[发明专利]无线多跳级联自适应网络编码协作方法

说明书

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b1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b1和，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用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已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0，将包中的每s个连续的比特组成F₂s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。