CN103078705A - 基于mqam调制方式的物理层网络编码的无线通信方法 - Google Patents

Abstract

基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，涉及一种无线通信领域。本发明解决了现有的传输方式在双向中继信道中需要的三个时隙、四个时隙导致系统性能低的问题。具体方法为，对用户N₁、N₂的编码比特信息S₁、S₂进行MQAM调制，得到调制后的信号s₁(t)、s₂(t)并同时向中继节点N_R发送，中继节点N_R将其直接相加得到和信号r_R(t)并对r_R(t)进行判决，将判决结果

进一步映射为S₁和S₂的网络编码信息S_R；之后中继节点N_R对S_R重新进行MQAM调制，并将已调信号s_R(t)向用户节点N₁和N₂广播，N₁、N₂分别对接收到的s_R(t)进行解调，将得到网络编码信息S_R与保存在该用户的本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，以获得另一用户的比特信息，从而实现一次信息交换过程。本发明适用于无线通信。

Description

基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域。

背景技术

无线通信区别于有线通信的一个重要特点在于其物理层的广播特性，在传统通信系统中，为了尽量减少不同信号间的相互干扰，在任何时间往往只有一个节点来传输或者接收信息，这种方式在多节点网络中效率很低。为了改善多节点网络传输效率不高的问题，Cai和Li等人提出了网络编码(network coding，NC)的概念，旨在利用中间节点的计算能力对转发的数据进行混合计算，以此获得更高的的信息传输能力。随着研究的进一步深入，网络编码在提高网络吞吐量、改善负载均衡、减少传输延迟、节省节点能耗等方面较传统通信显示出其优越性。

网络编码得到了广泛的重视，目前越来越多的技术围绕着网络编码展开，其中最具吸引力的是物理层网络编码(Physical-Layer network coding，PNC)，物理层网络编码的概念由Liew等人在2006年提出的，其基本思想是基于网络编码理论在物理层的实现，即通过正确的调制解调技术实现中继节点的电磁波信号的叠加向数据比特流的逻辑运算的转换，从而得到更好的传输性能。理论上，相比于传统的时分传输方式和直接网络编码方式，物理层网络编码方式可以将系统吞吐量分别提高100％和50％。正是由于较传统的时分传输方式和现已成熟的网络编码，物理层网络编码显现出其强大的优越性，即获得更大的系统吞吐增益，减少传输延迟，同时由于物理层传输的是合成信号，所以也提高了物理层面的机密性。这些以往技术所不能比拟的优点使得物理层网络编码具有广阔的应用前景。

目前在双向中继信道(Two-Way Relaying Channel，TWRC)中的两个用户节点之间的信息交换，传统的时分传输方式需要四个时隙，直接网络编码方式需要三个时隙，系统的整体性能低。

发明内容

本发明为了解决现有的传输方式在双向中继信道中需要的三个时隙、四个时隙导致系统性能低的问题，提出了基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法。

基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，所述无线通信方法适用于含有两个用户节点且只有一个中继节点的网络，所述无线通信方法由以下步骤实现：

步骤一：产生两个用户N₁、N₂的编码比特信息S₁、S₂；

步骤二：对比特信息S₁、S₂分别进行MQAM调制，得到调制后的信号s₁(t)、s₂(t)；

步骤三：将步骤二中获得的调制后的信号s₁(t)、s₂(t)同时向中继节点N_R发送；

步骤四：中继节点N_R将收到的两个调制信号s₁(t)、s₂(t)直接相加，获得和信号r_R(t)；

步骤五：中继节点N_R根据判决规则对步骤四中获得的和信号r_R(t)进行判决，获得判决后的信号

步骤六：中继节点N_R根据物理层网络编码的映射准则将步骤五中获得的判决后的信号

映射为网络编码信息S_R；

步骤七：中继节点N_R对步骤六中获得的网络编码信息S_R重新进行MQAM调制，获得调制后的信号s_R(t)；

步骤八：中继节点N_R向两个用户节点N₁和N₂广播调制后的信号s_R(t)；

步骤九：两个用户节点N₁、N₂分别对接收到的s_R(t)进行解调，获得网络编码信息S_R；

步骤十：每个用户节点将其获得的网络编码信息S_R与保存在该用户本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，获得另一用户的比特信息，从而完成双向中继信道的物理层网络编码的整个过程，从而实现在双向中继信道中实现物理层网络编码的无线通信。

本发明中采用的是多进制正交幅度调制(M-ary Quadrature Amplitude Modulation，MQAM)技术，该技术抗干扰能力强，频谱利用率高，在相同码元传输速率下，MQAM调制技术的比特速率比二进制系统的比特速率更高。本发明所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法仅需两个时隙就能实现两个用户节点之间的信息交换，通过压缩所需时隙的数目，物理层网络编码可以提高系统的整体性能。

附图说明

图1表示一般网络分解为三节点线性网络的示意图，其中1表示链路1，2表示链路2；

图2表示物理层网络编码在三节点线性网络中的工作流程，3表示时隙1，4表示时隙2；

图3表示基于4QAM的物理层网络编码的原理框图，其中4QAM表示4符号正交幅度调制；

图4表示基于4QAM的物理层网络编码的星座映射图，“○”表示4QAM的星座点，“●”表示PNC的星座点；

图5表示基于MQAM的物理层网络编码的信道容量取上确界时L路的映射过程；

图6表示基于MQAM的物理层网络编码的信道容量取下确界时L路的映射过程；

图7表示基于MQAM的物理层网络编码的映射框图；

图8表示用户节点N₁、N₂完全同步时基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率，曲线5表示基于16QAM调制方式的直接网络编码的平均误比特率曲线，曲线6是理论得出的基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率曲线，曲线7表示16QAM调制方式的平均误比特率曲线，曲线8是仿真得到的基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率曲线，其中16QAM表示16种符号的正交幅度调制；

图9表示用户节点N₁、N₂不同步时基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率，曲线9表示基于16QAM调制方式的直接网络编码的平均误比特率曲线，曲线10是当T_e/T_s＝0.1时基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率曲线，曲线11是理论得出的基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率曲线，曲线12表示16QAM调制方式的平均误比特率曲线，曲线13是仿真得到的基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率曲线；

图10表示传统时分传输方式，直接网络编码方式和物理层网络编码方式三种传输方式下的信道容量的比较，曲线14表示基于16QAM调制方式的物理层网络编码的信道容量的上确界，曲线15表示基于16QAM调制方式的物理层网络编码的信道容量的的下确界，曲线16表示基于16QAM调制方式的直接网络编码的信道容量，曲线17表示传统时分传输方式的信道容量；

图11表示因两个已调信号频率的差异引起中继节点得到的和信号的功率损耗；

图12表示因两节点到达时间异步引起中继节点得到的和信号的功率损耗。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，所述无线通信方法适用于含有两个用户节点且只有一个中继节点的网络，所述无线通信方法由以下步骤实现：

步骤一：产生两个用户N₁、N₂的编码比特信息S₁、S₂；

步骤二：对比特信息S₁、S₂分别进行MQAM调制，得到调制后的信号s₁(t)、s₂(t)；

步骤三：将步骤二中获得的调制后的信号s₁(t)、s₂(t)同时向中继节点N_R发送；

步骤四：中继节点N_R将收到的两个调制信号s₁(t)、s₂(t)直接相加，获得和信号r_R(t)；

步骤五：中继节点N_R根据判决规则对步骤四中获得的和信号r_R(t)进行判决，获得判决后的信号

步骤六：中继节点N_R根据物理层网络编码的映射准则将步骤五中获得的判决后的信号映射为网络编码信息S_R；

步骤七：中继节点N_R对步骤六中获得的网络编码信息S_R重新进行MQAM调制，获得调制后的信号s_R(t)；

步骤八：中继节点N_R向两个用户节点N₁和N₂广播调制后的信号s_R(t)；

步骤九：两个用户节点N₁、N₂分别对接收到的s_R(t)进行解调，获得网络编码信息S_R；

步骤十：每个用户节点将其获得的网络编码信息S_R与保存在该用户本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，获得另一用户的比特信息，从而完成双向中继信道的物理层网络编码的整个过程，从而实现在双向中继信道中实现物理层网络编码的无线通信。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法的进一步限定，所述步骤五中的判决规则为：

由于中继节点N_R要同时接收两路信息S₁、S₂，对于N_R来说，此时的信道已不再满足“点对点”接入的条件，因此，要准确计算多接入信道的信道容量是不可能的，为此，步骤五中给出获得S_R的两种判决方法，分别对应基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的信道容量的上确界和下确界，

所述第一种判决方法为：接收机先将r_R(t)进行硬判决得到判决后的信号

然后再根据映射准则将映射为网络编码信息S_R，这种判决方式对应多接入信道信道容量的上确界；

所述第二种判决方法为：假设存在一个虚拟信道C，C能将两个用户发送的比特信息S₁、S₂直接映射为网络编码信息S_R，即C(S₁，S₂)＝S_R，这种判决方式对应多接入信道信道容量的下确界。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法的进一步限定，在无线通信方法中：两个用户发送数据帧的长度相等。

本实施方式是为了提高系统的工作效率，在进行物理层网络编码时两个用户应尽量使用数据量基本相同的数据帧。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法的进一步限定，采用功率控制技术对两个用户和中继节点N_R的功率进行控制，以使两个用户发送的信号到达中继节点时，所述信号的功率符合中继节点的接收机的处理门限；同样地，从中继节点广播的信号到达接收节点时，采用功率控制技术使该信号被用户节点的接收机正确接收。

本实施方式为了使这个三节点线性PNC系统能够可靠稳定地工作，两个用户节点N₁，N₂和中继节点N_R处均应进行功率控制，通过采用功率控制技术，避免了两个用户发送的信号到达中继节点时不会因为太小或者太大，以至于超过中继节点的接收机的处理门限而不能被处理的情况。同时，对两个用户节点发送的已调信号进行功率控制，还可以保证在它们到达中继节点时都可以被检测到，而不会出现其中一个因为功率太低而完全湮没在另一个信号中的情况。对中继节点的发送信号进行功率控制的原因与对用户节点进行功率控制的想法相同，同样是为了防止因为中继节点发送的已调信号超出了用户节点的接收机的判决门限而不能被正确接收的情况发生。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法的进一步限定，两个用户节点N₁、N₂和中继节点N_R均采用半双工的工作方式。

本实施方式为了使节点的发送过程与接收过程能在不同的时隙进行，所有节点均应采用半双工的工作方式，即在一个时隙内，每个节点，无论是用户节点还是中继节点只能处于发送状态或者接收状态中的一种。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法的进一步限定，两个用户节点N₁、N₂和中继节点N_R均采用全双工的工作方式。

本实施方式应用在全双工方式，系统的复杂性提高，此时节点的收发过程可在一个时隙内完成，与半双工方式不同的是，此时接收和发送过程不能共用同一个信道(或者共用同一个信道但使用不同的编码来区分)，用户节点N₁，N₂接收上一时隙的网络编码信息同时发送本时隙的信息，中继节点N_R接收本时隙的用户信息同时广播上一个时隙的网络编码信息。

原理：无论一个实际的网络有多么复杂，均可以按照图1中所示的方法将之分解为多个三节点线性网络的级联形式，因此对三节点线性网络进行理论研究，有助于我们对更复杂的网络进行分析。

本专利发明了一种在三节点线性网络中进行物理层网络编码的新方法，即基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码方法，虽然我们研究的对象仅限于含有三个用户节点的情形，但基于正交幅度调制的物理层网络编码方法对于包含更多节点的情况也是可行的。

N₁和N₂表示接入网络的两个用户节点，如图2所示，S₁和S₂分别表示N₁和N₂要发送的比特信息，在实际系统中，应该以数据包或数据帧的形式来传输它们信息，本专利为分析方便，特将一帧或者一个数据包的数据分解为一个个的信息比特，并且按照比特进行传输；N_R是该网络的中继节点，在这个由两个用户节点和一个中继节点组成的简单网络中，正是由于N_R的存在，才使得基于正交幅度调制的物理层网络编码成为可能，S_R表示经由N_R映射得到的网络编码信息。

在这个仅由三个节点组成的线性网络(也可以看成是双向对称信道)中，基于正交幅度调制的物理层网络编码过程包含两个传输时隙：时隙一和时隙二。为了尽可能详尽地说明的整个编码的流程，如图3所示，本专利给出了基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码在三节点线性网络中的编码原理框图。接下来，本专利将按时隙来分别对物理层网络编码的工作过程予以详细说明。

基于正交幅度调制的物理层网络编码技术在时隙一内的工作过程主要包含以下六个关键步骤。

步骤一：产生两个用户N₁、N₂的编码比特信息S₁、S₂。

为了使用户N₁、N₂发送的消息和它们传输的信道尽可能的匹配，使信道中传输的信息量达到最大，也即为了提高信息传输的有效性，我们通常的做法是对信源进行有效性编码(比如说PCM编码、伪噪声编码等)，使信源的分布更加接近高斯白噪声的分布，从而达到增加信源熵的目的。

另一方面，为了能够在接收端对传输过程中产生的误码进行可能的纠错，在实际应用中，我们还会对信源加入纠错编码(例如分组码、卷积码等)，这样做虽然降低了信源的编码效率，使系统的复杂度增加，但由于在接收端可以对收到的码元进行检错和纠正，可以带来一定编码增益，因此，纠错编码非常适用于那些对误码率有一定要求的场合。

两个用户N₁和N₂既可以进行信源编码也可以进行信道编码，还可以将二者结合起来使用，本专利在对基于多进制正交幅度调的物理层网络编码进行仿真时没有考虑纠错编码，因此，仿真得出的抗噪声性能还可以得到改善。

对于陆地移动通信这样的可变参数信道，由于可能存在的持续较长时间的深衰落的影响，比特差错经常是成串发生的，然而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。交织技术可以很好的解决这样一类问题，通过比特交织，可以把一条消息中的相继比特分散开，即将一条消息中的相继比特以非相继方式被发送，这样在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，成串差错就变成了单个差错，这时再用利纠错编码的纠错功能来纠正差错，就可以恢复出原来的发送信息。

对于用户N₁、N₂发送的消息，也可以采用交织的思想，来进一步提高物理层网络编码抗深度衰落的能力。

步骤二：对比特信息S₁、S₂分别进行MQAM调制，得到调制后的信号s₁(t)、s₂(t)。

正交幅度调制是当前使用最广泛的调制技术之一，它是用载波的幅度和相位共同表示调制信息的一种更高效的调制技术，相比于传统的调制方式(幅度调制ASK，频率调制FSK，相位调制PSK等)，正交幅度调制的频带利用率更高。而且由于多进制调制具有更多的状态数，可以表示的信息量更大，因此更高阶数调制技术必将成为未来高速通信系统中调制方式的首选。为此，发明一种能将多进制正交幅度调制与物理层网络编码进行联合调制的技术具有重要的实际意义。

步骤三：将步骤二中获得的调制后的信号s₁(t)、s₂(t)同时向中继节点N_R发送；

为了使s₁(t)、s₂(t)到达中继节点N_R的时刻尽可能相同，当s₁(t)、s₂(t)同相时，它们相加后才能获得最大的和信号，除了它们所经历的链路条件要尽可能相同外，用户N₁、N₂发送信号的时刻也要尽可能的相同。

本专利只考虑了两个用户N₁，N₂各自只有一根发送天线的情形，实际上为了改善系统的性能，可以给两个用户节点分别配备多根发射和接收天线，同时也给中继节点分配多根接收和发射天线，利用最新提出的多天线技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率，前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

步骤四：中继节点N_R将收到的两个调制信号s₁(t)、s₂(t)直接相加，获得和信号r_R(t)；

发自两个用户N₁、N₂的已调信号s₁(t)、s₂(t)到达中继节点N_R后，无需进行MQAM解调，而是直接相加得到由s₁(t)、s₂(t)组成的混合信号(和信号)。这是物理层网络编码有别于网络编码之处，网络编码是中继节点对收到的来自每一个用户的信息分别进行解调和判决，得出每一个用户所对应的比特信息，然后对得到的所有用户的比特信息进行异或运算，并将这个结果作为网络编码的信息再向各个用户广播。

为了更加直观的说明基于正交幅度调制的物理层网络编码的工作过程，本专利引入了信号的星座图的概念，即用一个个星座点来区分不同的信号。以4QAM为例，如图4所示，I和Q分别代表4QAM的两条支路，星座图上的空心点表示用户N₁，N₂发送的已调信号s₁(t)、s₂(t)，实心点表示中继节点N_R接收到和信号r_R(t)。正是由于r_R(t)是s₁(t)和s₂(t)直接相加得到的，因此反映在星座图上就是两个空心星座点的横纵坐标直接相加得到一个实心星座点的过程。图中数字是该星座点表示的比特信息，从图中可以看出网络编码信息(用实心星座点表示)就是两个用户信息(用空心星座点表示)按位进行一次简单的异或运算。

步骤五：中继节点N_R根据判决规则对步骤四中获得的和信号r_R(t)进行判决，获得判决后的信号

中继节点要同时接收发自两个用户节点的信息，因此中继节点要同时接入两条信道，此时从用户节点到中继节点已不再满足“点对点”接入的条件，要准确计算这样一类信道的信道容量是不可能的，为此，本专利只给出了基于正交幅度调制的物理层网络编码的信道容量的上确界和下确界。

中继节点N_R直接将和信号r_R(t)判决为即与“点对点”系统的判决方式类似，这一判决过程是可以在实际系统中存在的，是对r_R(t)真实的判决过程。即通过设置合适的判决门限，对r_R(t)的不同种情况进行区分，以便得出网络编码信息S_R。在用户N₁，N₂发送信息的先验概率相等的情况下，为了使基于多进制正交幅度调的物理层网络编码具有最好的抗噪声性能，本专利采用最大似然译码准则(Maximum Likelihood，ML)对r_R(t)进行译码。

对r_R(t)可能映射的比特信息进行判决，这只是一个虚拟的判决过程，实际上是不存在的，只是用来计算基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的信道容量的下确界，同样适用ML译码准则。

步骤六：中继节点N_R根据物理层网络编码的映射准则将步骤五中获得的判决后的信号

映射为网络编码信息S_R；

图5是中继节点N_R对接收的和信号r_R(t)＝a₁+a₂的判决过程，其中

表示判决后的信号；图6是中继节点N_R对S₁、S₂可能映射的比特信息进行判决的过程，M表示MQAM调制过程，

是

经过PNC映射后得到的信息比特，

根据图5给出的判决过程判决出两个用户N₁，N₂发送的和信号

以后(

可能等于r_R(t)，也可能不等)，需要将

进一步映射为信息比特，以完成整个物理层网络编码的映射过程。如图7所示，本专利给出了基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的映射原理框图。这需要设计合适的映射准则，以便将

映射为网络编码信息S_R。

具体来说就是：根据对和信号r_R(t)的判决结果

进行分析，我们可以反向推知两个用户N₁，N₂发送的已调信号，进而可以知道N₁，N₂发送的比特信息设为“i”和“j”(均为二进制数)，再对“i”和“j”按位进行异或运算，此时可以得到一个新的二进制数“k”，“k”就是我们要得到的网络编码信息S_R。

至此，基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码在时隙一内的六个过程已经叙述完毕，接着，我们要对基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的时隙二的四个子过程进行说明。

步骤七：中继节点N_R对步骤六中获得的网络编码信息S_R重新进行MQAM调制，获得调制后的信号s_R(t)。

为了将在时隙一中得到的网络编码信息S_R发送给用户N₁和N₂，需对S_R重新进行调制，为了保证系统制式的统一，减少系统开销，本专利仍然选用多进制正交幅度调制。其它的调制方式(例如MFSK调制，MPSK调制等)，也可以实现这一过程，前提是只要用户知道中继节点具体选用的是何种调制方式，这种上行(从用户节点到中继节点)和下行(从中继节点到用户节点)链路选用不同调制方式的情形在实际系统中也是很常见的，因此研究这种特殊的物理层网络编码技术对于实现不同调制类型的网络进行互联或者同一类型的网络不同调制方式的链路进行互联等情形具有非常重要的实际意义。

步骤八：中继节点N_R向两个用户节点N₁和N₂广播调制后的信号s_R(t)。

为了尽可能减少信息传输所需的时隙数目，从而达到提高传输效率的目的，中继节点N_R在向N₁，N₂发送消息时选用广播的方式，即中继节点N_R同时向两个(对于多个用户节点也一样)用户发送网络编码信息S_R经过MQAM调制后的信号s_R(t)。

步骤九：两个用户节点N₁、N₂分别对接收到的s_R(t)进行解调，获得网络编码信息S_R。

用户N₁、N₂接收到广播信号s_R(t)以后，各自分别对s_R(t)进行解调，以便得到网络编码信息S_R。s_R(t)选用何种类型的调制方式，解调时仍需选用同样的调制方式，否则不能很好的解调出调制信息。本专利中s_R(t)是经由MQAM得到的，因此解调时仍需选用MQAM方式对s_R(t)进行解调。

步骤十：每个用户节点将其获得的网络编码信息S_R与保存在该用户本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，获得另一用户的比特信息，从而完成双向中继信道的物理层网络编码的整个过程，从而实现在双向中继信道中实现物理层网络编码的无线通信。

对于用户N₁、N₂来说，它们在向中继节点N_R发送自己信息的同时，在它们的本地缓存中要复制保留一份同样地发送信息，这样既可保证当传输过程出现不可纠正的误码时，能够快速重发，同时这对物理层网络编码的译码过程也具有非常重要的作用。

对于用户N₁，当它通过对s_R(t)进行解调得到网络编码信息S_R以后，将S_R与储存在本地缓存中的它的发送信息S₁进行按位比特异或操作，即可得到用户N₂发送的信息，这里是比特级的，对于更高级别的情况(帧，包等)也是一样的。

用户N₂的情况与N₁类似，即通过将S_R与S₂进行按位比特异或得到发自用户N₁的比特信息S₁，可以用下面两个式子分别表示用户N₁、N₂获取它们所需目标信息的过程。

对于用户N₁：S₁⊕S_R＝S₁⊕S₁⊕S₂＝S₂。

对于用户N₂：S₂⊕S_R＝S₂⊕S₁⊕S₂＝S₁。

至此，经过时隙一和时隙二共计十个子过程之后，用户N₁、N₂就可以完成一次信息的交换过程。

为了检验发明的效果，以M＝16为例，我们使用MATLAB对基于16QAM调制方式的物理层网络编码的平均误比特率进行了仿真，并与它的理论曲线作对比。仿真参数的设置如表1所示，仿真结果在图8中给出。

表1仿真参数的设置

从图8不难看出，基于16QAM的PNC的平均误比特率的仿真曲线和理论求得的曲线基本重合，曲线6和曲线8，基于16QAM的PNC的平均误比特率曲线介于16QAM，如曲线7和基于16QAM的NC，如曲线5，之间，甚至比NC有更优秀的表现，在E_b/N₀超过10dB时，基于16QAM的PNC的平均误比特率与16QAM的平均误比特率仅相差0.56dB左右，即基于正交幅度调制的物理层网络编码在获得更大的系统吞吐量的同时，它的抗噪声性能依然很出色。

图9给出了当发送信号s₁(t)、s₂(t)到达中继节点N_R的时刻有一个大小为T_e的延时时物理层网络编码(PNC)的误比特率的变化情况，从图中可以明显看出，此时的误比特率相对于用户N₁，N₂完全同步时的平均误比特率在E_b/N₀＝10dB时有3dB的衰减。

再考虑信道容量，如图10所示，无论是传统传输方式，直接网络编码方式，还是物理层网络编码方式，它们的信道容量在信噪比为20dB时均达到了稳定，其中传统传输方式的信道容量为1bit/s/TS，网络编码方式的信道容量为4/3bit/s/TS，而基于16QAM的PNC的信道容量的上确界则可以达到2bit/s/TS，下确界也有1.886bit/s/TS。因此，可以认为PNC相比于传统传输方式和NC方式系统吞吐量分别获得了100％和33.3％的提高。

由于用户N₁、N₂位于不同的位置，它们到达中继节点N_R所经历的信道条件不可能完全相同，因此，要保证N₁、N₂之间的精确同步是不可能的，因此PNC系统的异步传输损耗将不可避免，基于此，本专利还给出了当用户N₁、N₂存在载波异步和到达时间异步时基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的功率损耗情况，分别如图11和图12所示。由于相位异步带来的损耗不严重，同时也有很多技术克服相位的异步，因此对于相位异步，本专利不做考虑。

Claims (6)

1.基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，所述无线通信方法适用于含有两个用户节点且只有一个中继节点的网络，所述无线通信方法由以下步骤实现：

步骤一：产生两个用户N₁、N₂的编码比特信息S₁、S₂；

步骤二：对比特信息S₁、S₂分别进行MQAM调制，得到调制后的信号s₁(t)、s₂(t)；

步骤三：将步骤二中获得的调制后的信号s₁(t)、s₂(t)同时向中继节点N_R发送；

步骤四：中继节点N_R将收到的两个调制信号s₁(t)、s₂(t)直接相加，获得和信号r_R(t)；

步骤五：中继节点N_R根据判决规则对步骤四中获得的和信号r_R(t)进行判决，获得判决后的信号

步骤六：中继节点N_R根据物理层网络编码的映射准则将步骤五中获得的判决后的信号

映射为网络编码信息S_R；

步骤七：中继节点N_R对步骤六中获得的网络编码信息S_R重新进行MQAM调制，获得调制后的信号s_R(t)；

步骤八：中继节点N_R向两个用户节点N₁和N₂广播调制后的信号s_R(t)；

步骤九：两个用户节点N₁、N₂分别对接收到的s_R(t)进行解调，获得网络编码信息S_R；

步骤十：每个用户节点将其获得的网络编码信息S_R与保存在该用户本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，获得另一用户的比特信息，从而完成双向中继信道的物理层网络编码的整个过程，从而实现在双向中继信道中实现物理层网络编码的无线通信。

2.根据权利要求1所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，所述步骤五中的判决规则为：

由于中继节点N_R要同时接收两路信息S₁、S₂，对于N_R来说，此时的信道已不再满足“点对点”接入的条件，因此，要准确计算多接入信道的信道容量是不可能的，为此，步骤五中给出获得S_R的两种判决方法，分别对应基于多进制正交幅度调制的物理层网络编码的信道容量的上确界和下确界，

所述第一种判决方法为：接收机先将r_R(t)进行硬判决得到判决后的信号然后再根据映射准则将

映射为网络编码信息S_R，这种判决方式对应多接入信道信道容量的上确界；

所述第二种判决方法为：假设存在一个虚拟信道C，C能将两个用户发送的比特信息S₁、S₂直接映射为网络编码信息S_R，即C(S₁，S₂)＝S_R，这种判决方式对应多接入信道信道容量的下确界。

3.根据权利要求1所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，在无线通信方法中：两个用户发送数据帧的长度相等。

4.根据权利要求1所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，采用功率控制技术对两个用户和中继节点N_R的功率进行控制，以使两个用户发送的信号到达中继节点时，所述信号的功率符合中继节点的接收机的处理门限；同样地，从中继节点广播的信号到达接收节点时，采用功率控制技术使该信号被用户节点的接收机正确接收。

5.根据权利要求1所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，两个用户节点N₁、N₂和中继节点N_R均采用半双工的工作方式。

6.根据权利要求1所述的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，其特征在于，两个用户节点N₁、N₂和中继节点N_R均采用全双工的工作方式。

Images