CN104184510B - 基于空间调制的非对称双向中继方法 - Google Patents

基于空间调制的非对称双向中继方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间调制的非对称双向中继方法，主要解决非对称双向多天线中继面临的如何有效处理源节点信息速率不匹配的问题。采用三时隙的多址广播协议，具体步骤包括：(1)源节点N1发送信息；(2)源节点N2发送信息；(3)中继节点R执行网络编码；(4)中继节点R广播信息；(5)源节点解码信息。其中步骤(1)在第一时隙完成，步骤(2)在第二时隙完成，步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)均在第三时隙完成，本发明具有实现复杂度低，频谱效率和能量效率高，误码率较低的优点，特别适合每节点配置多根天线的非对称双向中继信道的场景。

Description

基于空间调制的非对称双向中继方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及多天线和双向中继技术领域中的一种基于空间调制的非对称双向中继方法。本发明可应用于由于距离、信道条件等不同产生的多天线非对称双向中继通信场合中用户双方进行信息交换。
背景技术
在双向中继信道中，由源节点A、源节点B、中继节点R组成。当两个源节点到中继节点由于距离、信道条件等不同而导致传输速率不同时，会形成非对称双向中继信道。在该信道上一个重要的研究内容是中继节点如何处理两个源节点信息速率不匹配的问题。
Park等人在文章“Hierarchically modulated network coding for asymmetrictwo-way relay systems”(IEEE Transaction on Vehicular Technology,Volume:59,NO.5,June 2010)中公开了一种分级调制网络编码HMNC的方法。该方法针对两个源节点之间存在直连链路的情况，采用三时隙的多址广播协议，具体实施步骤是：在时隙1，将信息速率更高的源节点的发送信息A分为高优先级信息和低优先级信息，然后采用分级调制的方法，对该节点的发送信息进行分级调制并广播出去；信息速率较低的源节点只能够解调出发送信息A高优先级信息，中继节点则可以解调出发送信息A的高优先级信息和低优先级信息。在时隙2，采用普通的调制方法对速率较低的源节点的发送信息B进行调制并广播出去；信息速率较高的源节点不能够解调出有用的信息，中继节点能够解调出发送信息B。在时隙3，中继节点将时隙1中解调出的发送信息A的低优先级信息和时隙2中译出的发送信息B逐比特异或后采用普通的调制方法将其广播出去。两个源节点根据接收到的信息和自身的发送信息均能够译出对方的发送信息。该方法存在的不足之处是：需要根据目标的高低优先级对应的误码率与优先级指数的复杂关系，设计优先级参数，复杂度较高，并且只能应用于两个源节点之间存在直接链路的场景。
XueHua Zhang等人在文章“On hierarchical network coding versusopportunistic user selection for two-way relay channels with asymmetric datarates”(IEEE Transaction on Communications,Volume:61,NO.7,July 2013)中公开了一种分级补零网络编码HZPNC的方法。该方法针对两个源节点之间不存在直连链路的情况，主要操作是：中继节点首先对速率较低的源节点发送信息进行补零，然后将两个源节点的信息进行简单网络编码，接下来将网络编码后的信息分为高优先级信息和低优先级信息，采用分级调制的方法，将网络编码后的信息广播出去。该方法的不足之处是：与第一种方法类似，同样需要设计优先级参数，复杂度较高，不同之处是，分级补零网络编码HZPNC只能应用于两个源节点之间不存在直接链路的场景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对非对称双向中继如何处理源节点速率不匹配这一问题，提出一种适合非对称传输速率的性能更好的双向多天线中继方法。
本发明实现上述目的的具体步骤如下：
所述方法适用于下述场景：在不对称双向中继的通信场合中，目标速率不对称的源节点N1和源节点N2，一个中继节点R，每个节点中均设置一定数目的天线，天线设置的数目在2、4、8、16中任意选择。所述方法包括步骤如下：
(1)源节点N1发送信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第一时隙中完成以下步骤；
(1a)采用空间调制方法，源节点N1对发送信息A进行空间调制，得到已调信息K；
(1b)广播已调信息K；
(1c)中继节点R对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息D；
(1d)源节点N2对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息E；
(2)源节点N2发送信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第二时隙中完成以下步骤；
(2a)采用空间调制方法，源节点N2对发送信息B进行空间调制，得到已调信息J；
(2b)广播已调信息J；
(2c)中继节点R对接收的已调信息J进行解调，得到解调信息F；
(2d)源节点N1对接收的已调信息J进行解调，得到解调信息O；
(3)中继节点R执行网络编码：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(3a)比较解调信息D和解调信息F的长度，对其中较短的信息序列的末尾进行补零操作，使二者的长度相同，得到异或信息C和异或信息H；
(3b)将异或信息C和异或信息H逐比特异或，得到编码信息G；
(4)中继节点R广播信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(4a)采用空间调制方法，中继节点R对编码信息G进行空间调制，得到已调信息Z；
(4b)广播已调信息Z；
(5)源节点解码信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(5a)源节点N1和源节点N2，分别对接收到的已调信号Z进行解调，得到解调信息V和解调信息W；
(5b)源节点N1将解调信息V与发送信息A进行逐比特异或，源节点N2将解调信息W与发送信息B进行逐比特异或，源节点N1处得到源节点N2的发送信息B，源节点N2处得到源节点N1的发送信息A，完成信息交换。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明使用了空间调制方法来调制信息，其调制结果中的发送天线符号就是高优先级，调制星座符号就是低优先级，克服了现有技术中的分级调制网络编码HMNC方法和分级补零网络编码HZPNC方法对分级调制的优先级参数进行复杂优化操作的不足，使得本发明具有复杂度低的优点。
第二，由于本发明将空间调制方法应用在不对称双向中继的通信场合中，使得每个节点都设置有多根天线，克服了现有技术中的分级补零网络编码HZPNC方法只能单输入单输出的不足，使得本发明具有频谱效率和能量效率高的优点。
第三，由于本发明在两个源节点间是否存在直连链路的情况下均实现了这两个源节点间的信息交换，克服了现有技术中的分级调制网络编码HMNC方法只能应用于存在直连链路的场景，分级补零网络编码HZPNC方法只能应用于不存在直连链路的场景的不足，使得本发明具有适应性更好的优点。
第四，由于本发明采用空间调制的方法利用了信道特性和调制星座传输信息，克服了现有技术中的分级调制网络编码HMNC方法和分级补零网络编码HZPNC方法，仅利用调制星座传输信息时误码率较高的缺点，使得本发明具有误码率更低的优点。
附图说明
图1为本发明的非对称双向中继信道存在直连链路的场景示意图；
图2为本发明的非对称双向中继信道不存在直连链路的场景示意图；
图3为本发明的流程图；
图4为在图2场景中端到端的误码性能仿真图；
图5为在图3场景中端到端的误码性能仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明可用于在多天线非对称双向中继通信的场合中，采用三时隙的多址广播协议实现用户双方的信息交换。
本发明适用于下述场景：在不对称双向中继的通信场合中，目标速率不对称的源节点N1和源节点N2，一个中继节点R，每个节点中均设置一定数目的天线，天线设置的数目在2、4、8、16中任意选择。
图1所示场景为两个目标速率不对称的源节点N1和源节点N2，一个中继节点R，且两个源节点之间存在直接链路。图1中以直线标识第一时隙，在第一时隙内源节点N1向中继节点R和源节点N2广播信息，点线标识第二时隙，在第二时隙内源节点N2向中继节点R和源节点N1广播信息，虚线标识第三时隙，在第三时隙内中继节点R向源节点N1和源节点N2广播信息。
图2所示场景为两个目标速率不对称的源节点N1和源节点N2，一个中继节点R，且两个源节点之间不存在直接链路。图2中直线标识第一时隙，在第一时隙内源节点N1向中继节点R广播信息，点线标识第二时隙，在第二时隙内源节点N2向中继节点R广播信息，虚线标识第三时隙，在第三时隙内中继节点R向源节点N1和源节点N2广播信息。
空间调制技术是近年来提出的一种多天线空间复用技术。由于其单射频传输特性，空间调制结构发送端不需要天线间同步，且接收机仅需要一个简单的单数据流检测器。另外，空间调制还能利用无源天线传递信息。因此，空间调制相比传统的多天线技术具有更高的能量效率。空间调制通过发送天线符号和调制星座符号两部分携带信息，在不同的信道和多天线配置下，天线符号部分的误码率和调制星座符号的误码率有不同的大小关系。比如在4发4收的独立同分布瑞利衰落多天线信道上，天线符号部分的误码率要远小于调制星座符号部分的误码率，因此空间调制在特定的多天线信道场景下，对天线符号部分和调制星座符号部分的信息具有不等错误保护能力。
参照附图3对本发明的步骤做进一步的具体描述。具体实现步骤如下：
步骤1，源节点N1发送信息。
在采用三时隙的多址广播协议的第一时隙中完成下列操作。
本发明采用空间调制方法，让源节点N1对发送信息A进行空间调制，得到已调信息K；将发送信息A的前M个比特信息作为高优先级信息A1，剩余的信息比特作为低优先级信息A2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息A1映射为发送天线符号K1，低优先级信息A2映射为调制星座符号K2，得到已调信息K，且已调信息K是由发送天线符号K1和调制星座符号K2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
L＝log2N+log2m1
L1＝log2N
L2＝log2m1
其中，L表示发送信息A的长度，L1表示高优先级信息A1的长度，L2表示低优先级信息A2的长度，N表示天线数目，m1表示调制星座的大小。
本发明用采用空间调制选择的天线，将已调信息K广播出去。
中继节点R对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息D，由于源节点N1到中继节点R的中继链路具有较好的信道条件，因此解调信息D中包含了高优先级信息D1和低优先级信息D2。
源节点N2对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息E，对图1中的场景，由于源节点N1与源节点N2的直连链路的信道条件较差，因此解调信息E中只包含了高优先级信息E1，对图2中的场景，由于源节点N1与源节点N2之间不存在直连链路，因此解调信息E中没有有用信息。
步骤2，源节点N2发送信息。
在采用三时隙的多址广播协议的第二时隙中完成下列操作。
本发明采用空间调制方法，让源节点N2对发送信息B进行空间调制，得到已调信息J；将发送信息B的前M个比特信息作为高优先级信息B1，剩余的信息比特作为低优先级信息B2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息B1映射为发送天线符号J1，低优先级信息B2映射为调制星座符号J2，得到已调信息J，且已调信息J是由发送天线符号J1和调制星座符号J2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
P＝log2N+log2m2
P1＝log2N
P2＝log2m2
其中，P表示发送信息B的长度，P1表示高优先级信息B1的长度，P2表示低优先级信息B2的长度，N表示天线数目，m2表示调制星座的大小。
本发明用采用空间调制选择的天线，将已调信息J广播出去。
中继节点R对接收的已调信息J进行解调，得到解调信息F，由于源节点N2到中继节点R的中继链路具有较好的信道条件，因此解调信息F中包含了高优先级信息F1和低优先级信息F2。
源节点N2对接收的已调信息b进行解调，得到解调信息O，对图1中的场景，由于源节点N1与源节点N2的直连链路的信道条件较差，因此解调信息O中只包含了高优先级信息O1，对图2中的场景，由于源节点N1与源节点N2之间不存在直连链路，因此解调信息O中没有有用信息。
步骤3，中继节点R执行网络编码。
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成实现网络编码的各步骤。
对图1中的场景，由于每个节点设置的天线数量是相同的，因此高优先级信息的长度是相同的，比较解调信息D中低优先级信息D2和解调信息F中低优先级信息F2的长度，对其中较短的信息序列的末尾进行补零操作，使二者的长度相同，得到异或信息C和异或信息H；对图2中的场景，需比较解调信息D和解调信息F的长度，对其中较短的信息序列的末尾进行补零操作，使二者的长度相同，得到异或信息C和异或信息H。
实现网络编码，将异或信息C和异或信息H逐比特异或，得到编码信息G。
步骤4，中继节点R广播信息。
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成调制，广播各步骤。
本发明采用空间调制方法，让中继节点R对编码信息G进行空间调制，得到已调信息g；将编码信息G的前M个比特信息作为高优先级信息G1，剩余的信息比特作为低优先级信息G2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息G1映射为发送天线符号Z1，低优先级信息G2映射为调制星座符号Z2，得到已调信息Z，且已调信息Z是由发送天线符号Z1和调制星座符号Z2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
Q＝log2N+log2m3
Q1＝log2N
Q2＝log2m3
其中，Q表示编码信息G的长度，Q1表示高优先级信息G1的长度，Q2表示低优先级信息G2的长度，N表示天线数目，m3表示调制星座的大小。
对图1中的场景，信息的长度的关系为L2+P2＝Q，其中L2表示低优先级信息A2的长度，P2表示低优先级信息B2的长度，Q表示编码信息G的长度。
对图2中的场景，信息的长度的关系为L+P＝Q，其中L表示发送信息A的长度，P表示发送信息B的长度，Q表示编码信息G的长度。
本发明用采用空间调制选择的天线，将已调信息Z广播出去。
步骤5，源节点解码信息。
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成源节点N1和源节点N2解调和解码的过程。
源节点N1和源节点N2，分别对接收到的已调信号Z进行解调，得到解调信息V和解调信息W。
对图1中的场景，源节点N1将解调信息V与低优先级信息A2进行逐比特异或后，得到发送信息B的低优先级信息，将其与高优先级信息E1结合，可得到完整的发送信息B，源节点N2将解调信息W与低优先级信息B2进行逐比特异或后，得到发送信息A的低优先级信息，将其与高优先级信息O1结合，可得到完整的发送信息A；对图2中的场景，源节点N1将解调信息V与发送信息A进行逐比特异或，得到发送信息B，源节点N2将解调信息W与发送信息B进行逐比特异或，得到发送信息A，完成信息交换。
下面结合图4，图5的仿真图，对本发明的效果做进一步的描述：
1.仿真条件：
本发明在C++平台上仿真得到仿真数据，在Matlab平台上，得到仿真图。
本发明对提出的基于空间调制的非对称双向中继方法进行了仿真。在图1和图2所示的场景中，以每个节点都设置4根天线为例，在独立同分布瑞利衰落信道下进行仿真。假设源节点N1比源节点N2具有更高的信息速率，因此源节点N1需要发送的信息长度要大于源节点N2需要发送的信息长度，源节点N1和源节点N2分别采用16-QAM和8-PSK调制，则中继节点R在图2的场景中采用16-QAM调制，在图3的场景中采用64-QAM调制；空间调制的天线符号部分的误码性能优于的调制星座符号部分的误码性能；节点之间的信道增益满足关系式其中分别表示源节点N1和中继节点R，源节点N2和中继节点R，源节点N1和源节点N2之间的信道增益；图4，图5中的横坐标SNR(dB)均表示信噪比，单位为分贝dB，SNR(dB)由确定，其中n0为所有节点间链路的噪声方差，纵坐标BER表示误码率。
2.仿真内容：
仿真1，在图1所示的场景中，在独立同分布瑞利衰落信道下，分别用现有的分级调制网络编码HMNC方法和本发明中提到的方法，实现源节点N1和源节点N2之间的信息交换，对二者的端到端误码性能进行对比，结果如图4所示。
图4中带圆圈的曲线表示使用本发明中提到的方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换时，源节点N1处接收到源节点N2的发送信息的误码率性能仿真曲线。
图4中带方块的曲线表示使用本发明中提到的方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换时，源节点N2处接收到源节点N1的发送信息的误码率性能仿真曲线。
图4中带三角形的曲线表示使用现有的分级调制网络编码HMNC方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换，分级调制的优先级参数λ为0.8时，源节点N1处接收到源节点N2的发送信息的误码率性能仿真曲线。
图4中带五角星的曲线表示使用现有的分级调制网络编码HMNC方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换，分级调制的优先级参数λ为0.8时，源节点N2处接收到源节点N1的发送信息的误码率性能仿真曲线。
由图4可以看出，在存在直连链路的独立同分布瑞利衰落信道下，在SNR(dB)为24(dB)时，使用本发明所提的方法的源节点N1处和源节点N2处的端到端误码率均达到10-5数量级，使用分级调制网络编码HMNC方法的源节点N1处和源节点N2处的端到端误码率均达到10-3数量级。因此可见，本发明所提的方法相比分级调制网络编码HMNC方法有更低的误码率。
仿真2，在图2所示的场景中，在独立同分布瑞利衰落信道下，分别用现有的分级补零网络编码HZPNC方法和本发明中提到的方法，实现源节点N1和源节点N2之间的信息交换，对二者的端到端误码性能进行对比，结果如图5所示。
图5中带圆圈的曲线表示使用本发明中提到的方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换时，源节点N1处接收到源节点N2的发送信息的误码率性能仿真曲线；
图5中带方块的曲线表示使用本发明中提到的方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换时，源节点N2处接收到源节点N1的发送信息的误码率性能仿真曲线；
图5中带三角形的曲线表示使用现有的分级补零网络编码HZPNC方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换，分级调制的优先级参数λ为0.8时，源节点N1处接收到源节点N2的发送信息的误码率性能仿真曲线；
图5中带五角星的曲线表示使用现有的分级补零网络编码HZPNC方法完成源节点N1和源节点N2之间的信息交换，分级调制的优先级参数λ为0.8时，源节点N2处接收到源节点N1的发送信息的误码率性能仿真曲线；
由图5可以看出，在不存在直连链路的独立同分布瑞利衰落信道下，在SNR(dB)为26(dB)时，使用本发明所提的方法的源节点N1和源节点N2的端到端误码率均达到10-5数量级，使用分级补零网络编码HZPNC方法的源节点N1处的端到端误码率达到10-3数量级，源节点N2处的端到端误码率达到10-4数量级。因此可见，本发明所提的方法相比分级补零网络编码HZPNC方法有更低的误码率。

Claims (3)

1.一种基于空间调制的非对称双向中继方法，其特征在于，所述方法适用于下述场景：在不对称双向中继的通信场合中，目标速率不对称的源节点N1和源节点N2，一个中继节点R，每个节点中均设置一定数目的天线，天线设置的数目在2、4、8、16中任意选择；所述方法包括步骤如下：
(1)源节点N1发送信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第一时隙中完成以下步骤；
(1a)采用空间调制方法，源节点N1对发送信息A进行空间调制，得到已调信息K；
将发送信息A的前M个比特信息作为高优先级信息A1，剩余的信息比特作为低优先级信息A2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息A1映射为发送天线符号K1，低优先级信息A2映射为调制星座符号K2，得到已调信息K，且已调信息K是由发送天线符号K1和调制星座符号K2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
L＝log2N+log2m1
L1＝log2N
L2＝log2m1
其中，L表示发送信息A的长度，log2表示以2为底的对数操作；L1表示高优先级信息A1的长度，L2表示低优先级信息A2的长度，m1表示调制星座的大小；
(1b)广播已调信息K；
(1c)中继节点R对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息D；
(1d)源节点N2对接收的已调信息K进行解调，得到解调信息E；
(2)源节点N2发送信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第二时隙中完成以下步骤；
(2a)采用空间调制方法，源节点N2对发送信息B进行空间调制，得到已调信息J；
让源节点N2对发送信息B进行空间调制，得到已调信息J；将发送信息B的前M个比特信息作为高优先级信息B1，剩余的信息比特作为低优先级信息B2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息B1映射为发送天线符号J1，低优先级信息B2映射为调制星座符号J2，得到已调信息J，且已调信息J是由发送天线符号J1和调制星座符号J2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
P＝log2N+log2m2
P1＝log2N
P2＝log2m2
其中，P表示发送信息B的长度，P1表示高优先级信息B1的长度，P2表示低优先级信息B2的长度，m2表示调制星座的大小；
(2b)广播已调信息J；
(2c)中继节点R对接收的已调信息J进行解调，得到解调信息F；
(2d)源节点N1对接收的已调信息J进行解调，得到解调信息O；
(3)中继节点R执行网络编码：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(3a)比较解调信息D和解调信息F的长度，对其中较短的信息序列的末尾进行补零操作，使二者的长度相同，得到异或信息C和异或信息H；
(3b)将异或信息C和异或信息H逐比特异或，得到编码信息G；
(4)中继节点R广播信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(4a)采用空间调制方法，中继节点R对编码信息G进行空间调制，得到已调信息Z；
让中继节点R对编码信息G进行空间调制，得到已调信息Z；将编码信息G的前M个比特信息作为高优先级信息G1，剩余的信息比特作为低优先级信息G2，其中M按照M＝log2N关系式确定，N表示天线的数量，采用空间调制的方法，将高优先级信息G1映射为发送天线符号Z1，低优先级信息G2映射为调制星座符号Z2，得到已调信息Z，且已调信息Z是由发送天线符号Z1和调制星座符号Z2组成，信息长度，天线数量，调制星座大小的关系如下：
Q＝log2N+log2m3
Q1＝log2N
Q2＝log2m3
其中，Q表示编码信息G的长度，Q1表示高优先级信息G1的长度，Q2表示低优先级信息G2的长度，N表示天线数目，m3表示调制星座的大小；
(4b)广播已调信息Z；
(5)源节点解码信息：
在采用三时隙的多址广播协议的第三时隙中完成以下步骤；
(5a)源节点N1和源节点N2，分别对接收到的已调信号Z进行解调，得到解调信息V和解调信息W；
(5b)源节点N1将解调信息V与发送信息A进行逐比特异或，源节点N2将解调信息W与发送信息B进行逐比特异或，源节点N1处得到源节点N2的发送信息B，源节点N2处得到源节点N1的发送信息A，完成信息交换。
2.根据权利要求1所述的基于空间调制的非对称双向中继方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的逐比特异或是指，当源节点N1和源节点N2之间存在直连链路时，将异或信息C的低优先级信息和异或信息H的低优先级信息进行逐比特异或，当源节点N1和源节点N2之间不存在直连链路时，将异或信息C和异或信息H进行逐比特异或。
3.根据权利要求1所述的基于空间调制的非对称双向中继方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的逐比特异或是指，当源节点N1和源节点N2之间存在直连链路时，将解调信息的低优先级信息和发送信息的低优先级信息进行逐比特异或，当源节点N1和源节点N2之间不存在直连链路时，将解调信息和发送信息进行逐比特异或。
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