基于网络编码和空分复用的中继选择方法
【专利摘要】基于网络编码和空分复用的中继选择方法，属于无线通信中继网络领域。网络编码技术能够提高中继网络的吞吐量，但是网络编码方式中的中继节点采用较高功率广播会对抑制信道环境差的目的节点对编码数据包的解码，而且贪婪地进行网络编码会降低频谱空分复用的性能，降低了并行链路传输的概率，反而降低网络吞吐量。因此需要设计一种新的方法来优化利用网络编码和空分复用来提高网络吞吐量。为了最大化网络吞吐量，需要将网络编码吞吐量带来的性能提升与降低的频谱复用资源进行综合考虑，从而选择最优的中继传输方案。本发明提出一种基于功率控制的网络编码感知调度策略，目标是最优化网络吞吐量和频谱利用率。
【专利说明】基于网络编码和空分复用的中继选择方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线中继通信【技术领域】，具体涉及基于无线网络编码和空分复用传输方式下的中继选择方法。
【背景技术】
[0002]无线网络编码方案包括传统网络编码(CNC)和物理层网络编码(PNC)，这些技术可以显著提高无线网状网的网络吞吐量。尽管这些编码方式利用网络编码的特性在更短的时间内完成相同数量的数据包传输业务，他们不一定是最优的传输方案。这是因为首先编码方式中的中继节点需要采用较高的功率进行广播，以便信道环境较差的目的节点能够成功对数据包进行解码，这种广播方式抑制了相邻链路的传输。其次，贪婪地进行网络编码会降低频谱空分复用的性能，降低了并行链路传输的概率，从而降低网络吞吐量。因此，在网络设计的过程中需要考虑网络编码和空分复用的相互作用，进而进行中继方式的最优选择。
[0003]近年来，基于网络编码和调度的中继选择方式得到了广泛研究。K.Rajawat等人基于图论构建线性网络编码与调度进行联合优化，目标是最大化网络吞吐量并同时考虑了数据包传输时延；T.Cui等人采用贪婪的方案对调度和传统网络编码进行联合优化，并且获得网络性能下限；H.Su等人考虑了在传统网络编码和物理层网络编码情况下对调度、信道分配和路由采用贪婪算法进行联合优化；F.Wang等人基于物理层网络编码、传统网络编码和传统路由方式对网络可达速率进行建模，并采用启发式次优算法逼近最优解。但是这些方案没有考虑通过频谱的空分复用使链路获得并行传输，从而进一步提高网络吞吐量。A.Capone等人考虑了时分多址(TDMA)情况下的调度问题，并采用列生成方式求解基于调度和信道分配方式下的最小传输时间El-Najjar等人考虑了传统网络编码和空分复用的相互作用，并且证明贪婪地进行网络编码会降低网络吞吐量。但是这些方案没有考虑物理层网络编码。
[0004]由于网络编码和空分复用均可以提高网络吞吐量，但是贪婪的进行网络编码会降低频谱空分复用性能。为了最大化网络吞吐量，需要将网络编码吞吐量带来的性能提升与降低的频谱复用资源进行综合考虑，从而选择最优的中继传输方案。但是目前研究方案很少将传统网络编码、物理层网络编码和调度这三个问题结合进行相关研究，相关方案的研究都较为片面。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的缺点，本发明提出一种基于功率控制的网络编码感知调度策略，目标是最优化网络吞吐量和频谱利用率。
[0006]我们考虑时分多址通信方式，因为这种方式可以有效降低系统干扰。如果节点j与节点j’可以直接进行通信，我们定义j - j’为一个业务传输单元；如果节点j与节点j’由于信道衰落或大尺度效应而不能直接进行通信，那么需要另外一个节点i进行中继，从而使得节点j与节点j’完成通信，我们定义中继模式下j 一 i 一 j’为一个业务传输单元。
[0007]—种基于网络编码和空分复用的中继选择方法，包括以下步骤:
步骤1、计算链路的信干噪比(SINR)从而判断链路状态是否可以进行通信。
[0008]步骤2、确定优化目标。本设计的最优目标是通过适当的中继方式选择，最小化链路激活时隙个数，进而最大化网络吞吐量。
[0009]步骤3、根据优化目标确定对网络中通信节点的限定条件，包括对通信节点的半双工传输特性、传输模式特性和链路容量特性等进行限定，目标是最大化网络吞吐量。
[0010]步骤4、确定对中继节点流入和流出的数据流、链路激活状态等的限定条件，并提出基于编码感知调度方案的中继选择方式。
[0011]步骤5、链路传输功率初始化。
[0012]步骤6、根据链路优先级判据对链路传输次序进行排序，目标是将无干扰的链路依此加入到链路集合中。
[0013]步骤7、由于链路集合中的新增链路会增加其他激活链路的干扰，因此需要将已经激活的链路发射功率根据新加入链路的发射功率进行提升，以满足链路传输信干噪比的要求。
[0014]步骤8、根据信干噪比条件，如果链路成功加入到链路集合中，根据步骤7对传输功率进行增加，否则返回步骤5。
[0015]步骤9、重复步骤5到8并将传输功率进行更新直到没有其他链路可以加入到当前链路集合中。
[0016]步骤10、更新网络剩余链路负载状态信息，并且开始下一时隙调度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为网络传输方式说明示意图；
图2为基于传统网络编码、物理层网络编码和空分复用方式下的最优调度传输时隙个数示意图；
图3为线性拓扑下网络编码链路所占百分比示意图；
图4为网格拓扑下网络编码链路所占百分比示意图；
图5为随机拓扑下网络编码链路所占百分比示意图；
图6为线性拓扑下网络吞吐量增益示意图；
图7为网格拓扑下网络吞吐量增益示意图；
图8为随机拓扑下网络吞吐量增益示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0019]图1和图2阐述了本发明的研究动机。如图1所示,节点A和C分别有一个数据包(χ和y)通过中继节点B进行数据交换(首先假定链路G— F和H— I上没有数据传输业务)。在不采用网络编码的情况下，网络需要四个时隙完成数据传输，即A—B，B—C，C一B和B-A0如果节点B采用传统网络编码，网络需要三个时隙即可完成数据包传输。第一时隙节点A传输数据包χ至节点B,第二时隙节点C传输数据包y至节点B。第三时隙，中继节点B向节点A和C广播进行编码的数据包z=x ? y，这里?代表异或操作。因为节点A具有先前发送信息X，因此该节点能够通过已知信息解码出相应信息，同理节点C也能解码出相应信息。如果节点B采用物理层网络编码方式进行传输，那么只需要两个传输时隙即可完成通信需求。在第一时隙，节点A和C同时向中继节点B进行数据传输。根据电磁学理论，同时传输的电磁波在空间可以进行叠加，中继节点获得叠加后的信号后在第二时隙将叠加信号进行广播。物理层网络编码方式的核心思想是冲突的数据包不一定对网络而言都是有害的，通过有效利用可以提升网络性能。传统网络编码和物理层网络编码的最大区别在于编码方式，前者中继节点在网络层或更高层采用异或方式进行编码，而后者在物理层将信息进行叠加编码。
[0020]定义PAB，PBC, Pcb和Pba是对应链路上的传输功率。为了确保节点A和C能够在广播阶段对传统网络编码和物理层网络编码传输方式的编码数据包成功进行解码，节点B的广播功率为Pba和PB。中的较大值，这样信道状态较差的接收端可以对广播的信号成功进行解码。但是，较高的传输功率会抑制邻居节点的传输并对其他链路造成较大干扰。为了进一步增加网络吞吐量，我们需要考虑频谱空分复用中并行链路传输带来的性能增益。在图1中，我们现在激活链路G— F和H— I，并考虑前者有两个数据包待传输而后者只有一个。我们看到节点A和B的传输将会对节点F在链路G— F上的传输产生干扰。链路H— I的传输将会对链路A— B，C-B, B-C和G— F的传输产生干扰，而链路B— A的传输不会对H—I的传输产生干扰。
[0021]图2说明了不同传输方式下完成网络调度所需要的时隙个数。采用传统网络编码和物理层网络编码均需要五个时隙，尽管在多址接入阶段A—B和C一B可以同时进行激活。接着我们考虑空分复用而不利用节点B存在的编码机会。与网络编码方式中广播阶段节点B采用发射功率Pba和PB。中的较大值相比，此时节点B采用发射功率PB。(小于Pba)进行传输，这样链路的干扰降低从而链路G— F通过空分复用可以与链路B— C同时进行传输。因此在网络设计中，需要考虑网络编码机会和空分复用的相互作用。
[0022]我们考虑时分多址通信方式，因为这种方式可以有效降低系统干扰。如果节点j与节点j’可以直接进行通信，我们定义j - j’为一个业务传输单元；如果节点j与节点j’由于信道衰落或大尺度效应而不能直接进行通信，那么需要另外一个节点i进行中继，从而使得节点j与节点j’完成通信，我们定义中继模式下j 一 i 一 j’为一个业务传输单元。我们通过求解最优化网络编码感知调度问题获得一组可以同时激活进行传输的链路，并且定义为一个传输配置(configuration)。
[0023]步骤1、计算链路的信干噪比从而判断链路状态是否可以进行通信。我们将网络根据图论定义为G=(V，E)，其中V为顶点，代表一组无线路由器，E为边沿，代表路由器之间的物理链路。从节点j到节点j’能够进行传输的条件是接收端(节点j’)的信干噪比大于门限值，即:
【权利要求】
1.一种基于网络编码和空分复用的中继选择方法，包括以下步骤: 步骤1、计算链路的信干噪比从而判断链路状态是否可以进行通信； 步骤2、确定优化目标，本设计的最优目标是通过适当的中继方式选择，最小化链路激活时隙个数，进而最大化网络吞吐量； 步骤3、根据优化目标确定对网络中通信节点的限定条件，包括对通信节点的半双工传输特性、传输模式特性和链路容量特性等进行限定，目标是最大化网络吞吐量； 步骤4、确定对中继节点流入和流出的数据流、链路激活状态等的限定条件，并提出基于编码感知调度方案的中继选择方式； 步骤5、链路传输功率初始化； 步骤6、根据链路优先级判据对链路传输次序进行排序，目标是将无干扰的链路依次加入到链路集合中； 步骤7、由于链路集合中的新增链路会增加其他激活链路的干扰，因此需要将已经激活的链路发射功率根据新加入链路的发射功率进行提升，以满足链路传输信干噪比的要求； 步骤8、根据信干噪比条件，如果链路成功加入到链路集合中，根据步骤7对传输功率进行增加，否则返回步骤5; 步骤9、重复步骤 5到8并将传输功率进行更新直到没有其他链路可以加入到当前链路集合中； 步骤10、更新网络剩余链路负载状态信息，并且开始下一时隙调度。
2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码和空分复用的中继选择方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤3中确定对网络中通信节点的限定条件，包括对通信节点的半双工传输特性、传输模式特性和链路容量特性等进行限定，目标是最大化网络吞吐量；具体约束限制条件为: minj^(I) X} +Xji S I(2) u: + C + 4' ? I(3) Σ χν < I 1...1r) (4) ΜΗ?1
^ (?； + C； +d:)rff&KZj > u'Tf + d: 2 W +(c'i+d:) Z iT' (5) 我们的优化目标是最小化所需要的链路激活时间(即目标函数(1))，从而最大化网络吞吐量，因此本发明的目标是通过中继方式的选取来最小化链路激活时间；公式(2)是节点半双工特性的限制，即任何节点不能同时发送和接收数据包；公式(3)表明在一个调度时隙内，中继节点至多只能选择一种传输模式；公式(4)表明如果节点i处于单播传输模式，那么在一个传输时隙内至多只有一条链路可以处于激活状态；公式(5)对链路容量进行限制，表明一条链路需要激活足够的时间以便所有待传的数据都能够得到传输。
3.步骤4、确定对中继节点流入和流出的数据流、链路激活状态等的限定条件，并提出基于编码感知调度方案的中继选择方式；具体约束限制条件为:
4.步骤6中因为在功率控制算法开始前没有链路被加入到传输配置中，因此我们提出(12)作为链路选择判据:
5.步骤7中如果我们将具有发射功率匕的链路〖χ加入到配置s中，节点J的干扰将要增加:
6.步骤8中为了保证相关链路加入到链路集合后，目的端的信噪比仍能满足要求，我们需要提高链路i 一 J的发射功率，计算公式如(14)所示:
【文档编号】H04W72/12GK103826292SQ201410088080
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】宁兆龙, 宋清洋, 崔亚运 申请人:东北大学