CN102082630A - 一种网络编码的上下行中继传输方法 - Google Patents

Abstract

一种网络编码上下行中继传输方法，基站先对发送信息进行基站预处理，再与多个用户终端同时向中继发送信息；中继对接收到的多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息进行中继预处理，消除多个叠加的网络编码信息间的下行传输干扰。然后，中继将处理后的信息分别向基站和各用户终端进行放大转发，基站从接收到的多个网络编码信息的叠加信息中消去自身发送信息后，利用多用户检测算法获得用户终端发送信息；用户终端分别从其接收到的自身发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息中消去自身发送信息，获得所需的基站发送信息。该方法只用两个资源块完成基站和多个用户终端间的上下行通信，降低传输时延，提高系统吞吐量和频谱效率。

Description

一种网络编码的上下行中继传输方法

技术领域

本发明涉及一种网络编码的上下行中继传输方法，属于无线中继传输的技术领域。

背景技术

为了提高小区覆盖范围和系统吞吐量，无线中继技术成为下一代移动通信系统采用的一项重要技术。但是，中继传输将占用额外的无线资源，同时增加传输的时延，从而引起系统频谱效率降低，与未来无线通信传输的即时性和高效性相违背。因此，在下一代移动通信系统中引入了多输入多输出技术，利用空间复用技术支持多路数据流的单向并行传输，以提高系统吞吐量和频谱效率。

参见图1，介绍传统的上下行中继传输方法的传输原理。该传输场景是有M个单天线用户终端、单基站和单中继，且基站和中继均配备M根天线。基站和用户终端之间的上下行传输是分别占用正交的资源块完成的。在上行链路上，首先由所有的用户终端同时向中继发送各自的信息，中继接收到多个用户终端的叠加信息。为了减少中继处理带来的传输时延，中继利用多天线对接收到的信息进行放大转发。在下行链路上，基站先向中继发送信息，中继接收到多个基站发送信息的叠加信息。由于用户终端的接收能力受到单天线配置的制约，因此需要在中继进行相应的下行预编码处理来消除各数据流间的干扰。然后，中继才对处理后的信息进行放大转发，用户终端才能接收到所需的基站发送信息。其中的上下行传输分别需要占用两个资源块，因此传统的上下行中继传输方法需要使用4个资源块完成基站与多个用户终端之间的信息传输。

因此，在实施现行的上下行中继传输过程中，发现其中至少存在如下问题：现有技术的传输方法至少需要4个资源块才能完成基站和多个用户终端之间的上下行传输，系统资源利用率低，空时资源开销大，导致网络的传输效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种网络编码的上下行中继传输方法，该方法利用在无线中继网络中采用网络编码技术，支持基站和多个用户终端同时进行上下行的双向传输，从而有效地解决了现有技术存在的系统资源的利用率低，空时资源的开销大，网络的传输效率低等多种缺陷，能够显著提高无线中继网络的数据传输效率和网络的利用率，并提高网络系统的吞吐量和鲁棒性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种网络编码上下行中继传输方法，用于基站和多个用户终端之间高速传输的上下行通信；其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)基站利用信道状态信息对发送信息进行基站预处理，保证该发送信息经过无线信道传输到达中继后，能够与对应用户终端的发送信息进行无干扰的网络编码；

(2)基站和多个用户终端同时向中继发送信息，中继接收到多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息；

(3)中继对接收到的各用户终端的发送信息和基站发送信息的网络编码信息进行中继预处理，消除各个网络编码数据流间的下行传输干扰，并向基站和各用户终端广播处理后的信息；

(4)基站从接收到的多个各自独立的中继发送信息中，消去自身发送信息后，利用相应的多用户终端检测算法获得各个用户终端的发送信息；

(5)用户终端从接收到的自身发送信息与对应基站的发送信息的网络编码信息中消去自身发送信息，得到所需的基站发送信息。

本发明是一种网络编码的上下行中继传输方法，它是在无线中继网络中采用网络编码技术，支持基站和多个用户终端同时进行上下行的双向传输，从而有效地解决了系统的资源利用率低的缺陷，能够显著降低传输时延和提高无线中继网络的传输效率，极大地减少空时资源的开销，从而提高系统的吞吐量，同时提高信息传输的可靠性和鲁棒性，且操作简单，实现方便。

附图说明

图1是传统技术的上下行中继传输方法的原理示意图。

图2是本发明网络编码上下行中继传输方法的工作原理示意图。

图3是本发明网络编码上下行中继传输方法的流程图。

图4是本发明实施例中的网络编码上下行中继传输方法与传统的上下行中继传输方法的信噪比-遍历容量曲线示意图；

图5是本发明实施例中的网络编码上下行中继传输方法与传统的上下行中继传输方法的信噪比-中断概率曲线示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

为了进一步减少现在上下行中继传输方法的传输时延，可以在现有的无线中继传输中采用网络编码技术，通过在基站和中继分别进行相应预处理，将多个用户终端的发送信息与对应基站的发送信息分别进行网络编码后，再同时发送给基站和用户终端，使得基站和用户终端能从接收信息中检测获得所需信息。

本发明就是一种实现上述网络编码同时上下行中继传输的方法，在实际通信系统中，本发明方法用于基站和多个用户终端之间对时延要求敏感的高速率业务传输，只需占用两个资源块就能够完成基站与多个用户终端之间的上下行信息交互。

参见图2，介绍本发明网络编码上下行中继传输方法的工作机理，也就是该方法是如何利用网络编码支持多个数据流上下行双向同时传输的：在第1个资源块上，基站先对发送信息进行基站预处理，再与多个用户终端同时向中继发送信息。中继对其接收到多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息后，也进行相应的中继预处理来消除多个叠加的网络编码信息间的下行传输干扰。在第2个资源块上，中继将处理后的信息分别向基站和各个用户终端进行放大转发，基站从接收到的多个网络编码信息的叠加信息中消去自身发送信息，然后利用多用户检测算法获得用户终端的发送信息；各个用户终端分别从其接收到的自身发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息中消去自身发送信息，就能获得所需的基站发送信息。因此，本发明支持基站与多个用户终端的上下行双向同时传输，只需占用两个资源块就完成基站和多个用户终端之间的通信，降低了传输时延，提高了系统的吞吐量和频谱效率。

参见图3，具体说明本发明网络编码上下行中继传输方法的操作步骤流程：

步骤1，基站利用信道状态信息对发送信息进行基站预处理，保证该发送信息经过无线信道传输到达中继后，能与对应用户终端的发送信息进行无干扰的网络编码。

该步骤中，基站进行基站预处理后的发送信息为Ps，其中，基站的发送信息s＝[s₁…s_i…s_M]^T中的s_i为基站向第i个用户终端UE_i发送的信息，自然数M和i分别是与基站通信的所有用户终端数和用户终端UE_i对应的序号；基站预处理矩阵为：

式中，H_BR和H_UR分别为基站到中继与所有用户终端到中继的两个信道衰落矩阵，α_BS为基站的功率归一化因子。

步骤2，基站和多个用户终端同时向中继发送信息，中继接收到多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息。

该步骤中，中继接收到的M个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息为y_RS＝H_UR(α_BSs+x)+n_RS，其中，M个用户终端的发送信息x＝[x₁…x_i…x_M]^T中的x_i为第i个用户终端UE_i向基站的发送信息，n_RS为中继处的噪声。

步骤3，中继对接收到的各个用户终端的发送信息和基站发送信息的网络编码信息进行中继预处理，消除各个网络编码数据流间的下行传输干扰，并向基站和各用户终端广播处理后的信息。

该步骤中，中继对接收到的M个用户终端的发送信息和对应基站发送信息的网络编码信息y_RS采用下述两种上下行中继传输方法分别处理：

(31)迫零式传输方法：中继按照矩阵：

对接收信息y_RS进行中继迫零预处理，以消除多个网络编码信息在下行链路上并行传输的干扰，式中，

为所有用户终端到中继的信道衰落矩阵H_UR的共轭转置矩阵；接着，中继将进行中继迫零预处理后的信息进行放大转发，该转发信息为：t_RS＝α_RSUy_RS，式中，α_RS为中继的功率归一化因子；

(32)分布式传输方法：中继针对M个用户终端中的每个用户终端UE_i的发送信息x_i与对应基站发送信息s_i的网络编码信息，利用信道状态信息生成下述相应的不同的中继预处理矩阵分别进行中继分布式预处理：

其中，矩阵是由用户终端到中继的信道衰落矩阵H_UR去掉用户终端到中继的信道衰落向量

得到的子矩阵；对于其他用户终端UE_j的发送信息x_j与对应基站发送信息s_j的网络编码信息，中继采用类似方法生成对应的中继分布式预处理矩阵Q_j进行处理；由中继的分布式预处理矩阵Q_j的数学性质获知：

式中，自然数i和j分别是两个用户终端的不同序号；因此将中继处理矩阵Q_i与中继接收信息y_RS相乘得到： $Q_i{y}_{\mathrm{RS}}=Q_i{h}_{{\mathrm{UR}}_i}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{BS}}s+x)+n_{\mathrm{RS}};$

接着，中继将M个中继处理后的信息叠加后的信息

进行放大转发，式中，α_i为中继对用户终端UE_i的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息进行转发的功率归一化因子。

步骤4，基站从接收到的多个各自独立的中继发送信息中，按照下述两种方法消去自身发送信息后，再用相应的多用户终端检测算法获得各个用户终端的发送信息。

如果上一步骤3是采用(31)迫零式网络编码上下行中继传输方法，则该步骤中的基站执行下述操作内容：

基站先从其接收信息

中消去自身的发送信息s，得到信息：

式中，

为基站到中继的信道衰落矩阵H_BR的共轭转置矩阵，n_BS为基站处的噪声；然后，基站利用包括最小均方误差检测等多用户终端检测算法从信息r_BS中获得用户终端的发送信息。

最小均方误差检测算法的计算公式为：

式中，

为基站采用最小均方误差检测算法对信息r_BS进行检测得到的M个用户终端的发送信息，

是最小均方误差检测算法使用的检测矩阵，自然数M是与基站通信的所有用户终端数，E_R为中继发送功率，ρ为中继发送信噪比，I_M为M阶单位矩阵，α_RS为中继的功率归一化因子，

和

分别为所有用户终端到中继和基站到中继的信道衰落矩阵H_UR和H_BR的共轭转置矩阵。

如果上一步骤3是采用(32)分布式网络编码上下行中继传输方法，则该步骤中的基站执行下述操作内容：

基站先从其接收信息中消去自身的发送信息s，得到信息：然后，基站采用最小均方误差检测从信息r_BS中得到各个用户终端的发送信息：

其中，为基站采用最小均方误差检测算法对信息r_BS进行检测得到的M个用户终端的发送信息，

是最小均方误差检测算法使用的检测矩阵，α_i为中继对用户终端UE_i的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息进行转发的功率归一化因子，

为基站到中继的信道衰落矩阵H_BR的共轭转置矩阵，

为用户终端到中继的信道衰落向量。

步骤5，用户终端从接收到的自身发送信息与对应基站的发送信息的网络编码信息中消去自身发送信息，得到所需的基站发送信息。

如果上一步骤3是采用(31)迫零式网络编码上下行中继传输方法，则该步骤中的用户终端执行下述操作内容：

用户终端UE_i先从其接收信息：

中消去自身发送信息x_i，式中，

为噪声向量的第i个元素，为第i个用户终端UE_i处的噪声，得到信息：

再从信息中求解得到基站给其的发送信息：

如果上一步骤3是采用(32)分布式网络编码上下行中继传输方法，则该步骤中的用户终端执行下述操作内容：

用户终端UE_i先从其接收信息：

中消去自身发送信息x_i，得到信息：

再从信息

中求解得到基站给其的发送信息：

本发明已经进行了多次实施试验，试验证明本发明方法是成功的，实现了发明目的。下面对本发明网络编码的上下行中继传输方法实施例进行性能分析：

由于上下行中继网络的遍历容量可以定义为：C＝E(I)＝∫If(I)dI，中断概率可定义为：P_out＝P(I＜R)，其中，R为传输速率。因此，本发明实施例中的两种网络编码上下行中继传输方法的基站和用户终端互信息可以分别表示为：

$I_{\mathrm{ZF}-\mathrm{BS}}=\frac{1}{2}{\log }_2[I_M+E_{\mathrm{UE}}{\left|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RS}}{H}_{\mathrm{BR}}^H{\left(H_{\mathrm{UR}}^H\right)}^{-1}\right|}^2{({\left|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RS}}{H}_{\mathrm{BR}}^H{\left(H_{\mathrm{UR}}^H\right)}^{-1}{H}_{\mathrm{UR}}^{-1}\right|}^2+I_M)}^{-1}],$

$I_{\mathrm{ZF}-\mathrm{UE}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{E_{\mathrm{BS}}{\left|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RS}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{BS}}\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\α}}_{\mathrm{RS}}{\left(H_{\mathrm{UR}}^{-1}{n}_{\mathrm{RS}}\right)}_i\right|}^2+1}),$

$I_{\mathrm{Distributed}-\mathrm{BS}}=\frac{1}{2}{\log }_2[I_M+\stackrel{M}{\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{UE}}{\left|{\mathrm{\α}}_i{H}_{\mathrm{BR}}^H{Q}_i{h}_{{\mathrm{UR}}_i}\right|}^2{({\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\α}}_i{H}_{\mathrm{BR}}^H{Q}_i\right|}^2+I_M)}^{-1}],$

$I_{\mathrm{Distributed}-\mathrm{UE}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{E_{\mathrm{BS}}{\left|{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{\mathrm{BS}}{h}_{\mathrm{UR}}^H{Q}_i{h}_{{\mathrm{UR}}_i}\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\α}}_i{h}_{\mathrm{UR}}^H{Q}_i\right|}^2+1}).$

根据互信息的表达式可以得到两种网络编码上下行中继传输方法的基站和用户终端的遍历容量和中断概率。

为了评估本发明实施例中的网络编码的上下行传输方法的性能增益，本发明实施例将网络编码的上下行中继传输方法的两种实现方式的性能增益与传统的上下行中继传输方案的性能增益进行了比较。

参见图4所示，为用户终端数为2的无线中继网络在瑞利衰落信道状况下遍历10000次的上述三种传输方案基站和用户的信噪比-遍历容量曲线，其中，实线所示为三种方案对应的基站的信噪比-遍历容量曲线，自上而下分别为本发明实施例中采用分布式处理的网络编码上下行中继传输方法、本发明实施例中采用迫零式处理的网络编码上下行中继传输方法和传统的上下行中继的传输方法的三个信噪比-遍历容量曲线；虚线所示为三种方案对应的用户终端的信噪比-遍历容量曲线，自上而下分别为本发明实施例中采用分布式处理的网络编码上下行中继传输方法、本发明实施例中采用迫零式处理的网络编码上下行中继传输方法和传统的上下行中继的传输方法的信噪比-遍历容量曲线。

实验表明，在发射信噪比从0dB增为30dB的过程中，本发明实施例中网络编码上下行中继传输方法的两种实现方式所对应的基站和用户终端遍历容量都要始终高于传统的上下行中继传输方法。并且，随着发送信噪比的增加，本发明实施例中的两种网络编码上下行中继传输方法的优势更加明显。

参见图5所示，为用户终端数为2，传输速率为2Mbits/s/Hz的无线中继网络在瑞利衰落信道状况下遍历10000次的上述三种传输方案基站和用户的信噪比-中断概率曲线，其中，实线所示为三种方案对应的基站的信噪比-中断概率曲线，自下而上分别为本发明实施例中采用分布式处理的网络编码上下行中继传输方法、本发明实施例中采用迫零式处理的网络编码上下行中继传输方法和传统的上下行中继的传输方法的信噪比-中断概率曲线；虚线所示为三种方案对应的用户终端的信噪比-中断概率曲线，自下而上分别为本发明实施例中采用分布式处理的网络编码上下行中继传输方法、本发明实施例中采用迫零式处理的网络编码上下行中继传输方法和传统的上下行中继的传输方法的信噪比-中断概率曲线。

实验表明，在发射信噪比从10dB增为30dB的过程中，本发明实施例中网络编码上下行中继传输方法的两种实现方式所对应的基站和用户终端中断概率都要始终低于传统的上下行中继传输方法。并且，随着发送信噪比的增加，本发明实施例中的网络编码上下行中继传输方法的优势更加明显。

上述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种网络编码上下行中继传输方法，用于基站和多个用户终端之间高速传输的上下行通信；其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)基站利用信道状态信息对发送信息进行基站预处理，保证该发送信息经过无线信道传输到达中继后，能够与对应用户终端的发送信息进行无干扰的网络编码；

(2)基站和多个用户终端同时向中继发送信息，中继接收到多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息；

(3)中继对接收到的各用户终端的发送信息和基站发送信息的网络编码信息进行中继预处理，消除各个网络编码数据流间的下行传输干扰，并向基站和各用户终端广播处理后的信息；

(4)基站从接收到的多个各自独立的中继发送信息中，消去自身发送信息后，利用相应的多用户检测算法获得各个用户终端的发送信息；

(5)用户终端从接收到的自身发送信息与对应基站的发送信息的网络编码信息中消去自身发送信息，得到所需的基站发送信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基站对发送信息进行基站预处理后的发送信息为Ps，其中，基站的发送信息s＝[s₁…s_i…s_M]^T中的s_i为基站向第i个用户终端UE_i发送的信息，自然数M和i分别是与基站通信的所有用户终端数和用户终端UE_i对应的序号；基站预处理矩阵为：

式中，H_BR和H_UR分别为基站到中继与所有用户终端到中继的两个信道衰落矩阵，α_BS为基站的功率归一化因子。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，基站和所有用户终端同时向中继发送信息，中继接收到的多个用户终端的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息为y_RS＝H_UR(α_BSs+x)+n_RS，其中，M个用户终端的发送信息x＝[x₁…x_i…x_M]^T中的x_i为第i个用户终端UE_i向基站的发送信息，n_RS为中继处的噪声。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，中继对接收到的M个用户终端的发送信息和对应基站发送信息的网络编码信息y_RS采用下述两种上下行中继传输方法进行处理：

(31)迫零式传输方法：中继按照矩阵：

对接收信息y_RS进行中继迫零预处理，以消除多个网络编码信息在下行链路上并行传输的干扰，式中，

为所有用户终端到中继的信道衰落矩阵H_UR的共轭转置矩阵；接着，中继将进行中继迫零预处理后的信息进行放大转发，该转发信息为：t_RS＝α_RSUy_RS，式中，α_RS为中继的功率归一化因子；

(32)分布式传输方法：中继针对M个用户终端中的每个用户终端UE_i的发送信息x_i与对应基站发送信息s_i的网络编码信息，利用信道状态信息生成下述相应的不同的中继分布式预处理矩阵分别进行中继预处理：

其中，矩阵

是由用户终端到中继的信道衰落矩阵H_UR去掉用户终端到中继的信道衰落向量

得到的子矩阵；对于其他用户终端UE_j的发送信息x_j与对应基站发送信息s_j的网络编码信息，中继采用类似方法生成对应的中继分布式预处理矩阵Q_j进行处理；由中继的预编码处理矩阵Q_j的数学性质获知：

式中，自然数i和j分别是两个用户终端的不同序号；因此将中继分布式预处理矩阵Q_i与中继接收信息y_RS相乘得到：

接着，中继将M个中继处理后的信息叠加后的信息

进行放大转发，式中，α_i为中继对用户终端UE_i的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息进行转发的功率归一化因子。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用(31)迫零式网络编码上下行中继传输方法时，基站执行下述操作内容：

基站先从其接收信息

中消去自身的发送信息s，得到信息：

式中，

为基站到中继的信道衰落矩阵H_BR的共轭转置矩阵，n_BS为基站处的噪声；然后，基站利用包括最小均方误差检测的多用户终端检测算法从信息r_BS中获得用户终端的发送信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述最小均方误差检测算法的计算公式为：

式中，为基站采用最小均方误差检测算法对信息r_BS进行检测得到的M个用户终端的发送信息，是最小均方误差检测算法使用的检测矩阵，自然数M为与基站通信的所有用户终端数，E_R为中继发送功率，ρ为中继发送信噪比，I_M为M阶单位矩阵，α_RS为中继的功率归一化因子，

和

分别为所有用户终端到中继和基站到中继的信道衰落矩阵H_UR和H_BR的共轭转置矩阵。

7.根据权利要求1或4或6所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用(32)分布式网络编码上下行中继传输方法时，基站执行下述操作内容：

基站先从其接收信息中消去自身的发送信息s，得到信息：然后，基站采用最小均方误差检测从信息r_BS中得到各个用户终端的发送信息：

其中，

为基站采用最小均方误差检测算法对信息r_BS进行检测得到的M个用户终端的发送信息，

是最小均方误差检测算法所使用的检测矩阵，α_i为中继对用户终端UE_i的发送信息与对应基站发送信息的网络编码信息进行转发的功率归一化因子，

为基站到中继的信道衰落矩阵H_BR的共轭转置矩阵，

为用户终端到中继的信道衰落向量。

8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，采用(31)迫零式网络编码上下行中继传输方法时，用户终端执行下述操作内容：

用户终端UE_i先从其接收信息：

中消去自身发送信息x_i，式中，

为噪声向量

的第i个元素，为第i个用户终端UE_i处的噪声，得到信息：

再从信息

中求解得到基站给其的发送信息：

9.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，采用(32)分布式网络编码上下行中继传输方法时，用户终端执行下述操作内容：

用户终端UE_i先从其接收信息：

中消去自身发送信息x_i，得到信息：再从信息

中求解得到基站给其的发送信息：

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