CN102983947B - 一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，涉及无线通信方法。本发明消除了调制信号实部和虚部之间干扰，降低了中继接收机的复杂度。本发明中两个信源节点将信息数据进行QPSK调制、预编码、载波调制、再载波调制后发送给中继节点，中继节点将接收的信号相加，再对和信号进行载波解调后，判决映射求得广播数据；再对广播数据进行QPSK调制、载波调制后广播发送；信源节点将接收到广播的载波调制信号进行载波解调，信源节点S1和信源节点S2分别对载波解调后和信号进行信号处理，信源节点S1获得信源节点S2发送信号的估计值，信源节点S2获得信源节点S1发送信号的估计值完成通信。本发明用于无线通信。

Description

一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信方法。

背景技术

新一代无线通信要求提供高速率数据传输服务考虑到无线通信路径传输损耗的特性，多跳传输可以在不提高基站发射功率的前提下，为高速率数据传输提供可能。无线中继传输作为一种典型的多跳传输体系，吸引了大量研究者的注意力。利用无线中继，可以在不改变现有蜂窝小区结构和大小的前提下，提高小区的系统容量，同时为小区边缘用户提供更好的服务。

受到硬件限制，中继只能处于半双工通信模式。如果不借助其他技术，直接利用中继进行数据交换，系统的实际吞吐量较低。以时分双工系统(Time Division Duplexing，TDD)为例，小区内的移动终端如果想借助中继向基站传输数据，一共需要两个时隙，第一个时隙里，终端将数据传输给中继，中继在第二个时隙将数据传输给基站；同样，基站也需要两个时隙才能完成向终端的数据传输。整个数据交换过程需要四个时隙。如果利用到网络编码技术，信息交换只需要三个时隙就可完成，这可以有效的提高系统的实际吞吐量。而基于网络编码的物理层网络编码，充分利用了信号间的干扰，可以在两个时隙内完成信息交换。

随着研究的深入，物理层网络编码衍生出了两个不同的分支：模拟网络编码(AnalogyNetwork Coding，ANC)和降噪物理层网络编码(Denoise-Physical Network Coding，D-PNC)。在模拟网络编码体系中，中继只对接收到的信号进行放大和广播，所有的信号处理过程都在信源端完成；降噪物理层网络编码则要求中继完全的判决和解码接收到的信号。降噪物理层网络编码避免了对中继接收端噪声的放大，也避免了两个时隙噪声的累加，因而可以得到更好地系统性能。当然，因为中继需要对收到的信号进行处理，因而降噪物理层网络编码体系实现的复杂度比模拟网络编码高。

在实际无线通信过程中，信道衰落会严重影响到物理层网络编码的性能。在物理层网络编码通信体系中，中继需要利用到来自不同信源节点的和信号，来自不同信源的信号经历了不同的衰落信道，引起的幅值和相位变化都是随机且不相同的，因而基于高斯信道的接收机判决准则失效。针对物理层网络编码体系中衰落引起的问题，部分学者也提出了一些解决方案。但是这些方案往往会提高大幅提高了通信体系结构的复杂度和中继接收机的复杂度。

发明内容

本发明为了消除调制信号实部和虚部之间的干扰，降低中继接收机的复杂度，提出了一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法。

本发明所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的具体实现步骤为：

步骤一、第一时隙，信源节点S1和S2分别对输入的信息数据d₁(t)和d₂(t)进行QPSK调制，得到调制信号s₁(t)和s₂(t)；

步骤二、信源节点S1和S2分别将步骤一获得的调制信号s₁(t)和s₂(t)进行预编码，获得预编码后信号x₁(t)和x₂(t)；

步骤三、信源节点S1和S2将获得的预编码后信号x₁(t)和x₂(t)进行载波调制，得到载波调制后信号，并将得到的载波调制后信号同时发送给中继节点SR；

步骤四、中继节点SR将接收到的两个信源节点的载波调制后信号相加，获得和信号，并对获得的和信号进行载波解调，得到载波解调后的和信号r_R(t)；所有调制信号都只经历了一个实数衰落而相位不受影响的过程；因而中继对接收信号实部和虚部的处理可以分别进行，且过程相同；

步骤五、中继节点SR对步骤四得到载波解调后的和信号r_R(t)根据预设的判决和映射规则进行判决映射，求得广播数据d_R(t)；

步骤六、中继节点SR对步骤五获得的广播数据d_R(t)进行QPSK调制，获得广播信号s_R(t)；

步骤七、系统进入第二时隙，中继节点SR对步骤六获得的广播信号s_R(t)进行载波调制，获得载波调制后信号，然后将获得的载波调制后信号向两个信源节点广播；

步骤八、信源节点S1和S2分别对中继节点SR广播的调制后的信号进行载波解调，信源节点S1获得载波解调后信号r₁(t)，信源节点S2获得载波解调后信号r₂(t)；

步骤九、信源节点S1和S2分别对步骤八获得的载波调制后信号r₁(t)和r₂(t)按照设定的方法进行处理，信源节点S1获得信号信源节点S2获得信号

步骤十、信源节点S1和S2分别按照预先设定的判决规则进行判决，同时获得判决后信号d′_R(t)；

步骤十一、信源节点S1根据步骤一输入的信息数据d₁(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S2输入的信息数据d₂(t)的估计值d′₂(t)， $d_2^{\′}\left(t\right)=d_R^{\′}\left(t\right)\⊕d_1\left(t\right);$

信源节点S2根据步骤一输入的信息数据d₂(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S1输入的信息数据d₁(t)的估计值d′₁(t)，从而实现在两个信源节点实现物理层网络编码的无线通信。

本发明所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，将来自两个不同节点的信号在中继接收时保持相同的相位旋转，消除了调制信号实部和虚部之间的干扰。采用预编码技术可以在不增加通信体系复杂度的基础上，降低中继接收机的复杂度，同时与未采用预编码技术的的物理层网络编码体系相比，系统的误码率性能也有明显的提高，在误码率为10^-2时，性能提高约1.4dB，如图4、图5所示。

附图说明

图1为基于双向中继模型的物理层网络编码通信体系示意图，

图中实线表示时隙一的信号发送方向；虚线表示意时隙二的信号发送方向。

图2为物理层网络编码通信体系整体构架第一时隙的信号处理过程示意图。

图3为物理层网络编码通信体系整体构架第二时隙的信号处理过程示意图。

图4为采用预编码技术和未采用预编码技术的物理层网络编码通信系统的误码率仿真结果示意图，其中

曲线1为未采用预编码技术的信噪比-误码率曲线，

曲线2为采用预编码技术信噪比-误码率曲线。

图5为采用预编码技术和采用多天线技术的物理层网络编码通信系统的误码率仿真结果示意图，其中

曲线1为采用多天线技术(MMSE)的信噪比-误码率曲线，

曲线2为采用多天线技术（ZF）的信噪比-误码率曲线，

曲线3为采用预编码技术的信噪比-误码率曲线。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，该方法的具体实现步骤为：

步骤一、第一时隙，信源节点S1和S2分别对输入的信息数据d₁(t)和d₂(t)进行QPSK调制，得到调制信号s₁(t)和s₂(t)；

步骤二、信源节点S1和S2分别将步骤一获得的调制信号s₁(t)和s₂(t)进行预编码，获得预编码后信号x₁(t)和x₂(t)；

步骤三、信源节点S1和S2将获得的预编码后信号x₁(t)和x₂(t)进行载波调制，得到载波调制后信号，并将得到的载波调制后信号同时发送给中继节点SR；

步骤四、中继节点SR将接收到的两个信源节点的载波调制后信号相加，获得和信号，并对获得的和信号进行载波解调，得到载波解调后的和信号r_R(t)；所有调制信号都只经历了一个实数衰落而相位不受影响的过程；因而中继对接收信号实部和虚部的处理可以分别进行，且过程相同；

步骤五、中继节点SR对步骤四得到载波解调后的和信号r_R(t)根据预设的判决和映射规则进行判决映射，求得广播数据d_R(t)；

步骤六、中继节点SR对步骤五获得的广播数据d_R(t)进行QPSK调制，获得广播信号s_R(t)；

步骤七、系统进入第二时隙，中继节点SR对步骤六获得的广播信号s_R(t)进行载波调制，获得载波调制后信号，然后将获得的载波调制后信号向两个信源节点广播；

步骤八、信源节点S1和S2分别对中继节点SR广播的调制后的信号进行载波解调，信源节点S1获得载波解调后信号r₁(t)，信源节点S2获得载波解调后信号r₂(t)；

步骤九、信源节点S1和S2分别对步骤八获得的载波调制后信号r₁(t)和r₂(t)按照设定的方法进行处理，信源节点S1获得信号信源节点S2获得信号

步骤十、信源节点S1和S2分别按照预先设定的判决规则进行判决，同时获得判决后信号d′_R(t)；

步骤十一、信源节点S1根据步骤一输入的信息数据d₁(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S2输入的信息数据d₂(t)的估计值d′₂(t)， $d_2^{\′}\left(t\right)=d_R^{\′}\left(t\right)\⊕d_1\left(t\right);$

信源节点S2根据步骤一输入的信息数据d₂(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S1输入的信息数据d₁(t)的估计值d′₁(t)，从而实现在两个信源节点实现物理层网络编码的无线通信。

位于不同地点的两个信源节点需要交换信息，但是它们之间没有直接通信链路，因而必须借助一个中继节点SR来完成整个通信过程。在时隙1期间，两个信源同时向中继节点SR发送信号，中继节点SR对接收到的和信号后进行解调，判决与映射，得到广播数据；在第二个时隙中，中继节点SR将广播数据广播到两个信源节点。信源根据收到的广播数据和自身的发送数据，可以得到另外一个信源的发送数据。整个信息交换过程完成。双向中继模型也可以被应用到实际的小区网络系统中。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤二所述获得预编码后信号x₁(t)和x₂(t)由公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=w_1{s}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)=w_2{s}_2\left(t\right)\end{array}---\left(1\right)\right.$

计算获得，其中w₁ w₂为预编码权重因子，表达式为

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=\frac{h_1^{*}}{{|h}_1|}\\ w_2=\frac{h_2^{*}}{{|h}_2|}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中h₁是信源节点S1到中继节点SR的信道系数，h₂信源节点S2到中继节点SR的信道系数；表示h₁的共轭。表示h₂的共轭。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤四所述得到载波解调后的和信号r_R(t)由公式：

r_R(t)=(|h₁|x₁(t)+|h₂|x₂(t))+n₀                       （3）

计算获得，其中，n₀是加性高斯白噪声，h₁和h₂分别是信源节点S1和信源节点S2到中继节点SR的信道系数。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤五所述求得广播数据d_R(t)，由公式：

$d_R\left(t\right)=d_1\left(t\right)\⊕d_2\left(t\right)---\left(4\right)$

进行异或运算求得，其中，d₁(t)为信源节点S1输入的信息数据和d₂(t)为信源节点S2输入的信息数据。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤六所述获得广播信号s_R(t)的方法为：

中继节点SR对接收信号实部和虚部的处理分别进行，且过程相同，根据公式（3）得实部的解调信号为

$r_R^I\left(t\right)=\left(\right|h_1|s_1^I\left(t\right)+|h_2\left|s_2^I\left(t\right)\right)+n_R^I---\left(5\right)$

其中表示r_R(t)的实部，表示s₁(t)的实部，表示s₂(t)的实部，表示噪声信号的实部；到的映射关系如表1所示。

表1到的映射关系

在信噪比很高的条件下，根据最大似然定理，到判决准则：

$s_R^I\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\left|r_R^I\left(t\right)\right|\≤\max \left[\right|h_1|,|h_2\left|\right]\\ -1,\left|r_R^I\left(t\right)\right|>\max \left[\right|h_1|,|h_2\left|\right]\end{array}\right.---\left(6\right)$

同理，根据公式（3）和最大似然定理，得到表示s_R(t)的虚部；

结合和得到广播信号

$s_R\left(t\right)=s_R^I\left(t\right)+i*s_R^I\left(t\right)---\left(7\right)$

其中 $i=\sqrt{-1}.$

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤八得到载波解调后信号r₁和r₂，表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1\left(t\right)=h_3{s}_R\left(t\right)+n_1\\ r_2\left(t\right)=h_4{s}_R\left(t\right)+n_2\end{array}\right.---\left(8\right)$

h₃中继节点SR到信源节点S1信道系数，h₄是中继节点SR到信源节点S2的信道系数，n₁是信源节点S1接收端的加性高斯白噪声，n₂是信源节点S2接收端的加性高斯白噪声。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法的进一步说明，步骤九所述信源节点S1获得信号信源节点S2获得信号由公式

$\widehat{r_1}\left(t\right)=\frac{h_3^{*}}{\left|h_1\right|}{r}_1\left(t\right)=\left|h_3\right|s_R\left(t\right)+\frac{h_3^{*}}{\left|h_3\right|}{n}_1---\left(9\right)$

$\widehat{r_2}\left(t\right)=\frac{h_4^{*}}{\left|h_4\right|}{r}_2\left(t\right)=\left|h_4\right|s_R\left(t\right)+\frac{h_4^{*}}{\left|h_4\right|}{n}_2---\left(10\right)$

计算获得，其中，h₃中继节点SR到信源节点S1信道系数，h₄是中继节点SR到信源节点S2的信道系数，表示h₃的共轭，表示h₄的共轭，n₁是信源节点S1接收端的加性高斯白噪声，n₂是信源节点S2接收端的加性高斯白噪声。

预编码对系统性能的提高主要体现在第一时隙，因而只给出了第一时隙中继的误码率仿真结果性能曲线，图4，图5给出了第一时隙采用预编码技术的物理层网络编码体系的误码率仿真结果性能曲线，图4比较了采用预编码技术和未采用预编码技术的物理层网络编码体系的误码率性能。两者的接收机都依照最大似然准则。预编码技术消除了接收信号实部和虚部之间的互干扰，使得系统误码率性能得到了提高，在误码率为10^-2时，性能提高约1.4dB。同时，最大似然接收机的结构也得到了简化。图5比较了用于物理层网络编码通信体系的预编码技术和多天线技术的性能。多天线技术中中继采用两根接收天线，解调算法利用最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)算法和迫零(Zero Force，ZF)算法。由图可知，预编码技术性能优于多天线技术，在误码率为10^-2时，性能提高约1.4dB。而且预编码技术信源与中继都只需要使用一个天线，总体结构比多天线技术简单；预编码技术的接收机算法相对简单。

Claims (6)

1.一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，该方法的具体实现步骤为： 

步骤一、第一时隙，信源节点S1和S2分别对输入的信息数据d₁(t)和d₂(t)进行QPSK调制，得到调制信号s₁(t)和s₂(t)； 

步骤二、信源节点S1和S2分别将步骤一获得的调制信号s₁(t)和s₂(t)进行预编码，获得预编码后信号x₁(t)和x₂(t)； 

步骤三、信源节点S1和S2将获得的预编码后信号x₁(t)和x₂(t)进行载波调制，得到载波调制后信号，并将得到的载波调制后信号同时发送给中继节点SR； 

步骤四、中继节点SR将接收到的两个信源节点的载波调制后信号相加，获得和信号，并对获得的和信号进行载波解调，得到载波解调后的和信号r_R(t)； 

步骤五、中继节点SR对步骤四得到载波解调后的和信号r_R(t)根据预设的判决和映射规则进行判决映射，求得广播数据d_R(t)； 

步骤六、中继节点SR对步骤五获得的广播数据d_R(t)进行QPSK调制，获得广播信号s_R(t)； 

步骤七、系统进入第二时隙，中继节点SR对步骤六获得的广播信号s_R(t)进行载波调制，获得载波调制后信号，然后将获得的载波调制后信号向两个信源节点广播； 

步骤八、信源节点S1和S2分别对中继节点SR广播的调制后的信号进行载波解调，信源节点S1获得载波解调后信号r₁(t)，信源节点S2获得载波解调后信号r₂(t)； 

步骤九、信源节点S1和S2分别对步骤八获得的载波调制后信号r₁(t)和r₂(t)按照设定的方法进行处理，信源节点S1获得信号信源节点S2获得信号

信源节点S1获得信号信源节点S2获得信号由公式： 

计算获得，其中，h₃中继节点SR到信源节点S1信道系数，h₄是中继节点SR到信源节点S2的信道系数，表示h₃的共轭，表示h₄的共轭，n₁是信源节点S1接收端的加性高斯白噪声，n₂是信源节点S2接收端的加性高斯白噪声； 

步骤十、信源节点S1和S2分别按照预先设定的判决规则进行判决，同时获得判决后信号d′_R(t)； 

步骤十一、信源节点S1根据步骤一输入的信息数据d₁(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S2输入的信息数据d₂(t)的估计值d′₂(t)， 

信源节点S2根据步骤一输入的信息数据d₂(t)与步骤十获得的判决后信号d′_R(t)，进行解映射和判决，求得信源节点S1输入的信息数据d₁(t)的估计值d′₁(t)，从而实现在两个信源节点实现物理层网络编码的无线通信。 

2.根据权利要求1所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，步骤二所述获得预编码后信号x₁(t)和x₂(t)由公式： 

计算获得，其中w₁w₂为预编码权重因子，表达式为 

其中h₁是信源节点S1到中继节点SR的信道系数，h₂信源节点S2到中继节点SR的信道系数；表示h₁的共轭,表示h₂的共轭。 

3.根据权利要求1所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，步骤四所述得到载波解调后的和信号r_R(t)由公式： 

r_R(t)＝(|h₁|x₁(t)+|h₂|x₂(t))+n₀    (3) 

计算获得，其中，n₀是加性高斯白噪声，h₁和h₂分别是信源节点S1和信源节点S2到中继节点SR的信道系数。 

4.根据权利要求1所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，步骤五所述求得广播数据d_R(t)，由公式： 

进行异或运算求得，其中，d₁(t)为信源节点S1输入的信息数据和d₂(t)为信源节点S2输入的信息数据。 

5.根据权利要求1所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，步骤六所述获得广播信号s_R(t)的方法为： 

中继节点SR对接收信号实部和虚部的处理分别进行，且过程相同，根据公式(3)得实部的解调信号为 

其中表示r_R(t)的实部，表示s₁(t)的实部，表示s₂(t)的实部，表示噪声信号的实部； 

在信噪比很高的条件下，根据最大似然定理，到判决准则： 

同理，根据公式(3)和最大似然定理，得到 表示s_R(t)的虚部； 

结合和得到广播信号 

其中

6.根据权利要求1所述一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，步骤八得到载波解调后信号r₁和r₂，表示为： 

h₃中继节点SR到信源节点S1信道系数，h₄是中继节点SR到信源节点S2的信道系数，n₁是信源节点S1接收端的加性高斯白噪声，n₂是信源节点S2接收端的加性高斯白噪声。