专利名称：无线多跳级联自适应网络编码协作方法
技术领域：
本发明涉及的是无线多跳网络中的一种网络编码方法。特别是基于中继的协作分集无线 通信系统中的多跳网络编码协作技术。
背景技术：
网络编码是一种协同技术与编码技术的有机结合，是一种强调节点之间相互合作的理 念，它从网络信息论的角度出发，将这种节点合作编码的概念应用到整个通信网络，以提高 网络的整体性能。网络编码的思想是允许中继节点处的简单的编码能力，这样可以提升网 络容量。目前通过对网络编码的理论研究和仿真实现，已经显示网络编码在网络传输中的优 势，它不仅可以提高网络流量，还在信息可靠性、安全性等方面有极大的应用。
网络编码允许网络中的节点将接收到的信息进行编码后再转发出去，从而提高无线网络 的传输性能，主要应用在组播场景。当一个或几个节点同时向若干个其他节点发送数据时,往 往要借助其他节点的传递，网络编码允许中继节点对接收到的信息进行编码,并将接收到的多 个数据包按照某种特定算法重新组合再发送出去。.网络编码技术从有线网络到无线多跳通信 网络的扩展见图1。
图1中左图箭头代表有向链路,假设每条链路的容量为1，节点1将bl和b2两个bit信息 分别传送给节点6和7，若采用传统的通信方式，将在中间节点4和5之间产生排队时延。而 采用图中所示的简单编码策略会使带宽效率更高，节点4将接收的两个bit异或后转发,接收 节点6将接收到bl和bl④b2,解码即可恢复出b2，同理节点7也可收到完整信息。
将其推广到无线多跳通信领域中'，如图1的右图所示,引入传输半径的概念(以节点为中心 的虚线圈表示)，通过在节点4进行的编码和两个接收节点的解码,在接收完整信息的同时，提高 了传输效率。
在无线网络中，基于中继的协作分集系统采，单独的中继天线对用户数据进行中继，从 而获得空间分集增益；用户协同分集系统是通过用户终端相互作为中继，在没有增加设备复 杂度与设备量的条件下实现用户终端的分集接收从而获得空间分集增益。研究显示，将网络 编码应用于基于中继的无线系统和用户协同的无线网络都将会产生很好的分集性能。由于基 于中继的协作分集己经在一些无线通信标准中出现，且更容易与现有的通信兼容，因此更具 有应用价值，本发明中以基于中继的无线协作分集为研究对象，研究了多跳网络中的一种实 用的网络编码方法。故在本发明中的无线多跳网络模型中，每一级的传输模型都由源端、中
3继天线和目的端构成。
发明内容
网络编码方案可分为线性和非线性两种，其中线性方法的编码和解码相对简单,因此，一 般都倾向于采用线性方法。在有向网络中，如果一个网络编码问题有解，则一定有线性解。从 理论上保证了线性算法的有效性。线性组合要求网络节点具有更高的计算能力，然而根据摩尔
定律，随着处理成本的降低，网络的瓶颈逐渐转向业务所需的更高的带宽支持和QoS保证。线性 网络编码是将节点传送信息线性映射到一个有限域内，利用线性关系实现编译码过程。假设每 个信息数据包长为L bit,当它与要组合的数据包长度不同时，较短的信息附加额外一串O,将
包中的每s个连续的比特组成&S域上的一个符号,则一个包中包含L/s个符号。在线性编码下，
运用乘法和加法运算，使从节点发送出去的数据为该节点接收到信息的线性组合。
为了对网络编码技术进行深入的理论研究，需要将其抽象成有效模型，利用图论、矩阵 论、信息论等基础理论研究编码问题和进行相应的性能评估。网络编码的一般研究思路为 首先将实际研究网络的拓扑结构抽象成图，从图论角度得到相应的研究结论;然后一方面将其 进一步抽象成代数实现,用更深入的数学理论进行问题求解，另一方面进行相应的计算机模拟 仿真，通过仿真得到的性能结果来评估无线通信网络编码技术的性能。 1.基于网络编码的拓扑图与LDPC码的即时匹配
图2是一个基于中继的协作分集无线通信系统模型，包括基站，中继和终端三部分。这 里讨论的是终端作为源端，基站作为目的端时的情况，即从终端用户向基站发送数据时的情 况。这种数据在网络中传输时形成的网络拓扑图可以看成是一种稀疏图码，只要知道了这个 拓扑图就可以根据基于图的置信传播译码算法在基站将用户数据恢复。因此这种网络编码的 关键是建立拓扑图与稀疏图(或检验矩阵)的对应关系。
以图2所示的协作分集无线系统为例，其校验矩阵H的结构如图3。此矩阵由左边的稀疏 阵P和右边的单位阵I合并构成。P中的行数等于中继点个数；P的列数等于终端的个数。P 中第i行第j列如果是1则表明第i个中继所中继的数据包含第j个终端的数据内容。P的每
行中1的分布是随机的。并且每行的1的个数为一个预先设定好的参数A。这种基于图的码
可以与即时网络拓扑相匹配，由于网络中的终端数目多，因此每个中继都可以从中选择合适 的终端数据进行网络编码并进行前传。因此基站在某一个时刻接收到的数据之间的关系可以 用一个LDPC码来表示，经过LDPC码的译码就可以将多个用户终端的数据进行恢复。这种 方法对同步的要求较弱，可以根据拓扑连结情况实时建立码图并进行译码，因此称为自适应 网络编码。2. 无线多跳系统模型与级联网络编码分'集
图4给出了一个两层架构的多跳级联网络模型。第一层由K2个簇组成，每簇中含有K,个
源端、！^个中继以及一个目的端。第二层以第一层中的K^个目的站作为源端，并含有112个 中继以及一个目的端。
每一簇的簇头iV,(目的端)通过联合所有的信息位和此簇中的中继生成的奇偶校验位组 建一个(《+《，《)的外码C;。如果簇头解码正确，它将广播此外码到112个二层中继以及节 点A^。如果至少其一簇头解码失败，则相应的外码不会被前传到i^并且i^处将在宣布节点 解码失败的报告。 一旦所有簇头解码正确，112个二层中继中的每一个存储所有从个簇头传来 的带噪声的外码于一个(《+及^x/^的矩阵中。然后，用矩阵的每一行来生成内码q的校验 位。然后，内码将由中继传到目的端A^。 A^利用q和G来解码。这个模型可以扩展到n级 的级联。
这种级联的网络编码在无线多跳网络中可以获得更高的分集增益。但是当采用固定的内 码和外码时，对网络的拓扑结构要求较高，对于动态的无线网络实用性差。因此本发明提供 了一种自适应的多跳无线网络中的网络编码方法，给出了与之匹配的LDPC码的校验矩阵。
3. 与无线多跳网络相匹配的级联自适应网络编码分集
自适应网络编码的关键是建立与之相匹配的yDPC码的校验矩阵。图5是一个n级网络 的校验矩阵的基本结构。其中，子矩阵1的结构见图6所示，其中w...mA表示信息位，
表示校验位。子矩阵l的左边部分的各LDPC阵是《x《的矩阵，右边部分的对角阵是一个
(《xA)x(/ ,x^)的矩阵。而图7给出了子矩阵2的结构其中奇数序号的子部分由^x^
对角阵和零阵构成，偶数序号的子部分由《x《的对角阵和零阵构成。奇数序号的子部分和
偶数序号的子部分中对角阵的分布情况是一一对应的，这是由外码的构造决定的。每个子部 分的对角阵的个数是一个预先设定的参数A，且各子部分的对角阵是随机分布的。对角子阵
的每两列(序号为奇、偶先后顺序)表示第二层中继的某个中继的校验位信息。
4. 级联自适应网络编码的译码 与级联自适应网络编码相匹配的校验矩阵是一种低码率的LDPC码。因此在基站可以采用
LDPC的常用译码方法——置信传播译码。该方法是一种近似的最大似然译码，可以获得很
5高的编码增益，同时由于它可以并行实现，因此复杂度低，是目前信号处理领域的研究热点。
图1是网络编码技术从有线网络到无线网络的扩展。 图2是带网络编码的分布式无线中继系统。 图3是分布式无线系统的校验矩阵的一般表示。 图4是一个两层中继架构的多跳级联网络模型。 图5是图4所示系统的校验矩阵的结构分块。
图0是图4所示系统的第一层中继系统的校验矩阵即子矩阵1的结构。 图7是子矩阵2的结构图。
图8是在《=4，^ =2，《2 =4，i 2 =2，A =D2 =2的情况时，子矩阵1的一个示例。
图9是在《=4,& = 2，《2 = 4,及2 = 2, A = ￡>2 = 2的情况时，子矩阵2的一个示例。
图10是在尺,-4,i ,-2，K^4，及2-2，A-A-2的情况时，系统对应的校验矩阵的一个示例。
具体实施例方式
在《-4，A-2，A-4，i 2-2，D,Z)2-2的情况时，我们来实现校验矩阵。我们按照
信号从源端到目的端这样的时间顺序来进行。首先，我们生成子矩阵l，它的左半部分是 由4个2x4的LDPC矩阵(每行中1的个数为2)按对角线排列，并在其他位置补零所构 成的8xl6的矩阵；它的右半部分是一个8x8的对角阵。(见图8)接着，我们来生成子矩 阵2，序号为奇数的子部分由2个4x4的对角阵和2个零阵构成，它们是随机排列的；序 号为偶数的子部分由2个2x2的对角阵和2个零阵构成，且它们有着与序号为奇数的子 部分的子阵相对应的随机排列。再把剩下的部分补零就得到了矩阵2的左边部分，然后 右边合并一个12xl2的对角阵就得到矩阵2。(见图9)最后按照图6所示的结构将生成的
几块组合，就得到了最终的2()><36的校验矩阵。(见图IO)
权利要求
1.本发明应用于无线多跳级联网络，是一种自适应网络编码协作方法，包括以下步骤步骤一分析网络结构，根据网络模型给出网络拓扑图；步骤二根据网络拓扑图得出网络校验矩阵；步骤三在终端根据校验矩阵和收到的数据进行译码。
2. 如权利要求1所述的无线多跳级联网络，是由基于中继协作的无线通信系统构成的， 基于中继协作的无线通信系统是由若干源端、若干中继、若干目的端组成的，这种技术方案 在实际通信系统中具很好的应用前景。
3. 如权利要求l所述的针对基于中继协作的无线网络分析中，采用了依据网图映射得到 码图映射的分析方法，即将网络拓扑图映射到几何图形，然后依据此图形得到编码码字。
4. 与基于中继协作的无线网络匹配的码图的校验矩阵是一种特殊的表达形式，其采用 LDPC码的设计思想，由左边的稀疏矩阵和右边的对角阵合并而成，左边稀疏矩阵的列对应 着每个源端的信息，行对应着网络中的各个中继节点。
5. 在无线多跳系统中，第二级中继处，中继节点收到的信号为上一层的簇头传来的信息和校验信息组成的外码，然后线性编码成内码传送到目的端。
6. 如权利要求l所述本发明的针对无线多跳级联网络所给出的校验矩阵的结构新颖，直 观，译码简单，分集增益大，它由子矩阵l、子矩阵2和全零部分构成。
7. 如权利要求6所述的子矩阵1的左边部分由低密度奇偶校验(LDPC)码子阵按对角 线排列形成，右边部分是一个对角阵。
8. 如权利要求6所述的子矩阵2左边由奇数，号的子部分和偶数序号的子部分构成，右 边是对角阵，其中左边的各子部分由对:i阵和零阵构成，奇数序号的子部分和偶数序号的子 部分中对角阵的分布情况是一一对应的，这是由外码的构造决定的，每个子部分的对角阵的 个数是一个预先设定的参数A，且各子部分的对角阵是随机分布的。
9. 如权利要求1所述的译码方法是LDPC的常用译码方法——置信传播译码，该方法是 一种近似的最大似然译码，可以获得很高的编码增益，它可以并行实现，复杂度低，是目前 信号处理领域的研究热点。
全文摘要
本发明涉及的是无线多跳网络中的一种网络编码方法。特别是与瞬时拓扑结构相匹配的自适应网络编码方法，该方法通过拓扑图与即时LDPC码的校验矩阵相匹配，利用置信传播译码方法解码，可以获得较高的编码增益和分集增益。本说明书首先介绍了网络编码的概念及其作用，然后给出了带网络编码技术的无线中继网络的分析方法以及编码校验矩阵的生成方法，再然后给出了无线多跳级联网络的模型，并给出了针对此模型的一种编码校验矩阵生成方法，最后给出了一个具体实例。
文档编号H04L1/00GK101635606SQ200810045620
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月23日 优先权日2008年7月23日
发明者史治平, 亮 周, 张忠培, 兵 燕 申请人:电子科技大学