CN101917250B - 一种双向中继网络的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向中继网络的通信方法，属于无线通信领域。本发明的方法为：1)各个源节点对发送信号进行差分调制编码后发送给中继节点；2)中继节点根据接收信号的功率估计信号的放大倍数β；3)中继节点根据估计出的放大倍数β对接收信号进行放大，并将其共轭值转发至所有源节点；4)源节点消除接收信号中的干扰信号项；5)源节点对上一步处理后的信号进行差分解码。与现有技术相比，本发明能够在保证系统实现复杂度要求的条件下，无需信道状态信息，即可对多个源节点信号的正确接收，达到了提高系统性能的目的。

Description

一种双向中继网络的通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信方法，尤其涉及一种双向中继网络的通信方法，属于无线通信领域。

背景技术

双向中继通信是目前无线通信领域的研究热点之一。传统的网络编码方法中，两个源节点分别向一中继节点发送信息，该中继节点对接收信号进行解码后，进行二进制网络编码，再将其转发回相应的源节点。但是这种方法存在由于中继节点检测错误造成的误码地板效应(error floor)。

模拟网络编码方法中，采用放大-转发机制，所有源节点同时向中继节点发送信息，从而中继节点对收到的重叠的信号进行放大之后，再将其转发回相应的源节点。由于模拟网络编码与无线信道将空中传播的无线信号进行叠加这一特性是相一致的，因此模拟网络编码在无线网络中是特别有用的。

然而，现有的关于应用模拟网络编码的双向中继通信的研究中，一般均假设源节点和目的节点已知所有传输链路的理想信道状态信息(CSI)，可以很简单的在源节点或中继节点上应用相关检测。在一些场景下，比如，在慢变衰落环境下，可以使用导频符号获得CSI。但是，对于信道系数变化很快的情况，信道估计将变得困难。同时，信道估计还会增加中继节点的计算复杂度，降低数据传输速率。对于接收端，通过转发的导频信号获得理想的源节点-中继节点的信道信息也是相当困难的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双向中继网络的通信方法，本发明通过引入差分调制、功率估计，在无需信道状态信息的条件下，实现了双向中继网络中多个源节点信号的正确接收，达到了提高系统性能的目的。本方法中，源节点通过对接收信号进行功率估计，实现了差分检测，同时线性检测的结构降低了系统的实现复杂度。

综上所述，本发明的技术方案如下：

一种双向中继网络的通信方法，其步骤为：

1)各个源节点对发送信号进行差分调制编码，并发射；

2)中继节点对经过了信道衰落的不同源节点发送来的信号进行接收；

3)中继节点对接收信号进行放大，并将其共轭值进行广播转发至所有源节点，其中根据对接收信号平均功率的测量结果估计出信号放大倍数β；

4)源节点对中继节点转发的信号进行接收；

5)利用差分调制信号的特性，对接收信号中的干扰信号项进行估计；

6)源节点1在消除接收信号中的干扰信号项后，对源节点2的发射信号进行差分解码。

同理，源节点2在消除接收信号中的干扰信号项后，对源节点1的发射信号进行差分解码。这样实现了双向中继网络中的信息交换。

本发明的积极效果为：

与现有技术相比，本发明的通信方法应用于双向中继网络，能够在保证系统实现复杂度要求的条件下，无需信道状态信息，即可对多个源节点信号的正确接收，达到了提高系统性能的目的。

附图说明

图1.基于差分调制的中继网络通信方法示意图；

(a)阶段1，(b)阶段2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

本发明中，所有通信节点(包括两个源节点和一中继节点)采用单天线，半双工方式进行数据传输。双向中继通信过程被分成了如下两个阶段：阶段1，所有源节点同时向中继节点发送经过了差分编码的信号；阶段2，中继节点向所有源节点广播转发信号。系统模型示意图如图1所示。

具体步骤如下：

第一步，各个源节点对发送信号进行差分调制编码，并发射。

源节点1发送的信号为

s₁(t)＝s₁(t-1)c₁(t)，c₁(t)∈A

源节点2发送的信号为

s₂(t)＝s₂(t-1)c₂(t)，c₂(t)∈A

其中，c₁(t)和c₂(t)分别是源节点1和源节点2在t时刻待发送的符号，A代表单位能量的M-PSK调制符号集。

第二步，中继节点对经过了信道衰落的不同源节点发送来的信号进行接收。接收信号为：

$y_r\left(t\right)=\sqrt{p_1}{h}_1{s}_1\left(t\right)+\sqrt{p_2}{h}_2{s}_2\left(t\right)+n_r\left(t\right)$

其中，p₁和p₂分别是源节点1和源节点2信号的发射功率，h₁和h₂分别是源节点1-中继节点和源节点2-中继节点的信道瑞利衰落系数，n_r(t)为噪声，满足零均值高斯分布。

以上第一步和第二步均在双向中继通信系统阶段1中完成。

第三步，中继节点对接收信号进行放大，并将放大后信号的共轭值进行广播转发至所有源节点，信号放大倍数为β。由于中继节点不具备CSI，因此无法对β进行直接估计，而是通过对中继节点接收信号的平均信号功率进行测量得到。在高信噪比条件下，放大倍数β近似为：

$\mathrm{\β}={(p_1{\left|h_1\right|}^2+p_2{\left|h_2\right|}^2+N_0)}^{-\frac{1}{2}}=\sqrt{\frac{E\left\{y_r^H{y}_r\right\}}{L}}\≈\sqrt{\frac{{\left|\right|y_r\left|\right|}^2}{L}}$

其中，L为信号帧长度，||y_r||²为信号帧长度L内测得的接收信号能量。

第四步，源节点对中继节点转发的信号进行接收。由于系统中，两个源节点是对称的，因此以下只对源节点1的接收信号进行分析。

源节点1接收的信号为

$y_1\left(t\right)=\mathrm{\β}\sqrt{p_r}{h}_1{y}_r^{*}\left(t\right)+n_1\left(t\right)={\mathrm{\μs}}_1^{*}\left(t\right)-{\mathrm{\νs}}_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)$

其中，p_r为中继节点转发信号的功率，

即源节点1的接收信号包含三部分：有用信号项(源节点2的发射信号)、干扰信号项

(源节点1的发射信号)和噪声项ω₁(t)。

第五步，对接收信号中的干扰信号进行估计。为了对接收信号中的有用信号进行正确检测和解调，由于发射信号s₁(t)对于源节点1是已知的，因此只需要对干扰项系数μ进行估计，从而抵消接收信号中的干扰项

利用源节点2的发射信号差分编码特性，即s₂(t)＝s₂(t-1)c₂(t)，并结合已知的源节点1的发射信号s₁(t-1)和c₁(t)，对接收信号进行变换如下：

${\tilde{y}}_1\left(t\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{c}_1^{*}\left(t\right)y_1(t-1)-y_1\left(t\right)=\mathrm{\ν}{s}_2^{*}{(t-1)(c_1\left(t\right)-c_2\left(t\right))}^{*}+{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_1\left(t\right)$

可以通过下式对系数μ进行估计：

$\mathrm{\μ}\≈=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\mathrm{\Δ}},& \mathrm{\Δ}>0\\ 0,& \mathrm{\Δ}\≤0\end{array}\right.$

其中，||y₁||²为信号帧长度L内测得的源节点1的接收信号能量，

为信号帧长度L内测得的信号

能量，E{|c₁(t)-c₂(t)|²}表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率。当采用固定的M-PSK调制方式时，c₁(t)-c₂(t)构成的新的星座图中符号数也是固定的，很容易计算出其平均功率。但是需要注意的是，c₁(t)-c₂(t)可能为0，会一定程度上影响估计的准确性。因此，对源节点2发射信号进行调制时，采用对其星座图旋转一个固定角度的方法，得到符号c₂(t)e^-jθ，以避免c₁(t)-c₂(t)为0的情况发生。

在低信噪比条件下，由于噪声的影响，Δ可能会是负数，此时估计结果采用μ≈0。

第六步，源节点1对源节点2的发射信号进行检测并解调。通过上步对干扰信号项

的估计结果，对接收信号进行进一步处理得到

$y_1^{\′}\left(t\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{y}_1\left(t\right)-{\mathrm{\μs}}_1^{*}\left(t\right)={\mathrm{\νs}}_2^{*}(t-1)c_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)=(y_1^{\′}(t-1)-{\mathrm{\ω}}_1(t-1))c_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)$

采用线性解码器，即可对源节点2的发射信号c₂(t)进行恢复，解码后的信号如下：

${\tilde{c}}_2\left(t\right)=\arg \underset{c_2\left(t\right)\∈A}{\max }\mathrm{Re}\left\{y_1^{\′}\left(t\right)y_1^{\′*}(t-1)c_2\left(t\right)\right\}$

相比传统的差分调制，本发明的方法只增加了对μ进行估计引入的有限复杂度，对μ的估计只需要增加几次加法运算和乘法运算即可完成。

源节点2的信号检测和解调与源节点1过程同理，这里不再赘述。

以上涉及的信号运算符号说明：(·)^*表示对信号求其共轭，比如

为c₁(t)的共轭；(·)^H表示对信号向量求其共轭转置。

Claims (6)

1.一种双向中继网络的通信方法，其中双向中继网络包括两源节点和一中继节点，其步骤为：

1)各个源节点对发送信号进行差分调制编码后发送给中继节点；

2)中继节点根据接收信号的功率估计信号的放大倍数β；其中，采用公式

计算所述放大倍数β，L为信号帧长度，‖y_r‖²为信号帧长度L内测得的接收信号能量；

3)中继节点根据估计出的放大倍数β对接收信号进行放大，并将其共轭值转发至所有源节点；

4)源节点对中继节点转发的信号中的干扰信号项系数进行估计，从而得到并消除接收信号中的干扰信号项；其中，采用公式

估计所述干扰信号项系数；

E{|c₁(t)-c₂(t)|²}表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率、c₁(t)和c₂(t)分别是源节点1和源节点2在t时刻待发送的符号、L为信号帧长度、y_i为源节点i作为接收节点时接收到的信号矢量，

为对y_i经过处理后的变换值、其满足

为c_i(t)的共轭，i＝1或2；

5)源节点对上一步处理后的信号进行差分解码。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于源节点采用固定的M-PSK调制方式对发送信号进行调制。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于采用固定的M-PSK调制方式对源节点的发送信号进行调制时，对其中一源节点的星座图旋转一个固定角度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述中继节点根据接收信号的平均功率估计信号的放大倍数β。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述源节点采用线性解码器对步骤4)处理后的信号进行差分解码。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于中继节点通过广播方式将信号转发至所有源节点。

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