星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的harq傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法。在無中間節(jié)點的點對點通信中，當有多個數(shù)據(jù)包傳輸錯誤時，在重傳過程中，發(fā)送端將錯誤數(shù)據(jù)包選擇性的兩個一組進行網(wǎng)絡編碼后發(fā)送，接收端將重傳包和首次發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行聯(lián)合迭代解碼。本發(fā)明將HARQ技術和網(wǎng)絡編碼結合，在重傳過程中加入網(wǎng)絡編碼，將兩個錯誤包進行網(wǎng)絡編碼后發(fā)送重傳。傳統(tǒng)的HARQ需要四個時隙對兩個錯誤數(shù)據(jù)包完成一次重傳，基于網(wǎng)絡編碼的HARQ只需三個時隙即可完成一次重傳，減少了重傳次數(shù)；減少重傳次數(shù)，從而可以增大系統(tǒng)的吞吐量；選擇性網(wǎng)絡編碼可提高聯(lián)合解碼正確概率，增大殘余誤幀率。
【專利說明】星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及HARQ技術和網(wǎng)絡編碼，是一種適用于相鄰節(jié)點通信系統(tǒng)中的重傳和聯(lián)合迭代解碼方法；具體地說，是指一種星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法。
【背景技術】
[0002]在星地傳輸網(wǎng)絡中，環(huán)境非常復雜。對于接收端，不但存在由于地理環(huán)境引起的衰落和陰影，而且還受到開放式信道結構帶來的各種干擾和噪聲的影響。這些衰落和干擾將嚴重影響通信質(zhì)量。因此，如何保證高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠準確無誤的到達接收端，成為如今乃至今后在衛(wèi)星無線通信中需要解決的問題。
[0003]目前為了提高傳輸系統(tǒng)的有效性和可靠性，所采用的技術包括混合自動請求重傳(HARQ)和網(wǎng)絡編碼。HARQ技術將前向糾錯和自動請求重傳技術聯(lián)合，在自動請求重傳的系統(tǒng)框架中放入一個前向糾錯子系統(tǒng)，來糾正在無線信道傳輸過程中引入的錯誤。HARQ被廣泛應用于無線信道中，來提高接收數(shù)據(jù)的可靠性。在不可靠傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡編碼技術的應用也提高了系統(tǒng)的吞吐量。網(wǎng)絡編碼技術廣泛應用于多播、廣播和有中繼節(jié)點的系統(tǒng)中。當多個用戶的不同數(shù)據(jù)包傳輸錯誤時，將多個數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡編碼后，發(fā)送給多個用戶，每個用戶從中解碼得到各自所需數(shù)據(jù)包。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在相鄰節(jié)點通信中，本發(fā)明提出一種將網(wǎng)絡編碼和HARQ技術結合的重傳方法。在無中間節(jié)點的點對點通信中，HARQ技術用于數(shù)據(jù)傳輸。當有多個數(shù)據(jù)包傳輸錯誤時，在重傳過程中，發(fā)送端將錯誤數(shù)據(jù)包選擇性的兩個一組進行網(wǎng)絡編碼后發(fā)送，接收端將重傳包和首次發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行聯(lián)合迭代解碼。
[0005]本發(fā)明提供的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，具體包括如下步驟:
[0006]第一步，初始化參數(shù):包括當前發(fā)送數(shù)據(jù)包的序號、當前窗口內(nèi)錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)、傳輸次數(shù)。
[0007]第二步，在時隙ti;發(fā)送端將信息向量％進行CRC校驗碼編碼后，再經(jīng)過Turbo碼編碼器，產(chǎn)生碼率為1/3的母碼匕；經(jīng)過碼率匹配后得到碼字Ci ;編碼比特經(jīng)BPSK調(diào)制得到符號Xi。(i為正整數(shù)，i=l, 2,3......)
[0008]第三步，將BPSK調(diào)制得到符號Xi進行傳輸，接收端接收到的信號向量為:
[0009]Yi = hjXi+rii (I)
[0010]其中，IIi為獨立同分布的噪聲向量,其均值為O,方差為,下腳標η表不噪聲；hi
為復雜的零均值圓對稱高斯分布變量，方差為I。
[0011]第四步，對信號向量yi進行解調(diào)解碼。
[0012]第五步，若解碼正確，進行第八步，繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；若解碼錯誤，在下一時隙，發(fā)送當前窗口內(nèi)的下一數(shù)據(jù)包，直到發(fā)送完當前窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)。[0013]第六步，對于一個窗口內(nèi)的多個解碼錯誤的數(shù)據(jù)包，首先統(tǒng)計窗口內(nèi)每個解碼錯誤的數(shù)據(jù)包解碼后的錯誤比特數(shù)，然后將錯誤比特數(shù)較少的數(shù)據(jù)包兩個一組進行網(wǎng)絡編碼后重傳發(fā)送，將錯誤比特數(shù)較多的數(shù)據(jù)包，不與其他解碼錯誤的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡編碼，而直接進行重傳發(fā)送。
[0014]第七步，對重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行解碼，直到重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)包解碼正確，或達到最大允許重傳次數(shù)。
[0015]第八步，窗口向前移動。
[0016]第九步，重復上述第一步?第八步，直到發(fā)送完所有數(shù)據(jù)。
[0017]第十步，統(tǒng)計系統(tǒng)傳輸性能。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0019]1、本發(fā)明將HARQ技術和網(wǎng)絡編碼結合，在重傳過程中加入網(wǎng)絡編碼，將兩個錯誤包進行網(wǎng)絡編碼后發(fā)送重傳。傳統(tǒng)的HARQ需要四個時隙對兩個錯誤數(shù)據(jù)包完成一次重傳，基于網(wǎng)絡編碼的HARQ只需三個時隙即可完成一次重傳，減少了重傳次數(shù)。
[0020]2、本發(fā)明減少了重傳次數(shù)，從而可以增大系統(tǒng)的吞吐量。
[0021 ] 3、當首次傳輸數(shù)據(jù)包解碼后，錯誤比特數(shù)較多時，不適用于和重傳包聯(lián)合解碼。即不能通過聯(lián)合解碼得到正確數(shù)據(jù)，聯(lián)合解碼的正確概率較低。本發(fā)明提出選擇性網(wǎng)絡編碼，即根據(jù)每個數(shù)據(jù)包的錯誤比特數(shù)，發(fā)送端將錯誤數(shù)據(jù)包選擇性的兩個一組進行網(wǎng)絡編碼后重傳，將重傳數(shù)據(jù)和第一次傳輸數(shù)據(jù)聯(lián)合解碼，可提高聯(lián)合解碼正確概率，增大殘余誤幀率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為相鄰節(jié)點通信模型；
[0023]圖2為由兩個卷積碼編碼器和一個Turbo碼內(nèi)部交織器組成的Turbo碼編碼器；
[0024]圖3為網(wǎng)絡編碼包和首次傳輸數(shù)據(jù)包聯(lián)合解碼；
[0025]圖4為本發(fā)明提供的基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸流程圖；
[0026]圖5為本發(fā)明提供的傳輸方法與傳統(tǒng)傳輸方法的平均傳輸次數(shù)比較曲線；
[0027]圖6為本發(fā)明提供的傳輸方法與傳統(tǒng)傳輸方法的歸一化吞吐量的比較曲線；
[0028]圖7為本發(fā)明提供的傳輸方法與傳統(tǒng)傳輸方法的殘余誤幀率的比較曲線。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030]首先介紹如下概念與定義:
[0031](I)星地傳輸網(wǎng)絡:衛(wèi)星通信指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。星地傳輸網(wǎng)絡指衛(wèi)星和地面站之間的通信系統(tǒng)。在地理環(huán)境的影響下，會有陰影和衰落。由于是開放式無線信道，會有干擾和噪聲。
[0032](2)HARQ:混合自動請求重傳技術,將前向糾錯(FEC:Forward Error control)和自動請求重傳技術(ARQ:Automatic Repeat reQuest)聯(lián)合,在自動請求重傳的系統(tǒng)框架中放入一個前向糾錯子系統(tǒng)，當接收端接收到的錯誤圖樣通過信道解碼不能夠正確譯碼時，系統(tǒng)啟動自動請求重傳機制，重新傳輸該信息數(shù)據(jù)包的信息。[0033](3)網(wǎng)絡編碼:在網(wǎng)絡中的各個節(jié)點上對各條信道上收到的信息進行線性或者非線性的處理，然后轉發(fā)給下游節(jié)點，中間節(jié)點扮演著編碼器或信號處理器的角色。多用于廣播、多播或有中繼節(jié)點的通信系統(tǒng)中。
[0034]本發(fā)明提供的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，在windows系統(tǒng)上使用Matlab7.10構建相鄰節(jié)點基于網(wǎng)絡編碼的HARQ通信系統(tǒng)仿真平臺。所述傳輸方法基于如下的理論假設:
[0035](I)仿真環(huán)境為相鄰節(jié)點通信系統(tǒng)，相鄰節(jié)點通信模型如圖1所示。節(jié)點A和節(jié)點B為相鄰的兩個節(jié)點，在時隙\，節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)碼字Ci,在時隙\_，節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)碼字Cj。若兩次發(fā)送的數(shù)據(jù)碼字在接收端均未能正確解碼，則在重傳過程中，在時隙tk，節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)碼字Ci和碼字Cj的網(wǎng)絡編碼包Ci ? Cjo ?表示網(wǎng)絡編碼，即碼字按位進行異或。每一次節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)正確解碼，節(jié)點A向節(jié)點B回復確認字符ACK，否則回復字符NACK。其中，i，j，k均為正整數(shù)，取值1，2，3.......[0036](2)HARQ中采用Turbo碼作為信道編碼,進行碼率匹配前的初始碼率為1/3。迭代解碼過程中最大允許迭代次數(shù)為6。采用CRC校驗碼(即循環(huán)冗余校驗碼)作為停止迭代的標準，即每一次迭代后，計算硬判決值，采用CRC校驗碼進行校驗。若滿足校驗準則，則停止迭代，輸出解碼比特；否則繼續(xù)迭代，直到解碼正確或達到最大允許迭代次數(shù)。
[0037](3)米用 BPSK (Binary Phase Shift Keying)調(diào)制方式。
[0038](4)傳輸過程中，窗口大小設定為10。在設定傳輸環(huán)境的信噪比下,一個窗口內(nèi)以一定概率出現(xiàn)多個數(shù)據(jù)包(大于或等于3個)傳輸錯誤。重傳過程中，最大允許重傳次數(shù)為4。
[0039]下面結合圖4中的傳輸流程圖對本發(fā)明提供的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法進行詳細說明。
[0040]所述星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法包括如下步驟:
[0041]第一步，初始化參數(shù):包括當前發(fā)送數(shù)據(jù)包的序號、當前窗口內(nèi)錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)、傳輸次數(shù)。
[0042]第二步，在時隙ti;發(fā)送端將信息向量％進行CRC校驗碼編碼后，再經(jīng)過Turbo碼編碼器，產(chǎn)生碼率為1/3的母碼匕；經(jīng)過碼率匹配后得到碼字Ci ;編碼比特經(jīng)BPSK調(diào)制得到符號Xi。
[0043]所述Turbo碼編碼器由兩個平行級聯(lián)遞歸卷積碼組成，其進行碼率匹配前的碼率為1/3。Turbo碼編碼器如圖2所示。其中π表示交織器，D表示卷積碼編碼器中的移位寄存器，所述的Turbo碼編碼碼器由一個交織器和兩個卷積碼編碼器組成。
[0044]第三步，將BPSK調(diào)制得到符號Xi進行傳輸。信號在無線信道中傳輸，在衰落、陰影以及干擾噪聲的影響下，接收端接收到的信號向量為Ji:
[0045]Yi = IiiX^ni (I)
[0046]其中，ni為獨立同分布的噪聲向量，其均值為0，方差為σ,;，Iii為復雜的零均值圓
對稱高斯分布變量，方差為I。
[0047]第四步，對信號向量Ji進行解調(diào)解碼。
[0048]在接收端，首先對接收到的信號向量Ii進行解調(diào)，然后進行Turbo碼迭代解碼，具體為:[0049](I)根據(jù)接收到的信號向量yi;考慮與Ci=O (或Ci=I)相關的所有符號x e X，來計算Ci=O (或Ci=I)的概率,可以計算對應碼字Ci的對數(shù)似然比(LLRs) Lltell(Ci):
【權利要求】
1.星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，初始化參數(shù):包括當前發(fā)送數(shù)據(jù)包的序號、當前窗口內(nèi)錯誤數(shù)據(jù)包數(shù)、傳輸次數(shù)； 第二步，在時隙ti;發(fā)送端將信息向量％進行CRC校驗碼編碼后，再經(jīng)過Turbo碼編碼器，產(chǎn)生碼率為1/3的母碼匕；經(jīng)過碼率匹配后得到碼字Ci ;編碼比特經(jīng)BPSK調(diào)制得到符號Xi ;其中，i為正整數(shù)，i=l，2，3……； 第三步，將BPSK調(diào)制得到符號Xi進行傳輸，接收端接收到的信號向量為yi: y^hiXi+rii (I) 其中，Iii為獨立同分布的噪聲向量，其均值為0，方差為σ?2，n表示噪聲屯為復雜的零均值圓對稱高斯分布變量，方差為I ; 第四步，對信號向量Yi進行解調(diào)解碼； 第五步，若解碼正確，進行第八步，繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；若解碼錯誤，在下一時隙，發(fā)送當前窗口內(nèi)的下一數(shù)據(jù)包，直到發(fā)送完當前窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)； 第六步，對于一個窗口內(nèi)的多個解碼錯誤的數(shù)據(jù)包，首先統(tǒng)計窗口內(nèi)每個解碼錯誤的數(shù)據(jù)包解碼后的錯誤比特數(shù)，然后將錯誤比特數(shù)較少的數(shù)據(jù)包兩個一組進行網(wǎng)絡編碼后重傳發(fā)送，將錯誤比特數(shù)較多的數(shù)據(jù)包，不與其他解碼錯誤的數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡編碼，而直接進行重傳發(fā)送； 第七步，對重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行解碼，直到重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)包解碼正確，或達到最大允許重傳次數(shù)； 第八步，窗口向前移動； 第九步，重復上述第一步~第八 步，直到發(fā)送完所有數(shù)據(jù)； 第十步，統(tǒng)計系統(tǒng)傳輸性能。
2.根據(jù)權利要求1所述的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，其特征在于:第四步中所述的解調(diào)解碼具體為: (1)根據(jù)接收到的信號向量yi，考慮與Ci=O或Ci=I相關的所有符號Xe X，來計算Ci=0或Ci=I的概率，計算對應碼字Ci的對數(shù)似然比Lltem(Ci):
3、根據(jù)權利要求1所述的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，其特征在于:第六步中，當錯誤比特數(shù)超過或等于信息向量長度的15%時，判為較多，否則，判為較少。4、根據(jù)權利要求1所述的星地傳輸網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的HARQ傳輸方法，其特征在于:仿真環(huán)境為相鄰節(jié)點通信系統(tǒng)；采用Turbo碼作為信道編碼，進行碼率匹配前的初始碼率為1/3 ；迭代解碼過程中最大允許迭代次數(shù)為6 ;采用CRC校驗碼作為停止迭代的標準，即每一次迭代后，計算硬判決值，采用CRC校驗碼進行校驗；若滿足校驗準則，則停止迭代，輸出解碼比特；否則繼續(xù)迭代，直到解碼正確或達到最大允許迭代次數(shù)；采用BPSK調(diào)制方式；信號傳輸過程中，窗口大小設定為10,在設定傳輸環(huán)境的信噪比下,一個窗口內(nèi)以一定概率出現(xiàn)大于或等于3個數(shù)據(jù)包傳輸錯誤，重傳過程中，`最大允許重傳次數(shù)為4。
【文檔編號】H04L1/00GK103490866SQ201310403214
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】徐楨, 孟欣卉, 王崇 申請人:北京航空航天大學, 航天恒星科技有限公司