CN102055564A - 一种用于物理层网络编码的空间复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物理层网络编码的空间复用方法，属于无线通信技术领域。本方法的信号传输方法包括两个传输阶段：多路接入阶段(multiple-access，MAC)和广播阶段(broadcast，BC)。MA阶段由希望进行双向通信的两个用户向中继同时传输经预编码后的信息，中继对来自不同用户的叠加信号进行物理层网络编码最大似然检测，进而直接得到网络编码符号；BC阶段中继将网络编码符号广播回用户，用户解预编码后利用自信息抽取出来另外一个用户的信息。本方法有效提高了双向中继网络的频谱利用率和能量利用效率，实现了多流高速传输，降低了中继译码的复杂度。

Description

一种用于物理层网络编码的空间复用方法

技术领域

本发明涉及一种用于物理层网络编码的空间复用方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

双向通信，是通信中的常见手段，比如用户之间实时文件交互，视屏通话等业务，专用监控系统等都需要可靠的双向通信。由于地理位置间隔或直传信道质量恶劣，期望实现双向通信的用户无法自行组网实现可靠通信，这时候可以利用中继来协助完成双向通信。无线网络编码，利用无线信号传输的广播和叠加特性和先进的信号检测方法，能够为这些期望交互信息的用户对提供高速可靠的信息传递。同时，无线网络编码的应用能够有效的提高网络整体的频谱利用率和能量利用率，从而实现高效、环保的双向通信，符合未来绿色通信的需求。

目前无线网络编码已经逐渐受到学术界和产业界的关注，其中应用在双向通信中无线网络编码主要包括基于部分译码转发的物理层网络编码和基于放大转发的模拟网络编码。其中，物理层网络编码的通信协议如下：两个希望进行双向通信的用户对利用相同的时频资源完成其上行传输，基站端将重叠的或相互干扰的信号直接映射为网络编码的符号，然后利用一定的时频率资源将该网络编码后的符号广播到该用户对，用户在接收到网络编码的符号后，利用自己已有的信息进行干扰消除后，获得来自对方的有用信息。另外，模拟网络编码的通信协议如下：两个希望进行双向通信的用户对利用相同的时频资源完成其上行传输，基站端将重叠的或相互干扰的信号直接放大之后广播到该用户对，用户在接收到网络编码的符号后，利用自己已有的信息进行干扰消除后，获得来自对方的有用信息。两种无线网络编码中，物理层网络编码具有更高的能量利用率，更符合未来通信的需求。

空间复用利用多天线收/发设备及先进的信号处理技术有效利用多天线信道带来的自由度以提高频谱利用率。特别地，对于中继辅助网络，中继和用户终端通常具有多天线，而针对物理层网络编码的空间复用方法，目前还没有报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于物理层网络编码的空间复用方法，以提高双向中继网络的频谱利用率和能量利用效率，实现多流高速传输，降低了中继端译码的复杂度。

本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，包括以下步骤：

(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之间设定M个分布式中继站天线，构成一个局部通信网络；

(2)局部通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训练数据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间的信道矩阵

k＝1，2；

(3)两个用户分别根据上述步骤(2)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别将预编码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站；

(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息x₁和x₂进行调制，x_k＝[x_k，1，x_k，2，…，x_k，i，…x_k，M]^T，k＝1，2，i＝1，2，…M，并分别利用上述预编码矩阵对调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送；

(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传输叠加信号y＝[y₁，y₂，…，y_M]^T；

(6)中继站根据上述步骤(3)的预编码矩阵的Frobenius范数，对接收到的双向传输叠加信号进行物理层网络编码检测，得到网络编码符号

具体过程如下：

(6-1)中继站根据步骤(3)中两个用户反馈的预编码矩阵的Frobenius范数计算得到两个用户的等效信道增益α₁和α₂；

(6-2)中继站利用上述等效信道增益对第i个叠加信号y_i进行最大似然检测，得到第i个网络编码符号

检测表达式为：

其中

σ_r是中继站的噪声方差，为大于零的正数；

(7)中继站将上述网络编码符号

向两个用户发送，发送信号为

其中E_b，r是中继站的每根天线的发送能量；

(8)两个用户分别接收中继站的上述发送信号s，利用上述步骤(3)的预编码矩阵构建解码矩阵，对发送信号s进行处理并解调后，分别得到各自对于发送信号的解调信号

k＝1，2；

(9)两个用户分别根据上述步骤(4)的需交互信息，对各自解调信号进行译码，得到对方用户的数据信息

k＝1，2，其中⊙是哈达玛积。

本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，采用了基于无线网络编码的高效双向通信策略和针对多流传输的联合收发处理技术。信号传输方法包括两个传输阶段：多路接入阶段(multiple-access，MAC)和广播阶段(broadcast，BC)。MA阶段由希望进行双向通信的两个用户向中继同时传输经预编码后的信息，中继对来自不同用户的叠加信号进行物理层网络编码最大似然检测，进而直接得到网络编码符号；BC阶段中继将网络编码符号广播回用户，用户解预编码后利用自信息抽取出来另外一个用户的信息。本发明方法有效提高了双向中继网络的频谱利用率和能量利用效率；有效利用多线信道的自由度，实现了多流高速传输；利用了双向信道的对称特点，降低了中继端译码的复杂度。

附图说明

图1分布式天线系统中用户对双向通信示意图。

图2是本发明提出的信号传输方法中信号发送的流程框图。

图3是本发明提出的信号传输方法中信号接收的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，其中的信号传输中的信号发送过程如图2所示，信号传输中信号接收如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之间设定M个分布式中继站天线，构成一个通信网络；如图1所示，选定进行信息交互的用户S_1和S_2及分布式天线组成的半双工中继站R一同构成通信网络，用户和中继站均有M根天线。

(2)通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训练数据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间的信道矩阵

k＝1，2；设定H_k为平衰落信道，服从独立同分布的0均值和单位方差复高斯随机变量，即

其中I_M是M×M的单位向量。

(3)两个用户分别根据上述步骤(2)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别将预编码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站。在本实施例中我们采用采用破零(ZF)预编码，得到用户S_k对中继站R的破零预编码矩阵为

以及破零预编码矩阵的Frobenius范数‖T_k‖_F，k＝1，2，用户S_1和S_2将各自破零预编码矩阵的范数反馈回中继。

(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息x₁和x₂进行调制，x_k＝[x_k，1，x_k，2，…，x_k，i，…x_k，M]^T，k＝1，2，i＝1，2，…M，并分别利用上述预编码矩阵对调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送。用户S_k对中继站R的发送信号为s_k＝α_kT_kx_k，其中，x_k＝[x_k，1，x_k，2，…，x_k，M]^T为用户S_k发送给对方用户的数据信息，T_k为用户S_k对中继站R的破零预编码矩阵，

是能量归一化因子，以保证单位符号的平均发送能量为E_b，k，E_b，k为用户S_k每根天线的发送能量。

(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传输叠加信号y＝[y₁，y₂，…，y_M]^T。中继站R的接收信号为

Y＝H₁s₁+H₂s₂+n

＝α₁H₁T₁x₁+α₂H₂T₂x₂+n

＝I_M(α₁x₁+α₂x₂)+n

其中n＝[n₁，n₂，...，n_i，...，n_M]^T为噪声矢量，

i＝1，2，…，M，为独立同分布的复高斯随机变量。由上式得到中继站R接收到的来自两个用户经多输入多输出(MIMO)双向传输信号等效为M个并行的单输入单输出(SISO)数据流。

(6)中继站根据上述步骤(3)的破零预编码矩阵的Frobenius范数，对接收到的等效并行的单输入单输出(SISO)数据流进行物理层网络编码检测，得到网络编码符号

具体过程如下：

(6-1)中继站根据步骤(3)中两个用户反馈的预编码矩阵的Frobenius范数计算得到两个用户的等效信道增益

和中继站R接收到的第i个叠加信号表示为y_i＝α₁x₁，i+α₂x₂，i+n_i，其中x_k，i，k＝1，2，为用户S_k发送的第i个交互信息。

(6-2)中继站R利用上述等效信道增益对第i个叠加信号y_i进行最大似然检测，得到第i个网络编码符号

检测表达式为：

其中

σ_r是中继站的噪声方差。

具体推导过程如下：

中继R接收两用户S_1和S_2发送的叠加信号后基于如下基本的二进制假设检验进行检测判断：

H₀：x₁＝x_1，1x_2，1＝1，

H₁：x₁＝x_1，1x_2，1＝-1.

其中，x_i是中继期望恢复的网络编码符号。为便于标记引进检验符号对

其中Ω＝{±1}×{±1}是信号空间。则y_i的条件联合概率密度函数为：

$p(y_i/H_0,A)=C_1(e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\Λ}}\left(\mathrm{1,1}\right)}{{\mathrm{\σ}}_r}\right)}+e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\Λ}}(-1,-1)}{{\mathrm{\σ}}_r}\right)}),$

$p(y_i/H_1,A)=C_1(e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\Λ}}(-\mathrm{1,1})}{{\mathrm{\σ}}_r}\right)}+e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\Λ}}(1,-1)}{{\mathrm{\σ}}_r}\right)}).$

其中C₁是常数，

是接收波形y_i与检验波形的距离测度，A＝[α₁，α₂]^T，σ_r是中继站的噪声方差，‖·‖F是向量或矩阵的Frobenius范数。假设信源等概，物理层网络编码的最大似然准则以如下形式给出：

$p(y_i/H_0,A)\begin{array}{c}\stackrel{x_i=1}{\&GreaterEqual;}\\ \underset{x_i=-1}{<}\end{array}p(y_i/H_1,A),$

化简得到

$e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\&Lambda;}}\left(\mathrm{1,1}\right)}{{\mathrm{\&sigma;}}_r}\right)}+e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\&Lambda;}}(-1,-1)}{{\mathrm{\&sigma;}}_r}\right)}\begin{array}{c}\stackrel{{\hat{x}}_i=1}{\&GreaterEqual;}\\ \underset{{\hat{x}}_i=-1}{<}\end{array}{e}^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\&Lambda;}}(-\mathrm{1,1})}{{\mathrm{\&sigma;}}_r}\right)}+e^{\left(\frac{\widetilde{\mathrm{\&Lambda;}}(1,-1)}{{\mathrm{\&sigma;}}_r}\right)}.$

(7)中继站将上述网络编码符号

向两个用户发送，发送信号为

其中E_b，r是中继站每根天线的发送能量。

(8)两个用户分别接收中继站的发送信号s，利用上述步骤(3)的预编码矩阵构建解码矩阵，对发送信号进行处理并解调后，分别得到各自对于发送信号的解调信号

k＝1，2，i＝1，2，…M。用户S_k的接收信号为

根据步骤(3)中破零预编码矩阵获取解码

用户S_k得到解码后的信号为

其中对解码信号进行二相相移键控BPSK解调，用户S_k对第i个解码信号

的判决形式为：

最终得到用户S_k的解调信号

(9)两个用户分别根据上述步骤(4)的需交互信息，对各自解调信号进行译码，得到对方用户的数据信息k＝1，2，其中⊙是哈达玛积。

Claims (1)

1.一种用于物理层网络编码的空间复用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之间设定M个分布式中继站天线，构成一个局部通信网络；

(2)局部通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训练数据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间的信道矩阵

k＝1，2；

(3)两个用户分别根据上述步骤(2)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别将预编码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站；

(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息x₁和x₂进行调制，x_k＝[x_k，1，x_k，2，…，x_k，i，…x_k，M]^T，k＝1，2，i＝1，2，…M，并分别利用上述预编码矩阵对调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送；

(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传输叠加信号y＝[y₁，y₂，…，y_M]^T；

(6)中继站根据上述步骤(3)的预编码矩阵的Frobenius范数，对接收到的双向传输叠加信号进行物理层网络编码检测，得到网络编码符号

具体过程如下：

(6-1)中继站根据步骤(3)中两个用户反馈的预编码矩阵的Frobenius范数计算得到两个用户的等效信道增益α₁和α₂；

(6-2)中继站利用上述等效信道增益对第i个叠加信号y_i进行最大似然检测，得到第i个网络编码符号

检测表达式为：

其中σ_r是中继站的噪声方差，为大于零的正数；

(7)中继站将上述网络编码符号

向两个用户发送，发送信号为

其中E_b，r是中继站的每根天线的发送能量；

(8)两个用户分别接收中继站的上述发送信号s，利用上述步骤(3)的预编码矩阵构建解码矩阵，对发送信号s进行处理并解调后，分别得到各自对于发送信号的解调信号

k＝1，2；

(9)两个用户分别根据上述步骤(4)的需交互信息，对各自解调信号进行译码，得到对方用户的数据信息k＝1，2，其中⊙是哈达玛积。

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