CN102394670B - 基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，中继为两侧的每对通信用户分配相同的扩频码，并对接收的信息进行网络编码，减少双方通信的时隙，增加系统吞吐量；同时，中继对接收信息进行网络编码，为通信过程抑制干扰创造了条件，从而减小了因扩频码互相关性不理想而产生的多用户干扰。该方法的通信过程只需两个时隙分别用于上下行链路。本发明方法解决了传统CDMA系统的多个缺陷：在复杂配对关系中，发送端要多次扩频才能完成配对通信；系统在用户数较多时，产生严重的多用户干扰；以及网络吞吐量不高。本发明利用网络编码，在解扩时得到叠加的信息比特，从而为抑制干扰提供了基础，解决了因复杂配对而引入的传统CDMA无法抑制的多用户干扰。

Description

基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，属于无线通信中继系统和网络编码技术领域。

背景技术

网络编码是一种融合路由和编码的信息交换技术，其核心思想是在网络中的各个节点上，对各条信道上接收到的信息进行线性或非线性的编码处理后，再转发给下游节点；因此，中间节点同时拥有信号处理和转发的功能。根据图论中的最大流最小割定理，数据的发送方和接收方之间的通信最大速率不能超过双方之间的最大流值。研究学者以蝴蝶网络的研究为例，指出：通过网络编码可以达到多播路由传输的最大流界，提高了信息的传输效率。

现在的通用中继技术分为以下三种：放大重传、解码重传和解码处理重传。其中放大重传方式也可以在放大之前先进行一定的处理，比如在OFDM调制方式的双向中继中，中继在重新进行功率分配、信号放大与广播发送之前，可以先进行子载波的重新分配，根据信道估计获得的信道质量，重新调整传输信道，以避开质量差的信道，将传输数据调制到理想的信道上。然后再按照设定原则分配功率。解码重传方式是将接收到的数据进行解调，判决得到比特序列后，再对该比特序列进行调制发送。当采用传统CDMA方式进行时，中继需将解调后的数据，根据不同目的接收端分别采用相应的扩频码进行扩频发送。

由以上几种现有的中继传输技术可以看出，使用传统CDMA系统多用户复杂配对接入时，每个发送端（包括用户或中继）都需要多次扩频，才能将需要发送的信息发送到不同的目的地。扩频通信需要为每个用户分配一个正交码作为扩频码，由于正交码的互相关性不理想，当用户数目较多时，通信过程中会产生较为严重的多用户干扰，影响系统通信的质量。

再者，上述几种中继系统中，中继两侧通信的用户需要经过4个时隙才能完成一次通信过程。参见图1，介绍上述中继系统的通信过程：第一时隙，左侧用户S1传送信息a给中继R；第二时隙，中继R将信息a转发给右侧用户S2；第三时隙，右侧用户S2将信息b发送至中继R；第四时隙，中继R将信息b转发给左侧用户S1。由于传输过程中使用的时隙较多，造成吞吐量比较低。

然而，随着通信技术的迅猛发展，特别是4G技术的开展和应用，无线通信的传输速率得到极大地提升，数据业务类型也在不断地发生变化，不再局限于传统的通话业务，各种高速数据业务（比如移动视频会议，远程医疗等等）获得了愈来愈多的应用。这些新技术或新业务中，对于单个用户而言，与其配对通信的用户很可能是多个。这就使得用户之间的配对关系变得很复杂，无线资源也变得更加紧张。同时，在复杂配对通信系统中，每一个配对关系的相关信息对于其他配对关系都是一种干扰，随着配对关系的增加，干扰抑制也变得更加必要。

综上所述，如何解决现有技术的缺陷，提升多用户系统的吞吐量，减小多用户干扰，即提出一种新的双向中继多用户复杂配对的传输方法，就成为业内科技人员关注的新焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，该方法解决了传统CDMA系统中无法克服的下述几个缺陷：第一，在复杂配对关系中，解决发送端需要多次扩频才能完成配对通信的问题；第二，在用户数较多时，解决传统CDMA系统中多用户干扰严重的问题；第三，解决传统CDMA系统中网络吞吐量不高的问题；第四，解决传统CDMA系统中无法进行干扰抑制的问题。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，用于双向单中继、且该中继两侧有多对用户通信的场景；其特征在于：中继为两侧的每对通信用户分配相同的扩频码，并对接收到的信息进行网络编码，以减少双方通信的时隙，增加系统的吞吐量；同时，中继对接收信息进行网络编码，也为通信过程中实现干扰抑制创造了条件，从而减小了因扩频码互相关性不理想而产生的多用户干扰；所述方法的通信过程只需要两个时隙：

第1时隙用于上行链路：中继为有通信请求的用户做出响应并执行初始化操作后，其两侧用户同时向中继传输信息；中继接收到两侧用户的叠加信息，先对该叠加信息执行干扰抑制操作，再通过相应判决实现网络编码，得到两侧用户的网络编码信息；

第2时隙用于下行链路：中继将第1时隙完成干扰抑制操作后的网络编码信息，同时发送给两侧通信用户；用户接收到信息后，对其执行干扰抑制操作，并根据完成干扰抑制操作后的信息，通过网络解码，解析出对方发送的信息；所述方法包括下列操作步骤：

（1）中继为其通信用户执行初始化：中继建立复杂配对关系矩阵和执行初始化操作，再为有通信请求的两侧用户对予以响应：分析该通信请求并建立复杂配对关系扩频码分配矩阵，以供两侧配对用户开始通信；

（2）中继两侧的用户同时向中继发送信息：中继一侧某个用户L_i将与其通信的另一侧所有用户所对应的扩频码直接相加，即该用户L_i在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应行的所有非零元素相加，用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送；同理，中继另一侧某个用户R_j将与其通信的一侧所有用户对应的扩频码直接相加，即该用户R_j在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应列的所有非零元素相加，再用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送；

（3）中继对其接收到的信息进行解调，再用相应的扩频码对解调后的信息解扩后，得到其两侧配对用户发送信息的叠加信息；

（4）中继逐一地对解扩后得到的每对用户的叠加信息执行干扰抑制操作；

（5）设定判决门限 $I^{\mathrm{th}}=\max \left(\right|\sqrt{{\mathrm{\α}}_a{P}_a}{l}_a|,|\sqrt{{\mathrm{\α}}_b{q}_b}{r}_b\left|\right),$ 其中

分别为中继接收到的两侧用户的瞬时信号幅度，p_a和q_b分别为任选的目标配对用户a、b的发射功率；l_a和r_b分别为目标配对用户a、b发送的信息比特；α_a和α_b为用户a、b所对应的信道衰落系数，则目标配对用户a、b所对应的判决准则为： $d_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-1,m_{\mathrm{ab}}<-I^{\mathrm{th}}\\ 1,-I^{\mathrm{th}}<m_{\mathrm{ab}}<I^{\mathrm{th}}\\ -1,m_{\mathrm{ab}}>I^{\mathrm{th}}\end{array}\right.;$ 式中，d_ab为选定的目标配对用户ab所对应的判决量，m_ab为该目标配对用户a、b所发送信息在中继处的叠加，I^th为其判决门限；d_ab=1时，表示中继两侧传输的比特符号相反；d_ab=-1时，表示中继两侧传输的比特符号相同；

（6）中继执行判决并得到判决结果，该过程相当于对两侧配对用户的叠加信息进行异或操作，即模二叠加运算的网络编码，然后，通过相应的扩频码将网络编码后的信息扩频，并广播发送出去；

该扩频过程为： $t_{\mathrm{down}}=1\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}};$ 式中，t_down为中继同时向其两侧用户广播发送的信息，

为中继发送的信号功率，d_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时在中继处叠加信息的判决量，c_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时使用的扩频码，因中继广播发送的信息比特只有两种：+1和-1，故此处分别将所有判决量为+1的扩频码相加后，对+1扩频，再将所有判决量为-1的扩频码相加后，对-1扩频；

（7）用户端接收信息并用相应的扩频码解扩，得到中继发送的经过网络编码后的叠加信息： $u_{\mathrm{ab}}=\frac{t_{\mathrm{down}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}+{\inf }_{\mathrm{ab}}+n_0,$ 式中，u_ab为目标配对用户a、b，即中继一侧第a个用户接收到的与其通信的另一侧第b个用户解扩后的信息，α_a为信道衰落系数；该叠加信息包含的干扰为：

${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{c_{\mathrm{ab}}^T(1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}})}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}),$ 式中，d_ij为解扩后得到的中继发送的信息，+1是从中继传送到用户端的信息比特，c_ij≠c_ab表示c_ij是除去目标配对通信用户c_ab以外的其余配对用户所对应的扩频码；

（8）用户端执行干扰抑制操作：具体方法与中继执行的干扰抑制方法相同，

首先，得到干扰模型的表达式 ${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}});$

然后，用户端在解扩出的接收信息中减去该干扰，即完成了干扰抑制；

（9）判决干扰抑制后的信息：因中继发出的信息均为±1，所以判决过程为：

首先，求解判决量 $f_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}1,u_{\mathrm{ab}}>0\\ -1,u_{\mathrm{ab}}<0\end{array}.\right.$ 其中，u_ab为干扰抑制后的信息；

然后，根据用户本地信息进行网络解码，即对网络编码后的信息进行解码；因为中继的网络编码为异或操作，即模二相加，所以网络解码过程中的判决量为 $r_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-l_a,f_{\mathrm{ab}}=1\\ l_a,f_{\mathrm{ab}}=-1\end{array},\right.$ 式中，r_ab为网络解码结果，l_a为本地发送信息。

本发明用于网络编码双向中继多用户复杂配对的传输方法的创新技术关键：

发送端利用中继建立的复杂配对关系矩阵，一次性完成对所有相关用户的信息扩频并调制发送出去。

因中继的两侧配对用户是采用同一扩频码向中继发送信息，中继在解扩后要对传统的判决门限进行调整，以获得网络编码的信息，并采用获取网络编码数据的方式进行解调，再针对两侧配对用户，采用相同的扩频码在第二时隙将判决后的比特扩频后，广播发送给两侧用户。

接收端在第二时隙接收到中继的信息解扩后，利用自身信息作对比，根据配对信息进行解调与解码，获取发送端的信息。

在上行链路中继或/和下行链路用户端，本发明方法都在利用信息进行网络编码的基础上，进行干扰抑制操作；并采用迭代方式抑制干扰，以获得尽量纯净的信息。其中，上行链路的中继处，由于两侧配对用户端采用相同的扩频码发送数据，所以中继解扩后得到的是叠加信息；同时根据扩频码的互相关值，以及解扩信息就能够进行干扰模拟，并抑制干扰。区别于传统意义的CDMA扩频通信，下行链路的接收端是根据扩频码的互相关与解扩信息，执行干扰抑制。

上行链路中继或/和下行链路用户端处执行干扰抑制时，由于参考信息本身也是被干扰的信息，不是纯净的，所以本发明可以通过迭代方法进行干扰抑制，在每一轮迭代后，得到更加纯净的参考信息。

本发明方法的有益效果是：发送端对双向中继的多用户复杂配对关系只需要进行一次扩频，就能够满足所有的配对要求；即使中继执行了网络编码后，也只需要两次扩频就可以满足所有用户端的通信要求。相对于传统CDMA系统来说，减少了扩频次数。同时，本发明为双向中继的两侧配对的通信用户使用了相同的扩频码，相对于传统的CDMA扩频通信，使得多用户干扰减小一半。再者，由于采用带有网络编码的双向协同中继，使得整个通信过程只需两个时隙就能够完成全部操作流程，提高了网络的吞吐量。此外，由于本发明方法的服务对象是复杂配对关系的众多用户，所以通信过程中必然会产生多用户干扰。为了抑制这种干扰，本发明利用网络编码的特点，在解扩时得到叠加的信息比特，为抑制干扰提供了基础，解决了因复杂配对而引入的传统CDMA无法抑制的多用户干扰。总之，本发明方法具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是传统中继技术的传输时隙示意图。

图2是本发明方法中的复杂配对关系示意图。

图3是本发明基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法流程图。

图4（A）、（B）分别是复杂配对关系矩阵示意图和复杂配对关系扩频码分配矩阵示意图。

图5（A）、（B）分别是中继一侧用户和另一侧用户的两个扩频码示意图。

图6是本发明方法中的干扰抑制迭代操作的示意图。

图7是本发明实施例中的复杂配对方案可行性仿真图（横坐标为信噪比，纵坐标为误比特率，下面的图6～图10的横坐标与纵坐标都与该图7相同）。

图8是本发明实施例中的干扰抑制效果示意图。

图9是本发明实施例中的中继处的干扰抑制效果示意图。

图10是本发明实施例中的容量提升示意图。

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，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，用于双向单中继、且该中继两侧有多对用户通信的场景。该方法是由中继为其两侧的每对通信用户分配相同的扩频码，并在中继处对接收到的信息进行网络编码，以减少双方通信的时隙，增加系统的吞吐量；同时，中继对接收信息进行网络编码，也为通信过程中实现干扰抑制创造了条件，从而减小了因扩频码互相关性不理想而产生的多用户干扰；该方法的通信过程只需要两个时隙：

第1时隙用于上行链路：中继响应有通信请求的用户，完成初始化操作后，其两侧用户同时向中继传输信息；中继接收到两侧用户的叠加信息，先对该叠加信息执行干扰抑制操作，再通过相应判决实现网络编码，得到两侧用户的网络编码信息；

第2时隙用于下行链路：中继将第1时隙完成干扰抑制操作后的网络编码信息，同时发送给两侧通信用户；用户接收到信息后，对其执行干扰抑制操作，并根据完成干扰抑制操作后的信息，通过网络解码，解析出对方发送的信息。

参见图2，介绍本发明利用网络编码的双向协同中继为其两侧通信的多用户复杂配对关系的示意图，图中的每个用户不再是传统的一对一的配对通信关系；并以此场景为例，逐一说明本发明方法中的各个操作步骤：

步骤1，将通信用户接入系统，中继为其通信用户执行初始化：中继建立复杂配对关系矩阵和执行初始化操作，再为有通信请求的两侧用户对予以响应：分析该通信请求并建立复杂配对关系扩频码分配矩阵，以供两侧配对用户开始通信。该步骤1包含以下具体操作内容：

（11）建立复杂配对关系矩阵：中继根据两侧用户数量建立一个相应大小的配对关系矩阵（如图3（A）所示），其中，每一行代表左侧一个用户，每一列代表右侧一个用户，其维数为m×n阶，m和n分别为矩阵的行数和列数，表示中继两侧的通信用户总数；该m×n阶矩阵中的每个元素的初始值为零，且用自然数下标i和j分别作为其行序号和列序号，且i和j的最大值分别为m和n，以使该复杂配对关系矩阵中的所有元素都与中继两侧的配对用户一一对应。

（12）在该复杂配对关系矩阵中，中继根据用户请求，把请求通信的用户对所对应的矩阵元素置为1，无通信请求的用户对所对应的矩阵元素置为0。

（13）中继遍历该复杂配对关系矩阵，为每一对有通信请求的用户对分配一个扩频码，并储存于配对关系扩频码分配矩阵（如图3（B）所示）中。

步骤2，中继两侧的用户同时向中继发送信息：中继一侧某个用户L_i将与其通信的另一侧所有用户所对应的扩频码直接相加（即该用户L_i在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应行的所有非零元素相加，如图4（A）所示），用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送；同理，中继另一侧某个用户R_j将与其通信的一侧所有用户对应的扩频码直接相加（即该用户R_j在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应列的所有非零元素相加，如图4（B）所示），再用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送。

以中继一侧第i个用户L_i为例，上述过程的扩频信息t_i的数学表达式为：

式中，t_i是该用户L_i发送并被中继接收到的扩频信息，α_i为信道衰落系数，p_i是序号为用户L_i的信号发送功率，l_i是其发送的信息比特，l_i的取值为±1，c_ij为中继一侧第i个用户与另一侧第j个用户通信时对应的扩频码。

步骤3，中继对其接收到的信息进行解调，再用相应的扩频码对解调后的信息解扩后，得到其两侧配对用户发送信息的叠加信息。

该步骤3中，通信双方发送的信息比特均为±1，中继用相应的扩频码对其解调后的信息解扩，得到其两侧配对用户的叠加信息的操作过程数学表达式为：

$m_{\mathrm{ab}}=\frac{t_{\mathrm{up}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_j)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T+n_0{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_a{p}_a}{l}_a+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_b{q}_b}{r}_b)+\inf +n_0,$

其中， $\inf =\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_i)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}),$ 式中，m_ab为中继在两侧序号分别为a和b的配对用户通信时，解扩后得到的叠加信息，t_up为中继接收到的两侧所有用户发送的扩频信息之和，c为用户之间通信的扩频码，其下标为中继两侧用户的序号，其上标T表示其为扩频码的转置向量，L_c为扩频码序列的长度，l_i和r_j分别为中继两侧序号分别为i和j的用户的信息比特，p和q分别为该两侧序号分别为i和j的用户的信号发送功率，inf为传输中的多用户干扰，n₀为高斯白噪声。

步骤4，中继得到解扩后的信号，逐一地对每对用户解扩后得到的叠加信息执行干扰抑制操作。

下面以通信的目标配对用户分别为中继两侧的第a个用户和第b个用户的通信为例，给出该步骤干扰抑制过程的具体操作内容：

（41）将该选定的目标配对用户a、b的叠加信息视为要为其执行干扰抑制的全部信息，此时，将其他非目标用户对之间传递的信息都视为干扰。

（42）用非目标配对用户的扩频码解扩出其在中继的叠加信息。

（43）用当前目标配对用户a、b的扩频码与非目标配对用户的扩频码作互相关，并将该互相关的值乘以步骤（42）中得到的叠加信息，所得到的积，就是所有非目标配对用户对于当前配对用户a、b产生的干扰inf_ab，其数学模型表达式为： ${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_j)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}).$

（44）在当前选定目标配对用户a、b的叠加信息中减去干扰inf_ab，完成干扰抑制。

步骤5，设定判决门限 $I^{\mathrm{th}}=\max \left(\right|\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_a{p}_a}{l}_a|,|\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_b{q}_b}{r}_b\left|\right),$ 其中

分别为中继接收到的两侧用户的瞬时信号幅度，p_a和q_b分别为任选的目标配对用户a、b的发射功率；l_a和r_b分别为目标配对用户a、b发送的信息比特；α_a和α_b为用户a、b所对应的信道衰落系数，则目标配对用户a、b所对应的判决准则为： $d_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-1,m_{\mathrm{ab}}<-I^{\mathrm{th}}\\ 1,-I^{\mathrm{th}}<m_{\mathrm{ab}}<I^{\mathrm{th}}\\ -1,m_{\mathrm{ab}}>I^{\mathrm{th}}\end{array}\right.;$ 式中，d_ab为选定的目标配对用户ab所对应的判决量，m_ab为该目标配对用户a、b所发送信息在中继处的叠加，I_th为其判决门限；d_ab=1时，表示中继两侧传输的比特符号相反；d_ab=-1时，表示中继两侧传输的比特符号相同。

步骤6，中继执行判决并得到判决结果，该过程相当于对两侧配对用户的叠加信息进行异或操作，即模二叠加运算的网络编码，然后，通过相应的扩频码将网络编码后的信息扩频，并广播发送出去。

该扩频过程的数学表达式为： $t_{\mathrm{down}}=1\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}};$ 式中，t_down为中继同时向其两侧用户广播发送的信息，

为中继发送的信号功率，d_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时在中继处叠加信息的判决量，c_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时使用的扩频码，因中继广播发送的信息比特只有两种：+1和-1，故此处分别将所有判决量为+1的扩频码相加后，对+1扩频，再将所有判决量为-1的扩频码相加后，对-1扩频。

步骤7，用户端接收信息，并用相应的扩频码解扩，得到中继发送的经过网络编码后的叠加信息： $u_{\mathrm{ab}}=\frac{t_{\mathrm{down}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}+{\inf }_{\mathrm{ab}}+n_0,$ 式中，u_ab为目标配对用户a、b，即中继一侧第a个用户接收到的与其通信的另一侧第b个用户解扩后的信息，α_a为信道衰落系数；该叠加信息包含的干扰为：

${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{c_{\mathrm{ab}}^T(1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}})}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}),$ 式中，d_ij为解扩后得到的中继发送的信息，+1是从中继传送到用户端的信息比特，c_ij≠c_ab表示c_ij是除去目标配对通信用户c_ab以外的其余配对用户所对应的扩频码。

步骤8，用户端执行干扰抑制，具体方法与中继执行的干扰抑制方法相同：

首先，得到干扰模型的表达式 ${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}});$

然后，用户端在解扩出的接收信息中减去该干扰，即完成了干扰抑制。

步骤9，判决干扰抑制后的信息：因中继发出的信息均为±1，所以判决过程为：首先，求解判决量 $f_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}1,u_{\mathrm{ab}}>0\\ -1,u_{\mathrm{ab}}<0\end{array}.\right.$ 其中，u_ab为干扰抑制后的信息；

然后，根据用户本地信息进行网络解码，即对网络编码后的信息进行解码；因为中继的网络编码为异或操作，即模二相加，所以网络解码过程中的判决量为 $r_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-l_a,f_{\mathrm{ab}}=1\\ l_a,f_{\mathrm{ab}}=-1\end{array},\right.$ 式中，r_ab为网络解码结果，l_a为本地发送信息。

需要说明的是：所述9个步骤实现了基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法。其中，针对某个目标配对用户建立干扰模型时，必须对其他的非目标配对用户的信息进行解扩，且这个过程中得到的解扩后的比特信息也是受干扰的。所以，为了使干扰抑制时的解扩信息更加纯净，本发明采用迭代方法进行干扰抑制；即针对每对通信用户的叠加信息，每进行一次干扰抑制，就能得到其较为纯净的叠加信息，然后用该较为纯净的叠加信息再次进行相同的干扰抑制操作，使得该叠加信息更加纯净；经过多次迭代后，就能得到比较理想的配对用户的叠加信息。也就是实际传输时，要对所述步骤4和8执行多次迭代干扰抑制处理，直到信息的纯净度达到设定要求为止。

参见图6，介绍上述迭代操作过程可：从下到上不同的形状代表不同的配对关系对应的信息，针对每一个配对关系做干扰抑制，得到比上一层更为纯净的叠加信息，经过一定次数的迭代后，就得到较为理想的配对叠加信息，然后再针对某一配对关系做干扰抑制。据此，可以在实际传输时将步骤4和步骤8执行多次迭代干扰抑制，直到信息的纯净度达到要求为止。

本发明已经进行了多次实施试验，下面简要介绍这些实施例的仿真情况：

先说明这些实施例的仿真环境：系统中用户通信使用的扩频码为31位m序列，m序列的生成序列为[1 1 1 0 1]，每组配对用户都是从31组m序列中随机挑选的（分配给不同配对用户的m序列是不同的），仿真过程中使用高斯信道（高斯白噪声均值为0，方差为1）。

为了证明本发明方法中的发送端单次扩频就能够实现多用户配对通信，做了如下仿真测试：中继两侧共五对用户通信，在仿真中将本发明方法与传统的端对端直接通信的方法进行对比（参见图7所示的本发明复杂配对方法可行性仿真图，图中的横坐标为信噪比，纵坐标为误比特率），从图7可见：本发明方法可以通过一次扩频实现多用户配对通信。

参见图8，介绍本发明方法干扰抑制效果证明的仿真中，为体现该方法干扰抑制的优点，提高了系统中用户数目，该实施例的一侧用户数为3，另一侧用户数为18，一侧每个用户同时与另一侧6个用户进行通信，其效果图如图8所示。

考虑到用户端设备功率与功能的限制，又单独模拟了仅在中继处作干扰抑制的仿真实施试验（参见图9所示），中继执行一次干扰抑制后，误比特率性能有比较明显的改善。

参见图10所示的系统的容量提升示意图，该实施仿真条件为：复杂配对关系矩阵为5×5矩阵，初始通信用户数设为3，信噪比为10dB，每次随机增加一对通信用户（即在复杂配对关系矩阵中随机地把0置为1）。由图10可知，在相同的误比特率的条件下，做过干扰抑制的系统可以容纳更多的用户同时通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于网络编码的双向中继多用户复杂配对的传输方法，用于双向单中继、且该中继两侧有多对用户通信的场景；其特征在于：中继为两侧的每对通信用户分配相同的扩频码，并对接收到的信息进行网络编码，以减少双方通信的时隙，增加系统的吞吐量；同时，中继对接收信息进行网络编码，也为通信过程中实现干扰抑制创造了条件，从而减小了因扩频码互相关性不理想而产生的多用户干扰；所述方法的通信过程只需要两个时隙：

第1时隙用于上行链路：中继为有通信请求的用户做出响应并执行初始化操作后，其两侧用户同时向中继传输信息；中继接收到两侧用户的叠加信息，先对该叠加信息执行干扰抑制操作，再通过相应判决实现网络编码，得到两侧用户的网络编码信息；

第2时隙用于下行链路：中继将第1时隙完成干扰抑制操作后的网络编码信息，同时发送给两侧通信用户；用户接收到信息后，对其执行干扰抑制操作，并根据完成干扰抑制操作后的信息，通过网络解码，解析出对方发送的信息；所述方法包括下列操作步骤：

（1）中继为其通信用户执行初始化：中继建立复杂配对关系矩阵和执行初始化操作，再为有通信请求的两侧用户对予以响应：分析该通信请求并建立复杂配对关系扩频码分配矩阵，以供两侧配对用户开始通信；

（2）中继两侧的用户同时向中继发送信息：中继一侧某个用户L_i将与其通信的另一侧所有用户所对应的扩频码直接相加，即该用户L_i在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应行的所有非零元素相加，用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送；同理，中继另一侧某个用户R_j将与其通信的一侧所有用户对应的扩频码直接相加，即该用户R_j在复杂配对关系扩频码分配矩阵中所对应列的所有非零元素相加，再用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送；

（3）中继对其接收到的信息进行解调，再用相应的扩频码对解调后的信息解扩后，得到其两侧配对用户发送信息的叠加信息；

（4）中继逐一地对解扩后得到的每对用户的叠加信息执行干扰抑制操作；

（5）设定判决门限 $I^{\mathrm{th}}=\max \left(\right|\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_a{p}_a}{l}_a|,|\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_a{q}_b}{r}_b\left|\right),$ 其中

分别为中继接收到的两侧用户的瞬时信号幅度，p_a和q_b分别为任选的目标配对用户a、b的发射功率；l_a和r_b分别为目标配对用户a、b发送的信息比特；α_a和α_b为用户a、b所对应的信道衰落系数，则目标配对用户a、b所对应的判决准则为： $d_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-1,m_{\mathrm{ab}}<-I^{\mathrm{th}}\\ 1,-I^{\mathrm{th}}<m_{\mathrm{ab}}<I^{\mathrm{th}}\\ -1,m_{\mathrm{ab}}>I^{\mathrm{th}}\end{array}\right.;$ 式中，d_ab为选定的目标配对用户ab所对应的判决量，m_ab为该目标配对用户a、b所发送信息在中继处的叠加，I^th为其判决门限；d_ab=1时，表示中继两侧传输的比特符号相反；d_ab=-1时，表示中继两侧传输的比特符号相同；

（6）中继执行判决并得到判决结果，该过程相当于对两侧配对用户的叠加信息进行异或操作，即模二叠加运算的网络编码，然后，通过相应的扩频码将网络编码后的信息扩频，并广播发送出去；

该扩频过程为： $t_{\mathrm{down}}=1\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}};$ 式中，t_down为中继同时向其两侧用户广播发送的信息，

为中继发送的信号功率，d_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时在中继处叠加信息的判决量，c_ij为中继一侧第i个用户和另一侧第j个用户通信时使用的扩频码，因中继广播发送的信息比特只有两种：+1和-1，故此处分别将所有判决量为+1的扩频码相加后，对+1扩频，再将所有判决量为-1的扩频码相加后，对-1扩频；

（7）用户端接收信息并用相应的扩频码解扩，得到中继发送的经过网络编码后的叠加信息： $u_{\mathrm{ab}}=\frac{t_{\mathrm{down}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=\&PlusMinus;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}+{\inf }_{\mathrm{ab}}+n_0,$ 式中，u_ab为目标配对用户a、b，即中继一侧第a个用户接收到的与其通信的另一侧第b个用户解扩后的信息，α_a为信道衰落系数；该叠加信息包含的干扰为：

${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{c_{\mathrm{ab}}^T(1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ij}})}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}),$ 式中，d_ij为解扩后得到的中继发送的信息，+1是从中继传送到用户端的信息比特，c_ij≠c_ab表示c_ij是除去目标配对通信用户c_ab以外的其余配对用户所对应的扩频码；

（8）用户端执行干扰抑制操作：具体方法与中继执行的干扰抑制方法相同，

首先，得到干扰模型的表达式 ${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{1\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}+(-1)\&times;\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_{a}p}\underset{d_{\mathrm{ij}}=-1}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_{\mathrm{ab}}^T{c}_{\mathrm{ij}}}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}});$

然后，用户端在解扩出的接收信息中减去该干扰，即完成了干扰抑制；

（9）判决干扰抑制后的信息：因中继发出的信息均为±1，所以判决过程为：

首先，求解判决量 $f_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}1,u_{\mathrm{ab}}>0\\ -1,u_{\mathrm{ab}}<0\end{array}.\right.$ 其中，u_ab为干扰抑制后的信息；

然后，根据用户本地信息进行网络解码，即对网络编码后的信息进行解码；因为中继的网络编码为异或操作，即模二相加，所以网络解码过程中的判决量为 $r_{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{c}-l_a,f_{\mathrm{ab}}=1\\ l_a,f_{\mathrm{ab}}=-1\end{array},\right.$ 式中，r_ab为网络解码结果，l_a为本地发送信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）包括下列操作内容：

（11）建立复杂配对关系矩阵：中继根据两侧用户数量建立一个相应大小的配对关系矩阵，其维数为m×n阶，该矩阵元素的初始值为零，m和n分别为矩阵的行数和列数，表示中继两侧的通信用户总数；该m×n阶矩阵中的每个元素也都用自然数下标i和j分别作为其行序号和列序号，且i和j的最大值分别为m和n，以使该复杂配对关系矩阵中的所有元素都与中继两侧的配对用户一一对应；

（12）在该复杂配对关系矩阵中，中继根据用户请求，把请求通信的用户对所对应的矩阵元素置为1，无通信请求的用户对所对应的矩阵元素置为0；

（13）中继遍历该复杂配对关系矩阵，为每一对有通信请求的用户对分配一个扩频码，并储存于配对关系扩频码分配矩阵中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，中继一侧某个用户L_i将与其通信的另一侧所有用户所对应的扩频码直接相加，再用该扩频码之和对信息比特进行扩频、调制后发送，扩频信息t_i的数学表达式为：

式中，t_i是中继接收到的扩频信息，α_i为信道衰落系数，p_i是序号为i的用户的信号发送功率，l_i是其发送的信息比特，l_i的取值为±1，c_ij为中继一侧第i个用户与另一侧第j个用户通信时对应的扩频码。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，中继用相应的扩频码对其解调后的信息解扩，得到其两侧配对用户的叠加信息为：

$m_{\mathrm{ab}}=\frac{t_{\mathrm{up}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_j)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T+n_0{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}=(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_a{p}_a}{l}_a+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_b{q}_b}{r}_b)+\inf +n_0,$ $\inf =\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_i)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}}),$ 式中，m_ab为中继在两侧序号分别为a和b的配对用户通信时，解扩后得到的叠加信息，t_up为中继接收到的两侧所有用户发送的扩频信息之和，c为用户之间通信的扩频码，其下标为中继两侧用户的序号，其上标T表示其为扩频码的转置向量，L_c为扩频码序列的长度，l_i和r_j分别为中继两侧序号分别为i和j的用户的信息比特，p和q分别为该两侧序号分别为i和j的用户的信号发送功率，inf为传输中的多用户干扰，n₀为高斯白噪声。

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）包括下列操作内容：

（41）当通信的目标配对用户分别为中继两侧的第a个用户和第b个用户时，则该选定的目标配对用户a、b的叠加信息就是要为其执行干扰抑制的全部信息，此时，将其他非目标用户对之间传递的信息都视为干扰；

（42）用非目标配对用户的扩频码解扩出其在中继的叠加信息；

（43）用当前目标配对用户a、b的扩频码与非目标配对用户的扩频码作互相关，并将该互相关的值乘以步骤（42）中得到的叠加信息，所得到的积，就是所有非目标配对用户对于当前配对用户a、b产生的干扰inf_ab，其数学模型表达式为： ${\inf }_{\mathrm{ab}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_i{p}_i}{l}_i+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}_j{q}_j}{r}_i)c_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ab}}^T}{L_c}(c_{\mathrm{ij}}\&NotEqual;c_{\mathrm{ab}});$

（44）在当前选定目标配对用户a、b的叠加信息中减去干扰inf_ab，完成干扰抑制。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法中，针对某个目标配对用户建立干扰模型时，必须对其他的非目标配对用户的信息进行解扩，且得到的解扩后的比特信息也是受干扰的；为了使干扰抑制时的解扩信息更加纯净，采用迭代方法进行干扰抑制；即针对每对通信用户的叠加信息，每进行一次干扰抑制，就能得到其较为纯净的叠加信息，然后用该较为纯净的叠加信息再次进行相同的干扰抑制操作，使得该叠加信息更加纯净；经过多次迭代后，就能得到比较理想的配对用户的叠加信息；也就是：实际传输时，要对所述步骤（4）和（8）执行多次迭代干扰抑制处理，直到信息的纯净度达到设定要求。

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