專利名稱：多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法
多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，為一種多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法。
背景技術(shù)：
協(xié)同通信已經(jīng)成為當(dāng)前通信界的重要研究領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)編碼是其主要方向之一。網(wǎng)絡(luò)編碼理論的提出[1]引起了通信學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，它改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了信息傳輸?shù)男?，并成為?dāng)前協(xié)同通信理論研究的一個熱點，網(wǎng)絡(luò)編碼被廣泛應(yīng)用于片上通信、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、分布式交換等[氣當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼理論的研究主要包括編碼方案性能研究、網(wǎng)絡(luò)編碼復(fù)雜度的研究以及與其他技術(shù)(信道編碼、調(diào)制技術(shù)等)結(jié)合的研究[3]。
網(wǎng)絡(luò)編碼理論同時在無線通信環(huán)境中也得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在典型的無線協(xié)同網(wǎng)絡(luò)兩路徑三節(jié)點模型中，如圖I所示，由于采用了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，減少信息交互的時隙，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[4]
在無線雙向中繼信道ABC模型中，源節(jié)點A和C同時發(fā)送的信號，在中繼B接收的是一個疊加的信號，在傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式中，這種疊加信號被認為是一種信號之間的干擾，而物理層網(wǎng)絡(luò)編碼概念的提出[5]，充分利用了無線信號的廣播特性。通過物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，可以有效地利用這種“干擾”，在中繼通過合適的映射準(zhǔn)則，使信號的疊加可以映射成數(shù)字域的相關(guān)運算(異或運算或取模運算)，從而縮短了信息的交互時隙，提高了信息傳輸效率。然而此方法目前僅僅適用于兩條路徑的網(wǎng)絡(luò)模型，在一個有中心的星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有多個節(jié)點要通過中心站進行數(shù)據(jù)交換時，例如圖2中的四路徑網(wǎng)絡(luò)模型，目前有兩種方法一是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，需要每個節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站，再通過中心站把信息廣播出去，實現(xiàn)信息交互需要八個時隙；二是當(dāng)前的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，現(xiàn)有物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)只對兩個疊加信號進行處理，因此每次只能有兩個節(jié)點通過中繼節(jié)點交互信息，按這種照兩個節(jié)點交互的方法，最少需要6個時隙實現(xiàn)信息的完全交互。
參考文獻
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本發(fā)明要解決的問題是無線網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點需要通過一個中心站進行信息交互時，特別是對于節(jié)點數(shù)大于等于3個時，傳統(tǒng)信息交互方式無法完成，因為傳統(tǒng)信息交互方式中，中心站同時接收多個無線信號時，會被認為是干擾[5]。
本發(fā)明的技術(shù)方案為多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法，無線網(wǎng)絡(luò)中至少有三個節(jié)點和一個中繼節(jié)點R，利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)信息的交互，設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)中繼周圍有K個節(jié)點，路徑為K，K>2，M為各節(jié)點所采用的調(diào)制技術(shù)中的調(diào)制階數(shù)，同時也是星座點數(shù)，M與K 之間的關(guān)系為M = 2K_i，K個節(jié)點通過中繼節(jié)點R來交互信息，這一過程分為兩個時隙
第一時隙節(jié)點m"NK同時將信息發(fā)送至中繼節(jié)點R，K個節(jié)點采用M-QAM調(diào)制方式或M-PSK調(diào)制方式，各節(jié)點只用M個星座點中的兩個星座點，即各節(jié)點只采用M-QAM 或M-PSK調(diào)制星座中的2個星座點，分別用于代表信息，從而確定節(jié)點星座映射準(zhǔn)則；
第二時隙通過第一時隙對各節(jié)點的星座的選擇，使得中繼節(jié)點R處接收的星座點數(shù)為2M-1，通過星座映射后，2M-1個星座點映射為M個星座點，中繼節(jié)點R以這M個星座點作為調(diào)制方式的星座，進行M-QAM或M-PSK調(diào)制再廣播出去，各節(jié)點通過M-QAM或M-PSK 解調(diào)得到該無線網(wǎng)絡(luò)中第一時限所有節(jié)點信息；
根據(jù)上述時隙，確定節(jié)點星座映射準(zhǔn)則和中繼節(jié)點R星座映射準(zhǔn)則，得到節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表，并確定中繼節(jié)點R的星座圖，將節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表存儲在節(jié)點和中繼節(jié)點R中，用所述映射關(guān)系表進行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，進行信息交互時，各節(jié)點接收到中繼節(jié)點R廣播的信息，根據(jù)所述映射關(guān)系表解出其他節(jié)點的信息，完成信息的交互。
兩個時隙中，調(diào)制采用M階及以上的QAM或PSK調(diào)制方式，對應(yīng)的解調(diào)采用M階及以上的QAM或PSK解調(diào)方式。
本發(fā)明在當(dāng)前物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)基礎(chǔ)上，針對具有多條(大于2)路徑的網(wǎng)絡(luò)模型，通過一種準(zhǔn)則，用于尋找實現(xiàn)節(jié)點間信息交互的方法。本發(fā)明對于K路徑網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，各節(jié)點只采用M-QAM或M-PSK調(diào)制中M個星座點中的2個星座點，分別用于代表信息，而中繼節(jié)點R獲得2XM-1點的星座，將其映射成M點的星座后再將信號廣播出去，各節(jié)點根據(jù)中繼節(jié)點R的廣播信息進行解調(diào)，得到其他節(jié)點信息，實現(xiàn)多節(jié)點在兩個時隙內(nèi)完成信息交互。根據(jù)M與K的關(guān)系，只要中繼節(jié)點收到了 2M-1個不同的點的星座，就可以實現(xiàn)多個節(jié)點在兩個時隙交互信息。
在這里，中繼收到2XM-1個星座點是實現(xiàn)多節(jié)點兩個時隙交互信息的充分條件。 下面對此進行證明
首先需要說明的是當(dāng)中繼節(jié)點接收到2M，即2K個點的星座時候，可以實現(xiàn)兩時隙交互，因為每個點與任何數(shù)據(jù)組合(2K種組合)都能夠形成一一映射?，F(xiàn)在用反證法證明， 假設(shè)2M-1個點的星座不能實現(xiàn)兩個節(jié)點交互信息。1、比如發(fā)送數(shù)據(jù)組合AiAfAu映射信號組合SA1+SA2+*“ SAK, B1B2***BK映射信號組合 Sb1+Sb2 + ... SBk ;2、由于 AA …AjPBA …BK 映射到同一個星座點，即 SA1+SA2+-Sffl=SB1+SB2+-SBK, M 與相應(yīng)比特位必有相同的，不妨設(shè)ApBeO，也就是SA1=SB1，因此SA2+SA#"
Sak_SB2+SB3+... SBK ；3、當(dāng) A^B^l 時，有 SA1=SB1，所以由上面得出的 SA2+SA3+…SAK=SB2+SB3+…SBK，有 SA1+SA2+*"SAK=SB1+SB2+*"SX，也就是說當(dāng)A^B^l時，AA…AK和BiB2…Bk也是映射到同一個 星座點；綜上所述，則中繼節(jié)點收到的星座點數(shù)是2M-2個，其中有兩個重復(fù)映射，與假設(shè) 的2M-1個星座點矛盾。充分條件得證。需要指出的是對于高于M階，比如2M-QAM的調(diào)制方式也可以通過上述步驟來實 現(xiàn)，只是高階的調(diào)制方式部分星座點未使用，沒有充分利用星座點的同時會給網(wǎng)絡(luò)性能帶 來壞的影響，比如降低了中繼的誤碼性能、提高了復(fù)雜度。本發(fā)明解決了無線網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點在同頻同時下交互信息的問題，相比當(dāng)前技術(shù) 具有以下特點一是不需要采用其他的多址接入技術(shù)，比如CDMA、FDMA等，同時可以利用現(xiàn) 有QAM或PSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，完成信號的發(fā)送接收；二是大大縮減了信息交互的時隙，所有 節(jié)點在兩個時隙就可以獲得所有信息，提高了信息傳輸?shù)男?，比如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過 本發(fā)明的方法，可縮短信息交互的時間，縮短了傳感器待機時間，節(jié)省了能源從而延長了傳 感器壽命；三是為物理層網(wǎng)絡(luò)編碼走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了新的方法。


圖1為無線網(wǎng)絡(luò)三節(jié)點兩路徑的網(wǎng)絡(luò)模型。圖2為無線網(wǎng)絡(luò)多路徑的網(wǎng)絡(luò)模型。圖3為本發(fā)明方法中K路徑網(wǎng)絡(luò)模型信息交互過程。圖4為本發(fā)明實施例四路徑網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點A、B、C、D星座圖。圖5為本發(fā)明實施例四路徑網(wǎng)絡(luò)模型的中繼節(jié)點R星座映射圖。圖6為本發(fā)明實施例三路徑網(wǎng)絡(luò)模型。圖7為本發(fā)明實施例三路徑網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點A、B、C星座圖。圖8為本發(fā)明實施例三路徑網(wǎng)絡(luò)模型中繼節(jié)點R星座映射圖。圖9為本發(fā)明實施例三路徑網(wǎng)絡(luò)模型中繼判決區(qū)域。圖10為本發(fā)明實施例三路徑模型中采用BPSK調(diào)制時不同方式下的誤碼性能曲線。圖11為本發(fā)明實施例三路徑模型中相同時隙內(nèi)完成相同信息量交互不同方式的 誤碼曲線。
具體實施例方式本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)中至少有三個節(jié)點和一個中繼節(jié)點R，對節(jié)點設(shè)計合適的星座圖，利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)信息的交互，合適的星座標(biāo)準(zhǔn)是使星座在中繼節(jié)點映射廣播被節(jié)點接收后可以正確解調(diào)出信息，按照這一標(biāo)準(zhǔn)，本發(fā)明在各節(jié)點只采用M個星座點中的2個星座點，分別用于代表“0”、“ I”信息，以此為基礎(chǔ)得到適合M-QAM或M-PSK方式的星座點。設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)路徑為K，K>2，M為星座點數(shù)，M = 2K_\ K個節(jié)點通過中繼節(jié)點R來交互信息，這一過程分為兩個時隙，如圖3
第一時隙節(jié)點％、N2, N^Nk同時將信息發(fā)送至中繼節(jié)點R，K個節(jié)點采用M-QAM 或M-PSK調(diào)制方式，各節(jié)點只用M星座中的兩個星座點，分別用于代表信息，這里只選擇兩個星座的目的是使星座疊加后可以得到優(yōu)良的映射關(guān)系，以實現(xiàn)信息的交互，不好的映射關(guān)系指一個星座點可能對應(yīng)多個數(shù)據(jù)，此種情況在后續(xù)無法實現(xiàn)解調(diào)，而優(yōu)良的映射關(guān)系則與此相反；
第二時隙中繼節(jié)點R將同時接收的各節(jié)點信號通過星座映射后，進行M QAM或 M-PSK調(diào)制再廣播出去；
根據(jù)上述時隙，確定節(jié)點星座映射準(zhǔn)則和中繼節(jié)點R星座映射準(zhǔn)則，得到節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表，并確定中繼節(jié)點R的星座圖，所述映射關(guān)系表即符合上述優(yōu)良的映射關(guān)系。將節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表存儲在節(jié)點和中繼節(jié)點R中，用所述映射關(guān)系表進行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，進行信息交互時，各節(jié)點接收到中繼節(jié)點R廣播的信息，根據(jù)所述映射關(guān)系表解出其他節(jié)點的信息，完成信息的交互。
下面以四路徑網(wǎng)絡(luò)模型為例，闡述發(fā)明的具體實施方案，四路徑模型中K=4，M = 2Κ_1 = 8，在這一模型中，節(jié)點Α、節(jié)點B、節(jié)點C以及節(jié)點D通過中繼節(jié)點R進行信息交互， 這一過程分為兩個時隙。第一時隙節(jié)點Α、節(jié)點B、節(jié)點C以及節(jié)點D同時將信息發(fā)送至中繼節(jié)點R ;第二時隙中繼節(jié)點R將處理后的信息廣播出去，節(jié)點Α、節(jié)點B、節(jié)點C、節(jié)點D 接收到廣播信號后通過8PSK將信息解調(diào)出，至此一次完整的信息交互完成。該模型中節(jié)點 Α、節(jié)點B、節(jié)點C、節(jié)點D的星座見圖4，同時根據(jù)時隙可以得到如表I的映射關(guān)系，其中\(zhòng)、 Μβ、Μ。、Md分別為A、B、C、D需要發(fā)送的信息，SA、SB、S。、Sd分別是A、B、C、D調(diào)制信號對應(yīng)的星座坐標(biāo)，而Rk為中繼節(jié)點R接收信號對應(yīng)星座上的坐標(biāo)，Se為中繼節(jié)點R廣播信號對應(yīng)的星座坐標(biāo)。表I所示的映射表在確定好無線網(wǎng)絡(luò)模型后即可確定，預(yù)先存儲在各節(jié)點以及中繼節(jié)點R中。
表I :A、B、C、D、R四處的映射關(guān)系表
權(quán)利要求
1.多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征是無線網(wǎng)絡(luò)中至少有三個節(jié)點和一個中繼節(jié)點 R，利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)信息的交互，設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)中繼周圍有K個節(jié)點，路徑為K，K>2， M為各節(jié)點所采用的調(diào)制技術(shù)中的調(diào)制階數(shù)，同時也是星座點數(shù)，M與K之間的關(guān)系為Μ = 2K_S K個節(jié)點通過中繼節(jié)點R來交互信息，這一過程分為兩個時隙第一時隙節(jié)點H N^Nk同時將信息發(fā)送至中繼節(jié)點R，K個節(jié)點采用M-QAM調(diào)制方式或M-PSK調(diào)制方式，各節(jié)點只用M個星座點中的兩個星座點，即各節(jié)點只采用M-QAM或 M-PSK調(diào)制星座中的2個星座點，分別用于代表“O”、“ I ”信息，從而確定節(jié)點星座映射準(zhǔn)則；第二時隙通過第一時隙對各節(jié)點的星座的選擇，使得中繼節(jié)點R處接收的星座點數(shù)為2M-1，通過星座映射后，2M-1個星座點映射為M個星座點，中繼節(jié)點R以這M個星座點作為調(diào)制方式的星座，進行M-QAM或M-PSK調(diào)制再廣播出去，各節(jié)點通過M-QAM或M-PSK解調(diào)得到該無線網(wǎng)絡(luò)中第一時限所有節(jié)點信息；根據(jù)上述時隙，確定節(jié)點星座映射準(zhǔn)則和中繼節(jié)點R星座映射準(zhǔn)則，得到節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表，并確定中繼節(jié)點R的星座圖，將節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表存儲在節(jié)點和中繼節(jié)點R中，用所述映射關(guān)系表進行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，進行信息交互時，各節(jié)點接收到中繼節(jié)點R廣播的信息，根據(jù)所述映射關(guān)系表解出其他節(jié)點的信息，完成信息的交互。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征是兩個時隙中，調(diào)制采用M階及以上的QAM或PSK調(diào)制方式，對應(yīng)的解調(diào)采用M階及以上的QAM或PSK解調(diào)方式。
全文摘要
多路徑物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法，對節(jié)點設(shè)計合適的星座圖，利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)信息的交互，設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)路徑為K，K>2，M為星座點數(shù)，M＝2K-1，K個節(jié)點通過中繼節(jié)點R來交互信息，將這一過程分為兩個時隙，建立節(jié)點與中繼節(jié)點R的映射關(guān)系表，進行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，信息交互時，各節(jié)點接收到中繼節(jié)點R廣播的信息，根據(jù)所述映射關(guān)系表解出其他節(jié)點的信息，完成信息的交互。本發(fā)明解決了無線網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點在同頻同時下交互信息的問題，利用現(xiàn)有QAM或PSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成信號的發(fā)送接收；同時大大縮減了信息交互的時隙，所有節(jié)點在兩個時隙就可以獲得所有信息，提高了信息傳輸?shù)男剩瑸槲锢韺泳W(wǎng)絡(luò)編碼走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了新的方法。
文檔編號H04L1/00GK102938684SQ20121038110
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者高媛媛, 江天明, 楊保峰, 臧國珍, 郭明喜, 黃葆華, 徐坤, 沙楠, 李文龍, 房務(wù)將, 龍彥汕, 張宏蘇, 陳麗花 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)