CN104468447B - 无线网络模拟网络编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络模拟网络编码方法，包括以下步骤：对接收到的重叠数据帧通过互相关运算检测出已知帧和目标帧的起始点和结束点；对数据进行频率偏移检测和补偿；再进行信道参数估计；再根据得到的信道参数，去除重叠数据帧中的已知帧，对目标帧进行恢复和重采样，重新获取采样点；对采样后的数据进行解码。本发明可以扩展模拟网络编码的应用范围，提高无线网络中的频谱利用率。

Description

无线网络模拟网络编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种无线网络中使用新的模拟网络编码实现的无线网络传输方法。

背景技术

模拟网络编码能够极大地提高无线通信的频谱利用率。然而目前已被提出的模拟网络编码方法存在着一下不足之处：

(1)一些模拟网络编码方法要求通信节点之间的数据帧进行同步，这在无线网络之中实现是较为复杂的。

(2)另一些模拟网络编码方法仅支持特定的调制方式，或者要求通信双方的帧长度相同。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明的发明目的在于提供一种无线网络模拟网络编码方法，可以实现通信双方不同步，且数据帧长度不相同的无络网络传输。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

无线网络模拟网络编码方法，包含二个互相发送信息的发送节点，以及位于二个发送节点之间的中继节点，通过以下步骤进行数据传输：

步骤1)、二个发送节点分别向中继节点发送数据帧，所述数据帧依次包含前同步码、数据段、以及后同步码；其中，同一发送节点使用的前同步码和后同步码相同，不同的发送节点使用的不同的前同步码和后同步码，但每个发送节点均知数据帧发送方的前同步码和后同步码；

步骤2)、二个数据帧在中继节点处变成一个重叠数据帧后由中继节点广播出去；

步骤3)、发送节点接收到重叠数据帧后根据前同步码或者后同步码通过互相关运算检测出已知帧和目标帧的起始点和结束点，从而判断出已知帧和目标帧的重叠情况；其中，所述已知帧为发送节点自身发送的数据帧，所述目标帧为发送节点需要接收的数据帧；

步骤4)、发送节点对目标帧和已知帧分别进行频率偏移检测和补偿；

步骤5)、进行信道参数估计；

步骤6)、根据得到的信道参数，去除重叠数据帧中的已知帧，对目标帧进行恢复和重采样，重新获取采样点；

步骤7)、对采样后的目标帧进行解码。

依据上述特征，所述步骤3)中已知帧和目标帧的起始点和结束点的检测方式为：

发送节点对收到的重叠数据帧{s[n]}分别用二个发送节点的前同步码或后同步码对数据帧进行互相关运算：

其中目标帧的前同步码或后同步码为{p_d[n]}，已知帧的前同步码或后同步码为{p_s[n]}，当p_d[n]或p_s[n]同接收到的重叠数据帧中的前同步码或后同步码完全对应的时候，S_d[i]或S_s[i]出现峰值，出现峰值的点，就是帧的起始点或结束点。

依据上述特征，所述步骤3)中发送节点对已知帧或目标帧进行频率偏移检测和补偿的方法为：

当互相关运算达到峰值时，运算结果为：

其中，V₁为已知帧或目标帧的前同步码与接收到的数据进行互相关运算达到峰值时的值，V₂为已知帧或目标帧的后同步码与接收到的数据进行互相关运算达到峰值时的值，L_p为帧长度，h_s,eqv为信道参数,f_s为频率偏移，为估计的频率补偿，i1为前同步码的起始点，i₂为后同步码的起始点，T为符号周期，当V₁+V₂为最大值时，获得补偿频率的值，然后对频偏进行补偿。

依据上述特征，所述的取值范围为其中f_s，est为上一次传输中所估计出的频率偏移，

依据上述特征，所述步骤5)进行信道参数估计具体包含以下步骤：根据数据帧重叠的情况进行有效样本的数量判断，如果有效样本的数量达到某一阈值，采用联合信道估计算法进行信道估计，否则采用循环信道估计算法进行信道估计；

所述信道联合估计算法为：

步骤5.1a)、发送节点收到的重叠数据帧表达式如下：

其中T是符号周期，n是整数，h_s和h_d分别是已知帧和目标帧的信道参数，{x_d[n]}和{x_s[n]}分别是已知帧和目标帧的符号序列，g_d(t)和g_s(t)分别是两个发送节点的成型滤波函数，T_d为两种帧的时间偏差，n_h是多径参数；

步骤5.2a)、对y(t)进行抽样，第i个样本如下：

其中(i-1)T+Δ是采样点位置；

步骤5.3a)、令并且

δ＝DT-(T_d-Δ)，这样，一个样本点如下所示：

以矩阵形式表示，则为：

其中y含有N个采样点，X_d，X_s的列分别是{x_d[n]}和{x_s[n]}的转置，h_d，eqv和h_s，eqv是信道参数，得出：

从而同时获取目标帧和已知帧的信道参数；

所述信道循环估计算法为：

步骤5.1b)、将整个已知帧作为估计序列，将目标帧作为干扰估计已知帧的信道参数；

步骤5.2b)、根据所述信道联合估计算法估计出目标帧的信道参数；

步骤5.3b)、实施信号恢复与重采样，得到恢复出的目标帧序列；

步骤5.4b)、从接收的重叠数据帧中除去已恢复出的目标帧，具体方法如下：

其中y是获取的原序列，是恢复出的目标帧序列，X_e是

步骤5.5b)、重复执行步骤5.1b)-5.4b)，直到获得准确的已知帧和目标帧的信道参数。

依据上述特征，所述步骤6)中去除重叠数据帧中的已知帧的方法为：

其中是噪声与残留干扰的叠加。

依据上述特征，所述步骤6)中信号恢复的过程如下：

然后对恢复后的序列寻找最佳采样点，进行重采样，得到目标帧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通信节点双方无需同步。

2、通信节点双方发送的帧长度可以不相同。

3、通信中可以使用任何线性调制方式。

附图说明

图1为本发明中模拟网络编码通信模型。

图2为本发明的接收端解码模块示意图。

图3为使用信道联合检测情形下的数据结构示意图。

图4为使用信道循环检测情形下的数据结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

1、如图1所示，在模拟网络编码中存在三个节点，两个数据发送节点(节点A、节点C)和一个中继节点(节点B)，节点A和节点C向分别向中继节点B发送数据帧，二个数据帧可以是不同的长度，并且也不要求二个数据帧同步，在发送过程中，节点自身发送的数据帧被称为已知帧，对方节点发送的数据帧称为目标帧。本方法对数据帧的结构进行特定设计：每一帧都分为3部分，即前同步码，数据段，以及后同步码，其中前同步码和后同步码由相同的伪随机序列构成，但是节点A与节点C之间使用不同的前同步码和后同步码，并且双方均知道对方的前同步码和后同步码。

2、因为随机网络编码通信的特性，中继节点B收到的信号是两个数据帧的重叠，然后对接收到的信号进行广播。如图2所示，节点A和节点C对收到的信号进行检测，由于节点A和节点C发送的数据帧并不完全同步，节点A和节点C需要分别检测出数据中已知帧和目标帧的起始点和结束点。

检测过程如下：

目标帧的前同步码或后同步码为{p_d[n]}，已知帧的前同步码或后同步码为{p_s[n]}，这两种帧的前同步码和后同步码都是已知的。发送节点收到的数据为{s[n]}，则分别用二个发送节点的前同步码或后同步码对数据进行互相关运算：

当p_d[n]或p_s[n]同接收信号当中的前同步码或后同步码完全对应的时候，S_d[i]或S_s[i]会出现峰值。出现峰值的点，就是帧的起始点或结束点。

虽然接收的重叠数据帧中一个帧的前同步码和后同步码会受到另一个帧的干扰，但并不会影响上述互相关运算的结果。通过上述检测过程，分别获取两个数据帧的起始点和结束点，从而判断两个数据帧的重叠情况。

3、本方法分别对接收的重叠数据帧中的已知帧和目标帧进行频率偏移的补偿。下面以已知帧为例说明频率偏移补偿的方法：

{y[i]}是对接收信号进行周期为T的采样后的采样序列。已知帧的前同步码为{p_s[n]}，并且长度为L_p,并且其起始点为i_1。假设频率偏移为f_s,估计的频率补偿为则当互相关运算达到峰值时，运算结果为：

类似的，对于后同步码，运算结果为

其中i₂是后同步码的起始点。对于V₁+V₂，当的时候，表达式得到最大值。因此对V₁+V₂取最大值，从而获得补偿频率的值，然后对频偏进行补偿。但是，当的结果为的整数倍时，表达式也会达到最大。为了避免此类情况的出现，可以通过缩小补偿频率的尝试范围来实现。如果预先的频率偏移估计值为f_s，est，只有当的范围在之内的时候，并且使得V₁+V₂的值最大时，才是正确的值。

在本方法中，上一次传输中所估计出的频率偏移将作为下一次估计中的f_s，est。当很长一段时间都没有数据传输时，下一次传输开始时，将使用一段未收到干扰的数据来估计频率偏移，并作为f_s，est使用。

对于目标帧，采用相同的方法进行频率补偿。

4、在进行信道估计前，首先需要根据数据帧重叠的情况进行同步码有效样本的数量判断，如果有效样本的数量达到某一阈值，采用联合信道估计算法进行信道估计，否则采用循环信道估计算法进行信道估计。有效样本的判断方法如下：(1)未重叠的前同步码和后同步码部分为有效样本；(2)目标帧的前同步码与已知帧前同步码重叠部分的前同步码为有效样本；(3)目标帧的后同步码与已知帧后同步码重叠部分的后同步码为有效样本；(4)目标帧的前同步码和后同步码与已知帧数据部分重叠的前同步码和后同步码为有效样本。

从有效样本的判断方法可知，目标帧的前同步码和后同步码全部为有效样本，但是已知帧的前同步码和后同步码的有效样本根据帧的重叠情况而定。

本方法提出了两种信道估计算法，适用于不同的情形下：

(1)如图3所示，当发送节点的有效样本中包含有足够的已知帧的有效样本和目标帧的有效样本，则使用信道联合估计算法：

发送节点收到的重叠数据帧表达式如下：

其中T是符号周期，n是整数，h_s和h_d分别是已知帧和目标帧的信道参数。{x_d[n]}和{x_s[n]}分别是两种帧的符号序列。g_d(t)和g_s(t)分别是两个发送节点的成型滤波函数。T_d代表两种帧的时间偏差。n_h是多径参数。

对数据进行抽样，第i个样本如下：

其中(i-1)T+Δ是采样点位置。令并且δ＝DT-(T_d-Δ)，这样，一个样本点如下所示：

以矩阵形式表示，则为：

其中y含有N个采样点，X_d，X_s的列分别是{x_d[n]}和{x_s[n]}的转置。h_d，eqv和h_s，eqv是信道参数：

假设发送节点收到3段有效样本y₁，y₂，y₃，则根据上述表达式有有如下矩阵形式：

那么，联合信道估计按照下式进行：

从而同时获取目标帧和已知帧的信道参数。

(2)如图4所示，当发送节点的有效样本中包含的已知帧的有效样本较少的时候，需要采用信道循环估计算法：

首先估计已知帧的信道参数，按照传统方法，将整个已知帧作为估计序列来估算，并将目标帧作为干扰。

接下来，采用(1)中所述的信道联合估计算法。虽然已知帧的有效样本较少，但目标帧的有效样本总是足够的，因此，联合估计算法估计出的目标帧的信道参数是较为准确的。

然后实施信号恢复与重采样，得到恢复出的目标帧序列。此时该序列并不作为最终解码的序列，由于已知帧的信道估计不准确，从而在信号恢复的时候对已知帧的消除不完全，因此得到的目标帧可能不正确，如果目标帧解码不正确，则从原接收信号中除去之前解码出的目标帧，从而消除一部分目标帧对已知帧信道估计的影响，具体方法如下：

其中y是获取的原序列，是恢复出的目标帧序列，X_e是虽然并不精确，但却可以有效去除原信号y中目标帧对于估计已知帧时候的干扰。

此时，一轮估计结束，开始下一轮的信道循环估计，步骤依旧与上述相同，不过此时估计的对象已经不是y，而是y_s，est。

该算法中，经过多次循环消除，最后得到准确的已知帧和目标帧的信道参数。

5、在估计出信道参数后，发送节点将已知帧从接收的重叠数据帧中去除：

其中是噪声与残留干扰的叠加。由于最佳采样点可能会偏移，去除已知帧后得到的y_d不能直接进行解调，需要进行目标帧恢复和重采样。

首先目标帧恢复过程如下：

然后对恢复后的序列寻找最佳采样点，进行重采样，得到准确的目标帧。

6、经过前面的步骤后得到了无干扰的目标帧，并且信道参数也已经知道，那么就可以按照常规方法对目标帧进行解调、解码等操作，得到数据。

Claims (7)

1.一种无线网络模拟网络编码方法，包含二个互相发送信息的发送节点，以及位于二个发送节点之间的中继节点，通过以下步骤进行数据传输：

步骤1)、二个发送节点分别向中继节点发送数据帧，所述数据帧依次包含前同步码、数据段、以及后同步码；其中，同一发送节点使用的前同步码和后同步码相同，不同的发送节点使用的不同的前同步码和后同步码，但每个发送节点均知数据帧发送方的前同步码和后同步码；

步骤2)、二个数据帧在中继节点处变成一个重叠数据帧后由中继节点广播出去；

步骤3)、发送节点接收到重叠数据帧后根据前同步码或者后同步码通过互相关运算检测出已知帧和目标帧的起始点和结束点，从而判断出已知帧和目标帧的重叠情况；其中，所述已知帧为发送节点自身发送的数据帧，所述目标帧为发送节点需要接收的数据帧；

步骤4)、发送节点对目标帧和已知帧分别进行频率偏移检测和补偿；

步骤5)、进行信道参数估计；

步骤6)、根据得到的信道参数，去除重叠数据帧中的已知帧，对目标帧进行恢复和重采样，重新获取采样点；

步骤7)、对采样后的目标帧进行解码。

2.根据权利要求1所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述步骤3)中已知帧和目标帧的起始点和结束点的检测方式 为：

发送节点对收到的重叠数据帧{s[n]}分别用二个发送节点的前同步码或后同步码对数据帧进行互相关运算：

其中目标帧的前同步码或后同步码为{p_d[n]}，已知帧的前同步码或后同步码为{p_s[n]}，当p_d[n]或p_s[n]同接收到的重叠数据帧中的前同步码或后同步码完全对应的时候，S_d[i]或S_s[i]出现峰值，出现峰值的点，就是帧的起始点或结束点。

3.根据权利要求1所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述步骤3)中发送节点对已知帧或目标帧进行频率偏移检测和补偿的方法为：

当互相关运算达到峰值时，运算结果为：

其中，V₁为已知帧或目标帧的前同步码与接收到的数据进行互相关运算达到峰值时的值，V₂为已知帧或目标帧的后同步码与接收到的数据进行互相关运算达到峰值时的值，L_p为帧长度，h_s,eqv为信道参数,f_s为频率偏移，为估计的频率补偿，i₁为前同步码的起始点，i₂为后同步码的起始点，T为符号周期，当V₁+V₂为最大值时，获得补偿频率的值，然后对频偏进行补偿。

4.根据权利要求3所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述的取值范围为其中f_s,est为上一次传输中所估计出的频率偏移，

5.根据权利要求1所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述步骤5)进行信道参数估计具体包含以下步骤：根据数据帧重叠的情况进行有效样本的数量判断，如果有效样本的数量达到某一阈值，采用联合信道估计算法进行信道估计，否则采用循环信道估计算法进行信道估计；

所述信道联合估计算法为：

步骤5.1a)、发送节点收到的重叠数据帧表达式如下：

其中T是符号周期，n是整数，h_s和h_d分别是已知帧和目标帧的信道参数，{x_d[n]}和{x_s[n]}分别是已知帧和目标帧的符号序列，g_d(t)和g_s(t)分别是两个发送节点的成型滤波函数，T_d为两种帧的时间偏差，n_h是多径参数；

步骤5.2a)、对y(t)进行抽样，第i个样本如下：

其中(i-1)T+Δ是采样点位置；

步骤5.3a)、令并且δ＝DT-(T_d-Δ)，这样，样本点如下表示：

以矩阵形式表示，则为：

其中y含有N个采样点，X_d，X_s的列分别是{x_d[n]}和{x_s[n]}的转置，h_d,eqv和h_s,eqv是信道参数，得出：

从而同时获取目标帧和已知帧的信道参数；

所述信道循环估计算法为：

步骤5.1b)、将整个已知帧作为估计序列，将目标帧作为干扰估计已知帧的信道参数；

步骤5.2b)、根据所述信道联合估计算法估计出目标帧的信道参数；

步骤5.3b)、实施信号恢复与重采样，得到恢复出的目标帧序列；

步骤5.4b)、从接收的重叠数据帧中除去已恢复出的目标帧，具体方法如下：

其中y是获取的原序列，是恢复出的目标帧序列，X_e是

步骤5.5b)、重复执行步骤5.1b)-5.4b)，直到获得准确的已知帧和目标帧的信道参数。

6.根据权利要求1所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述步骤6)中去除重叠数据帧中的已知帧的方法为：

其中是噪声与残留干扰的叠加。

7.根据权利要求1所述的无线网络模拟网络编码方法，其特征在于所述步骤6)中信号恢复的过程如下：

然后对恢复后的序列寻找最佳采样点，进行重采样，得到目标帧。