一种基于网络编码的双向中继的协作方法

摘要

本发明公开了一种基于网络编码的双向中继的协作方法，其特征是在两源节点之间经中继节点互相交换信息，协作节点协作源节点进行传输，通过对中继节点处对数据包进行编码和协作节点的协作，从而获得一定的增益提高。本发明所提出的方法可以提高网络性能，减少复杂度。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信中的中继系统协作协议设计领域，具体的说是一种基于网络编码在 双向中继系统中的协作方法。

背景技术

在无线通信网络中，多媒体业务日益增长，人们越来越关注着大容量和高速率的移动通 信。但由于受带宽、传输功率的限制，再加上移动通信中多径衰落和多普勒频移等因素的影 响，难以获得理想的传输速率和通信质量。为了解决无线信道容量的瓶颈问题，人们提出了 协作通信的概念，可以在在不增加硬件复杂度的情况下，获得分集增益，提升系统性能。

物理层的协作通信已得到广泛研究，但只有物理层的协作并不能最大化协作通信的优势， 最关键的是MAC层协议，需要针对MAC协议做进一步设计，以提升系统性能。 CoopMAC(cooperativeMAC)的研究只是考虑中继的问题，思路简单明了，与传统的802.11协 议兼容，但是未考虑双向和协作节点的利用。在双向中继网络中，只是中继节点对两个源节 点进行中继转发，未考虑协作节点协作两个源节点。

网络编码基本思想是基于双向中继网络中，中继节点对来自两个源节点的信息进行处理， 将两个源节点的信息进行异或运算，然后再广播到两个源节点，从而减少了传输时隙。但未 考虑在多帧的情况下，中继节点缓冲区中对两个源节点数据包进行网络编码。

发明内容

本发明是为避免现有技术的不足之处，提出一种无线双向通信中新的基于网络编码的协 作方法，以期能减少数据传输的复杂度，从而提高无线通信网络的性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于网络编码的双向中继的协作方法的特点是应用于由两个源节点S₁和S₂、 一个中继节点R和n个协作节点H＝{H₁,H₂,…,H_i,…,H_n}所构成的无线网络环境中，H_i表 示第i个协作节点；1in；假设所述源节点S₁和S₂之间需传输m帧数据，记为 F＝{F₁,F₂,…,F_j,…,F_m}；F_j表示第j帧数据；1jm；则所述协作方法是按如下步骤进 行：

步骤1、初始化j＝1；

步骤2、源节点S₁将自身缓冲区首部的数据包向所述无线网络环境进行广播；

步骤3、所述中继节点R若收到所述源节点S₁发送的数据包且自身缓冲区未满， 则将所述源节点S₁的数据包加入自身缓冲区的尾部，并向所述源节点S₁返回第j帧数据 的S₁方确认信号；执行步骤4；所述中继节点R若没有收到所述源节点S₁发送的数据包则直接执行步骤6；

步骤4、所述源节点S₁若接收到所述中继节点R返回的第j帧数据的S₁方确认信号，则 将自身缓冲区首部的数据包删除；

步骤5、所述第i个协作节点H_i若侦听到所述第j帧数据的S₁方确认信号，且第i个协作 节点H_i能收到所述源节点S₁的广播信号时；所述第i个协作节点H_i将源节点S₁的数据包加入自身缓冲区的尾部；

步骤6、源节点S₂将自身缓冲区首部的数据包向所述无线网络环境进行广播；

步骤7、所述中继节点R若收到所述源节点S₂发送的数据包且自身缓冲区未满， 则所述中继节点R在自身缓冲区内按照自上而下的顺序寻找是否有源节点S₁的数据包一 旦寻找到，则将源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后存入源节点 S₁的数据包所在的缓冲区位置上；否则，将所述源节点S₂的数据包直接加入中继节 点R自身缓冲区的尾部；所述中继节点R向所述源节点S₂返回第j帧数据的S₂方确认信号； 执行步骤8；所述中继节点R若没有收到所述源节点S₂发送的数据包则直接执行步骤 10；

步骤8、所述源节点S₂若接收到所述中继节点R返回的第j帧数据的S₂方确认信号，则 将自身缓冲区首部的数据包删除；

步骤9、所述第i个协作节点H_i若侦听到所述第j帧数据的S₂方确认信号，且第i个协作 节点H_i能收到所述源节点S₂的广播信号时，所述第i个协作节点H_i判断自身缓冲区内是否 存在源节点S₁的数据包若存在，则将源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后存入源节点S₁的数据包所在的缓冲区位置上，若不存在，则直接将源节 点S₂的数据包加入自身缓冲区的尾部；

步骤10、所述中继节点R将自身缓冲区首部的中继数据包向所述无线网络环境进行广 播；若所述中继数据包为源节点S₁发送的数据包，则执行步骤11；若所述中继数据包为源节 点S₂发送的数据包，则执行步骤12；若所述中继数据包为源节点S₂的数据包与源节点S₁的 数据包进行异或运算后的数据包，则执行步骤13；

步骤11、所述源节点S₂若接收到所述中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返 回S₂方中继确认信号；

所述中继节点R若接收到所述S₂方中继确认信号；则所述中继节点R和第i个协作节点 H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤12、所述源节点S₁若接收到所述中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返 回S₁方中继确认信号；

所述中继节点R若接收到所述S₁方中继确认信号；则所述中继节点R和第i个协作节点 H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤13、所述源节点S₁若接收到所述中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返 回S₁方中继确认信号；所述源节点S₂若接收到所述中继节点R发送的中继数据包，则向中继 节点R返回S₂方中继确认信号；

所述中继节点R若接收到所述S₁方中继确认信号和S₂方中继确认信号；则所述中继节点 R和第i个协作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤14、所述第i个协作节点H_i将自身缓冲区首部的协作数据包向所述无线网络环境进 行广播；若所述协作数据包为源节点S₁发送的数据包，则执行步骤15；若所述协作数据包为 源节点S₂发送的数据包，则执行步骤16；若所述协作数据包为源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后的数据包，则执行步骤17；

步骤15、所述源节点S₂若接收到所述第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个 协作节点H_i返回S₂方协作确认信号；

所述第i个协作节点H_i若接收到所述S₂方协作确认信号；则所述中继节点R和第i个协 作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；所述第i个协作节点H_i若未接收到所述 S₂方协作确认信号；则所述第i个协作节点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤16、所述源节点S₁若接收到所述第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个 协作节点H_i返回S₁方协作确认信号；

所述第i个协作节点H_i若接收到所述S₁方协作确认信号；则所述中继节点R和第i个协 作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；所述第i个协作节点H_i若未接收到所述S₁方协作确认信号；则所述第i个协作节点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤17、所述源节点S₁若接收到所述第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个 协作节点H_i返回S₁方协作确认信号；所述源节点S₂若接收到所述第i个协作节点H_i发送的 协作数据包，则向第i个协作节点H_i返回S₂方协作确认信号；

所述第i个协作节点H_i若接收到所述S₁方协作确认信号和S₂方协作确认信号；则所述中 继节点R和第i个协作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

所述第i个协作节点H_i若未接收到所述S₁方协作确认信号和S₂方协作确认信号；则所述 第i个协作节点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤18、并将j+1赋值给j；并判断j＞m是否成立，若成立，则表示所述源节点S₁和S₂之间完成m帧数据的传输，否则，返回步骤2执行。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在双向中继网络中，在两源节点之间经中继节点互相交换信息，协作节点协作 源节点进行传输，通过对中继节点处对数据包进行编码和协作节点的协作，从而获得了一定 的增益提高，降低了传输的复杂度，降低了中继节点传输次数，提高了传输有效性。

2、本发明利用网络编码技术将中继节点和协作节点的缓冲区数据包进行了异或运算，减 少了缓冲区占用空间，同时在广播到目的节点时时，降低了传输复杂度，缩少了传输时隙。

附图说明

图1为本发明双向协作中继系统图；

图2为本发明方法中每帧的时隙分配图；

图3.1为本发明方法每帧S1节点传输机制图；

图3.2为本发明方法每帧S2节点传输机制图；

图3.3为本发明方法每帧R节点传输机制图；

图3.4为本发明方法每帧Hi节点传输机制图；

图4为本发明方法中协作MAC协议的性能表现图。

具体实施方式

一种基于网络编码的双向中继的协作方法，是应用于由两个源节点S₁和S₂、一个中继节 点R和n个协作节点H＝{H₁,H₂,…,H_i,…,H_n}所构成的无线网络环境中，H_i表示第i个协 作节点；1in；定义两个源节点S₁和S₂所传输的数据包为中继包；定义中继节点R自身 所产生的数据包为非中继包；假设源节点S₁和S₂之间需传输m帧数据，记为 F＝{F₁,F₂,…,F_j,…,F_m}；F_j表示第j帧数据；1jm；具体介绍如下：

(1)建立系统模型：如图1所示，两端的源节点分别为S1与S2，它们之间无法直接通信， 只能通过中继节点R对数据包进行转发。由于图1中这个系统是双向中继系统，而在R周围 所有通信范围能同时覆盖S1和S2的Hi(H1，H2)将与R一起组成一个协作组，对S1(或S2) 的数据包进行中继转发。另外R和H1，H2具有网络编码广播(集成网络编码功能)。

在本双向中继系统中，一帧内所有的节点(S1、S2，R，H_i)都将分配到一个时隙，如图2 所示。所有节点只能在分配到自己的时隙内发送数据包。在一帧的时隙内，S1(或S2)都有一 定概率σ_r产生中继包，R有一定概率σ_nr产生非中继包。S1(或S2)每次产生的中继包会存 放在自己的Buffer队尾，每一次到本时隙发送时，都将Buffer队首的数据包发送出去。而R 的Buffer中会存在中继包与非中继包两种类型，每次到R时隙时，R也会将队首的包发送出 去。H_i机制和R相似，但不同的是H_i不一定会每一帧都参与协作组的转发，Hi的buffer为 空的概率是相同而且相互独立的，设定为P_idle，每一帧开头利用pdile判断Hi是否空。

考虑的这个系统模型中，每个节点都是单天线收发机，自由空间为瑞丽衰落信道。众所 周知，TDMA系统帧都是固定的，每帧包含同等时长的时隙，每个时隙被分配给每个节点， 假定：即时反馈(积极的或否定确认)在每个时隙的端通过一个无差错的信道传输。所有的节 点也假定是同步的，所有的数据包长度是相等的。每个节点都是单天线收发机，采用BPSK 调制方式，自由空间为瑞丽衰落信道，信噪比为SNR，长度为u的数据包，其误比特率 每比特的平均信噪比。不考虑信道编码，数据包成功传输的概率是 那么传输错误的概率是1-P_succ。

(2)传输过程：

S1时隙：如图3.1所示，步骤1、初始化j＝1；

步骤2、源节点S₁将自身缓冲区首部的数据包向无线网络环境进行广播；

步骤3、中继节点R若收到源节点S₁发送的数据包且自身缓冲区未满，则将源节 点S₁的数据包加入自身缓冲区的尾部，并向源节点S₁返回第j帧数据的S₁方确认信号； 执行步骤4；中继节点R若没有收到源节点S₁发送的数据包则直接执行步骤6；

步骤4、源节点S₁若接收到中继节点R返回的第j帧数据的S₁方确认信号，则将自身缓 冲区首部的数据包删除；

步骤5、第i个协作节点H_i若侦听到第j帧数据的S₁方确认信号，这里考虑的是以R为 主要传输中继节点，Hi是用来协作R的传输；且第i个协作节点H_i能收到源节点S₁的广播信 号时；第i个协作节点H_i将源节点S₁的数据包加入自身缓冲区的尾部；

S2时隙：如图3.2所示，

步骤6、源节点S₂将自身缓冲区首部的数据包向无线网络环境进行广播；

步骤7中继节点R若收到源节点S₂发送的数据包且自身缓冲区未满，则中继节点 R在自身缓冲区内按照自上而下的顺序寻找是否有源节点S₁的数据包一旦寻找到，则将 源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后存入源节点S₁的数据包所在的缓冲区位置上，在这里不仅仅考虑同一帧来自S1和S2发来的数据包进行网络编码， 而是考虑不仅仅是同一帧的S1和S2数据包，这样一来，减少了缓冲区数据包的占用空间， 增大了网络编码的异或运算概率，从而提高网络性能；否则，将源节点S₂的数据包直接 加入中继节点R自身缓冲区的尾部；中继节点R向源节点S₂返回第j帧数据的S₂方确认信 号；执行步骤8；中继节点R若没有收到源节点S₂发送的数据包则直接执行步骤10；

步骤8、源节点S₂若接收到中继节点R返回的第j帧数据的S₂方确认信号，则将自身缓 冲区首部的数据包删除；

步骤9、第i个协作节点H_i若侦听到第j帧数据的S₂方确认信号，且第i个协作节点H_i能 收到源节点S₂的广播信号时，第i个协作节点H_i判断自身缓冲区内是否存在源节点S₁的数据 包若存在，则将源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后存入 源节点S₁的数据包所在的缓冲区位置上，若不存在，则直接将源节点S₂的数据包加 入自身缓冲区的尾部；

R时隙：如图3.3所示，

步骤10、中继节点R将自身缓冲区首部的中继数据包向无线网络环境进行广播；若中继 数据包为源节点S₁发送的数据包，则执行步骤11；若中继数据包为源节点S₂发送的数据包， 则执行步骤12；若中继数据包为源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算后的数 据包，则执行步骤13；

步骤11、源节点S₂若接收到中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返回S₂方 中继确认信号；

中继节点R若接收到S₂方中继确认信号；则中继节点R和第i个协作节点H_i分别将自身 缓冲区内的相同数据包删除；

步骤12、源节点S₁若接收到中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返回S₁方中 继确认信号；

中继节点R若接收到S₁方中继确认信号；则中继节点R和第i个协作节点H_i分别将自身 缓冲区内的相同数据包删除；

步骤13、源节点S₁若接收到中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返回S₁方中 继确认信号；源节点S₂若接收到中继节点R发送的中继数据包，则向中继节点R返回S₂方中 继确认信号；

中继节点R若接收到S₁方中继确认信号和S₂方中继确认信号；则中继节点R和第i个协 作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

Hi时隙：如图3.4所示，

步骤14、第i个协作节点H_i将自身缓冲区首部的协作数据包向无线网络环境进行广播； 若协作数据包为源节点S₁发送的数据包，则执行步骤15；若协作数据包为源节点S₂发送的数 据包，则执行步骤16；若协作数据包为源节点S₂的数据包与源节点S₁的数据包进行异或运算 后的数据包，则执行步骤17；

步骤15、源节点S₂若接收到第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个协作节点 H_i返回S₂方协作确认信号；

第i个协作节点H_i若接收到S₂方协作确认信号；则中继节点R和第i个协作节点H_i分别 将自身缓冲区内的相同数据包删除；第i个协作节点H_i若未接收到S₂方协作确认信号；则第 i个协作节点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤16、源节点S₁若接收到第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个协作节点 H_i返回S₁方协作确认信号；

第i个协作节点H_i若接收到S₁方协作确认信号；则中继节点R和第i个协作节点H_i分别 将自身缓冲区内的相同数据包删除；第i个协作节点H_i若未接收到S₁方协作确认信号；则第i 个协作节点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤17、源节点S₁若接收到第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向第i个协作节点 H_i返回S₁方协作确认信号；源节点S₂若接收到第i个协作节点H_i发送的协作数据包，则向 第i个协作节点H_i返回S₂方协作确认信号；

第i个协作节点H_i若接收到S₁方协作确认信号和S₂方协作确认信号；则中继节点R和第 i个协作节点H_i分别将自身缓冲区内的相同数据包删除；

第i个协作节点H_i若未接收到S₁方协作确认信号和S₂方协作确认信号；则第i个协作节 点H_i将自身缓冲区内的相同数据包删除；

步骤18、并将j+1赋值给j；并判断j＞m是否成立，若成立，则表示源节点S₁和S₂之 间完成m帧数据的传输，否则，返回步骤2执行。

图4给出了本发明的基于网络编码的双向中继协作协议的性能表现。本图是在 (ps,ps/2,ps,ps/2)条件下代表S1到R传输成功率是ps；S1到Hi传输成功率是ps；S2到R传输 成功率是ps；S2到Hi传输成功率是ps。当Pidle＝0.8时，SNR＝35dB，网络策略对协作MAC 协议有44％性能增益；当Pidle＝0.2时，SNR＝35dB，网络策略对协作MAC协议有57％性能 增益。对于Pidle不能过高，如果是过高的话，如pidle高的话，如Pidle＝0.8，NC作用被协 作作用所遮盖了，应该是协作作用强，导致TW-NCCR相对于TW-CR在网络编码的优势不 明显。随着Pdile提高，意味着协作能力增强，提高了双向中继网络的性能。