CN104066141B - 一种基于全空时网络编码的协同通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全空时网络编码的协同通信方法，该方法包括：N个信号源节点中的每个信号源节点在分配时隙中将需要传播的信息发送给所有中继节点和目的节点；R个中继节点中的每个中继节点将从信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有目的节点和其他中继节点；对目的节点所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号。本发明同时还公开了一种基于全空时网络编码的协同通信系统。与传统协同通信技术相比，本发明采用空时网络编码技术，考虑了中继节点的协同工作，并根据信号源节点与中继节点之间的信道情况对中继节点的转发顺序进行优化，增加了有效中继节点的数目，提高了通信系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于全空时网络编码的协同通信方法及系统。
背景技术
协同通信技术是一种虚拟的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术，该技术通过融合分集技术与中继传输技术的优势，提高系统的信道容量和传输性能。协同通信的基本思想是：在多用户通信环境中，使用单天线的各节点可按照一定方式共享彼此的天线协同发送信号，从而形成一种类似多天线发送的虚拟环境，从而获得空间分集增益，提高系统传输性能。
网络编码从广义上讲是网络中的节点将接收到的信息通过一定的编码技术处理后再转发出去的多点传送技术，通过对网络节点信息进行编码，可以获得网络多播速率的最大流限、节省网络带宽资源、平衡链路负载、优化能量受限网络的能量消耗等好处。
在传统空时网络编码的协同通信系统中，信息传输被分为两部分，源节点发送阶段和中继转发阶段。每个节点都单独分配一个时隙T用于发送数据，每个时隙T内仅允许一个节点发送数据。因此，对于由N个源节点和R个中继节点组成的系统需要(N+R)个时隙才能发送完所有的数据。本发明采用空时网络编码的方法，既能够避免在采用频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)或码分多址(Code Division MultipleAccess,CDMA)方法中遇到的频率同步和定时问题，也能够解决时分多址(Time DivisionMultiple Access,TDMA)方法的较大时延问题。
然而，采用这种方法的系统中，中继节点仅能够转发源节点发送过来的信息，当源节点与中继节点的信道条件较差时，R个中继节点中能够成功解码转发的节点数目减少，目的节点获得的分集增益也相应降低。因此， 为了在信道条件较差的情况下仍然能够获得较好的系统分集增益，需要对原有技术方案进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用全空时网络编码技术的协同通信方法及系统，用于保证在信号源节点与中继节点之间信道条件较差情况下仍然能够获得较好的通信可靠性。
根据本发明的一方面，提出一种基于全空时网络编码的协同通信方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，N个信号源节点中的每个信号源节点在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
步骤S2，R个中继节点中的每个中继节点将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
步骤S3，根据目的节点所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号。
根据本发明的另一方面，还提出一种基于全空时网络编码的协同通信系统，该系统包括N个信号源节点、具有协作能力的R个中继节点和目的节点，其中：
每个信号源节点用于在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
每个中继节点用于将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
目的节点用于根据所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号。
本发明提出一种采用全空时网络编码技术的协同通信方法及系统，本发明采用空时网络编码技术，利用中继节点的协同通信以及优化中继节点的转发顺序，提高了中继节点的中继效率，增强了整个通信系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于全空时网络编码的协同通信方法的流程图；
图2为根据本发明一实施例的源节点和中继节点在各个时隙发送的信号示意图；
图3为根据本发明一实施例的各中继节点和目的节点在各个时隙接收到的信号示意图；
图4为本发明基于全空时网络编码的协同通信系统的模型结构示意图。
附图标记说明
1 基站(信号源节点)
2 中继站(中继节点)
3 终端(目的节点)
4 源节点广播的信号
5 信号发送时隙
6 中继节点转发的信号
7 中继转发阶段各中继节点和目的节点接收到的信号
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
根据本发明的一方面，提出一种基于全空时网络编码的协同通信方法，如图1所示，所述协同通信方法包括以下步骤：
步骤S1，N个信号源节点中的每个信号源节点在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
在本发明一实施例中，为每个信号源节点分配一个时隙T来传播信息。
在本发明一实施例中，所述信号源节点采用广播方式发送信息。
各个信号源节点和中继节点在各个时隙发送的信号图如图2所示。其中，对于任一信号源节点Un发送的信号xn，目的节点和中继节点接收到的数据分别表示为：
其中，h0n和hrn分别表示信号源节点Un与目的节点U0，信号源节点Un与中继节点Rr之间的信道系数，Pnn表示信号发送功率，xn和sn(t)分别表示发送的信号和相应的特征波形，w0n(t)和wrn(t)表示信道噪声。
步骤S2，R个中继节点中的每个中继节点将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
所述网络编码为本领域常用的信号编码方式，在此不作赘述。
在本发明一实施例中，所述中继节点采用解码转发(Decode-and-Forward,DF)或者放大转发(Amplify-and-Forward,AF)等方式进行信息转发。
在本发明一实施例中，所述方法在对从信号源节点接收到的所有信息进行网络编码之前还包括对接收到的所有信息进行去噪、滤波等的步骤。
其中，中继节点的转发顺序由信号源节点与中继节点之间的信道条件决定，具体地，对于N个信号源节点和R个中继节点，按照下式计算各个中继节点的平均信道系数hr：
其中，hir表示信号源节点Ui与中继节点Rr之间的信道系数。
然后将计算得到的R个平均信道系数按照降序进行排列，即得到各个中继节点的转发顺序，也就是说，信号源节点与中继节点之间的信道条件越好，该中继节点进行信号转发的优先级就越高。
其中，所述信道系数物理上表征信道的各种衰落(大尺度、小尺度)对发射信号的畸变，主要包括但不限于衰减、噪声、干扰、反射、多普勒频移等信道影响因素。
所有中继节点和目的节点在各个时隙接收到的信号如图3所示，其中0表示节点在此时隙下不接收数据或当前节点为中继节点。
步骤S3，根据目的节点所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号。
接下来以中继节点采用DF转发方式为例对于该步骤进行具体说明，其中，假设需要检测的目标信号为xn。
所述步骤S3进一步包括以下步骤：
步骤S31，将目的节点接收到的信号进行匹配滤波；
所述目的节点接收到的信号包括所有中继节点转发的、所有中继节点接收到的所有信号，对于某一中继节点Rr来说，其将收到r个包含目标信号xn的信号，其中一个来自信号源节点Un，另外r-1个来自先于Rr转发的其它r-1个中继节点。
其中，对来自信号源节点Un的信号yrn(t)进行匹配滤波处理后得到：
其中，sn(t)表示与信号xn相应的特征波形，hrn表示信号源节点Un与中继节点Rr之间的信道系数，Pnn表示信号发送功率，wrnn表示信道噪声。
来自r-1个中继节点中的任意一中继节点Ri的信号包含了x1…xn共N个信号，对于其中的任意信号xm，其中，m＝1…N，分别进行匹配滤波处理后得到：
其中，r为当前中继节点的序号，i为r-1个中继节点其中一个中继节点的序号，i＝1…r-1，yri(t)表示当前中继节点发送给中继节点Ri的信号，sm(t)表示与信号xm相应的特征波形，ρkm＝<sk(t),sm(t)>，并且ρnn＝||sn(t)||2＝1， 当时表示解码转发失败，时表示解码转发成功，Pik表示信号发送功率，wrim表示信道噪声。
步骤S32，基于进行匹配滤波后得到的信号进行目标信号的检测，得到目标信号。
该步骤中，首先将目的节点接收到的、中继节点Ri发送给另一中继节点Rr的信号写成向量矩阵形式：
yri＝hriRAix+wri， (5)
其中，yri＝[yri1,yri2,...,yriN]T，x＝[x1,x2,...,xN]T，wri＝[wri1,wri2,...,wriN]T～CN(0,N0R)，
由于R是可逆的，因此基于上式对x1…xnN个信号解相关后得到：
其中，为匹配滤波后的信号，为匹配滤波后的噪声。
公式(6)中的信号为一向量，因此从中继节点Ri传递给另一中继节点Rr的信号xn可以写成即为的某一行元素。
然后将目的节点接收到的、中继节点Ri从信号源节点和其他r-1个中继节点收到的r个xn信号写成矩阵形式：
令
最后基于公式(7)进行信号检测与估计，得到目标信号xn的估计值：
其中，表示“定义为”，N0表示常数，在本发明一实施例中取为1，h0n表示源节点n与目的节点的信道系数，εn表示矩阵R-1第n个对角元素值，表示均值为0，方差为的复高斯随机变量，
这样经过N+R个时隙T后，就完成了所有信号的传输过程。
根据本发明的另一方面，提出一种基于全空时网络编码的协同通信系统，如图4所示，所述协同通信系统包含N个基站(信号源节点)、具有协作能力的R个中继站(中继节点)和一个终端U0(目的节点)，其中：
每个信号源节点用于在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
在本发明一实施例中，每个信号源节点分配有一个时隙T来传播信息。
在本发明一实施例中，所述信号源节点采用广播方式传播信息。
每个中继节点用于将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
在本发明一实施例中，所述中继节点采用解码转发或者放大转发等方式进行信息转发。
在本发明一实施例中，所述中继节点在对从信号源节点接收到的所有信息进行网络编码之前还对接收到的所有信息进行去噪。
其中，中继节点的转发顺序由信号源节点与中继节点之间的信道系数决定，具体地，对于N个信号源节点和R个中继节点，按照下式计算各个中继节点的平均信道系数hr：
其中，hir表示信号源节点Ui与中继节点Rr之间的信道系数。
然后将计算得到的R个平均信道系数按照降序进行排列，即得到各个中继节点的转发顺序，也就是说，信号源节点与中继节点之间的信道条件越好，该中继节点进行信号转发的优先级就越高。
其中，所述信道系数物理上表征信道的各种衰落(大尺度、小尺度)对发射信号的畸变，主要包括但不限于衰减、噪声、干扰、反射、多普勒频移等信道影响因素。
目的节点用于根据所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于全空时网络编码的协同通信方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，N个信号源节点中的每个信号源节点在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
步骤S2，R个中继节点中的每个中继节点将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并按转发顺序将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
步骤S3，根据目的节点所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号；
其中，为每个信号源节点和中继节点分配一个时隙T，N个信号源节点和R个中继节点分别在不同的时隙中广播和转发数据，在经过N+R个时隙T后，完成所有信号的传输过程；
并且其中，所述转发顺序为：
中继节点的转发顺序由信号源节点与中继节点之间的信道条件决定，信号源节点与中继节点之间的信道条件越好，该中继节点进行信号转发的优先级就越高；对于任一信号源节点Un发送的信号Xn，对于某一中继节点Rr来说，中继节点Rr将接收到r个包含目标信号Xn的信号，其中一个来自所述信号源节点Un，另外r-1个来自先于所述中继节点Rr转发的其他r-1个中继节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号源节点采用广播方式传播信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继节点采用解码转发或者放大转发方式进行信息转发。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在对从信号源节点接收到的所有信息进行网络编码之前还包括对接收到的所有信息进行去噪的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括以下步骤：
步骤S31，将目的节点接收到的信号进行匹配滤波；
步骤S32，基于进行匹配滤波后得到的信号进行目标信号的检测，得到目标信号。
6.一种基于全空时网络编码的协同通信系统，其特征在于，该系统包括N个信号源节点、具有协作能力的R个中继节点和目的节点，其中：
每个信号源节点用于在分配的时隙中将需要传播的信息发送给所有的中继节点和目的节点；
每个中继节点用于将从所述信号源节点接收到的所有信息进行网络编码，并按转发顺序将经过网络编码后得到的信号协助转发给所有的目的节点和其他中继节点；
目的节点用于根据所接收到的信号进行目标信号检测，得到目标信号；
其中，为每个信号源节点和中继节点分配一个时隙T，N个信号源节点和R个中继节点分别在不同的时隙中广播和转发数据，在经过N+R个时隙T后，完成所有信号的传输过程；
并且其中，所述转发顺序为：
中继节点的转发顺序由信号源节点与中继节点之间的信道条件决定，信号源节点与中继节点之间的信道条件越好，该中继节点进行信号转发的优先级就越高；对于任一信号源节点Un发送的信号Xn，对于某一中继节点Rr来说，中继节点Rr将接收到r个包含目标信号Xn的信号，其中一个来自所述信号源节点Un，另外r-1个来自先于所述中继节点Rr转发的其他r-1个中继节点。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述中继节点在对从信号源节点接收到的所有信息进行网络编码之前还对接收到的所有信息进行去噪。
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