CN102769511B - 基于前向放大传输协议的网络编码协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于前向放大传输协议的网络编码协作方法，包括步骤：每个信源节点分别在不同的时隙内发送导频信号和数据调制符号，中继节点获得从信源节点到中继节点的信道状态信息，然后中继节点分别发送导频信号、从信源节点到中继节点的信道状态信息，并且对来自信源节点的信号进行叠加、放大和发送。每个目的节点在接收到相应的传输信号之后，获得中继节点到自身的信道状态信息，恢复信源节点到中继节点的信道状态信息，并且针对不是自身信源信息进行解码，对来自其他用户的干扰信息进行消除，联合来自本身信源节点的信息来解码、或者仅仅使用来自本身信源信息来解码。本发明实现简单、耗能低，避免了网络编码噪声，有效地改善了系统传输效率。

Description

基于前向放大传输协议的网络编码协作方法

技术领域

本发明是基于多源多宿中继无线传输系统中的中继传输方法，具体是一种基于前向放大传输协议的网络编码协作方法。

背景技术

协同通信能够在无线网络中有效地抑制无线信号衰落引发的负面影响，从而扩大网络的覆盖面积。一个经典的协作网络模型为：一个中继节点帮助一个信源节点发送信号给一个目的节点。由于目的节点能够同时获得来自信信源节点和中继节点的两个版本信号，所以系统仅仅通过单天线能够获得空间分集。但如果存在多个信源信宿对分享一个中继节点。如果采用协同传输方式，每个信源信宿需要两个时隙来发送数据，这浪费了系统频谱效率。如果中继节点采用网络编码的方式，那么能够同时改善系统的分集增益和频谱效率。

经对现有文献检索发现，相关文献如下：

1、协作传输方法(J.N.Laneman,D.N.C.Tse,and G.W.Wornell,“Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior(无线网络的协作分集：协议效率和中断性能)”IEEE Trans.Inform.Theory,vol.50,pp.3062-3080,Dec.2004.)是将整个数据帧划分成多个子时隙，每个信源在两个子时隙内完成一个数据包传送，也就是当每个信源都完成一个数据传送，需要花费多个子时隙。这种方法能够获得较好的分集性能，但损失了系统复用增益，降低了整个系统的传输速率。

2、XOR网络编码方法(C.Peng,Q.Zhang,M.Zhao,Y.Yao,and Weijia Jia,“On the performance analysis of network-coded cooperation in wireless networks(无线网络中网络编码协作的性能分析)”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.07,pp.3093-3097,Aug 2008.)是每个信源节点发送信号后中继节点对每路接收信号进行解码，中继节点对接收信号进行逐次解码，然后对解码信息进行XOR处理，并且广播给每个信宿节点，每个目的节点利用直接来自信源节点的信息恢复需要的信源信息。但是由于要求中继节点进行逐次解码，因此对硬件要求高，耗能大。

3、基于AF网络编码直接消除方法(S.Sharma,Y.Shi,J.Liu,Y.T.Hou,and S.Kompella,“Is network coding always good for cooperative communications？(网络编码是否总是能获得协同通信的性能增益)”IEEE INFOCOM.2010,San Diego USA,Mar 2010.)是中继节点对每个信源发送的信号进行叠加，然后广播给每个目的节点。目的节点将来自中继节点的接收信号直接减于来自信源信号，利用信号差来解码需要的信源信息，引入了网络编码噪声，恶化了系统性能。

发明内容

本发明针对多个信源节点通过一个中继节点进行协作传输系统，克服现有技术的上述不足，提供一种中继传输方法。该方法利用复杂度低、能量消耗少的前向放大协议进行协作传输，目的节点使用干扰消除技术来避免网络编码噪声，适用于实际的协作传输网络。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，信源节点S_i在时分时隙内发送导频信号和数据调制符号x_i，同时中继节点和目的节点D_i分别接收到信号，这些数据信号分别表示为：

$y_{s_{i}r}=a_{s_{i}r}{x}_i+n_{\mathrm{ir}}---\left(1\right)$

$y_{s_i{d}_i}=a_{s_i{d}_i}{x}_i+n_{\mathrm{ii}}---\left(2\right)$

其中和分别表示信源节点S_i到中继节点的信道增益和信源节点S_i到目的节点D_i的信道增益，然后中继节点和目的节点采用信号估计方法对导频信息进行处理来获得每个接收端输入信道的状态信息；

第二步，中继节点将来自每个信源的信号进行线性叠加，以获得叠加信号并在叠加信号前加入信源到中继节点的信道状态信息和导频信号；中继节点在另外一个时隙内分别发送导频信号、信道状态信息和放大发送叠加信号，同时每个目的节点接收到相应的信息

第三步，目的节点D_i对不是来自信源S_i的所有信号进行解码；如果该目的节点能够无差错地解码出这些信源的信号，就将信号包含的来自其他信源的信息进行消除，获得信号为采用最大比合并技术(Maximum ratio combine，MRC)将信号和来自信源节点的信号合并，并且进行解码；如果该目的节点不能够无差错地解码出所有其他信源信息，那么目的节点D_i使用信号进行解码。

优选地，在所述第二步中，中继节点进行线性叠加，具体为：

$\begin{array}{c}{y}_r=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{s_{i}r}\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{s_{i}r}{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ir}}\end{array}---\left(9\right).$

优选地，在所述第三步中，目的节点D_i能够无差错地解码出这些信源的信号是指满足以下条件

目的节点D_i不能够无差错地解码出这些信源的信号是指不能满足式(8)中的条件。

附图说明

图1为n源n宿分享单中继系统的网络编码协议示意图；

图2为实施例中二源二宿分享单中继系统模型；

图3为实施例中不同协同协议在不同地理位置下的中断性能示意图；

图4为实施例中不同协同协议在不同信噪比下的中断性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实例建模为多小区通信系统中单中继帮助多个基站与它们各自的移动用户通信的无线通信场景，系统中每个链路都服从相互独立的瑞利分布，并且信道增益在一帧数据时隙内保持不变。系统中包括n个信源目的节点对{(S₁,D₁),(S₂,D₂),…,(S_n,D_n)}和一个中继节点R，每个节点都安装了单天线。中继节点同时帮助每个信源节点S_i发送信号给目的节点D_i，假设信源节点S_i以固定的数据速率v_i发送信号。中继节点工作在半双工模式下，也就是中继节点不能在相同的时间内和频带下发送和接收信号。假设在该系统中的每次发送经历了频率无选择衰落和加性噪声。让变量和分别表示从信源节点S_i到中继节点R，从中继节点R到目的节点D_i，和信源节点S_i到目的节点D_i的信道增益，并建模这些信道信息为零均值和相互独立的循环对称的复高斯变量，它们的方差分别表示为和那么和是服从指数分布的变量，参数分别为和不失一般性，加性噪声被建模为一个均值为零，方差为N₀的复高斯变量。每个节点的发送功率设定为P，那么无衰落信噪比为ρ＝P/N₀。

本实施例包括如下步骤

第一步：需要(n+1)时隙完成每个信源节点的一个数据包的发送。在第i∈{1,2,…,n}个时隙内，信源节点S_i发送导频信息和数据调制信号x_i到目的节点D_i，同时中继节点和所有其它的目的节点同时侦听发送导频信息和信号x_i，中继节点和所有目的节点通过获得的导频信息来估计输入该节点的信道状态信息。令信号和分别表示中继节点和目的节点D_i的接收信号，这些信号分别写为：

$y_{s_{i}r}=a_{s_{i}r}{x}_i+n_{\mathrm{ir}}---\left(1\right)$

$y_{s_i{d}_i}=a_{s_i{d}_i}{x}_i+n_{\mathrm{ii}}---\left(2\right)$

其中和分别表示信源节点S_i到中继节点的信道增益和信源节点S_i到目的节点D_i的信道增益，和分别表示在中继节点R和目的节点D_i的加性噪声项。

第二步：在第(n+1)个时隙内，中继节点R发送导频信号以致所有目的节点运用信道估计技术来获得从中继节点到该节点的信道状态信息，然后广播从每个信源节点到中继节点的信道状态信息给每个目的节点，最后通过线性组合在前n个时隙内接收的信号来执行网络编码，并且，这些信号被中继节点放大并广播给所有的目的节点。在中继节点考虑瞬时功率约束，在目的节点D_i的接收信号可以表示为

其中n_ri表示在目的节点D_i的加性噪声，β是中继节点的前向放大因子，可以表示为：

$\mathrm{\β}={\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_{s_{j}r}\right|}^2\mathrm{\ρ}+n}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

当每个信源节点都完成了一帧数据传输，目的节点接收到(n+1)个信号，即和其中j＝1,2,…,n。

第三步，在场景I中，目的节点D_i能够恢复来自其它信源信息，即(x_j其中 )。在一方面，每个信源节点分别在正交信道中发送导频符号，那么中继节点通过信道估计技术能够获得信道状态信息其中 本文假设中继节点无差错地广播这些信道状态信息给所有的目的节点。然后目的节点D_i获得了这些信道状态信息，并且计算出放大因子β。另一方面，中继节点广播导频信号，使得目的节点D_i使用信道估计技术获得信道状态信息使用放大因子β，前向信道状态信息后向信道状态信息和来自其它信源信号，目的节点能够消除在式(3)中的干扰信号，使用两项信号来恢复信源节点S_i信号，表示为：

$\begin{array}{c}{y}_{s_i{d}_i}=a_{s_i{d}_i}{x}_i+n_{\mathrm{ii}}\\ y_{r{d}_i}^c=y_{r{d}_i}-a_{r{d}_i}\mathrm{\β}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{s_{j}r}{x}_j\\ =\mathrm{\β}{a}_{r{d}_i}{a}_{s_{i}r}{x}_i+\mathrm{\β}{a}_{r{d}_i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{jr}}+n_{\mathrm{ri}}\end{array}---\left(5\right)$

目的节点D_i使用MRC技术将两项信号和进行合并，最后使用信道解码器进行解码，获得平均每次信道传输容量为：

在场景II中，仅仅使用信号来恢复信源节点S_i的发送信息，获得的互信息为：

场景I和场景II分别表示如下

场景I：目的节点D_i通过处理信号能够无差错的恢复来自其它信源节点的信号，其中j∈{1,2,…,i-1,i+1,…,n}，表示为

场景II：目的节点D_i失败解出其它信源节点中任意信源节点信息，那么场景II是场景I的补集。

考虑信源节点的个数为n＝2无线通信场景。假设信道衰落服从平均值为零，方差为s^-α的瑞利分布，其中s表示发送端到接收端之间的距离，α表示路径衰落因子。不失一般性，本实施例中设置路径衰落因子为α＝3，并且每个接收节点的加性噪声的功率为N₀＝-80dbm。两个信源节点、两个目的节点和一个中继节点都分布在200m×200m的区域内，如图2所示。两个信源都以v₁＝v₂＝2bits/sec/Hz的数据速率发送信号。在图3中，示出了仿真的信源节点S1的中断性能与距离x之间的关系图。由于信源节点S₁和信源节点S₂具有对称的地理位置和相同的发送数据速率，所以信源节点S2的中断性能与信源节点S₁的中断性能相同。四个编码策略被仿真，分别是：ANC(Amplify network coding)协议，直接发送协议(DT，Directtransmission)，协作发送协议(CT,Cooperative transmission)和XOR网络编码协议(XOR-NC,Exclusive OR network coding)。DT协议使用了两个时隙发送，由于没有中继节点的协作传输，所以获得了最大的中断概率。CT协议由于获得了中断节点的协作传输，因此优于DF协议的性能，但是由于需要四个时隙完成一个数据包，从而降低了系统的频谱效率；XOR-NC协议在中继节点离信源节点较近时，获得比ANC协议更优越的性能，但中继节点离信源节点较远时，ANC协议要优于其它协议。这是因为当中继节点较远时，即使中继节点不能够解码出两个信源的信息，但仍然能够“帮助”信源节点传送信息。图4出示了在场景I中的中断概率与每个节点的发送功率之间的仿真性能，其中设置参数x＝130m。可以看出，CT协议、XOR-NC协议和ANC网络编码协议在高信噪比下有相同的曲线斜度，因此能够获得相同的分集增益。但DT协议由于没有中继节点的“帮助”损失了分集增益。

Claims (2)

1.一种基于前向放大传输协议的网络编码协作方法，包括如下具体步骤：

第一步，在多源多宿单中继系统中，信源节点S_i在时分时隙内发送导频信号和数据调制符号x_i，同时中继节点R和目的节点D_i分别接收到信号和这些数据信号分别表示为：

$y_{s_{i}r}=a_{s_{i}r}{x}_i+n_{\mathrm{ir}}---\left(1\right)$

$y_{s_i{d}_i}=a_{s_i{d}_i}{x}_i+n_{\mathrm{ii}}---\left(2\right)$ 其中和分别表示信源节点S_i到中继节点的信道增益和信源节点S_i到目的节点D_i的信道增益，n_ir和n_ii分别表示在中继节点R和目的节点D_i的加性噪声项，然后中继节点和目的节点采用信号估计方法对导频信息进行处理来获得每个接收端输入信道的状态信息；其中，i＝1,2,…,n；n表示自然数；

第二步，中继节点将来自每个信源的信号进行线性叠加，以获得叠加信号，并在叠加信号前加入信源到中继节点的信道状态信息和导频信号；中继节点在另外一个时隙内分别发送导频信号、信道状态信息和放大发送叠加信号，同时每个目的节点接收到相应的信息

第三步，目的节点D_i对不是来自信源节点S_i的所有信号进行解码；如果目的节点D_i能够无差错地解码出所述不是来自信源节点S_i的所有信号，就将信号包含的不是来自信源节点S_i的信息进行消除，获得信号为采用最大比合并技术将信号和来自信源节点S_i的信号合并，并且进行解码；如果该目的节点D_i不能够无差错地解码出所述不是来自信源节点S_i的所有信号，那么目的节点D_i使用信号进行解码；

在所述第三步中，目的节点D_i能够无差错地解码出所述不是来自信源节点S_i的所有信号是指满足以下条件

其中，v_j为信源节点S_j发送信号的数据速率，j∈{1,2,…,i-1,i+1,…,n}，ρ为无衰落信噪比，为互信息；

目的节点D_i不能够无差错地解码出所述不是来自信源S_i的所有信号是指不能满足式(8)中的条件。

2.根据权利要求1所述的基于前向放大传输协议的网络编码协作方法，其特征是，在所述第二步中，中继节点进行线性叠加，具体为：

$\begin{array}{c}{y}_r=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{s_{i}r}\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{s_{i}r}{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ir}}\end{array}---\left(9\right).$