CN102664712A - 多天线系统的网络编码传输方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线系统的网络编码传输方法，是两用户先同时向中继发送预编码信息，再由中继对接收信号进行降噪处理，实现传输信道的对角化，以消除两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间的相互干扰，使中继能接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息；然后，中继对符号叠加信息进行重新映射，得到与用户发送信息采用的调制方式相同的网络编码信息后，再将其转发给用户；用户对接收到的网络编码信息进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。本发明通过信道对角化，使中继能对网络编码信息进行降噪，解决了基于放大转发的网络编码传输的噪声放大等问题，提高了中继传输的可靠性和吞吐量。

Description

多天线系统的网络编码传输方法

技术领域

本发明涉及一种多天线系统的网络编码传输方法，确切地说，涉及一种多天线系统的基于信道对角化的网络编码传输方法，属于无线中继传输的技术领域。

背景技术

为了扩大小区覆盖和提高系统吞吐量，无线中继技术和多天线技术作为下一代移动通信蜂窝系统的两大关键技术引起了业界的广泛关注。将多天线技术引入无线中继系统，在一定程度上能够解决中继传输带来的资源开销问题，提高系统的频谱效率。但是，为了达到更高的峰值传输速率和吞吐量，传统的多天线系统只能在中继处配置更多的天线，过高阶的多天线配置将会引起严重的干扰问题，从而给移动通信系统组网带来严重困难。

网络编码技术的提出为这一问题的解决提供了一个可行的解决方案，它打破了传统的中继转发方式，允许中继对接收到的、来自不同用户的信息进行联合处理后再转发，从而在理论上能够达到双向中继等多种无线蜂窝网基本场景的传输容量界限。此外，网络编码技术不同于多天线技术，其从另一角度解决了中继传输频谱效率低下的缺陷，这样，就为网络编码技术与多天线技术在无线中继传输中的联合应用提供了可能，也就是：支持两用户的多个数据流同时进行双向传输，通过多天线技术解决多个数据流的流问干扰问题，再通过网络编码解决对应叠加信息的流内干扰问题。

目前，联合多天线的网络编码技术在中继处主要采用放大转发模式，这是因为如果在中继处采用基于解码转发的网络编码方案，同样要求中继配备更高阶的天线数量，这就失去了其原有的技术优势。然而，由于网络编码信息中自干扰信息的引入，多天线系统中基于放大转发的网络编码传输方案面临严重的噪声放大问题，使其在实际系统中的应用前景面临严峻的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多天线系统的网络编码传输方法，用于解决传统中继转发的频谱效率低，以及基于放大转发的网络编码传输的噪声放大等问题，提高多天线系统的中继传输的吞吐量和可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多天线系统的网络编码传输方法，其特征在于：两用户先同时向中继发送预编码信息，再由中继对接收信号进行降噪处理，实现传输信道的对角化，即通过用户和中继的联合处理，将两用户到中继之间的信道矩阵转换为由矩阵广义特征值分解得到的两个对角矩阵，实现传输信道的对角化处理，以便消除两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间的互相干扰，使得中继能够接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息；然后，中继对该符号叠加信息进行重新映射，得到与用户发送信息采用的调制方式相同的网络编码信息后，再将该网络编码信息转发给用户；用户对接收到的网络编码信息进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。

本发明多天线系统的网络编码传输方法的创新优点是：通过用户和中继的联合处理将传输信道对角化，使得中继能够接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息，并由中继对该符号叠加后的网络编码信息进行重新映射，得到与两用户采用相同调制方式的网络编码信息，然后进行转发，用户对接收到的信息进行接收检测得到网络编码信息，并对网络编码信息进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。该方法通过信道对角化，解决了基于放大转发的网络编码传输的噪声放大问题，以及传统中继转发频谱效率低等问题，使得中继能够对其接收到的网络编码信息进行降噪处理，抑制了噪声对网络编码传输性能的影响，提高了多天线系统中的中继传输的工作可靠性和系统吞吐量。另外，本发明方法操作步骤简单，实现方便，因此，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明多天线系统的网络编码传输方法的原理示意图。

图2(A)、(B)分别是本发明方法中传输信道对角化处理前后比较图。

图3是本发明多天线系统的网络编码传输方法的操作步骤流程图。

图4是本发明方法与多天线系统分别采用放大转发和解码转发的传输方法，以及基于放大转发的网络编码传输方法的信噪比与吞吐量曲线图。

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。

为了进一步提高多天线系统的传输性能，解决传统中继转发频谱效率低，以及基于放大转发的网络编码传输噪声放大等问题，本发明提出了一种用于多天线系统的网络编码传输方法，该方法是两用户先同时向中继发送预编码信息，再由中继对接收信号进行降噪处理，实现传输信道的对角化，即通过用户和中继的联合处理，将两用户到中继之间的信道矩阵转换为由矩阵广义特征值分解得到的两个对角矩阵，实现传输信道的对角化处理，以便消除两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间的互相干扰，使得中继能够接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息；然后，中继对该符号叠加信息进行重新映射，得到与用户发送信息采用的调制方式相同的网络编码信息后，再将该网络编码信息转发给用户；用户对接收到的网络编码信息进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。本发明能够抑制噪声对网络编码传输性能的影响，提高多天线系统的传输吞吐量和工作可靠性。

参见图1，介绍本发明多天线系统的网络编码传输方法的工作原理。本发明基于信道对角化的网络编码传输方法的应用场景是双向中继，其中两个用户和中继的天线数量均为两个或两个以上的M个。本发明方法分为两个阶段：

第一阶段，两用户先同时向中继发送信息，通过用户和中继的联合处理，将传输信道对角化，使得中继能够接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息，然后中继对该符号叠加的网络编码进行重新映射，得到与用户发送信息采用相同调制方式的网络编码信息。

第二阶段，中继将重新映射后的网络编码信息转发给两用户，两用户分别进行检测得到网络编码信息后，再对网络编码各自进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。

参见图2，介绍本发明多天线系统的网络编码传输方法对传输信道进行对角化处理的工作原理。本发明网络编码传输方法在中继采用降噪转发，需要中继先解出两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息。由于在进行信道对角化处理前，两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间会产生互相干扰(参见图2(A)中的多个交叉传输信道)，严重影响中继接收检测的性能。为了提高中继处的接收检测性能，本发明网络编码传输方法是通过用户和中继的联合处理，实现信道的对角化处理(参见图2(B)中的各个传输信道呈平行状态)，从而消除了两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间的干扰。

参见图3，介绍本发明多天线系统的网络编码传输方法的具体操作步骤：

步骤1，两用户先分别对其发送信息进行预编码后，同时向中继发送各自的预编码信息，以实现传输信道的对角化，并保证中继能对其接收的用户信息实现网络编码。该步骤1包括下列操作内容：

(11)如果两个用户UE1和UE2各自到中继之间的信道矩阵分别为H₁和H₂时，则先对H₁和H₂的共轭转置矩阵和进行广义特征值分解，得到下述两个矩阵：和

其中，U₁和U₂均为酉矩阵，Λ₁和Λ₂均为满足

的正定的对角矩阵，，Q为非奇异矩阵，Q^H、

和

分别为Q、Λ₁和Λ₂的共轭转置矩阵，I_M为M阶的单位阵。

(12)如果两个用户UE1和UE2各自的发送信息分别为s＝[s₁…s_M]^T和x＝[x₁…x_M]^T时，式中，M为用户天线数，且s和x采用阶数相同的正交幅度调制；则该两个用户UE1和UE2分别按照公式

和

生成各自的预编码矩阵P₁和P₂；其中，U₁、U₂、和

都是按照上述广义特征值分解方式生成的。

(13)两个用户UE1和UE2分别同时向中继发送各自的信息分别为：t₁＝α₁P₁s和t₂＝α₂P₂x，其中，t₁和t₂分别为用户UE1和UE2的发送信息，α₁和α₂分别为用户UE1和UE2的功率约束因子；且为了保证两用户UE1和UE2的发送信息能够在中继处实现等幅度的符号叠加，设置α₁和α₂的数值为： ${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{\α}}_2=\mathrm{\α}=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{tr}\left[{\left(P_1^H{P}_1\right)}^{-1}\right]}+\sqrt{\mathrm{tr}\left[{\left(P_2^H{P}_2\right)}^{-1}\right]}},$ 式中，

和分别为矩阵

和

的迹，α为该两个用户UE1和UE2的通用功率约束因子。

步骤2，中继采用线性检测对接收到的两用户分别发送的预编码信息进行降噪处理，得到两用户各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息。

该步骤2的具体操作内容是：中继接收到的两个用户UE1和UE2发送信息为：y_R＝αQ(s+x)+n_R，其中，n_R为中继处的加性高斯白噪声，然后，中继采用线性接收机对该接收到的该两个用户UE1和UE2的发送信息进行接收检测，以实现降噪处理，并得到该两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息。

如果中继进行的接收检测是采用迫零检测时，则该检测是通过公式： ${\hat{s}}^R+{\hat{x}}^R=\arg \underset{s_i,x_j\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\mathrm{\α}}^{-1}{Q}^{-1}{y}_R-(s_i+x_j)|$ 得到该两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息：式中，

为中继通过检测后得到两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息，Ω为两个用户UE1和UE2采用M阶正交幅度调制所有可能发送信息的集合，s_i和x_j分别为Ω中的序号为i和j的两个用户UE1和UE2的发送信息。

步骤3，中继对该符号叠加的网络编码信息进行重新映射，得到与两用户采用相同调制方式的网络编码信息，再向两用户转发重新映射后的网络编码信息。该步骤3包括下列操作内容：

(31)中继对得到的符号叠加的网络编码信息按照下述公式： $w=2\left[(\frac{1}{2}({\hat{s}}^R+{\hat{x}}^R)-1)\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 进行重新映射，得到与两用户采用相同调制方式的网络编码信息；其中，mod为求余运算，w为中继重新映射后的网络编码信息。

(32)中继向两用户转发重新映射后的网络编码信息。

步骤4，用户利用相应的检测算法得到中继发送的网络编码信息后；再对该网络编码信息进行解码，消除其中的自身发送信息，得到另一用户的发送信息。该步骤4包括下列操作内容：

(41)两个用户UE1和UE2接收到的中继转发信息分别为：y₁＝G₁w+n₁和y₂＝G₂w+n₂，其中，G₁和G₂分别为中继到用户UE1和中继到用户UE2的两个信道矩阵，y₁和y₂分别为用户UE1和UE2的接收信息，n₁和n₂分别为用户UE1和UE2处的加性高斯白噪声；然后，UE1和UE2分别利用相应的线性接收机对该中继转发信息进行接收检测，得到中继发送的网络编码信息；

如果用户采用迫零检测进行接收检测时，两用户UE1和UE2分别根据公式： ${\hat{w}}^1=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-1}{y}_R-w_k|$ 和 ${\hat{w}}^2=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-2}{y}_R-w_k|$ 检测各自的接收信息，分别得到中继发送的网络编码信息： ${\hat{w}}^1=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-1}{y}_R-w_k|$ 和 ${\hat{w}}^2=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-2}{y}_R-w_k|,$ 其中，和分别为用户UE1和UE2通过检测后得到的中继发送的网络编码信息，Ω为中继发送的网络编码信息采用M阶正交幅度调制所有可能发送信息的集合，w_k为Ω中的一个发送信息。

(42)两个用户UE1和UE2根据公式 $\hat{x}=2\left[\frac{1}{2}({\hat{w}}^1-s)\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 和 $s=2\left[\frac{1}{2}({\hat{w}}^2-\hat{x})\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 对接收到的网络编码信息各自分别进行解码，消除其中的自身发送信息，得到另一用户的发送信息。

本发明多天线系统的的网络编码传输方法已经进行了多次仿真实施试验，以便验证和评估该方法的性能，并将其与多天线系统中的其他中继传输方法的性能与增益进行比较。

参见图4，介绍本发明基于信道对角化的网络编码传输方法与其他多天线系统的中继传输方法的吞吐量比较。仿真实施例的调制方式为16维正交幅度调制，无线传输信道为平坦瑞利衰落信道的情况，将本发明基于信道对角化的网络编码传输方法与分别采用解码转发和放大转发的两种传统中继传输方法，以及基于放大转发的网络编码传输方法进行了比较。在低信噪比区域，图中自上而下分别为基于放大转发的网络编码传输方法、本发明网络编码传输方法、采用解码转发的传统中继传输方法和采用放大转发的传统中继传输方法四种对应的用户吞吐量-信噪比曲线。但是，随着信噪比的增加，四种传输方法的性能优劣发生变化，图中的四种用户吞吐量-信噪比曲线自上而下分别为本发明网络编码传输方法、基于放大转发的网络编码传输方法、采用解码转发的传统中继传输方法和采用放大转发的传统中继传输方法。

实验表明，在发射信噪比从0dB增加至20dB的过程中，本发明基于信道对角化的网络编码传输方法和基于放大转发的网络编码传输方法传输性能显著优于另外两种采用解码转发和放大转发的传统中继传输方法。这是由于网络编码提高了传输的频谱效率。随着发射信噪比的增加，本发明网络编码传输方法的性能显著上升，超过基于放大转发的网络编码传输方法，成为四种传输方法中吞吐量最大的传输方法，而且，随着发射信噪比的增加，本发明网络编码传输方法的吞吐量性能优势更加明显。这是由于随着发射信噪比的增加，本发明基于降噪转发的网络编码传输方法的误码率性能得到改善，性能接近实际系统中误码率性能最优的采用解码转发的传统中继传输方法，还明显优于采用放大转发的传统中继传输方法和基于放大转发的网络编码传输方法，从而提高了传输的吞吐量和可靠性。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多天线系统的网络编码传输方法，其特征在于：两用户先同时向中继发送预编码信息，再由中继对接收信号进行降噪处理，实现传输信道的对角化，即通过用户和中继的联合处理，将两用户到中继之间的信道矩阵转换为由矩阵广义特征值分解得到的两个对角矩阵，实现传输信道的对角化处理，以便消除两用户发送信息进行符号叠加后的多个网络编码信息之间的互相干扰，使得中继能够接收到两用户发送信息进行符号叠加后的网络编码信息；然后，中继对该符号叠加信息进行重新映射，得到与用户发送信息采用的调制方式相同的网络编码信息后，再将该网络编码信息转发给用户；用户对接收到的网络编码信息进行解码，消除自身发送信息的干扰，得到另一用户的发送信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)两用户先分别对其发送信息进行预编码后，同时向中继发送各自的预编码信息，以实现传输信道的对角化，并保证中继能对其接收的用户信息实现网络编码；

(2)中继采用线性检测对接收到的两用户分别发送的预编码信息进行降噪处理，得到两用户各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息；

(3)中继对该符号叠加的网络编码信息进行重新映射，得到与两用户采用相同调制方式的网络编码信息，再向两用户转发重新映射后的网络编码信息；

(4)用户利用相应的检测算法得到中继发送的网络编码信息后；再对该网络编码信息进行解码，消除其中的自身发送信息，得到另一用户的发送信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括下列操作内容：

(11)如果两个用户UE1和UE2各自到中继之间的信道矩阵分别为H₁和H₂时，则先对H₁和H₂的共轭转置矩阵和

进行广义特征值分解，得到下述两个矩阵：

和

其中，U₁和U₂均为酉矩阵，Λ₁和Λ₂均为满足

的正定的对角矩阵，，Q为非奇异矩阵，Q^H、和

分别为Q、Λ₁和Λ₂的共轭转置矩阵，I_M为M阶的单位阵；

(12)如果两个用户UE1和UE2各自的发送信息分别为s＝[s₁…s_M]^T和x＝[x₁…x_M]^T时，式中，M为用户天线数，且s和x采用阶数相同的正交幅度调制；则该两个用户UE1和UE2分别按照公式和

生成各自的预编码矩阵P₁和P₂；其中，U₁、U₂、

和

都是按照上述广义特征值分解方式生成的；

(13)两个用户UE1和UE2分别同时向中继发送各自的信息分别为：t₁＝α₁P₁s和t₂＝α₂P₂x，其中，t₁和t₂分别为用户UE1和UE2的发送信息，α₁和α₂分别为用户UE1和UE2的功率约束因子；且为了保证两用户UE1和UE2的发送信息能够在中继处实现等幅度的符号叠加，设置α₁和α₂的数值为： ${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{\α}}_2=\mathrm{\α}=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{tr}\left[{\left(P_1^H{P}_1\right)}^{-1}\right]}+\sqrt{\mathrm{tr}\left[{\left(P_2^H{P}_2\right)}^{-1}\right]}},$ 式中，

和

分别为矩阵

和

的迹，α为该两个用户UE1和UE2的通用功率约束因子。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括下列操作内容：中继接收到的两个用户UE1和UE2发送信息为：y_R＝αQ(s+x)+n_R，其中，n_R为中继处的加性高斯白噪声，然后，中继采用线性接收机对该接收到的该两个用户UE1和UE2的发送信息进行接收检测，以实现降噪处理，并得到该两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：如果中继进行的接收检测是采用迫零检测时，则该检测是通过公式： ${\hat{s}}^R+{\hat{x}}^R=\arg \underset{s_i,x_j\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\mathrm{\α}}^{-1}{Q}^{-1}{y}_R-(s_i+x_j)|$ 得到该两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息：式中，

为中继通过检测后得到两个用户UE1和UE2各自发送信息进行符号叠加后的网络编码信息，Ω为两个用户UE1和UE2采用M阶正交幅度调制所有可能发送信息的集合，s_i和x_j分别为Ω中的序号为i和j的两个用户UE1和UE2的发送信息。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括下列操作内容：

(31)中继对得到的符号叠加的网络编码信息按照下述公式： $w=2\left[(\frac{1}{2}({\hat{s}}^R+{\hat{x}}^R)-1)\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 进行重新映射，得到与两用户采用相同调制方式的网络编码信息；其中，mod为求余运算，w为中继重新映射后的网络编码信息；

(32)中继向两用户转发重新映射后的网络编码信息。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括下列操作内容：

(41)两个用户UE1和UE2接收到的中继转发信息分别为：y₁＝G₁w+n₁和y₂＝G₂w+n₂，其中，G₁和G₂分别为中继到用户UE1和中继到用户UE2的两个信道矩阵，y₁和y₂分别为用户UE1和UE2的接收信息，n₁和n₂分别为用户UE1和UE2处的加性高斯白噪声；然后，UE1和UE2分别利用相应的线性接收机对该中继转发信息进行接收检测，得到中继发送的网络编码信息；

(42)两个用户UE1和UE2根据公式 $\hat{x}=2\left[\frac{1}{2}({\hat{w}}^1-s)\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 和 $s=2\left[\frac{1}{2}({\hat{w}}^2-\hat{x})\mathrm{mod}\sqrt{M}\right]-(\sqrt{M}-1)$ 对接收到的网络编码信息各自分别进行解码，消除其中的自身发送信息，得到另一用户的发送信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：如果用户采用迫零检测进行接收检测时，两用户UE1和UE2分别根据公式： ${\hat{w}}^1=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-1}{y}_R-w_k|$ 和 ${\hat{w}}^2=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-2}{y}_R-w_k|$ 检测各自的接收信息，分别得到中继发送的网络编码信息： ${\hat{w}}^1=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-1}{y}_R-w_k|$ 和 ${\hat{w}}^2=\arg \underset{w_k\∈\mathrm{\Ω}}{\min }|{\left(G_1\right)}^{-2}{y}_R-w_k|,$ 其中，

和

分别为用户UE1和UE2通过检测后得到的中继发送的网络编码信息，Ω为中继发送的网络编码信息采用M阶正交幅度调制所有可能发送信息的集合，w_k为Ω中的一个发送信息。

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