选取协作节点的方法

专利名称：选取协作节点的方法
技术领域：
本发明涉及航空通信领域，尤其涉及一种选取协作节点的方法。
背景技术：
随着协议和算法的设计越来越精细，移动节点之间能够支持的交互功
能越来越多， 一 类新的分集方法 一 协作通信(Cooperative CoiMumications )随之出现并迅速成为通信界研究的热点。大规j莫无线通 信网络中，节点之间的通信，不再仅仅依靠确定的互联方式，而是增加了 随机性，并在其它节点的协作帮助下共享彼此的天线，各个节点构成虚拟 多天线系统，提供网络环境下的分集和复用，从而充分利用空间资源，有 效地抵抗信号传输中的衰落，阴影和其他千扰，达到可靠通信的目的。协 作通信用于航空通信服务中，很大程度上能够解决通信环境差时的容量小 等问题，使航空通信在某些极端条件下仍然可用。
通过协作通信为系统带来的分集增益，称为协作分集。协作通信方式 中，节点之间的协作关系不仅包括帮助其它节点发送信息，同时也要发送 自己的信息。通过协作分集，无线终端可以彼此协作传输信息，在网络中 形成多条路径。通过协作产生的冗余信息使接收端能够弥补由于衰落，阴 影遮蔽和其他干扰对信道造成的影响。
基于网络编码的数据传输突破了 一直以来数据传输的固定模式，可以 有效提高无噪有线网络容量。网络编码特有的数据传输模式一一在节点进 行信息合并，与协作通信的编码协作策略相符，网络编码与协作通信相结 合的方式能够提供更优异的通信性能。网络编码用于协作传输，以低密度 奇偶才交'验码(Low-Density Parity Check Code,简称LDPC )编码作为设
计的载体，联合源节点和中继节点所传输的信息。LDPC编码的描述方式可 以利用奇偶校验矩阵或是等价的二相图描述。二相图的两侧分别为变量节 点和校验节点，其中每一个变量节点对应于奇偶校验矩阵的每一列，每一 个校验节点对应于奇偶校验矩阵的每一行。图l为现有技术网络编码用于 协作传输协议示意图，如图1所示，其中W、-为源变量节点，(为协作变 量节点，乂为网络编码的变量节点；M、.为源校验节点，M。.为中继校验节 点，风为网络编码的校验节点；在联合网络信道编码中，网络编码作为冗
余信息同时为源节点和协作节点的信息提供校验。因此联合网络信道编码 的校验矩阵包括，源节点LDPC码校验矩阵/^，协作节点LDPC码校验矩阵 //e和网络编码矩阵。网络编码作为校验信息为源节点和协作节点提供 额外的校验信息。联合网络-信道编码的设计必须符合以下校验关系
协作通信的性能不仅取决于协议本身，还取决于协作节点的选择。在 航空高速移动网络中，并非所有的节点都能够承担协作的任务，有些节点 的处理能力有限，有些节点在网络内部的生存周期太短，有些节点的通信 条件不理想，这些因素都会造成网络中断概率的上升，通信中断。此外， 有些节点到另一个节点的信息会回传给自身，并且通信路径仅为两条，若 以G—V，E)表示为通信网络，V是发送节点、协作节点和接收节点的集合， E是有向通信链路的集合，在G中存在一个链路序列(n, K), ( 。，(K， K),被称为长度为4的短环。这样长度为4的短环会引起译 码过程无法收敛或者译码错误的放大，常造成网络中断概率的上升，降低 网络容量。
基于网络编码的协作协议，协作节点每次通信可以帮助至少 一个源节 点进行通信，其通信分为两种方式。图2a、图2b分别为现有技术利他协作 模式和非利他协作模式示意图，如图2a,图2b所示，在图2a利他协作模
式中，协作节点C不用传输自身信息，对接收到的源节点Sl和源节点S2
的信息进行网络编码，然后将经过网络编码后的信息作为源节点Sl和S2 的冗余信息发送到目的节点D,目的节点D对接收到的冗余信息进行联合 迭代译码。在图2b非利他协作模式中，协作节点C有自身的通信任务， 对自身的信息和其它源节点S的信息进行网络编码后，将经过网络编码后 的信息发送至目的节点D,目的节点D对接收到的信息进行联合迭代译码。 现有技术中，大多是点对点的通信，而协作通信作为发展潜力极大的 技术近几年才倍受关注，但还需要研究具有实际意义的算法。网络容量由 "最小割最大流"决定，但目前的通信技术很少情况能达到由此决定的网 络容量上限。尤其是现有点对点技术很难保证大规模高速数据在信道条件 较差的环境中的传输，链路不稳定，中断现象频频出现。

发明内容
本发明提供了 一种选取协作节点的方法，有效消除协作通信系统的邻接 矩阵中的长度为4的短环，并降低网络的中断概率，提升网络容量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种选取协作节点的方法，具体步骤 包括
步骤l、以协作通信系统中当前源节点的个数"为列数，以协作通信系统 中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵//,对所述邻接矩阵7/中的 元素、，当源节点户与协作节点《之间有信息的交互时，、=1,否则、=0; 步骤3、检测并消除所述邻接矩阵/7中长度为4的短环； 步骤5、才艮据公式<formula>formula see original document page 6</formula>和所述邻接矩阵// ，计算所述协作通信系统中各个源节点z'的中断概率
尸.；
其中s为满足中断事件发生条件的所有节点的集合，A为所述协作通
信系统中协作节点的个数，；^,i分别为源节点至目的节点和协作节点至 目的节点链路的信道因子的指数分布参数，尸。 ,,,表示所述协作通信系统中 节点/的中断概率，",^^为积分变量；
步骤7、依次判断每个源节点,'的协作节点!:.，即满足h, ,=1的节点和源 节点/t的协作节点^，即满足/^=1的节点相交换后，源节点,'和源节点A的
中断概率是否变小，是则交换源节点/和源节点A的协作节点，得到新的邻 接矩阵//;对所述新的邻接矩阵//，执行步骤3，否则结束。 在上述技术方案中，步骤3具体包括
步骤31、令矩阵<formula>formula see original document page 7</formula>其中Z/为所述邻接矩阵；
步骤32、令矩阵<formula>formula see original document page 7</formula>
其中 为所述矩阵5的元素，且(w + ")Si,)S(m + ") , (m + ")《itS(w + ");
步骤33、依次判断所述矩阵￡中的每个元素6,,是否有~22，是则执行 步艰《34，否则结束；
步骤34、在矩阵^中选择满足4=4=1的元素，令G是满足 ^:《+《=0}的矩阵^中所有列的集合，令《是所有端点包含在集合Ct,中
的元素；
步骤35、当《不为空时，选择任意一个矩阵J中的元素e-l,再选择 e'，e'e《，交换e和e'的校验节点，得到新的矩阵j; 步骤36、对新的矩阵^，执行步骤32。
其中步骤33中对所述矩阵S的元素 依次进行判断具体可以为以所述 矩阵fi的列为顺序依次对元素^进行判断。还可以为以所述矩阵B的行为顺 序依次对元素进行判断。
本发明提供了 一种选取协作节点的方法，通过根据当前系统中源节点和 协作节点的个数构造邻接矩阵，用邻接矩阵来表征系统中节点之间的通信
关系，通过消除邻接矩阵中长度为4的短环来提高译码的性能，并通过交 换源节点的协作节点来达到降低网络中断概率，提升网络容量的目的。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图1为现有技术网络编码用于协作传输协议示意图2a、图2b分别为现有技术利他协作模式和非利他协作模式示意图3为本发明邻接矩阵示意图4为本发明选取协作节点的方法流程图5为本发明消除短环的流程图。
具体实施例方式
图4为本发明选取协作节点的方法流程图，如图4所示，具体步骤包
括
步骤1、以协作通信系统中当前源节点的个数"为列数，以该协作通信 系统中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵H，对于该邻接矩阵// 中的元素、，当源节点/ 与协作节点《之间有信息的交互时，、=1;否则
本实施例的协作通信系统，由源节点和协作节点构成。协作通信系统中 的源节点和协作节点之间进行信息的互相交互。也可以称之为协作通信网络。
如图3所示，为本发明邻接矩阵示意图；基于网络编码的协作协议， 将协作通信系统分为两个正交信道源节点的广播信道和协作节点的发送 信道。根据这两个正交信道，将邻接矩阵7/分为两部分P和丄。其中对应源 节点的广播信道的P为方阵，描述在源节点的广播信道中，通信网络中的各
个节点彼此之间的信息连通性。py = 1表示协作节点_/向源节点/发送信息； 本发明令当/ = _/时，A=l，因为每一个节点都知道自身的信息。对应协作 节点的发送信道的丄为下三角矩阵，对于丄中的任一元素/,，当/>7'时， ;=1，表示节点乂作为协作节点将发送信息至源节点/。并且本发明令"y 时，/,=0，因为协作节点y'必须在源节点/执行网络编码之前发送信息至源
节点,'。邻接矩阵的每一列称为一个变量节点，每一行称为一个校验节点。 每一列含有"1"的个数，称为每一列的度，也称为变量节点的度。每一 行含有"1"的个数，称为每一行的度，也称为校验节点的度。变量节点 对应源节点，变量节点的度表示源节点的协作节点的个数。校验节点对应 协作节点，校验节点的度表示协作节点辅助的源节点的个数。
步骤3、检测并消除邻接矩阵i/中长度为4的短环；
邻接矩阵描述的是通信网络的节点之间的连接与通信情况，矩阵的元 素值表达了彼此的协作关系。基于网络编码的协作协议，需要在目的节点 对来自于协作节点和源节点的信息进行联合迭代译码，因此希望协作节点 能够提供足够的额外校验信息，前提条件是网络为理想的无环网络。由于 在现实网络环境中，满足绝对的无环网络很难，但可以去掉长度为4的短 环。长度为4的短环意味着一个节点传送给另一个节点的信息会通过短环 回传回自身，这样会引起译码过程无法收敛或者译码错误的放大，将影响 译码时信息在tanner图中的传递，从而严重影响i奪码的性能，常造成网 络中断概率的上升，影响网络容量。因此消除邻接矩阵中长度为4的短环 能够降低网络中断概率，提升网络容量。
步骤5、根据公式
<formula>formula see original document page 9</formula> (1)
和当前的邻接矩阵H ,计算协作通信系统中每个源节点f的中断概率Pout,i;
中断概率为当通信链路无法支持协作通信系统的瞬时传输速率i 时， 通信中断的概率，记为Pj/〈i ]，其中《为中断概率符号，/为通信信道的
信道容量，i 为协作通信系统的传输速率。发生通信中断的事件，为中断 事件。基于网络编码的协作协议，每个信号的传输要占用两个正交信道， 即源节点的广播信道和协作节点的发送信道，每个源节点的平均互信息量
4为:
<formula>formula see original document page 10</formula>
下标"c表示网络编码network coding, 4.即指实施网络编码协作协议 的互信息量，|"』2为源节点与目的节点之间的物理信道的指数分布，",可 以用0-均值，方差-《的圓对称复高斯随机变量来模拟，其中|^|2为指数分
布，参数为l; 2。根据中断事件的定义，中断概率可以用如下公式表示<formula>formula see original document page 10</formula>
(3)
其中，下标out代表中断(outage);
对于任意一个在参考通信圆周内的通信节点/ ，其中断概率i5《,可以表 示为
其中下标W， W， ^分别代表源节点与目的节点、协作节点与目的节 点以及源节点与协作节点之间的物理信道。S是满足中断事件发生条件的
所有节点的集合， 为协作节点的个数，；^,/^分别为源节点至目的节点 和协作节点至目的节点链路的信道因子的指数分布参数，"w，^为积分变
量，为计算的辅助参数，无实际的物理意义。
步骤7、对于协作通信系统中的每个源节点，依次判断源节点/的协作 节点。即满足、,，i的节点和源节点/fc的协作节点&,即满足、,i的节点
相交换后，源节点/和源节点ifc的中断概率是否变小，是则交换源节点/和 源节点A的协作节点，即令气，=0， /^=0， \,=1， 、A=1,得到新的邻接
矩阵//,并对新的邻接矩阵//，执行步骤3;否则结束；
通过本步骤的计算，对源节点的协作节点进行交换，能够降低中断概 率，提升网络容量。
在本实施例中，等效基带离散时间模型为^-",;c,+z,。其中 代表协
作通信系统中的节点y到节点/的信道因子，包含路径损耗分量，阴影遮蔽 分量和瑞利衰落分量。 =^^^A,，其中K是参考距离的路径损耗；^为
节点i和节点7之间的距离；"是路径损耗指数，a的取值范围为2 5; ~是 对数正态阴影遮蔽的因子，它的对数形式的均值和方差分别为0和cr、； ~ 是瑞利分布衰落因子。 可以用0-均值，方差-c^的圆对称复高斯随机变
量来模拟，其中l",f为指数分布，参数为\,=~2; ^代表加性高斯噪声以 及系统其他噪声，利用复高斯变量，方差为CT〗来模拟。协作通信系统的 另外两个参数定义如下无衰落的系统信噪比S7W 和频谦利用率;7。其中
雇=
,,77 =仝6"///2,『是连续时间信道带宽，r是每秒传输比特，尸
2(Tn 『
是传输功率，设所有移动节点的传输功率相等。
图5为本发明消除短环的流程图，如图5所示，本实施例步骤3检测 并消除邻接矩阵Z/中长度为4的短环具体包括
步骤31<formula>formula see original document page 11</formula>(5)
，其中/f为邻接矩阵； 步骤32、令矩阵
<formula>formula see original document page 11</formula>
, 其中^为矩阵B的元素，且(附+ ")Si,)S(m + ") , 0 + ")^/b SO + "); 步骤33、对矩阵5中的每个元素6,,依次判断是否~22，是则执行步 骤34，否则结束；
本实施例中，可以矩阵5的行为顺序依次对元素^进行才企测，判断，也 可以矩阵B的列为顺序依次对元素进行检测并判断。
本实施例中当~22时，表示矩阵Z/中存在长度为4的短环。在矩阵中 若两个不同的变量节点拥有至少两个相同的校验节点，就会出现长度为4
D 二
的短环。比如矩阵
0 1110 10 0 1
1 1 0 0 0 0 1 1 0
' 、 h
中，变量节点、，
和V/)与校验节点Vi和"都有信息互通，即变量节点、,和、都拥有校验节点v,
和，"25 =《7 =《5 =《7 =1,则"25 、《7 、 "45禾口《7纟且成一个长度为4的4豆环。 当然，如果不同的变量节点拥有多于两个相同的校验节点，则长度为4的 短环也可以解释为， 一个变量节点到另一个变量节点的路径大于等于两 条。而根据对矩阵S的定义和计算可知，当矩阵中存在长度为4的短环时， ^2。
步骤34、在矩阵^中选择满足4=4;=1 (7) 的元素，令(^是满足{;^《+《=0} (8)
的矩阵^中所有列的集合，令《是所有端点包含在集合c;中的元素； 步骤35、当A不为空时，选择任意一个矩阵^中的元素pl，再选择 e',e'e《，交换e和e'的校验节点，得到新的矩阵^;
步骤36、对于得到的新的矩阵」，执行步骤32。
本发明既可以应用于利他协作模式中也可以应用在非利他协作模式中。
本发明能够有效消除长度为4的短环，降低网络中断概率，提升网络容量。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进 行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技 术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的 精神和范围。
权利要求
1、一种选取协作节点的方法，其特征在于，具体步骤包括步骤1、以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵H，对所述邻接矩阵H中的元素hpq，当源节点p与协作节点q之间有信息的交互时，hpq＝1，否则hpq＝0；步骤3、检测并消除所述邻接矩阵H中长度为4的短环；步骤5、根据公式和所述邻接矩阵H，计算所述协作通信系统中各个源节点i的中断概率Pout，i；其中S为满足中断事件发生条件的所有节点的集合，nc为所述协作通信系统中协作节点的个数，λi，d，λc，d分别为源节点至目的节点和协作节点至目的节点链路的信道因子的指数分布参数，Pout，i表示所述协作通信系统中节点i的中断概率，ui，d，uc，d为积分变量；步骤7、依次判断每个源节点i的协作节点ic，即满足的节点和源节点k的协作节点kc，即满足的节点相交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点，得到新的邻接矩阵H；对所述新的邻接矩阵H，执行步骤3，否则结束。
2、 根据权利要求1所述的选取协作节点的方法，其特征在于，所述步骤 3具体为步骤31、令矩阵」-f人")，其中/z为所述邻接矩阵；步骤32、令矩阵5 = ^-P^' 0 、<formula>formula see original document page 2</formula>、 t 其中6〃为所述矩阵S的元素，且(w + ")S,'，ys(w + "), (w + ")SytS(w + ");步骤33、依次判断所述矩阵S中的每个元素 是否有6^2，是则执行步骤34，否则结束；步骤34、在所述矩阵j中选才奪满足4:A-i的元素，令c;是满足<formula>formula see original document page 3</formula>的所述矩阵中所有列的集合，令&是所有端点包含在集合 C。中的元素；步骤35、当&不为空时，选择任意一个所述矩阵j中的元素fl,再 选择e',e'eA,交换e和e'的校验节点，得到新的矩阵〃 步骤36、对所述新的矩阵^，执行步骤32。
3、 根据权利要求2所述的选取协作节点的方法，其特征在于，所述步骤 33中对所述矩阵s的元素《依次进行判断具体为以所述矩阵S的行为顺序依次对元素~进行判断。
4、 根据权利要求2所述的选取协作节点的方法，其特征在于，所述步骤 33中对所述矩阵S的元素^依次进行判断具体为以所述矩阵S的列为顺序依次对元素6,,进行判断。
全文摘要
本发明公开了一种选取协作节点的方法，该方法包括以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造当前所述协作通信系统的邻接矩阵H；检测并消除所述邻接矩阵H中长度为4的短环；计算所述协作通信系统中各个源节点i的中断概率P_out，i；对于每个源节点，依次判断源节点i的协作节点i_c和源节点k的协作节点k_c交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点。本发明能够有效降低网络的中断概率，提升网络容量，提升终端节点的译码性能。
文档编号H04L29/06GK101388849SQ20081022530
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者军 张, 冰 杜 申请人:北京航空航天大学