每个中继节点在已经恢复了所述码字时就开始发送经重新编码的所述数据流，该方法还包括以下步骤在该组中继节点的其他中继节点中，接收经重新编码的所述数据流 和由所述源节点广播的所述数据流，并对广播的所述数据流和重新编码 的所述数据流进行解码以恢复所述码字。
13、 根据权利要求1所述的方法，其中一旦当所有的所述中继节点 都在发送时，所述源节点结束发送。
14、 根据权利要求1所述的方法，其中多跳中继网络中的中间中继节点是中间目的节点，该方法还包括以下步骤将所述数据流从所述源节点广播到所述中间目的节点；以及 从所述中间目的节点转发到所述目的节点。
15、 一种在多个节点的无线协作中继网络中进行信息通信的系统，该系统包括用于使用无比率码将码字编码为数据流的装置； 被构造成对所述数据流进行广播的源节点；一组中继节点，每个中继节点被构造成对所述数据流进行接收并解 码以恢复所述码字，每个中继节点进一步被构造成利用所述无比率码将 恢复的所述码字重新编码为所述数据流并进行发送；以及目的节点，其被构造成接收并解码被重新编码的所述数据流以恢复 所述码字。
全文摘要
一种用于在多个节点的无线协作中继网络中进行信息通信的系统和方法，这些节点包括源节点、一组中继节点和目的节点。源节点对使用无比率码编码为数据流的码字进行广播。中继节点接收所述数据流、对所述数据流进行解码以恢复所述码字、并利用无比率码将恢复的所述码字重新编码为所述数据流并进行发送。所述目的节点接收并解码经重新编码的所述数据流以恢复所述码字。
文档编号H04L1/00GK101361296SQ200780001598
公开日2009年2月4日 申请日期2007年2月26日 优先权日2006年3月16日
发明者乔纳森·S·叶迪达, 内莱士·B·梅赫塔, 安德里亚·F·莫利萨奇, 张锦云 申请人:三菱电机株式会社