專利名稱：網絡編碼與星座疊加編碼結合用于協同中繼系統中的方法
技術領域：
本發明是將兩種最新的無線傳輸技術網絡編碼(NetworkCoding,NC)和星座疊加編碼 (Superposition Coding, SC)結合在一起然后運用到協同中繼通信系統(Cooperative Relay)中， 或者是其它與協同中繼通信網絡有類似結構特點的通信網絡中。將NC與SC結合使用可以有 效利用無線資源、提高傳輸效率，從而提高整個系統吞吐量性能。本發明能將NC和SC在提 高系統性能方面的優勢同時體現出來，使它們的增益達到一種疊加的效果。
背景技術：
網絡編碼(Network Coding, NC)作為21世紀通信領域的一項重大突破，它以能夠達到 組播容量的優勢而越來越受到關注，NC將物理層和網絡層的兩個核心概念編碼和路由融合 在一起。它允許網絡中間節點對接收到的信息比特流進行操作(編碼)、然后轉發，以使網絡 達到最大流最小割容量。NC具有提高網絡吞吐量、增加頻帶利用率、節省重傳次數、增強網 絡的容錯性、魯棒性和安全性等優點。NC多用于廣播組播或協同中繼系統中。而現在關于 NC的無線研究與應用還處于探索階段。除了研究NC在無線網絡中的具體實現方式外，NC 與其它無線技術的結合成為NC在無線研究中的一大熱點。
在NC的無線應用中，較多使用離散NC (Digital NC，又稱數字NC)，它常用的實現方 式有兩種
1. 異或(Exclusive OR， XOR)，在發端將多個不同的信息塊進行異或編碼后再發送出去；
2. 隨機線性，在發端將多個不同的信息塊根據隨機選出的系數線性合并編碼后發送出 去。
目前對NC與現有無線技術結合的研究有與信道編碼相結合、與HARQ技術相結合 (NC-HARQ)、與MAC層調度相結合、與速率控制相結合、與MIMO技術相結合等。
星座疊加編碼(Superposition Coding, SC，又稱星座重疊編碼)是超高速數據速率(Ultra High Data Rate, UHDR)的一項特色技術，它與NC類似，也能有效提高系統性能。當收發 端都是單天線時，SC能達到廣播信道容量。在使用SC時，多個用戶可以復用相同的頻率資 源，而采用不同的調制方式。信道條件較差的用戶采用較低的調制等級，將信息映射到基本 星座圖(Basic)上；信道條件較好的用戶采用較高的調制等級，將信息映射到附加星座圖
(Basic)上。接收端在解調時，先解調出調制等級低的用戶，并從檢測信號中減去其千擾， 然后再解調出調制等級高的用戶。這樣節省了系統資源，從而達到更優的系統性能。
目前對SC的研究還處于初步階段，主要是針對SC的具體實現以及分析它對系統容量性 能的影響。
發明內容
為了有效利用NC和SC這兩種技術帶來的性能增益，以進一步提升系統的吞吐量性能， 本發明提出一種將兩項技術相結合運用到協同中繼通信系統中的方法。其基本原理是當中 繼節點(Relay Nodes)轉發或中繼它所收到的信息時，同時利用NC和SC技術將信息進行 網絡編碼(XOR操作)和星座疊加編碼(調制映射到不同星座圖上)，然后再進行廣播。最 后在各個終端節點根據接收到的信息、監聽(Overheard)到的信息和存儲的信息進行解調譯 碼。
本發明適用的基本系統模型為在一個由W個終端Ti,T2,…,TN和一個中繼節點R組成的
協同中繼系統中，假設節點之間如果相互處于對方的通信范圍內，則它們之間能相互監聽到 對方發出的信息，而每個節點都會將自己發送的信息和其監聽到的信息存儲下來用于解調。 它們最終需要實現通過中繼節點互相通信，即每一個終端節點的信息都需要傳送到其它所有 節點上。
本發明的具體實現步驟是
步驟l:各終端節點發送并監聽。每個終端節點Ti(i- 1，2，…W在向中繼節點R發送自 己特有的信息/,的同時，監聽與其相鄰的(或處于其通信范圍內的)終端節點Tj發出的信息 々。此時各終端節點都已知其自己發出的信息和監聽到的相鄰節點發出的信息，它們各自將這 些信息存儲下來用于接收解調。
步驟2:中繼節點編碼調制后廣播。中繼節點R將收到的各個終端節點發來的信息首先
利用NC進行編碼后再利用SC技術廣播發送。中繼節點R在這些信息中取信道條件相對較 好(即接收SINR較大)且各終端都能正確譯碼的一組信息進行XOR網絡編碼，然后將編碼 后的信息映射到SC的基本星座圖上，再取信道條件相對較差且各終端都能正確譯碼的另一 組信息進行XOR網絡編碼，然后將編碼后的信息映射到SC的附加星座圖上，最后將編碼調 制后的信息向各個終端節點進行廣播。
步驟3:各終端節點接收并解調。在終端節點先做SC解調再做NC譯碼，即每一個終端 節點Ti (i = 1,2，...^首先根據SC的解調方法解出基本層和附加層上的信息，然后將解調出 的兩個信息分別與本節點中存儲下來的部分或全部已知信息進行XOR操作完成NC譯碼，得 到其它節點發出的信息。把這些新信息添加到自己的己知信息中，并存儲下來用于下一次接 收解調。
步驟4:迭代或結束。如果各終端節點都知道其它所有節點發出的信息，則完成本次通信。 否則重復步驟2和步驟3。
在第2步中利用NC來設計編碼并進行SC傳輸必須滿足以下準則-
1. 可解。在選擇節點信息進行NC時，必須保證在基本星座圖或附加星座圖上的編碼信 息對任一終端節點最多只有一個未知信息，即在各個終端節點都能利用己知信息對基 本信息和附加信息完成NC譯碼。
2. 盡力。每個節點最終都必須能知道其它所有節點的信息(完備性)，因此每次進行異 或編碼(XOR)時，都選擇盡可能多的可解信息一起進行NC。
當系統中的終端節點數小于等于4時，如果每個節點可監聽至少一個相鄰節點的信息， 則本發明可以經過一次中繼即可完成節點之間的相互通信。當節點數增加時，在中繼節點的 處理方式類似。而各節點需要監聽到更多相鄰節點的信息，或者中繼節點使用隨機線性網絡 編碼，然后廣播多次不同編碼調制后的信息，也可使各個終端節點最終解調譯碼出所有的信 息。
這種SC與NC技術相結合運用到協同中繼系統中的方案比傳統的NC技術節省了系統資 源，因為每次傳輸都將四部分信息通過NC和SC映射到相同的時頻資源塊上進行廣播，從而 提高了系統吞吐量。
結合以下附圖以及具體實例對發明所做的詳細描述，將便于理解本發明的原理、步驟、 特點和優點，附圖中
圖1是表示本發明的系統模型，其中虛線圈代表各個節點的通信范圍。
圖2是表示本發明的工作步驟。
圖3是表示本發明的一個具體實施方案。
具體實施例方式
為便于理解，本發明以一個由4個終端節點TbT2，T3,T4和1個中繼節點R組成的協同中 繼網絡為例，來說明NC與SC結合在其中應用的方法。假設Ti與T2節點相互處于對方的通
信范圍內，即它們之間能相互監聽到對方的信息，T3與T4節點類似也能相互監聽對方的信息。
它們通過中繼節點需要互相通信，即每一個終端節點的信息都需要傳送到其它所有節點上。 本發明對于所有具有這個示例中基本特征的網絡結構模型都普遍適用。
在上行傳輸時，每個終端節點Ti(i- 1,2，3,4)在向中繼節點R發送自己特有的信息力的同 時，監聽與其相鄰的(處于其通信范圍內的)終端節點Tj發出的信息々。此時終端節點TVT2
都已知/7和/2信息對，終端節點T3，T4已知/j和A信息對。各節點將自己發出的信息和監聽
到的鄰節點的信息存儲下來用于接收解調。
在中繼節點R，接收到兩組信息對/7和A， A和A，在每組中分別找出信道條件較好的 用戶信息，即接收SINR較大的用戶信息。不妨設//>/2， /5>/4，將信息條件較好的兩個信 息和較差的兩個信息分別進行XOR編碼
/fl=/20/4
然后將編碼后的A映射到SC的基本星座圖上，/a映射到SC的附加星座圖上，中繼節點 R將編碼調制后的信號向各個終端節點Ti廣播。
最后，在各個終端節點根據接收信息和存儲信息進行解調和譯碼。首先按SC的解調方式，
解調出最大似然的/二和/"然后利用各節點存儲的已知信息進行NC譯碼操作，譯碼出原始
f曰息
在丁3和T4端/^《十/3 在丁3和T4端/;=/:@/4 在Ti和T2端 在Ti和T2端/:=^@/2
最終各個終端都能解調出其它所有終端節點發出的信息。 其示意圖如附圖3所示。
綜合以上可以看出，本發明提出的在協同中繼系統中，中繼節點轉發信息的設計方法，
將目前最新的兩種技術網絡編碼(NC)和星座疊加編碼(SC)結合在一起，具有如下特點-
1. 由于在中繼節點將需要轉發的信息兩兩進行NC操作，節省了系統資源，從而提高了 系統吞吐量；
2. i中繼節點'將NC操作后的信息塊映射到SC的不同星座上進行傳輸，同樣有效地節 省了系統資源提高系統吞吐量；
3. 對具體的應用系統和協議規范不敏感，具備兼容性。
總之，本發明是協同中繼系統中一種全新高效的信息傳輸技術，其目的是節省系統資源， 來提高系統的吞吐量性能。
權利要求
1. 網絡編碼(Network Coding，NC)與星座疊加編碼(Superposition Coding，SC)結合運用到協同中繼網絡中的方法。基于包括系統中的通信設備、可用發射功率以及通信頻段等通信資源，針對由各通信資源的不同劃分和組合而構成的通信信道，在物理層將SC技術和NC技術運用到中繼節點中繼信息中，使系統的時頻資源比單獨使用SC或者NC技術得到更充分的應用。在這種方案中，基于多個終端節點和一個中繼節點組成的協同中繼系統模型，根據SC和NC技術的原理，設定的方案實現步驟為步驟1各終端節點發送并監聽。每個終端節點Ti(i＝1，2，...，N)在向中繼節點R發送自己特有的信息Ii的同時，監聽與其相鄰的(或處于其通信范圍內的)終端節點Tj發出的信息Ij。此時各終端節點都已知其自己發出的信息和監聽到的相鄰節點發出的信息，它們各自將這些信息存儲下來用于接收解調。步驟2中繼節點編碼調制后廣播。中繼節點R將收到的各個終端節點發來的信息首先利用NC進行編碼后再利用SC技術廣播發送。中繼節點R在這些信息中取信道條件相對較好(即接收SINR較大)且各終端都能正確譯碼的一組信息進行XOR網絡編碼，然后將編碼后的信息映射到SC的基本星座圖上，再取信道條件相對較差且各終端都能正確譯碼的另一組信息進行XOR網絡編碼，然后將編碼后的信息映射到SC的附加星座圖上，最后將編碼調制后的信息向各個終端節點進行廣播。步驟3各終端節點接收并解調。在終端節點先做SC解調再做NC譯碼，即每一個終端節點Ti(i＝1，2，...，N)首先根據SC的解調方法解出基本層和附加層上的信息，然后將解調出的兩個信息分別與本節點中存儲下來的部分或全部已知信息進行XOR操作完成NC譯碼，得到其它節點發出的信息。把這些新信息添加到自己的已知信息中，并存儲下來用于下一次接收解調。步驟4迭代或結束。如果各終端節點都知道其它所有節點發出的信息，則完成本次通信。否則重復步驟2和步驟3。在第2步中利用NC來設計編碼并進行SC傳輸必須滿足以下準則1)可解。在選擇節點信息進行NC時，必須保證在基本星座圖或附加星座圖上的編碼信息對任一終端節點最多只有一個未知信息，即在各個終端節點都能利用已知信息對基本信息和附加信息完成NC譯碼。2)盡力。每個節點最終都必須能知道其它所有節點的信息(完備性)，因此每次進行異或編碼(XOR)時，都選擇盡可能多的可解信息一起進行NC。當系統中的終端節點數小于等于4時，如果每個節點可監聽至少一個相鄰節點的信息，則本發明可以經過一次中繼即可完成節點之間的相互通信。當節點數增加時，在中繼節點的處理方式類似。而各節點需要監聽到更多相鄰節點的信息，或者中繼節點使用隨機線性網絡編碼，然后廣播多次不同編碼調制后的信息，也可使各個終端節點最終解調譯碼出所有的信息。
2. 如權利要求1中步驟1所述的各終端節點發送并監聽的過程。包括各個終端節點在向中 繼節點發送自己特有信息的同時，監聽處于其通信范圍內的相鄰節點發出的信息，并存儲下 來用于接收解調的方法；以及各終端需要同時發送和接收信息的兩套收發設備的硬件配置。
3. 如權利要求1中步驟2所述的星座疊加編碼(SC)技術運用于多個終端節點和一個中繼 節點組成的協同中繼網絡的方法，包括在中繼節點將具有不同信道條件的信息映射到不同調 制星座圖上的方案，即中繼節點將信道條件相對較好的信息調制映射到SC中的基本星座圖(Bask)上，而信道條件相對較差的信息調制映射到SC中的附加星座圖(Additional)上。
4. 如權利要求l中步驟2所述的網絡編碼(NC)技術運用于多個終端節點和一個中繼節點 組成的協同中繼網絡的方法，包括在中繼節點將盡可能多的且各終端節點都能正確譯碼的信 息進行NC操作，以節省系統資源。
5. 如權利要求1中步驟2所述的在中繼節點將需要中繼的信息編碼調制后進行廣播的方法。 即在中繼節點將NC與SC技術相結合的方法中繼節點取一組信道條件相對較好且各終端節 點能正確譯碼的信息進行NC操作，將編碼后的信息塊映射到SC的基本星座圖上，取信道條 件相對較差且各終端節點能正確譯碼的信息進行NC操作后映射到SC的附加星座圖上，然后 向各個終端節點廣播。
6. 如權利要求1中步驟3所述的各終端節點解調譯碼的方法。即對檢測到的信號首先按SC 的解調方式解調，然后進行NC譯碼，最后得到有用的新信息。并將這些新信息存儲下來用 于下一次接收解調。
7. 如權利要求1中步驟4所述的迭代結束的方法。即當各終端都知道其它所有節點發出的 信息則完成本次通信，否則中繼節點繼續利用NC和SC技術廣播信息。
8. 如權力要求1中所述的當終端節點數增加時，各終端節點監聽更多的相鄰節點的信息的 方法。以及中繼節點使用線性網絡編碼，然后廣播多次不同編碼信息的方法。
全文摘要
本發明提供的技術方案用于協同中繼系統中，通過將網絡編碼(NC)和星座疊加編碼(SC)兩種最新的通信技術相結合，并設計將兩者在節省系統資源方面的性能同時利用，最終達到對系統吞吐量的進一步優化。而且本方案易于實現、應用方式也比較靈活。本發明通過在中繼節點轉發信息時，將網絡編碼和星座疊加編碼技術有效地結合在一起。將信道條件相對較好的且盡可能多的可以解調的節點信息進行網絡編碼然后映射到SC的基本星座圖上，信道條件較差的NC編碼信息映射到附加星座圖上，再向所有節點廣播。這樣大大地節省了系統資源，從而顯著提高了系統吞吐量。
文檔編號H04L29/06GK101394327SQ20081022452
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月20日 優先權日2008年10月20日
發明者欣 張, 楊大成, 力 陳, 陳文文 申請人:北京郵電大學