CN104486029A - 一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法,该方法包括:中继接收第一用户发送的第一用户发送信息和的第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息;中继根据由第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及由第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵;中继利用预编码矩阵对模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息;中继对中继发送信息进行放大转发,以使第一用户和第二用户分别对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息。在本发明中,解决了传统双向中继网络编码传输可靠性低的问题,提高了双向中继网络编码传输的分集增益和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法。
背景技术
为了扩大小区覆盖和提高系统吞吐量,无线中继技术和多天线技术作为下一代移动通信蜂窝系统的两大关键技术引起了业界的广泛关注。将多天线技术引入无线中继系统,在一定程度上能够解决中继传输带来的资源开销问题,提高系统的频谱效率。但是,为了达到更高的峰值传输速率和吞吐量,传统的多天线系统只能在中继处配置更多的天线,过高阶的多天线配置将会引起严重的干扰问题,从而给移动通信系统组网带来严重困难。
网络编码技术的提出为这一问题的解决提供了一个可行的解决方案,它打破了传统的中继转发方式,允许中继对接收到的、来自不同用户的信息进行联合处理后再转发,从而在理论上能够达到双向中继等多种无线蜂窝网基本场景的传输容量界限。此外,网络编码技术不同于多天线技术,其从另一角度解决了中继传输频谱效率低下的缺陷,这样,就为网络编码技术与多天线技术在无线中继传输中的联合应用提供了可能,也就是:支持两用户的多个数据流同时进行双向传输,通过多天线技术解决多个数据流的流间干扰问题,再通过网络编码解决对应叠加信息的流内干扰问题。
在实现本发明的过程中,发明人发现现有技术中至少存在以下问题:
现有技术中,联合多天线的网络编码技术在中继处主要采用放大转发模式。与传统的中继转发模式相比,网络编码在无线传输中引入了自干扰,使得传输的可靠性降低。
发明内容
本发明实施例提供一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法,以解决传统双向中继网络编码传输可靠性低的问题,提高双向中继网络编码传输的分集增益和可靠性。
为了达到上述目的,本发明提供一种双向中继网络编码传输方法,应用于包括第一用户、第二用户以及中继的系统,所述第一用户和第二用户为单天线配置,所述中继为多天线配置,所述第一用户和第二用户通过所述中继实现信息交互,该方法包括:
所述中继接收所述第一用户发送的第一用户发送信息和所述的第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息;
所述中继根据由所述第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及由所述第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵;
所述中继利用所述预编码矩阵对所述模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息;
所述中继对所述中继发送信息进行放大转发,以使所述第一用户和第二用户分别对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息。
优选地,所述中继接收所述第一用户发送的第一用户发送信息和所述的第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息,具体通过以下公式实现:
yR=hx1+gx2+nR
其中,h和g分别为所述第一用户和所述第二用户到所述中继的N×1维的信道衰落信息,nR为所述中继处的N×1维的加性高斯白噪声;x1为第一用户发送信息,x2为第二用户发送信息。
优选地,所述中继根据所述第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及所述第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵,具体通过以下公式实现:
其中,N为所述中继的天线数,qmn是位于所述预编码矩阵Q第m行和第n列交叉点上的元素,φm是由所述第一用户到所述中继第m根天线的信道衰落引起的相位偏移,θn由所述第二用户到所述中继第n根天线的信道衰落引起的相位偏移;m、n为不大于N的正整数
优选地,所述中继利用所述预编码矩阵对所述模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息,具体通过以下公式实现:
t=βQyR
其中,t为所述中继发送信息,β为所述中继转发信息的功率归一化因子,Q为所述预编码矩阵;其中:
其中,P1为所述第一用户发送信息的功率,P2为所述第二用户发送信息的功率,PR为所述中继发送信息的功率,N为所述中继的天线数,σ2为所述中继处的接收噪声功率,|*|为求模运算。
优选地,所述第一用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息,具体为:
所述第一用户使用所述第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,并采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第二用户的用户发送信息;
所述第二用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息,具体为:
所述第二用户使用所述第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,并采用相应的线性接收机对所述自干扰消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第一用户的用户发送信息。
优选地,所述第一用户使用所述第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,具体通过以下公式实现:
d1=y1-βhTQhx1
其中,d1为所述第一用户进行自干扰消除处理后的信息,y1为所述第一用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y1=hTt+n1
其中,hT为h的转置向量,表示所述中继到所述第一用户的1×N维的信道衰落信息,n1为所述第一用户处的加性高斯白噪声;
所述第二用户使用所述第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,具体通过以下公式实现:
d2=y2-βgTQgx2
其中,d2为所述第二用户进行自干扰消除处理后的信息,y2为所述第二用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y2=gTt+n2
其中,gT为g的转置向量,表示所述中继到所述第二用户的1×N维的信道衰落信息,n2为所述第二用户处的加性高斯白噪声。
优选地,当所述第一用户使用迫零检测进行接收检测时,所述第一用户采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第二用户的用户发送信息,具体通过以下公式实现:
其中,为所述第一用户通过接收检测后得到的第二用户的用户发送信息;Ω2为所述第二用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′i为Ω2中一个星座点; 为使|(βhTQg)-1d1-x'2|的值最小的x′i,i为自然数;
当所述第二用户使用迫零检测进行接收检测时,所述第二用户采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第一用户的用户发送信息,具体通过以下公式实现:
其中,为所述第二用户通过接收检测后得到的第一用户的用户发送信息;Ω1为所述第一用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′j为Ω1中一个星座点;
与现有技术相比,本发明至少具有以下优点:
本发明中,通过在中继处进行预编码,对由信道衰落引起的相位偏移进行补偿,使得中继转发的经由多个独立路径发送的信息在两用户处均能实现合并接收,既保证了参与网络编码传输的两个用户均能以该场景下目前已知最大的分集增益进行传输,又获得了额外的阵列增益,从而进一步提升了传输的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种具体应用场景的架构示意图;
图3为本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法与双向中继系统中其他网络编码传输方法的中断概率比较的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,为本发明实施例提供的一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法的流程示意图,该方法可以应用于包括第一用户、第二用户以及中继的系统,该第一用户和第二用户为单天线配置,该中继为多天线配置,该第一用户和第二用户通过该中继实现信息交互,其具体应用场景的示意图可以如图2所示,该方法可以包括以下步骤:。
步骤101、中继接收第一用户发送的第一用户发送信息和第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息。
具体的,在本发明实施例中,假设第一用户的用户发送信息(即第一用户发送信息)为x1;第二用户的用户发送信息(即第二用户发送信息)为x2;则中继接收到的第一用户的用户发送信息和第二用户的用户发送信息的网络编码信息yR:
yR=hx1+gx2+nR
其中,h和g分别为所述第一用户和所述第二用户到所述中继的N×1维的信道衰落信息,nR为所述中继处的N×1维的加性高斯白噪声。
步骤102、中继根据由该第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及由该第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵。
具体的,在本发明实施例中,中继可以利用由两用户(第一用户和第二用户)到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息生成N×N维的预编码矩阵Q:
其中,N为所述中继的天线数,qmn是位于所述预编码矩阵Q第m行和第n列交叉点上的元素,φm是由所述第一用户到所述中继第m根天线的信道衰落引起的相位偏移,θn由所述第二用户到所述中继第n根天线的信道衰落引起的相位偏移;m、n为不大于N的正整数。
步骤103、中继利用该预编码矩阵对模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息。
具体的,在本发明实施例中,中继生成预编码矩阵后,可以利用该预编码矩阵对接收到的模拟网络编码信息进行预编码,以生成中继发送信息t,其具体可以通过以下公式实现:
t=βQyR
其中,β为中继转发信息的功率归一化因子,其满足以下公式:
其中,P1为所述第一用户发送信息的功率,P2为所述第二用户发送信息的功率,PR为所述中继发送信息的功率,σ2为中继处的接收噪声功率,|*|为求模运算。
步骤104、中继对该中继发送信息进行放大转发。
具体的,中继对接收到的模拟网络编码信息进行预编码,得到中继发送信息后,可以将该中继发送信息进行放大转发,发送给第一用户和第二用户。
步骤105、第一用户和第二用户分别对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息。
在本发明实施例中,第一用户和第二用户接收到中继发送的中继发送信息之后,可以分别先利用各自的用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,消除其中的自干扰信息,再对处理后的信息进行接收检测,得到另一用户(对于第一用户,另一用户即为第二用户;对于第二用户,另一用户即为第一用户)的用户发送信息。
具体的,第一用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息可以具体包括:
第一用户使用第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,并采用相应的线性接收机对该自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到第二用户的用户发送信息。
相应地,第二用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息可以具体包括:
第二用户使用第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,并采用相应的线性接收机对所述自干扰消除处理后的信息进行接收检测,得到第一用户的用户发送信息。
其中,第一用户使用第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,可以具体通过以下公式实现:
d1=y1-βhTQhx1
其中,d1为第一用户进行自干扰消除处理后的信息,y1为第一用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y1=hTt+n1
其中,hT为h的转置向量,表示中继到第一用户的1×N维的信道衰落信息,n1为第一用户处的加性高斯白噪声;
相应地,第二用户使用第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,具体通过以下公式实现:
d2=y2-βgTQgx2
其中,d2为第二用户进行自干扰消除处理后的信息,y2为第二用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y2=gTt+n2
其中,gT为g的转置向量,表示中继到所述第二用户的1×N维的信道衰落信息,n2为所述第二用户处的加性高斯白噪声。
进一步地,当第一用户使用迫零检测进行接收检测时,第一用户采用相应的线性接收机对自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到第二用户的用户发送信息,可以具体通过以下公式实现:
其中,为第一用户通过接收检测后得到的第二用户的用户发送信息;Ω2为第二用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′i为Ω2中一个星座点; 为使|(βhTQg)-1d1-x'2|的值最小的x′i,i为自然数;
相应地,当第二用户使用迫零检测进行接收检测时,第二用户采用相应的线性接收机对自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到第一用户的用户发送信息,具体通过以下公式实现:
其中,为第二用户通过接收检测后得到的第一用户的用户发送信息;Ω1为第一用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′j为Ω1中一个星座点; 为使|(βgTQh)-1d2-x'j|的值最小的x′j,j为自然数。
本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法已经进行了多次仿真实施试验,以便验证和评估该方法的性能,并将其与双向中继系统中其他网络编码传输方法的性能与增益进行比较。
参见图3,为本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法与双向中继系统中其他网络编码传输方法的中断概率比较。仿真实施例的无线传输信道为平坦瑞利衰落信道,中继天线数N分别为2,3,4的情况下,将本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法与双向中继系统中基于天线选择的网络编码传输方法和传统模拟网络编码传输方法进行了比较。图中自上而下分别为传统模拟网络编码传输方法(中继天线数N=4)、基于天线选择的网络编码传输方法(中继天线数N=2)、本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法(中继天线数N=2)、基于天线选择的网络编码传输方法(中继天线数N=3)、本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法(中继天线数N=3)、基于天线选择的网络编码传输方法(中继天线数N=4)、本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法(中继天线数N=4)对应的中断概率-信噪比曲线。
实验表明,在平均信噪比从0dB增加至36dB的过程中,本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法和基于天线选择的网络编码传输方法的中断概率曲线的下降速度随中继天线数量N的增加而变大,传输性能显著优于传统模拟网络编码传输方法,并且两种传输方法在中继天线数相同的情况下对应的中断概率曲线在高信噪比区域趋于平行,由于基于天线选择的网络编码传输方法能够达到双向中继系统网络编码传输目前已知最大的分集增益,该结果表明本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法也能实现与之相同的分集增益。此外,由于本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法将经由多个独立路径传输的信息在用户处进行了合并,因此相比于基于天线选择的网络编码传输方法,本发明实施例提供的双向中继网络编码传输方法能够得到额外的阵列增益,进而进一步降低传输的中断概率,达到更好的传输性能。
通过以上描述可知,通过本发明实施例提供的技术方案,解决了传统双向中继网络编码传输可靠性低的问题,提高了双向中继网络编码传输的分集增益和可靠性。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,附图中的单元或流程并不一定是实施本发明所必须的。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
Claims (7)
1.一种多天线双向中继高分集增益的网络编码传输方法,应用于包括第一用户、第二用户以及中继的系统,其特征在于,所述第一用户和第二用户为单天线配置,所述中继为多天线配置,所述第一用户和第二用户通过所述中继实现信息交互,该方法包括:
所述中继接收所述第一用户发送的第一用户发送信息和所述的第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息;
所述中继根据由所述第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及由所述第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵;
所述中继利用所述预编码矩阵对所述模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息;
所述中继对所述中继发送信息进行放大转发,以使所述第一用户和第二用户分别对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述中继接收所述第一用户发送的第一用户发送信息和所述的第二用户发送的第二用户发送信息的模拟网络编码信息,具体通过以下公式实现:
yR=hx1+gx2+nR
其中,h和g分别为所述第一用户和所述第二用户到所述中继的N×1维的信道衰落信息,nR为所述中继处的N×1维的加性高斯白噪声;x1为第一用户发送信息,x2为第二用户发送信息。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述中继根据所述第一用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,以及所述第二用户到该中继的信道衰落引起的相位偏移信息,生成预编码矩阵,具体通过以下公式实现:
其中,N为所述中继的天线数,qmn是位于所述预编码矩阵Q第m行和第n列交叉点上的元素,φm是由所述第一用户到所述中继第m根天线的信道衰落引起的相位偏移,θn由所述第二用户到所述中继第n根天线的信道衰落引起的相位偏移;m、n为不大于N的正整数。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述中继利用所述预编码矩阵对所述模拟网络编码信息进行预编码,生成中继发送信息,具体通过以下公式实现:
t=βQyR
其中,t为所述中继发送信息,β为所述中继转发信息的功率归一化因子,Q为所述预编码矩阵;其中:
其中,P1为所述第一用户发送信息的功率,P2为所述第二用户发送信息的功率,PR为所述中继发送信息的功率,N为所述中继的天线数,σ2为所述中继处的接收噪声功率,|*|为求模运算。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,
所述第一用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息,具体为:
所述第一用户使用所述第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,并采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第二用户的用户发送信息;
所述第二用户对接收到的中继发送信息进行解码,得到另一用户的用户发送信息,具体为:
所述第二用户使用所述第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,并采用相应的线性接收机对所述自干扰消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第一用户的用户发送信息。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,
所述第一用户使用所述第一用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰消除处理,具体通过以下公式实现:
d1=y1-βhTQhx1
其中,d1为所述第一用户进行自干扰消除处理后的信息,y1为所述第一用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y1=hTt+n1
其中,hT为h的转置向量,表示所述中继到所述第一用户的1×N维的信道衰落信息,n1为所述第一用户处的加性高斯白噪声;
所述第二用户使用所述第二用户发送信息对接收到的中继发送信息进行自干扰信息消除处理,具体通过以下公式实现:
d2=y2-βgTQgx2
其中,d2为所述第二用户进行自干扰消除处理后的信息,y2为所述第二用户接收到的中继发送信息,满足以下公式:
y2=gTt+n2
其中,gT为g的转置向量,表示所述中继到所述第二用户的1×N维的信道衰落信息,n2为所述第二用户处的加性高斯白噪声。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,
当所述第一用户使用迫零检测进行接收检测时,所述第一用户采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第二用户的用户发送信息,具体通过以下公式实现:
其中,为所述第一用户通过接收检测后得到的第二用户的用户发送信息;Ω2为所述第二用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′i为Ω2中一个星座点;为使的值最小的x′i,i为自然数;
当所述第二用户使用迫零检测进行接收检测时,所述第二用户采用相应的线性接收机对所述自干扰信息消除处理后的信息进行接收检测,得到所述第一用户的用户发送信息,具体通过以下公式实现:
其中,为所述第二用户通过接收检测后得到的第一用户的用户发送信息;Ω1为所述第一用户的用户发送信息所采用的调制方式对应星座图包括的所有可能星座点组成的集合;x′j为Ω1中一个星座点;为使的值最小的x′j,j为自然数。
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