CN103701575B - 一种基于网络编码的ofdm子载波信道组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的OFDM子载波信道组合方法。所述网络包含基站BS、中继节点R和若干用户节点，任意两用户节点和中继节点形成信道：、和，将信道、和按模值从小到大的顺序排列，并等分成三部分，形成对应信道：、、，选取对应的子信道：、、，形成子信道组合{,,}，并将子信道：、、从、、信道和、、信道中去除掉，用户节点和中继R通过子信道组合中不同信道传输信号，其中中继节点R发送的信号是根据接收到的所述用户节点1、2的信息进行网络编码后的信号。优点是：可获得最佳信道子载波组合，由此可有效提高系统性能。

Description

一种基于网络编码的OFDM子载波信道组合方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信技术，尤其涉及一种基于网络编码的OFDM子载波信道组合方法。

背景技术

网络编码的思想最初是在2000年，由Ahlswede等人在“IEEE Transaction on InformationTheory”上发表的文献“Network information flow”中提出的，他们从信息论的角度出发，严格证明了单点对多点的通信网络中，通过节点编码的方式可以使信息传输速率达到网络的最大流量，从而编码的方式优于路由的方式。随着研究的不断深入，近期将网络编码的思想应用于无线通信系统逐渐受到人们的关注。在无线通信网络中使用网络编码，不仅可以提高信息传输率，节约传输所需能量，而且可以使节点之间在所需能量方面进行折中。

中继技术可以扩大网络覆盖范围、提高传输可靠性、抑制邻小区干扰，是低硬件成本下满足新一代移动通信系统业务的高速率传输和日益增长的服务质量需求的有效手段，已被确认为IMT-Advanced关键增强技术之一，并被写入IEEE802.16m、3GPP LTE-Advanced等标准中。近期，网络编码在无线通信方面的研究得到很大发展，和传统的点到点通信相区别，协作中继技术和网络编码技术具有共同的通信特征：多个节点参与并且通过多个时隙传输。因此，将网络编码的思想应用于协作中继技术，提高协作分集系统的有效性和可靠性是很有意义的研究方向。

OFDM是多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。OFDM技术具有抵抗无线的多径衰落，频谱利用率高等优点，因此广泛应用于无线局域网、B3G/4G等标准中。OFDM系统把传输信道划分为带宽较小的正交子信道,其中一个非常大的优点就是能够根据每个子信道的信噪比进行子载波分配，多址接入的中继模型，是多个用户在同一中继协作下，完成与基站的通信，在中继端采用网络编码技术可以节省转发资源或改善接收性能。该模型下，多用户的信息在一个或多个合作伙伴节点进行融合后转发给目的节点。该模型的转发可以套用协作中的DF和AF协议，根据无线网络编码特性还出现DNF传输协议。将OFDM技术融入多址接入中继模型，可以进一步增强系统的抗多径能力，提高系统性能。

目前对基于网络编码的中继技术研究主要集中在协议和中断概率的分析以及中继对信号的处理，例如，中国专利公开号为：101325549，名称为：在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，就是涉及中继如何对接收的多用户信息进行处理的方法。又如，中国专利申请号为：2012104260530，名称为：一种多用户OFDM系统的子信道—功率分配方法，该申请主要是针对多址接入系统中的子载波分配及各子载波的功率优化进行的研究，并提出子信道—功率分配方法。而对于采用OFDM调制的子载波信道选择与组合方法至今未曾见到公开报道。但该技术对提高系统性能和提高协作中继系统的有效性和可靠性具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于网络编码的OFDM子载波信道组合方法，以解决在采用OFDM技术的多址接入中继系统中，不同子载波的传输性能差异较大，使得整体传输性能降低的问题。该技术利用网络编码传输特点，在不同用户端及中继端利用不同的子载波传输，以提高用户的整体传输性能。

上述目的，通过下述方法予以实现。

所述方法是在包含基站BS、中继节点R和若干用户节点的网络中实施，任意两用户节点1、2和中继节点R的子载波信道组合方法包括：

1)由基站BS估计所述用户节点1、2和中继节点R分别到BS的信道：H_1,d、H_2,d和H_r,d，由中继节点R估计用户节点1、2分别到中继节点R的信道：H_1,r、H_2,r，并转发给基站BS，

由基站BS决定子载波的分配并反馈给所述用户节点及中继节点R；

2)将信道：H_1,d、H_2,d、H_r,d按模值从小到大的顺序排列，并等分成三部分，形成对应信道：H_min、H_mid、H_max；

3)在信道：H_min、H_mid、H_max中分别选取对应的子信道：h_min、h_mid、h_max，形成子信道组合{h_min,h_mid,h_max}，并将子信道：h_min、h_mid、h_max从H_min、H_mid、H_max信道和H_1,d、H_2,d、H_r,d信道中去除掉；

4)在不同时隙，所述用户节点1、2和中继R通过所述子信道组合中不同信道传输信号，其中中继节点R发送的信号是根据接收到的所述用户节点1、2的信息进行网络编码后的信号。

所述方法的进一步设计在于，所述子信道：h_min、h_mid、h_max选取方法包括：首先确定H_mid信道中选取的子信道h_mid，接着确定H_min信道中选取的子信道h_min和H_max信道中选取的子信道h_max，或接着确定H_max信道中选取的子信道h_max和H_min信道中选取的子信道h_min。

所述方法的进一步设计在于，所述确定子信道：h_min、h_mid、h_max的方法包括：

(1)H_mid信道中有H_r,d信道的情况：

1)在H_mid信道中搜索出模值最小的H_r,d信道，子信道h_mid＝min(H_r,d∩H_mid)；

2)在H_min信道或H_max信道中搜索：

A.若H_max信道中没有H_1,d信道或H_2,d信道，在H_min中搜索参考因子α₁最大的H_1,d信道或H_2,d信道，则子信道或子信道对应的在H_max信道中搜索模值最大的H_1,d或H_2,d信道，则子信道h_max＝max(H_2,d∩H_max)或h_max＝max(H_1,d∩H_max)；

B.若H_max信道中同时搜索出H_1,d信道和H_2,d信道，选出对应参考因子最大的H_1,d信道或H_2,d信道，则子信道或对应的在H_max信道中搜索出模值最大的H_2,d信道或H_1,d信道，则子信道h_max＝max(H_2,d∩H_max)或h_max＝max(H_1,d∩H_max)；

(2)H_mid信道中无H_r,d信道的情况：

1)在H_mid信道中搜索模值最大的H_1,d信道或H_2,d信道，子信道h_mid＝min(H_1,d∩H_mid)；

2)在H_min信道或H_max信道中搜索：

A.若H_max信道中有H_1,d信道或H_2,d信道，选取模值最大的H_1,d信道或H_2,d信道，则子信道h_max＝max(H_1,d∩H_max)，或h_max＝max(H_2,d∩H_max)，对应的在H_min信道中选取模值最小的H_r,d信道，子信道h_min＝min(H_r,d∩H_min)；

B.若H_max信道中没有H_1,d信道或H_2,d信道，选取模值最大的H_r,d信道，则子信道h_max＝max(H_r,d∩H_max)，对应的在H_min信道中选取参考因子最大的H_1,d信道或H_2,d信道，则子信道或

本发明的有益效果在于：1)可获得用户1、2和R到基站BS的最佳子信道组合，因而可有效的提高系统性能；2)没有将用户1和2到中继R的信道理想化，充分考虑了U1和U2到R的信道状况对子信道组合的影响，因此更能提升实际传输性能；3)子信道组合是以所有链路的信道状态为依据，与用户采用的调制、编码方式以及中继采用的网络编码形式无关，因此该子信道组合方法适用性比较广。

附图说明

图1是基于网络编码的多用户接入中继系统模型。

图2是采用本发明方法获得OFDM子载波信道组合方法与没有采用子载波组合方法和没有采用子载波组合方法且删除20％最差子载波信道的性能比较。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。

对照图1，在包含基站BS、中继节点R和若干用户节点的无线网络中，对于任意两用户节点1、2及其中继节点R的子信道组合的方法具体如下：

用户1、2发送训练序列，基站BS估计用户1、2及R到BS的信道为：

H_1,d＝{H_1,d(1),H_1,d(2),...,H_1,d(N)}，

H_2,d＝{H_2,d(1),H_2,d(2),...,H_2,d(N)}，

H_r,d＝{H_r,d(1),H_r,d(2),...,H_r,d(N)}，

其中H_1,d(1),H_1,d(2),...,H_1,d(N)；H_2,d(1),H_2,d(2),...,H_2,d(N)分别表示H_1,d、H_2,d信道所对应的子信道，N表示OFDM的子信道的个数。

中继节点R估计用户1和2到R的信道：

H_1,r＝{H_1,r(1),H_1,r(2),...,H_1,r(N)}，

H_2,r＝{H_2,r(1),H_2,r(2),...,H_2,r(N)}，

其中H_1,r(1),H_1,r(2),...,H_1,r(N)；H_2,r(1),H_2,r(2),...,H_2,r(N)分别表示H_1,r、H_2,r信道所对应的子信道。

由中继节点R将H_1,r和H_2,r传给基站BS，并由基站BS决定子载波的分配并反馈给用户1、2及中继R。

将信道H_1,d、H_2,d及H_r,d中的所有子信道，按模值从小到大的顺序排列，并等分成三部分，将第一部分的元素组成新的集合H_min，将第二部分的元素组成新的集合H_mid，将第三部分元素组成新的集合H_max。每次在H_min、H_mid和H_max中分别取一个子信道h_min、h_mid和h_max形成子信道组合{h_min,h_mid,h_max}，并将这三个子信道从H_min、H_mid及H_max和H_1,d、H_2,d及H_r,d中去除掉。在不同时隙任意两用户(用户1、用户2)和中继R通过所给子信道组合中不同信道传输信号，其中R的发送信号是根据接收到的用户1和用户2的信息进行网络编码后的信号。

选取上述子信道组合{h_min,h_mid,h_max}的方法可以有多种，较优选的方法是：首先确定H_mid中选取的子信道。在H_mid中首先搜索中继R到BS的信道，将所有R到BS的信道选取完成后，接着搜索用户1(或用户2)到BS的信道，将所有用户1(或用户2)到BS的信道选取完成后，最后搜索用户2(或用户1)到BS的信道。

在H_mid中首先搜索模值最小的中继R到BS的OFDM子载波信道即h_mid＝min(H_r,d∩H_mid)。根据H_max中的元素情况确定H_min和H_max中选取的子信道。由于H_max至少有H_1,d或H_2,d中的子信道，因此分两种情况：

a.若H_max信道中没有H_1,d或H_2,d所对应的子信道。则在H_min中搜索H_1,d或H_2,d信道所对应的子信道，并比较对应的参考因子α₁或α₂，选出对应参考因子最大的H_1,d或H_2,d信道所对应的子信道，或对应的，在H_max中搜索模值最大的H_1,d或H_2,d信道中对应的子信道h_max＝max(H_1,d∩H_max)或h_max＝max(H_2,d∩H_max)。

上述参考因子α₁、α₂分别为α₁(i)、α₂(i)组成的对应参考因子的集合，即α₁＝{α₁(1),α₁(2),...,α₁(i)}，α₂＝{α₂(1),α₂(2),...,α₂(i)}。H_1,d中的子信道H_1,d(i),(i＝1,2,...,N)对应的修正因子为α₁(i)＝|H_1,r(i)|²，H_2,d中的子信道H_2,d(i),(i＝1,2,...,N)对应的修正因子为α₂(i)＝|H_2,r(i)|²。

b.若H_max同时有H_1,d和H_2,d中所对应的子信道，则在H_min中同时搜索H_1,d和H_2,d信道中的对应子信道，并比较其对应的参考因子，选出对应参考因子最大的H_1,d或H_2,d中所对应的子信道，即

若a＝1，则在H_max中搜索模值最大的H_2,d中的元素h_max＝max(H_2,d∩H_max)；若a＝2，则在H_max中搜索模值最大的H_1,d中的元素h_max＝max(H_1,d∩H_max)。

当H_mid中R到BS的信道均选取完后，则在H_mid选取用户1或2到BS的信道，不失一般性，本实施例首先选取模值最小的用户1到BS的H_1,d信道，即h_mid＝min(H_1,d∩H_mid)。根据H_max中的元素情况确定H_min和H_max中选取的子信道。分两种情况：

a.若H_max中有H_2,d的子信道，则选取模值最大的用户2到BS的H_2,d信道，即h_max＝max(H_2,d∩H_max)，此时在H_min中选取模值最小的中继R到BS的H_r,d信道，即h_min＝min(H_r,d∩H_min)。

b.若H_max中没有H_2,d的子信道，则选取模值最大的中继R到BS的H_r,d信道，即h_max＝max(H_r,d∩H_max)，此时在H_min中选取用户2到BS的信道，并比较α₂中对应的参考因子，选出对应参考因子最大的H_2,d信道中的子信道，即

当H_mid中用户2到BS的信道均选取完后，则在H_mid选取用户1到BS的H_1,d信道。与上面的选取类似，首先选取模值最小的用户1到BS的信道H_1,d，即h_mid＝min(H_1,d∩H_mid)。根据H_max中的元素情况确定H_min和H_max中选取的子信道。分两种情况：

a.若H_max中有H_1,d的元素，则选取模值最大的用户1到BS的H_1,d信道，即h_max＝max(H_1,d∩H_max)，此时在H_min中选取模值最小的中继R到BS的H_r,d信道，即h_min＝min(H_r,d∩H_min)。

b.若H_max中没有H_1,d的元素，则选取模值最大的中继R到BS的H_r,d信道，即h_max＝max(H_r,d∩H_max)，此时在H_min中选取用户1到BS的H_1,d信道，并比较α₁中对应的参考因子，选出对应参考因子最大的H_1,d中的元素，即

这样就完成了一组子载波组合{h_min,h_mid,h_max}，将这三个元素从H_min、H_mid及H_max和H_1,d、H_2,d及H_r,d中去除掉，继续进行选取分配，直至H_min、H_mid及H_max中的所有元素均完成配对组合。

本实施例中在H_mid中R到BS的信道均选取完后，可以先选取用户1到BS的H_1,d信道，也可以先选取用户2到BS的H_2,d信道，对最终子载波组合后的系统性能没有影响。

本案发明人对上述方法与现有技术进行了如下的仿真试验。

假设各节点间的多径信道参数为：

$h_{1,d}=d_{1,d}^{-\mathrm{\τ}}\left[\begin{array}{ccccccccccc}1& 0& 0.9& 0& 0& 0.2& 0& 0& 0& 0& 0.1\end{array}\right];$

$k_{2,d}=d_{2,d}^{-\mathrm{\τ}}\left[\begin{array}{ccccccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.7& 0& 0& 0.3& 0& 0.1\end{array}\right];$

$k_{r,d}=d_{r,d}^{-\mathrm{\τ}}\left[\begin{array}{ccccccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0.8& 0& 0& 0& 0& 0.2& 0& 0.1\end{array}\right];$

$h_{1,r}=d_{1,r}^{-\mathrm{\τ}}\left[\begin{array}{ccccccccccc}1& 0& 0.9& 0& 0& 0.2& 0& 0& 0& 0& 0.1\end{array}\right];$

$k_{2,r}=d_{2,r}^{-\mathrm{\τ}}\left[\begin{array}{ccccccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.7& 0& 0& 0.3& 0& 0.1\end{array}\right];$

上述的h_a,b(a∈{1,2,r},b∈{r,d})表示节点a到b的时域信道，其中时域信道的每根径均满足复高斯随机分布，均值为0，方差为相应径上的功率。d_a,b(a∈{1,2,r},b∈{r,d})表示节点a到b的时域信道的相对距离，τ指信道大尺度衰落与距离的指数关系，τ一般位于2～5之间根据，不失一般性，设τ＝2。由于实际通信中，用户1,2到中继R的距离较短，而中继R到基站BS的信道也比用户1,2到BS的距离短，因此假设d_1,d＝d_2,d＝1,d_1,r＝0.2,d_2,r＝0.2,d_r,d＝0.9。采用的OFDM符号长度为128，对h_a,b(a∈{1,2,r},b∈{r,d})进行128点FFT得到相应的时域信道H_a,b(a∈{1,2,r},b∈{r,d})。

该仿真试验证明了最差子载波信道的信噪比与系统中断性能的关系，请参见图2。根据仿真，由于OFDM中载波信道间的差异较大，最差信道对系统性能影响较大，所以未做子载波组合的中断性能较差。为提高系统性能，删除最差的20％子载波后，从仿真图中可以看出性能有所提升，但还是不及采用本发明的系统中断性能。因此，采用本发明，可以在不损失子载波信道的情况下，大幅提升系统中断性能。

Claims (1)

1.一种基于网络编码的OFDM子载波信道组合方法，所述网络包含基站BS、中继节点R和若干用户节点，其特征在于，所述方法包括：

1)由基站BS估计任意两用户节点1、2和中继节点R分别到BS的信道：H_1,d、H_2,d和H_r,d，

其中：H_1,d＝{H_1,d(1),H_1,d(2),...,H_1,d(N)}，

H_2,d＝{H_2,d(1),H_2,d(2),...,H_2,d(N)}，

H_r,d＝{H_r,d(1),H_r,d(2),...,H_r,d(N)}，

N表示OFDM的子信道的个数，

由中继节点R估计用户节点1、2分别到中继节点R的信道：H_1,r、H_2,r，并转发给基站BS，

其中：H_1,r＝{H_1,r(1),H_1,r(2),...,H_1,r(N)}，

H_2,r＝{H_2,r(1),H_2,r(2),...,H_2,r(N)}，

由基站BS决定子载波的分配并反馈给所述用户节点及中继节点R；

2)将信道：H_1,d、H_2,d、H_r,d的对应子信道按模值从小到大的顺序排列，并等分成三部分，形成对应信道：H_min、H_mid、H_max；

3)在信道：H_min、H_mid、H_max中分别选取对应的子信道：h_min、h_mid、h_max，形成子信道组合{h_min,h_mid,h_max}，并将子信道：h_min、h_mid、h_max从H_min、H_mid、H_max信道和H_1,d、H_2,d、H_r,d信道中去除掉；

4)在不同时隙，所述用户节点1、2和中继节点R通过所述子信道组合中不同信道传输信号，其中中继节点R发送的信号是根据接收到的所述用户节点1、2的信息进行网络编码后的信号；

所述子信道：h_min、h_mid、h_max选取方法包括：首先确定从H_mid信道中选取的子信道h_mid，接着确定从H_min信道中选取的子信道h_min和从H_max信道中选取的子信道h_max，或接着确定从H_max信道中选取的子信道h_max和从H_min信道中选取的子 信道h_min；

所述确定子信道：h_min、h_mid、h_max的方法包括：

(1)H_mid信道中有H_r,d信道的情况：

1)在H_mid信道中搜索出模值最小的H_r,d信道中的子信道，则子信道h_mid＝min(H_r,d∩H_mid)；

2)在H_min信道或H_max信道中搜索：

A.若H_max信道中没有H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，则在H_min信道中选出参考因子α₁(i)或α₂(i)最大时所对应的H_1,d或H_2,d信道中的子信道，子信道或对应的在H_max信道中搜索模值最大的H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，则子信道h_max＝max(H_2,d∩H_max)或h_max＝max(H_1,d∩H_max)，

其中：α₁(i)＝|H_1,r(i)|²，

α₂(i)＝|H_2,r(i)|²；

B.若从H_max信道中同时搜索出H_1,d和H_2,d信道中的对应子信道，选出对应参考因子最大的H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，则子信道 或对应的在H_max信道中搜索出模值最大的H_2,d或H_1,d信道中的对应的子信道，则子信道h_max＝max(H_2,d∩H_max)或h_max＝max(H_1,d∩H_max)；

(2)H_mid信道中无H_r,d信道的情况：

1)在H_mid信道中搜索模值最大的H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，子信道h_mid＝min(H_1,d∩H_mid)；

2)在H_min信道或H_max信道中搜索：

A.若H_max信道中有H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，选取模值最大的H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，则子信道h_max＝max(H_1,d∩H_max)，或h_max＝max(H_2,d∩H_max)；对应的，在H_min信道中选取模值最小的H_r,d信道中的子信道，则子信道h_min＝min(H_r,d∩H_min)；

B.若H_max信道中没有H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，选取模值最大的H_r,d信道中的子信道，则子信道h_max＝max(H_r,d∩H_max)；对应的，在H_min信道中选取参考因子最大的H_1,d或H_2,d信道中的对应子信道，则子信道或