CN103051427B - 基于网络编码的双工无线中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的双工无线中继通信方法，主要解决现有技术频谱效率较低、系统误码性能偏高的问题。其实现步骤为：（1）在时隙1，用户A发送调制信号；（2）在时隙2，用户B发送调制信号；（3）在时隙3，中继站进行网络编码，首先对接收到的两个用户信号进行解调，然后进行星座重排，并正交合并后转发出去；（4）在时隙3，基站进行网络解码，首先对接收到的合并信号进行用户信号分离，然后分别联合前两个时隙所接收的信号进行最大似然解调，从而恢复出两个用户估计信息。本发明在提高传统译码转发中继系统频谱利用率的同时，进一步改善了正交叠加系统的误码性能。

Description

基于网络编码的双工无线中继通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及协作中继通信技术和网络编码技术，更进一步涉及一种基于网络编码的双工无线中继通信方法，可用于多址接入中继通信系统。

背景技术

随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源尤其是频谱资源变得日趋紧张。为了充分利用有限频谱资源和提高数据传输速率，国际电信联盟ITU将无线中继技术作为下一代无线通信系统关键候选技术之一。但是中继传输的引入会导致系统频谱利用率的下降。为了解决这个问题，有学者提出了将网络编码技术应用于无线中继系统。该技术将多个用户的信息在中继站进行合并处理，来达到节省资源、提高系统的吞吐量和频谱利用率的作用，是有效提高无线多址接入中继通信系统传输效率的解决办法之一。

为了在提高系统频谱效率的同时改善系统的误码性能，有学者提出了在中继站处进行联合叠加调制-网络编码的方法。该方案在多址接入中继模型下的步骤是：第一，用户终端广播信号给中继站和基站。第二，中继站对接收到的每路用户信号进行逐次解码，然后分别对解码后的用户信息进行调制，最后将两个用户调制信号叠加后转发给基站。第三，基站利用直接来自用户终端的信号和来自中继站的合并信号来恢复用户信息。根据两个用户调制信号的叠加形式，叠加调制-网络编码的联合设计方案主要包括两种类型：一种是线性叠加方案，另一种是正交叠加方案。在线性叠加方案中，中继站直接将两个用户调制信号进行线性叠加，该方法存在的不足之处是：合并信号中的两个用户调制信号在传输过程中会互相干扰，从而降低了系统的误码性能，同时也不利于向高阶调制方向扩展。在正交叠加方案中，中继站将两个用户调制信号分别调制到信号空间的正交分量和同相分量上，这样两个用户调制信号在传输过程中互不影响，解决了用户信号间干扰的问题，但该方法存在的不足之处是中继站通常采用与用户终端相同的映射方式，这样会导致用户终端与中继站的联合星座呈现出一维的特征，并没有充分利用空间的维度，这意味着系统的误码性能并没有达到优化。因此，如何利用叠加调制-网络编码设计一种中继转发方法来进一步改善系统的误码性能，是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于网络编码的双工无线中继通信方法，以在提高传统译码转发中继系统频谱利用率的同时，改善正交叠加系统的误码性能。

本发明的基本思路是，在中继站，首先对接收到两个用户信号进行译码得到用户信息，然后对用户信息进行星座重排，最后利用M阶脉冲幅度调制M-PAM信号的一维特性以及信号空间的正交特性来实现两个用户的叠加；基站则通过乘运算和取实或虚操作分离出两个用户信号，然后采用最大似然解调算法来处理直传信号和中继信号，从而获得两个用户的估计信息。其具体实现步骤如下：

（1）用户A以广播形式发送信息

在时隙1，用户A将要发送的信息进行M阶脉冲幅度调制M-PAM，并将调制信号X_A广播出去，其中M满足：M＝2^k，k为大于0的整数；中继站与基站分别接收到用户A所发送的信号，并记作Y_AR和Y_AD：

Y_AR＝h_ARX_A+n_AR

Y_AD＝h_ADX_A+n_AD

其中，Y_AR表示中继站从用户A所接收到的信号，Y_AD表示基站从用户A所接收到的信号，h_AR表示用户A到中继站R的信道衰减系数，h_AD表示用户A到基站D的信道衰减系数，n_AR表示从用户A到中继站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_AD表示从用户A到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

（2）用户B以广播形式发送信息

在时隙2，用户B将要发送的信息进行M阶脉冲幅度调制M-PAM，并将调制信号X_B广播出去，其中M满足：M＝2^k，k为大于0的整数；中继站与基站分别接收到用户B所发送的信号，并记作Y_BR和Y_BD：

Y_BR＝h_BRX_B+n_BR

Y_BD＝h_BDX_B+n_BD

其中，Y_BR表示中继站从用户B所接收到的信号，Y_BD表示基站从用户B所接收到的信号，h_BR表示用户B到中继站R的信道衰减系数，h_BD表示用户B到基站D的信道衰减系数，n_BR表示从用户B到中继站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_BD表示从用户B到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

（3）中继站进行网络编码

3a）在时隙3，中继站分别对接收到两个用户A和B的信号进行解调，得到解调后的比特信息；

3b）中继站对解调后的比特信息进行星座重排，即采用与用户终端A和B不同的M-PAM映射方式，对这两个用户的解调比特信息重新进行调制，得到用户A的调制信号X′_A和用户B的调制信号X′_B；

3c）将上述经过星座重排后的调制信号X′_A和X′_B分别调制到信号空间的同相分量和正交分量上去，得到正交叠加信号X_R，并将其转发给基站：

X_R＝X′_A+jX′_B

其中j代表虚数单元；

（4）基站进行网络解码

4a）在时隙3，基站接收到来自中继站的信号Y_RD：

Y_RD＝h_RDX_R+n_RD

其中，h_RD表示中继站R到基站D的信道衰减系数，n_RD表示从中继站R到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

4b）从中继站的信号Y_RD中分离出两个用户A和B信号，并分别记作X_AR和X_BR：

$X_{\mathrm{AR}}=\mathrm{Re}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_A^{\′}+\mathrm{Re}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

$X_{\mathrm{BR}}=\mathrm{Im}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_B^{\′}+\mathrm{Im}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

其中，X_AR表示从Y_RD中所分离出的包含用户A比特信息的信号，X_BR表示从Y_RD中所分离出的包含用户B比特信息的信号，(·)^*表示取复共轭，Im[·]表示取虚部运算，Re[·]表示取实部运算，||·||²表示取模平方；

4c）基站对所述信号Y_AD和X_AR采用最大似然解调算法恢复出用户A的估计信息；基站对所述信号Y_BD和X_BR采用最大似然解调算法恢复出用户B的估计信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明所采用的网络编码方法充分利用了空间的正交特性和调制信号的一维特性，使得在中继站处的两个用户信号实现正交传输，相比于传统的译码转发方案，可以进一步提高系统的频谱利用率。

第二、本发明将星座重排应用于网络编码系统，通过在中继站使用与用户终端不同的映射方式来有效增大发送符号间的欧氏距离，相比于正交叠加方案，在不增加复杂度的情况下，进一步改善系统的误码性能。

附图说明

图1为本发明的系统模型示意图；

图2为本发明的各个时隙处理示意图；

图3为本发明中星座重排下的联合星座示意图；

图4为本发明的流程图；

图5为本发明的仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，本发明采用多址接入中继模型，它包含两个用户终端A和B，一个中继站R和一个基站D。各节点间衰落信道服从为瑞利分布，h_ij表示节点i到j间的信道衰落系数，n_ij表示从节点i到节点j传输过程中在节点j处的加性高斯白噪声，其中，i∈{A,B,R}，j∈{R,D}。从统计意义上讲，h_ij和n_ij均是相互独立的复高斯随机变量，分别服从如下复高斯分布：n_ij～(0，N_o)，其中，表示节点i与节点j间的信道方差，N_o表示噪声方差。

参照图2，本发明采用时分双工的多址方式，整个通信过程共分为三个时隙，在第一个时隙内，用户A广播发送信息，中继站R和基站D接收用户A信息；在第二个时隙，用户B广播发送信息，中继站R和基站D接收用户B的信息；在第三个时隙，中继站广播发送信息，基站接收中继信息。

参照图3，本发明采用星座重排下的联合星座，其中，横轴表示用户终端对发送信息进行4-PAM调制时所使用的星座；纵轴表示中继站对解调后的比特信息进行4-PAM调制时所使用的星座。

参照图4，本发明的实现步骤如下。

步骤1，用户A以广播形式发送信息。

在时隙1，用户A将要发送的信息按照图3所示的用户终端星座进行4-PAM调制，并将调制信号X_A广播出去；中继站与基站分别接收到用户A所发送的信号，并记作Y_AR和Y_AD：

Y_AR＝h_ARX_A+n_AR

Y_AD＝h_ADX_A+n_AD

其中，Y_AR表示中继站从用户A所接收到的信号，Y_AD表示基站从用户A所接收到的信号，h_AR表示用户A到中继站R的信道衰减系数，h_AD表示用户A到基站D的信道衰减系数，n_AR表示从用户A到中继基站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_AD表示从用户A到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声。

步骤2，用户B以广播形式发送信息。

在时隙2，用户B将其要发送的信息按照图3所示的用户终端星座进行4-PAM调制，并将调制信号X_B广播出去；中继站与基站分别接收到用户B所发送的信号，并记作Y_BR和Y_BD：

Y_BR＝h_BRX_B+n_BR

Y_BD＝h_BDX_B+n_BD

其中，Y_BR表示中继站从用户B所接收到的信号，Y_BD表示基站从用户B所接收到的信号，h_BR表示用户B到中继站R的信道衰减系数，h_BD表示用户B到基站D的信道衰减系数，n_BR表示从用户B到中继站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_BD表示从用户B到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声。

步骤3，中继站R进行网络编码。

3a）在时隙3，中继站分别对接收到两个用户A和B的信号进行解调，得到解调后的比特信息S_A和S_B，其中，S_A代表中继站对接收到的用户A信号进行解调后的比特信息，S_B代表中继站对接收到的用户B信号进行解调后的比特信息；

3b）中继站R将解调后的比特信息S_A和S_B，按照图3所示的中继站星座进行4-PAM调制，得到调制信号X′_A和X′_B，其中，X′_A代表中继站对解调后的比特信息S_A进行4-PAM调制后的信号，X′_B代表中继站对解调后的比特信息S_B进行4-PAM调制后的信号；

3c）将上述经过星座重排后的调制信号X′_A和X′_B分别调制到信号空间的同相分量和正交分量上去，得到正交叠加信号X_R，并将其转发给基站：

X_R＝X′_A+jX′_B

其中j代表虚数单元；

在该步骤中，中继站将两个用户信号正交叠加后转发给基站，这样基站就可以在同一时隙内获得到两个用户的信息，而传统的译码转发协作在中继站并没有进行用户信号的合并，此时需要分配两个时隙分别转发两个用户信号，因此，与传统的译码转发协作相比，本发明的中继站R可以节省50%的转发资源，从而提高了频谱利用率。

步骤4，基站进行网络解码。

4a）在时隙3，目的节点接收到来自中继站的信号Y_RD：

Y_RD＝h_RDX_R+n_RD

其中，h_RD表示中继站R到基站D的信道衰减系数，n_RD表示从中继站R到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

4b）利用叠加信号的正交特性及MPAM信号的一维特性分离出两个用户信息X_AR和X_BR：

4b1)基站通过信道估计算法获取中继站R到基站D的信道衰减系数h_RD；

4b2)基站对中继站到基站的信道衰减系数h_RD取复共轭，并与接收到来自中继站的信号Y_RD相乘；

4b3)基站对相乘后的信号取实部操作和取虚部操作，得到包含用户A比特信息的信号X_AR和包含用户B比特信息的信号X_BR：

$X_{\mathrm{AR}}=\mathrm{Re}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_A^{\′}+\mathrm{Re}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

$X_{\mathrm{BR}}=\mathrm{Im}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_B^{\′}+\mathrm{Im}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

其中，(·)^*表示取复共轭，Im[·]表示取虚部运算，Re[·]表示取实部运算，||·||²表示取模平方；

4c）基站对从用户A所接收到的信号Y_AD和包含用户A比特信息的信号X_AR采用最大似然解调算法恢复出用户A的估计信息基站对从用户B所接收到的信号Y_BD和包含用户B比特信息的信号X_BR采用最大似然解调算法恢复出用户B的估计信息

所述最大似然ML解调的准则为：

其中，S代表在用户终端处的调制星座点集合，T代表在中继站处的调制星座点集合，和代表调制星座点集合S中的两个元素，和代表调制星座点集合T中的两个元素，||·||²表示取模平方，(·)^*表示取复共轭，arg min(·)表示取使目标函数取最小值时的变量值。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。

1)仿真条件：所有节点间的信道为瑞利衰落信道，N₀＝1；两种不同的M-PAM调制方式：4-PAM、8-PAM。

2)仿真内容与结果：

用本发明与正交叠加方法及非协作方法针对误比特率随信噪比变化的性能进行仿真比较，仿真结果如图5所示。

由图5可见，对4PAM调制方式，当误比特率BER＝10^-3时，本发明要比正交叠加方法好2dB左右；对8PAM调制方式，当误比特率BER＝10^-2时，本发明要比正交叠加方法好3dB左右；因此可以看出，随着调制阶数M的增加，其误码性能增益越为明显；与非协作方式相比，本发明可以实现一定的分集增益。

Claims (4)

1.一种基于网络编码的双工无线中继通信方法，包括步骤如下：

(1)用户A以广播形式发送信息

在时隙1，用户A将要发送的信息进行M阶脉冲幅度调制M-PAM，并将调制信号X_A广播出去，其中M满足：M＝2^k，k为大于0的整数；中继站与基站分别接收到用户A所发送的信号，并记作Y_AR和Y_AD：

Y_AR＝h_ARX_A+n_AR

Y_AD＝h_ADX_A+n_AD

其中，Y_AR表示中继站从用户A所接收到的信号，Y_AD表示基站从用户A所接收到的信号，h_AR表示用户A到中继站R的信道衰减系数，h_AD表示用户A到基站D的信道衰减系数，n_AR表示从用户A到中继站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_AD表示从用户A到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

(2)用户B以广播形式发送信息

在时隙2，用户B将要发送的信息进行M阶脉冲幅度调制M-PAM，并将调制信号X_B广播出去，其中M满足：M＝2^k，k为大于0的整数；中继站与基站分别接收到用户B所发送的信号，并记作Y_BR和Y_BD：

Y_BR＝h_BRX_B+n_BR

Y_BD＝h_BDX_B+n_BD

其中，Y_BR表示中继站从用户B所接收到的信号，Y_BD表示基站从用户B所接收到的信号，h_BR表示用户B到中继站R的信道衰减系数，h_BD表示用户B到基站D的信道衰减系数，n_BR表示从用户B到中继站R传输过程中在R处的加性高斯白噪声，n_BD表示从用户B到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

(3)中继站进行网络编码

3a)在时隙3，中继站分别对接收到两个用户A和B的信号进行解调，得到解调后的比特信息；

3b)中继站对解调后的比特信息进行星座重排，即采用与用户终端A和B不同的M-PAM映射方式，对这两个用户的解调比特信息重新进行调制，得到用户A的调制信号X'_A和用户B的调制信号X'_B；

3c)将上述经过星座重排后的调制信号X'_A和X'_B分别调制到信号空间的同相分量和正交分量上去，得到正交叠加信号X_R，并将其转发给基站：

X_R＝X'_A+jX'_B

其中j代表虚数单元；

(4)基站进行网络解码

4a)在时隙3，基站接收到来自中继站的信号Y_RD：

Y_RD＝h_RDX_R+n_RD

其中，h_RD表示中继站R到基站D的信道衰减系数，n_RD表示从中继站R到基站D传输过程中在D处的加性高斯白噪声；

4b)从中继站的信号Y_RD中分离出两个用户A和B信号，并分别记作X_AR和X_BR：

$X_{\mathrm{AR}}=\mathrm{Re}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_A^{\′}+\mathrm{Re}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

$X_{\mathrm{BR}}=\mathrm{Im}\left[Y_{\mathrm{RD}}{h}_{\mathrm{RD}}^{*}\right]={\left|\right|h_{\mathrm{RD}}\left|\right|}^2{X}_B^{\′}+\mathrm{Im}\left[h_{\mathrm{RD}}^{*}{n}_{\mathrm{RD}}\right]$

其中，X_AR表示从Y_RD中所分离出的包含用户A比特信息的信号，X_BR表示从Y_RD中所分离出的包含用户B比特信息的信号，(·)^*表示取复共轭，Im[·]表示取虚部运算，Re[·]表示取实部运算，||·||²表示取模平方；

4c)基站对所述信号Y_AD和X_AR采用最大似然解调算法恢复出用户A的估计信息；基站对所述信号Y_BD和X_BR采用最大似然解调算法恢复出用户B的估计信息。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的双工无线中继通信方法，其中所述步骤3a)中的解调是采用与用户终端调制相对应的解调方式。

3.根据权利要求1所述的基于网络编码的双工无线中继通信方法，其中所述步骤3b)中采用与用户终端A和B不同的M-PAM映射方式，其映射方式应满足：用户终端A和B星座图中相邻的星座点在中继站进行星座重排后变得不再相邻。

4.根据权利要求1所述的基于网络编码的双工无线中继通信方法，其中所述步骤4b)所述的从中继站的信号Y_RD中分离出两个用户A和B信号，按如下步骤进行：

4b1)基站通过信道估计算法，获取中继站R到基站D的信道衰减系数h_RD；

4b2)基站对信道衰减系数h_RD取复共轭，并与接收到来自中继站的信号Y_RD相乘；

4b3)基站对相乘后的信号取实部操作和取虚部操作，得到包含用户A比特信息的信号和包含用户B比特信息的信号