专利名称：一种双向中继网络中等效全双工实现方法
技术领域：
本发明涉及广义协作通信技术领域，特别涉及一种双向中继网络中等效全双工实 现方法及装置。
背景技术：
在多点协作通信中，多跳通信、双向信道的时分复用以及节点的半双工工作模式 是导致双向中继信道频谱效率较低的三大主导因素。现有提升双向中继信道频谱效率的方 法包括(1)中继节点纯粹以译码-转发(DF)方式，同时处理双向数据(即分别译码双向 数据后，采用网络编码方式)；(2)中继节点采用去噪映射方式处理双向数据(即物理层网络编码)；(3)中继节点以放大-转发(AF)方式，同时处理双向数据(即放大转发方式的双 向吞吐量增强中继)。现有方法虽然能在一定程度上，提升双向中继信道的频谱效率，但是仅能补偿双 向信道时分复用而导致的系统频谱效率的损失，在节点半双工模式的无线双向中继信道模 型下，应用上述三个方法仍不能做到目的节点每个时隙都收到信息，因此，双向中继信道频 谱效率仍然较低，还存在很大的提升空间。
发明内容
本发明提供一种双向中继网络中等效全双工实现方法，目的节点可以在准备时隙 数之后的每个时隙都收到信息，最大限度的提升频谱效率。本发明提供了一种双向中继网络中等效全双工实现方法，设置空间存在的第一组 节点(S1，D1)和第二组节点(32，02)，所述节点31和节点32始终处于发送状态，所述节点 Dl和节点D2始终处于接收状态，且所述节点Sl至节点D2、节点S2至节点Dl间均无直达 链路，所述第一组节点(Si，Dl)和第二组节点(S2，D2)之间通过至少一组中继节点实现信 息交互；所述方法还包括在发送数据的首个时隙，所述节点Sl和节点S2发送数据，中继组内的节点处于接 收状态；处于接收状态的中继节点完成物理层网络编码操作；从发送数据第二个时隙开始，在每个发送数据的时隙，从处于接收状态的中继节 点中选择一个中继节点作为发送节点，中继组内的其余节点处于接收状态；处于接收状态 的中继节点完成物理层网络编码操作；从准备时隙数开始，在每个发送数据时隙，参与协助的中继节点中，始终仅有一个 中继节点处于发送状态，其余均处于接收状态。其中，所述准备时隙数根据所述第一组节点和第二组节点之间间隔的跳数决定。其中，所述准备时隙数根据所述第一组节点和第二组节点之间间隔的跳数决定具 体包括所述准备时隙数等于通信发起后所述第一组节点和第二组节点之间的跳数。
其中，根据最优路径选择算法从上一时隙中所有处于接收状态的中继节点中选择 一最优的中继节点转为发送状态。其中，每个时隙实际传输模型有多个，具体个数为每组参与转发的中继节点个数。其中，所述节点Sl和节点S2每时隙均发送一个新的数据分组；或者，每时隙发送 网络编码数据，该网络编码数据是新的数据分组与已收到数据分组的网络编码数据。其中，处于发送状态的中继节点所发送的数据是双向数据流经网络编码后的数 据。应用本发明实施例，通过高效的中继协作，使得从准备时隙数开始，每一跳参与协 作的中继节点始终仅有一个处于发送状态，其余均为接收状态。本发明实施例利用中继节 点间的交替收发，可以实现等效全双工双向中继网络，提升网络资源利用率，最大限度的提 升频谱效率。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。图1是根据本发明实施例的一种两跳双向中继网络中等效全双工实现方法流程 图；图2是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为2跳、每一跳中继节 点个数为3时的实现示意图；图3是基于图2所示实施例的对i路信号进行PNC操作的示意图；图4是基于图2所示实施例的前两个时隙的所有可能的系统模型；图5是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为3跳、每一跳中继节 点个数为2时的实现示意图；图6是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为4跳、每一跳中继节 点数为3时的实现示意图；图7是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为5跳、每一跳中继节 点数为3时的实现示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中，多个半双工节点在相互协作中继过程中，利用物理层网络编 码处理多路数据的基础上，通过时分交替收发及基于信道状态信息的“最优”路径选择，可 实现等效全双工双向中继网络的资源利用率，有效提升双向中继信道的频谱效率。参见图1，其是根据本发明实施例的一种两跳双向中继网络中等效全双工实现方
4法流程图，本实施例中，设置空间存在的第一组节点(Si，Dl)和第二组节点(S2，D2)，节点 Sl和节点S2始终处于发送状态，节点Dl和节点D2始终处于接收状态，且节点Sl至节点 D2、节点S2至节点Dl间均无直达链路，也就是说，所述第一组节点(Si，Dl)和第二组节点 (S2，D2)之间通过至少一组中继节点(每一跳所用的中继节点称为一组)实现信息交互； 节点Sl与D1，S2与D2距离较近，也就是说，节点Sl与D1，S2与D2可以通过某种方式如存 在直达链路实现数据共享；该方法还包括步骤101，在发送数据的首个时隙，节点Sl和节点S2发送数据，中继组内的节点处 于接收状态；处于接收状态的中继节点完成物理层网络编码操作；步骤102，从发送数据第二个时隙开始，在每个发送数据的时隙，从处于接收状态 的中继节点中选择一个中继节点作为发送节点，中继组内的其余节点处于接收状态；处于 接收状态的中继节点完成物理层网络编码操作；步骤103，从准备时隙数开始，在每个发送数据时隙，参与协助的中继节点中，始终 仅有一个中继节点处于发送状态，其余均处于接收状态。上述准备时隙数根据所述第一组节点和第二组节点之间间隔的跳数决定；具体 的，准备时隙数等于通信发起后所述第一组节点和第二组节点之间的跳数。例如，若第一组 节点和第二组节点之间为2跳，则准备时隙数为2，若第一组节点和第二组节点之间为3跳， 则准备时隙数为3。需要说明的是，根据最优路径选择算法从上一时隙中所有处于接收状态的中继节 点中选择一最优的中继节点转为发送状态。需要说明的是，每个时隙实际传输模型有多个，具体个数为每组参与转发的中继 节点个数。需要说明的是，节点Sl和节点S2既可以每时隙均发送一个新的数据分组；也可以 是每时隙发送包含新的数据分组的网络编码数据。需要说明的是，双向数据流在位于网络“相对中心”处的中继节点交汇，网络编码 后继续中继转发；(注由于在两个端节点对之间间隔奇数跳的情形下，不存在位于绝对中 心处的中继节点，因此采用“相对中心”表示双向数据交汇发生的位置。因此，处于发送状 态的中继节点所发送的数据是双向数据流经网络编码后的数据。应用本发明实施例，通过高效的中继协作，使得从准备时隙数开始，每一跳参与协 作的中继节点始终仅有一个处于发送状态，其余均为接收状态。本发明实施例利用中继节 点间的交替收发，可以实现等效全双工双向中继网络，提升网络资源利用率，最大限度的提 升频谱效率。下面以2-5跳为例，对本发明再做详细说明。参见图2，其是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为2跳时的实 现示意图。(1)在发送数据的首个时隙，所有中继节点同时接收来自两个源节点Sl和S2的 双向数据，并按照适当的解调映射规则如MAP映射规则，实现两路信号的物理层网络编码 (PNC，Physical-Layer Network Coding)操作；此时，中继组内的节点均处于接收状态；(2)从第2个时隙开始，处于接收状态的中继节点收到来自两个源节点和处于发 送状态的中继节点的3路信号的叠加，并完成3路信号的PNC操作；并且，每个时隙根据“最优”路径选择算法从上一时隙所有处于接收状态的中继节点中择其“最优”的中继节点转为 发送状态，并将最新接收到的“编码”信息向下一跳转发，处于发送状态的中继节点在随后 时隙转为接收状态。当中继节点数目n = 3时，具体实现过程如下考虑准静态衰落信道，所有节点均工作在半双工状态。源节点Sl和S2第j个时 隙发送的数据分组为A (J'-A (/ = 1、2, j>\),其中，A(J'-l)十A(J')表示源节点i在第j个时隙和第j_l个时隙发送数据的
模2加运算。从第2个时隙开始，处于接收状态的中继节点收到来自两个源节点Sl和S2以及 处于发送状态的中继节点的3路信号的叠加，并完成3路信号的PNC操作。处于接收状态 的中继节点Rm的接收信号为凡"=VP3S|R( xS| + VPas2R( Xs2 +Hi ^Ri + zRfji其中P为节点发射功率，Xv表示节点ν的单位功率调制符号，ν e (S1, S2, RJ, te {1,2,3} ；Zr, 为中继节点艮处的加性高斯白噪声，均值为0，方差为N。/2，N。表示噪声 功率。3vR, 表示信道的衰落特征，服从均值为0，方差为σ 2的瑞利分布。转发阶段，根据“最优”路径选择算法从上一时隙所有处于接收状态的中 继节点中择其“最优”的中继节点转为发送状态，并将最新接收到的“编码”信息
( / = 1,2, j>\ ),向下一跳转发，处于发送状态的中继节点在随
后时隙转为接收状态，后续再接收数据。“最优”路径选择准则h具体为
_] h = max{min||aS|R ’|3SA ’丨3帆 f ,\dR Oi f ’|3RA |'}}其中，η为中继节点的数目，其余字母含义与前述相同。需要说明的是，由于无线信道的广播特性，位于源节点Sl和S2通信范围内且处于 接收状态的节点，均可以接收到源节点Sl和S2发送的信息，相对地，处于发送状态的节点 不能接收到信息。因节点Sl和S2不必知道需要向哪些中继发送数据，而只需直接发送即可。参见图3，其是基于图2所示实施例的对i路信号进行PNC操作的示意图。通常的PNC映射过程如图3所示，考虑i个节点参与的物理层网络编码映射过程， 定义M表示数字符号集，有Hij e MU = 1，..., i)并且Wa十…十W/eM。 随后，定义E表示电磁波域(PNC域)调制符号集。每一个Hij e M(j = 1，...，i)均 可映射对应一个调制符号e」e E(j = 1，...，i)，定义f:M —E表示调制映射函数，即在电磁波域，多个调制符号空间叠加，有ei+e2+...+ei = e' k e E'，其中E'是 不同于E且具有更高势的集合。中继节点接收到的每一个叠加符号e' keE'必须按照 某种规则映射对应一个解调符号mkeM，定义h:E' — M表示解调映射函数，即h(e' k)= mk。值得注意的是，f —E是一对一的映射关系，而h:E' —Μ是多对一的映射关系。
参见图4，其是基于图2所示实施例的前两个时隙的所有可能的系统模型。图4(a)为首个时隙的系统模型，由于引入了“最优”路径选择的思想，从第2个时 隙开始，处于发送状态的中继节点根据信道状态随机而定，即上一时隙处于接收状态的中 继节点在该时隙均有可能转为发送状态，图4(b) (c) (d)给出了第2个时隙，所有可能的系 统模型。显而易见，从第2个时隙开始，该方法所有可能的系统模型个数取决于参与转发的 中继节点的个数，实际的传输过程η选其一。参见图5，其是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为3跳、每一 跳中继节点个数为2时的实现示意图。对于3跳链路，根据源节点发送数据的不同，又例举了 2种情形。左侧是2个源节 点各个时隙都发送新的数据分组；右侧是源节点各时隙发送的是新的数据分组与已收到数 据分组的网络编码数据。这里只是例举了其中2种情况而已，对于源节点发送的数据形式， 还可以有其他选择。各时隙描述时隙1 源节点Sl和S2发送数据；中继组1即图5中的R11节点和中继组2即图 5中的R31节点处于接收状态，接收源节点Sl和S2发送的数据；时隙2 源节点与时隙1的操作一致，只是发送的具体数据内容有所不同；中继组 1和中继组2从本组中继节点中选择一个作为发送节点，将时隙1中接收到的数据发送出 去；其他中继节点继续处于接受状态，接收的是邻近源节点、本中继组中发送节点、邻近中 继组中发送节点发送的数据。具体而言，源节点Sl和S2发送数据仍发送数据，只是发送的具体数据内容有所不 同，中继组1内的中继节点R11和中继组2内的中继节点R31作为发送节点，将时隙1中接收 到的数据发送出去，其他中继节点如R13和R33处于接受状态，对于中继节点如R13其接收的 是源节点Si，中继节点R11和中继节点R31发送的数据；对于中继节点如R33其接收的是源节 点S2，中继节点R31和中继节点R11发送的数据。时隙3 源节点操作与时隙2类似；对于中继组1和中继组2，上一时隙处于发送状 态的节点转为接收状态，而且，从上时隙中处于接收状态节点中选择一个作为发送节点，发 送上一时隙接收的数据；从本时隙开始，每个时隙两端目的节点均会收到对应源节点的一 帧新数据。时隙4 本时隙两对节点对((S1，D1)、(S2，D2))、中继节点组内节点的操作与时隙 3类似。不同的只是传输的具体数据内容不同。时隙5 本时隙两对节点对((S1，D1)、(S2，D2))、中继节点组内节点的操作与时隙 4类似。不同的只是传输的具体数据内容不同。参见图6，其是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为4跳、每一 跳中继节点数为3时的实现示意图。对于4跳链路，根据源节点发送数据的不同，又例举了 2种情形。左侧是2个源节 点各个时隙都发送新的数据分组；右侧是源节点各时隙发送的是新的数据分组与已收到数 据分组的网络编码数据。这里只是例举了其中2种情况而已，对于源节点发送的数据形式， 还可以有其他选择。各时隙描述
时隙1 中继组1和中继组3的中继节点都处于接收状态，接收邻近源节点发送的 数据；时隙2 中继组1和中继组3中分别选择一个节点作为发送节点，将上一个时隙中 接收的数据发送出去，该中继组1和中继组3中的其他中继节点作为接收节点。例如，中继 组1和中继组3中分别选择中继节点R11和中继节点R33作为发送节点，中继组1中的中继 节点R12和中继节点R13继续作为接收节点，中继组3中的中继节点R32和中继节点R31继续 作为接收节点此时，中继组2中所有节点处于接收状态，接收中继组1和中继组3中发送节点发 送的数据。时隙3 中继组2中选择一个作为发送节点，发送上一时隙接收的数据，其他节点 处于接收状态。中继组1和中继组3中上一时隙处于发送状态的节点转为接收状态，接收 本组发送节点、邻近源节点和中继组2发送的数据；上一时隙处于接收状态的节点中选择 一个作为发送节点。例如，中继组2中选择中继节点R22作为发送节点，中继组2中的中继节点R21和中 继节点R23继续作为接收节点；中继组1和中继组3中上一时隙作为发送节点的中继节点 R11和中继节点R33转为接收状态，从上一时隙处于接收状态的节点中选择中继节点R13和中 继节点R31作为发送节点，此时，对于中继组1中的中继节点R11和中继节点R12分别接收源 节点Si、中继节点R13和中继组2中的中继节点R22发送的数据；对于中继组3中的中继节 点R32和中继节点R33分别接收源节点S2、中继节点R31和中继组2中的中继节点R22发送的 数据。时隙4 从本时隙开始，每个时隙两端目的节点均会收到对应源节点的一帧新数 据。各中继组中节点的工作方式同上一时隙类似。时隙5 本时隙两对节点对((S1，D1)、(S2，D2))、中继节点组内节点的操作与时隙 4类似。不同的只是传输的具体数据内容不同.参见图7，其是根据本发明实施例的空间存在的第一、二组节点之间为5跳、每一 跳中继节点数为3时的实现示意图。本实施例中只列举了源节点各个时隙都发送新的数据 分组情况，可以理解，对于源节点各时隙发送的是新的数据分组与已收到数据分组的网络 编码数据的情形同样适用于于本实施例。对于5条链路情况，与4条链路类似。只是从第5个时隙开始，每个时隙两端目的 节点均会收到对应源节点的一帧新数据。可见，无论是2跳、3跳、4跳还是5跳链路，其工作方式基本一致。不同的主要有 2点一是，两端目的节点收到对应源节点的新数据的准备时隙个数不同；二是由于参与协作的中继组个数不同，因此，不同位置的中继组参与协作的时隙 也不尽相同。但是，一旦参与之后，其基本的模式就是，按照一定的规则从处于接收状态的 节点中选择一个作为发送节点，发送上一时隙收到的数据；其他处于接收状态。在接下来的 时隙，处于发送状态的节点再进入接收状态，而上一时隙处于接收状态的节点中再选择一 个作为发送节点，如此交替进行。综上所述，当确定通信链路跳数后，根据下述第4点的描述，适当考虑每个节点中继的双向数据流作用，选择可尽量简化中继节点数据组合复杂度的源节点发送数据类型。1.双向数据流在位于网络“相对中心”处的中继节点交汇，网络编码后继续中继转 发；(注由于在两个端节点对之间间隔奇数跳的情形下，不存在位于绝对中心处的中继节 点，因此采用“相对中心”表示双向数据交汇发生的位置。)因此，处于发送状态的中继节点 所发送的数据是双向数据流经网络编码后的数据。2.从第2个时隙开始，参与协作的每组(每跳)中继节点中始终仅有一个处于发 射状态，其余均处于接收状态。处于发射状态的中继节点根据最优路径选择算法从上一时 隙所有处于接收状态的中继节点中择优选取，每个时隙实际传输过程同样有多个，可能的 传输模型个数取决于每组参与转发的中继节点的个数η ；3.准备时隙数取决于两个端节点对之间间隔的跳数，即；通信发起后，经历和两 个端节点对之间跳数等量的时隙后，随后每个时隙均可实现各自对应源节点的一个数据分 组的双向交互；4.由于节点Sl和S2每一时隙发送的数据分组，在随后的每一跳转发中均被双向 传递，因此，中继节点组内干扰信息以及组间传输信息会随Sl和S2发送数据的内容及传输 跳数而发生变化。即，当两个端节点对之间间隔的跳数确定以后，可以通过调整两端源节点 发送数据分组内容，例如在2跳的情况下在第2个时隙之后，源节点i在任意时隙j发送的 数据可以调整为&十&(J'),通过适当调整系统传输链路上的信息内容，以最大限 度抵消中继节点组内干扰以及组间反向传输的无用信息叠加；例如在2跳的情况下通过上 述调整，是可以抵消中继节点组内干扰以及组间反向传输的无用信息叠加的；5.节点Sl和S2每一时隙发送的数据分组在包含新数据分组的基础上，可以是新 的数据分组与已收到数据分组的网络编码数据。本发明实施例综合考虑双向中继信道频谱效率较低的成因，利用中继节点之间的 协作传输，最大限度地提升了双向中继信道的频谱效率，并且随中继转发跳数的增加，其性 能优势愈加显著。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵 盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可 以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中， 这里所称得的存储介质，如R0M/RAM、磁碟、光盘等。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围 内。
权利要求
一种双向中继网络中等效全双工实现方法，其特征在于，设置空间存在的第一组节点(S1，D1)和第二组节点(S2，D2)，所述节点S1和节点S2始终处于发送状态，所述节点D1和节点D2始终处于接收状态，且所述节点S1至节点D2、节点S2至节点D1间均无直达链路，所述第一组节点(S1，D1)和第二组节点(S2，D2)之间通过至少一组中继节点实现信息交互；所述方法还包括在发送数据的首个时隙，所述节点S1和节点S2发送数据，中继组内的节点处于接收状态；处于接收状态的中继节点完成物理层网络编码操作；从发送数据第二个时隙开始，在每个发送数据的时隙，从处于接收状态的中继节点中选择一个中继节点作为发送节点，中继组内的其余节点处于接收状态；处于接收状态的中继节点完成物理层网络编码操作；从准备时隙数开始，在每个发送数据时隙，参与协助的中继节点中，始终仅有一个中继节点处于发送状态，其余均处于接收状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准备时隙数根据所述第一组节点和 第二组节点之间间隔的跳数决定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准备时隙数根据所述第一组节点和 第二组节点之间间隔的跳数决定具体包括所述准备时隙数等于通信发起后所述第一组节 点和第二组节点之间的跳数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据最优路径选择算法从上一时隙中所 有处于接收状态的中继节点中选择一最优的中继节点转为发送状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，每个时隙实际传输模型有多个，具体个数 为每组参与转发的中继节点个数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点Sl和节点S2每时隙均发送一个 新的数据分组；或者，每时隙发送网络编码数据，该网络编码数据是新的数据分组与已收到 数据分组的网络编码数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处于发送状态的中继节点所发送的数据 是双向数据流经网络编码后的数据。
全文摘要
本发明公开了一种双向中继网络中等效全双工实现方法，应用本发明实施例，通过高效的中继协作，使得从准备时隙数开始，每一跳参与协作的中继节点始终仅有一个处于发送状态，其余均为接收状态。本发明实施例利用中继节点间的交替收发，可以实现等效全双工双向中继网络，提升网络资源利用率，最大限度的提升频谱效率。
文档编号H04L5/14GK101977103SQ201010528168
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者于宏毅, 冯强, 刘广怡, 刘洋, 张效义, 李鸥, 杨波, 王晓梅 申请人:中国人民解放军信息工程大学