CN104883240B - 联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议，本发明包括以下步骤：阶段1)、源节点T1向中继节点R和源节点T2发送信号；阶段2)、源节点T2向中继节点R和源节点T1发送信号；阶段3)、中继节点R将阶段1)和阶段2)收到的两路信号进行相乘转发，源节点T1对阶段2)收到的信号与阶段3)收到的信号进行网络译码‑选择合并，得到源节点T2发送的信息，源节点T2对阶段1)收到的信号与阶段3)收到的信号进行网络译码‑选择合并，得到源节点T1发送的信息。本发明能够具有不需要理想已知所有的信道信息、实现复杂度低、获得分集度高等特点，能够很好的应用于无线双向中继场景中。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信中的双向中继传输技术，尤其涉及一种联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法。
背景技术
中继技术是指源节点发送的信号在中继节点的帮助下(进行相应的处理后)转发给目的节点。由于中继节点能够显著扩大源节点的有效覆盖范围、提高传输的可靠性、减少能量消耗，目前得到学术界与产业界的广泛关注。传统的单向中继通信系统采用半双工模式，中继接收与转发需要占用正交的时频资源，因此具有较低的频谱效率“M.Dohler andY.Li,Cooperative communications:hardware,channel and PHY.Hoboken,NJ:Wiley,2010.”。为了提高中继通信的频谱效率，通常将网络编码“P.Upadhyay,S.Prakriya,Performance of analog network coding with asymmetric traffic requirements,IEEE Communications Letters,vol.15,no.6,pp.647-649,Jun.2011.R.Louie,Y.Li,B.Vucetic,Practical physical layer network coding for two-way relay channels:performance analysis and comparison,IEEE Trans.Wireless Communications,vol.9,no.2,pp.764-777,Feb.2010.Z.Yi,M.Ju,I.Kim,Outage probability and optimum powerallocation for analog network coding,IEEE Trans.Wireless Communications,vol.10,no.2,pp.407-412,Feb.2011.”应用于双向中继通信系统。目前双向中继系统中主要应用的中继协议有：放大转发“X.Zhong,K.Xu,and Y.Xu,Comments on’Anopportunistic-based protocol for bidirectional cooperative networks’,IEEETrans.Wireless Communications,vol.12,no.1,pp.412-413,Jan.2013.X.Xia,Y.Xu,K.Xu,D.Zhang,N.Li,Outage performance of AF based time division broadcastingprotocol in the presence of co-channel interference,in Proc.IEEE WCNC 2013,pp.3482-3487,Shanghai,China,Apr.2013.X.Xia,K.Xu,W.Ma and Y.Xu,On the designof relay selection strategy for two-way amplify-and-forward mobile relaying,IET Communications,vol.7,no.17,pp.1948-1957,Nov.2013.K.Xu,D.Zhang,Y.Xu andW.Ma,On the equivalence of two optimal power-allocation schemes for A-TWRC,”IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.63,no.4,pp.1970-1976,May 2014.”、译码转发“Y.Xu,X.Xia,K.Xu,and Y.Chen,Symbol error rate of two-way decode-and-forwardrelaying with co-channel interference,in Proc.IEEE PIMRC 2013,London,Britain,Sep.2013.”以及压缩转发“X.Lin,M.Tao,and Y.Xu,MIMO two-way compress-and-forwardrelaying with approximate joint eigen-decomposition,IEEE CommunicationsLetters,vol.17,no.9,pp.1750-1753,Sep.2013.”等。
基于放大转发协议的双向中继系统可以分为两时隙的模拟网络编码(analognetwork coding,ANC)“S.Katti,S.Gollakota,and D.Katabi,Embracing wirelessinterference:analog network coding,”in Proc.ACM SIGCOMM,2007,pp.397-408.S.Wang,Q.Song,X.Wang,A.Jamalipour,Rate and power adaptation for analognetwork coding,IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.60,no.5,pp.2302-2313,Jun.2011.A.Zhan,C.He,L.G.Jiang,Outage behavior in wireless networks withanalog network coding,IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.61,no.7,pp.3352-3360,Sep.2012.”和三时隙的时分广播系统(time division broadcasting,TDBC)“S.J.Kim,N.Devroye,P.Mitran,and V.Tarokh,Achievable rate regions andperformance comparison of half duplex protocols,”IEEE Trans.InformationTheory,vol.57,no.10,pp.6405-6418,Oct.2011.Z.Yi,M.Ju,I.Kim,”Outage probabilityand optimum combining for time division broadcast protocol,”IEEETrans.Wireless Communications,vol.10,no.5,pp.1362-1367,May 2011.M.Zaeri-Amirani,S.Shahbazpanahi,T.Mirfakhraie,K.Ozdemir,Performance tradeoffs inamplify-and-forward bidirectional network beamforming，IEEE Trans.SignalProcessing,vol.60,no.8,pp.4196-4209,Aug.2012.”。已经证明，模拟网络编码具有较高的吞吐量性能，而时分广播系统由于可以有效利用直达链路获得分集增益，具有更高的传输可靠性。
但是，上述方法需要已知信道状态信息才能够实现可靠接收。而在实际的移动通信系统中，尤其是在时变瑞利衰落信道条件下，由于受信道估计误差、通信时延等因素的制约理想的信道信息往往难以获得。通过将差分编码引入放大转发“Z.Fang,L.Li,X.Bao,andZ.Wang,Generalized differential modulation for amplify-and-forward wirelessrelay networks,IEEE Trans.Vehichular Technology,vol.58,no.6,pp.3058-3062,Jul.2009.P.Liu,I.Kim,S.Gazor,A practical differential receiver for amplifyand-forward relaying,IEEE Wireless Communications Letter,vol.3,no.4,pp.349-352,Aug.2014.M.R.Avendi,Ha H.Nguyen,Performance of selection combining fordifferential amplify-and-forward relaying over time-varying channels,IEEETrans.on Wireless Communications,vol.13,no.8,pp.4156-4166,Aug.2014.L.Song,Y.Li,A.Huang,B.Jiao,and A.V.Vasilakos,Differential modulation forbidirectional relaying with analog network coding,IEEE Trans.on SignalProcessing,vol.58,no.7,pp.3933-3938,Jul.2010.”、译码转发“Y.Zhu,P.Y.Kam,Y.Xin,Differential modulation for decode-and forward multiple relay systems,IEEETrans.on Communications,vol.58,no.1,pp.189-199,Jan.2010.W.Guan,K.J.Ray Liu,Performance analysis of two-way relaying with non-coherent differentialmodulation,IEEE Trans.on Wireless Communications,vol.10,no.6,pp.2004-2014,Jun.2011.”中能够在不需要信道估计的情况下实现可靠的数据传输，但遗憾的是这些方法没有有效利用源节点和目的节点之间的直达链路，因此仅能够获得一阶分集增益、并且计算复杂度很高。在双向中继系统中，文献“P.Larsson,A multiplicative and constantmodulus signal based network coding method applied to cb-relaying,inProc.IEEE VTC,Spring,2008,pp.61-65,Calgary,Canada,May 11-14 2008.J.Manssour,IAlyafawi and S.B.Slimane,Generalized multiplicative network coding for thebroadcast phase of bidirectional relaying,in Proc.IEEE Globecom Workshop,2011,pp.1336-1341,Houston,Texas,USA,Dec.5-9 2011.”提出了相乘网络编码，但是现有的方法没有有效利用源节点和目的节点之间的直达链路，仅能够获得一阶分集增益，并且在进行相乘网络编码时中继节点需要已知所有的信道信息。
通过将网络编码的思想应用在无线广播通信中，能够有效的提高广播的效率，现阶段已有的专利成果如下：
1.上海交通大学提出的无线网络模拟网络编码方法，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。
2.中国计量学院提出的双向中继信道模型的正交差分空时网络编码方法，本发明公开了一种双向中继信道模型的正交差分空时网络编码方法，所述模型包括两个信源和，一个中继R，信源引入多天线机制，配备有多个天线；包括如下步骤：信号传输过程分为两个阶段：信源传输阶段，比特流通过星座映射、Alamouti编码、差分空时调制，得到发射信号矩阵；中继广播阶段，实现信号的接收、检测、解调，然后实现两信源信息的异或网络编码、差分调制，并映射为发送符号，广播给两信源；其中信号接收时采用多分组处理，采用多符号差分球形译码完成信号检测，对上行链路中继和下行链路信源的接收信号译码都适用。
3.西安交通大学提出的一种双向中继系统中自适应变时隙模拟网络编码策略，本发明提供一种双向中继系统中自适应变时隙模拟网络编码策略，该策略基于瞬时信道信息，在不改变系统平均功率与协作周期的条件下，以最大化瞬时互信息量的原则动态调整传输时隙数，理论分析和仿真结果表明，与固定时隙的模拟网络编码策略相比，本发明所提出的策略在获得分集增益的同时降低了中断概率，另外，本发明方法采用简单的等功率分配方案能够获得近似最优的性能。
4.哈尔滨工业大学深圳研究生院提出的基于FQPSK调制的物理层网络编码系统及方法，本发明提供了一种基于FQPSK调制的物理层网络编码方法及系统，该基于FQPSK调制的物理层网络编码方法，发射端单元包括执行如下步骤：A.两个信号源分别发射原始信息xA和xB；B.将两个原始信息xA和xB分别调制之后调制到高频载波上面变成发射信号zA和zB；C.中继模块接收到混合后的信号表示为：YR(t)＝[zA(t)+n(t)]+[zB(t)+n'(t)]，YR(t)表示接收到的混合波形信号。本发明的有益效果是使用FQPSK调制对物理层网络编码信号进行恒包络保护，成功解决了在中继处对叠加信号的检测与分类问题，使用波形簇分类准则代替已有的星座分类准则，避开了FQPSK调制星座无规则这一缺点。
5.中国空间技术研究院和深圳大学提出的在中继系统中通过信道量化进行物理层网络编码的方法，本发明涉及在中继系统中通过信道量化进行物理层网络编码的方法，包括如下步骤：将表示所述两个端节点到所述中继节点的信道矩阵进行QR分解，并对接收向量乘以Q矩阵，得到分别表示第一端节点和第二端节点发送到所述中继节点信号的第一中间层信号和第二中间层信号；利用所述第二中间层信号对所述第二端节点发送的编码信号进行估值，得到所述第二端节点发送的信号估值；利用第一中间层信号和第二中间层信号估值，对所述第一端节点和第二端节点发送的编码信号进行估值，得到所述中继节点收到的复合信号的估值，得到网络编码；其中，所述估值步骤包括根据所述第一中间层信号表达式中不同的参数值，对其进行量化和映射。实施本发明的一种中继系统上行信道的量化方法，具有以下有益效果：其计算简单、效率较高。
6.哈尔滨工业大学提出的基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，基于MQAM调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，涉及一种无线通信领域。本发明解决了现有的传输方式在双向中继信道中需要的三个时隙、四个时隙导致系统性能低的问题。具体方法为，对用户N1、N2的编码比特信息S1、S2进行MQAM调制，得到调制后的信号s1(t)、s2(t)并同时向中继节点NR发送，中继节点NR将其直接相加得到和信号rR(t)并对rR(t)进行判决，将判决结果进一步映射为S1和S2的网络编码信息SR；之后中继节点NR对SR重新进行MQAM调制，并将已调信号sR(t)向用户节点N1和N2广播，N1、N2分别对接收到的sR(t)进行解调，将得到网络编码信息SR与保存在该用户的本地缓存中的发送信息进行按位比特异或运算，以获得另一用户的比特信息，从而实现一次信息交换过程。本发明适用于无线通信。
7.哈尔滨工业大学提出的基于MFSK调制方式的物理层网络编码的无线通信方法，本发明涉及无线通信领域。它是通过压缩数据通信的时隙数目进而实现提高无线通信系统的性能。其方法：分别将两个用户节点发送的编码后的比特信息进行MFSK调制，并同时发送给中继节点；中继节点进行相加获得和信号；并进行判决后映射为网络编码的比特信息；然后进行MFSK调制后向两个用户节点广播；两个用户分别对广播的调制信号进行解调，并分别将与保存在本地缓存中的对应的调制信号进行按位进行比特异或运算后输出，从而实现基于MFSK调制方式的物理层网络编码的无线通信。本发明适用于基于MFSK调制方式的物理层网络编码的无线通信。
8.哈尔滨工业大学提出的一种基于双向中继模型的平坦频选衰落信道中物理层网络编码的无线通信方法，该方法涉及无线通信方法。本发明消除了调制信号实部和虚部之间干扰，降低了中继接收机的复杂度。本发明中两个信源节点将信息数据进行QPSK调制、预编码、载波调制、再载波调制后发送给中继节点，中继节点将接收的信号相加，再对和信号进行载波解调后，判决映射求得广播数据；再对广播数据进行QPSK调制、载波调制后广播发送；信源节点将接收到广播的载波调制信号进行载波解调，信源节点S1和信源节点S2分别对载波解调后和信号进行信号处理，信源节点S1获得信源节点S2发送信号的估计值，信源节点S2获得信源节点S1发送信号的估计值完成通信。本发明用于无线通信。
9.北京邮电大学提出的用于双向中继通信系统的基于符号的物理层网络编码方法，本发明方法操作步骤如下：第一时隙是中继接收信息：两个源节点分别向中继发送各自已调信号，中继对接收的叠加信号做自相关运算，得到自相关矩阵，再用最大似然ML检测算法从该矩阵中检测出待广播的网络编码符号，使得网络编码符号的检测空间缩小，从而降低信号检测难度，同时获得接收分集增益，保证系统误码性能。第二时隙是中继广播信息：中继将检测到的网络编码符号广播出去，两个源节点分别采用自干扰消除方法对接收信号解码获得对方信息，完成通信过程。本发明利用M阶移相键控MPSK信号特点降低中继处理信号的运算复杂度，获得接收分集增益，适用于双向中继信道下对称和不对称速率的MPSK调制系统。
10.中国人民解放军理工大学提出的具有频偏的双向OFDM系统的联合信道网络编码方法，该方法第一阶段源节点广播OFDM符号，中继节点接收到的信号是两个源节点广播的具有不同频偏的OFDM符号的叠加，第二阶段为中继节点根据接收到的叠加OFDM符号估计出两个源节点与中继节点之间不同的载波频偏和信道信息，并进行联合信道网络编码，之后将网络编码后的信息广播给两个源节点，两个源节点利用接收到的联合信道网络编码后的OFDM符号进行联合信道网络译码，完成双向中继。本发明在载波频偏存在的条件下，能够在获得更高传输效率的同时实现可靠的双向信息传输。
11.天津大学提出的利用相关网络编码实现非相关接收的收发方法，本发明涉及无线多跳网络技术。具体讲，利用相关网络编码实现非相关接收的收发方法。为提高无线多跳通信传输效率，降低技术复杂度，降低通信误码率，本发明采用的技术方案是：在源端物理层进行相关网络PCNC编码；中继利用信道衰减系数，检测并利用唯一性映射关系将检测到的信号映射成去噪后的混合信号，并对混合信号进行差分调制发送给两个相互通信的源端；源端接收时，利用混合信号所反映前后时刻的信号的差分关系，实现不需要知道任何信道特性情况下的非相关接收，以恢复出所述的两个连续时隙的信号和，并减去本端的信号得到对端的信号。本发明主要用于需要中继的无线协作通信中的传输、没有直线传播线路的基站和移动终端之间的传输。
现有的基于放大转发、译码转发的网络编码大都考虑如何利用两个时隙完成信息的交互，即提高中继通信的频谱效率。这些方法存在两个方面的问题，1)需要理想已知所有的信道信息，2)系统具有较高的实现复杂度。在实际的通信系统中，由于信道估计误差、传输时延等因素的存在，往往无法获得精确的信道信息。同时，较高的实现复杂度也限制了这些方法在实际无线通信系统中的应用。基于差分调制的网络编码方法也没有考虑到如何利用源节点和目的节点之间的直达链路，从而无法通过获得分集增益来提高系统传输的可靠性。在可靠性优先的无线通信系统中，通常需要兼顾系统传输的可靠性和有效性。时分广播系统由于能够利用源节点和目的节点之间的直达链路，因此在系统传输的可靠性与有效性之间具有较好的折中。
发明内容
本发明要解决的问题是针对上述现有技术的不足提供一种联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法。本联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法具有不需要理想已知所有的信道信息、实现复杂度低、获得分集度高等特点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法，包括以下步骤：
阶段1)、源节点T1将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后发送给中继节点R和源节点T2；
阶段2)、源节点T2将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后广播给中继节点R和源节点T1；
阶段3)、中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号进行相乘转发；
源节点T1将接收到的中继节点R转发的信号与阶段2)接收到的源节点T2发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T2发送的信息；
源节点T2将接收到的中继节点R转发的信号与阶段1)接收到的源节点T1发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T1发送的信息。
阶段3)中所述的相乘转发包括以下步骤：
中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号以及一个放大因子A相乘；中继节点R将相乘后得到的信号广播给源节点T1和源节点T2；
放大因子A可以表示为
其中，P1表示中继节点R处每个符号的平均发射功率，源节点T1与源节点T2每个符号的平均发射功率均为P0/2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用2-PSK调制，则中继节点R转发的2-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr为
其中，源节点T1发送的2-PSK调制符号为v1与相应的信道编码后的信息为c1，源节点T2发送的2-PSK调制符号为v2与相应的信道编码后的信息为c2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用4-PSK调制，则中继节点R转发的4-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr为
阶段3)中所述的联合网络译码-选择合并包括以下步骤：
源节点T1将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段2)源节点T2发送的信号并别进行差分解调得到ξr1和ξ21，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr1进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr1经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr1进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T2的发送信息；
源节点T2将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段1)源节点T1发送的信号并别进行差分解调得到ξr2和ξ12，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr2进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr2经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr2进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T1的发送信息。
本发明针对现有的基于放大转发、译码转发的网络编码方法存在1)需要理想已知所有的信道信息，2)系统具有较高的实现复杂度的问题；以及现有的基于差分调制的网络编码方法也没有考虑到如何利用源节点和目的节点之间的直达链路，从而无法通过获得分集增益来提高系统传输的可靠性的问题，提出了一种联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议，本联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议通过在源节点处进行差分编码、在目的节点进行选择式合并与差分译码，不需要任何信道信息即可实现可靠译码。在中继节点处，两个源节点发送的信号进行相乘放大转发，避免了传统放大转发、译码转发的高实现复杂度。由于采用三个阶段完成两个源节点的信息交互，该协议能够利用源节点与目的节点之间的直达链路从而获得分集，因此在系统传输的可靠性与有效性之间具有较好的折中。提出的联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议具有不需要理想已知所有的信道信息、实现复杂度低、获得分集度高等特点，能够很好的应用于无线双向中继场景中。
附图说明
图1是本发明的联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法实现框图。
图2是本发明的双向无线中继系统模型示意图。
图3是本发明的误比特率性能随着功率分配因子变化图。
图4是本发明的2-DPSK调制时系统的误比特率性能。
图5是本发明的4-DPSK调制时系统的误比特率性能。
下面结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法，包括以下步骤：
阶段1)、源节点T1将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后发送给中继节点R和源节点T2；
阶段2)、源节点T2将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后广播给中继节点R和源节点T1；
阶段3)、中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号进行相乘转发；
源节点T1将接收到的中继节点R转发的信号与阶段2)接收到的源节点T2发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T2发送的信息；
源节点T2将接收到的中继节点R转发的信号与阶段1)接收到的源节点T1发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T1发送的信息。
作为优选方案，本实施例中阶段3)中所述的相乘转发包括以下步骤：
中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号以及一个放大因子A相乘。中继节点R将相乘后得到的信号广播给源节点T1和源节点T2；
放大因子A可以表示为
其中，P1表示中继节点R处每个符号的平均发射功率，源节点T1与源节点T2每个符号的平均发射功率均为P0/2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用2-PSK调制，则中继节点R转发的2-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr可以表示为
其中，源节点T1发送的2-PSK调制符号为v1与相应的信道编码后的信息为c1，源节点T2发送的2-PSK调制符号为v2与相应的信道编码后的信息为c2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用4-PSK调制，则中继节点R转发的4-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr可以表示为
阶段3)中所述的联合网络译码-选择合并包括以下步骤：
源节点T1将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段2)源节点T2发送的信号并别进行差分解调得到ξr1和ξ21，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr1进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr1经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr1进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T2的发送信息；
源节点T2将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段1)源节点T1发送的信号并别进行差分解调得到ξr2和ξ12，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr2进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr2经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr2进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T1的发送信息。
最后，结合以下内容，对本发明联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法进一步说明如下：
图2中显示一个由中继节点R、源节点T1与源节点T2构成的无线双向中继通信场景。源节点T1与源节点T2在一个中继节点R的帮助下进行双向信息交换。
系统采用时分广播协议，即一次双向信息交换过程可以分为三个阶段，在每个阶段内，刚好可以发送一个数据包，并假设一个阶段内信道增益不变，不同阶段内信道系数相互独立。
阶段1)、源节点T1将待发送信息a1经过信道编码(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第九章所述：卷积码)后生成一个编码数据包c1；编码数据包M-PSK调制(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第六章所述：2-PSK、4-PSK)后生成调制符号v1，将调制符号v1进行差分编码调制(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第六章所述：2-DPSK、4-DPSK)后已平均发射功率P0/2发送给中继节点R和源节点T2。
阶段2)、源节点T2将待发送信息a2经过信道编码(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第九章所述：卷积码)后生成一个编码数据包c2；编码数据包M-PSK调制(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第六章所述：2-PSK、4-PSK)后生成调制符号v2，将调制符号v2进行差分编码调制(如：沈越泓、高媛媛等“通信原理-2版”，机械工业出版社，2008.5，第六章所述：2-DPSK、4-DPSK)后已平均发射功率P0/2发送给中继节点R和源节点T1。
阶段3)、中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号y1r与阶段2)源节点T2发送的信号y2r以及放大因子相乘后以平均发射功率P1广播给源节点T1和源节点T2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用2-PSK调制，则中继节点R转发的2-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr可以表示为
| v1(c1) | v2(c2) | vr(cr) |
| 1(1) | 0(-1) | 0(-1) |
| 0(-1) | 1(1) | 0(-1) |
| 1(1) | 1(1) | 1(1) |
| 0(-1) | 0(-1) | 1(1) |
其中，源节点T1发送的2-PSK调制符号为v1与相应的信道编码后的信息为c1，源节点T2发送的2-PSK调制符号为v2与相应的信道编码后的信息为c2。
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用4-PSK调制，则中继节点R转发的4-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr可以表示为
| v1(c1) | v2(c2) | vr(cr) | v1(c1) | v2(c2) | vr(cr) |
| 00(1) | 00(1) | 00(1) | 01(j) | 00(1) | 01(j) |
| 00(1) | 01(j) | 01(j) | 01(j) | 01(j) | 11(-1) |
| 00(1) | 11(-1) | 11(-1) | 01(j) | 11(-1) | 10(-j) |
| 00(1) | 10(-j) | 10(-j) | 01(j) | 10(-j) | 00(1) |
| 11(-1) | 00(1) | 11(-1) | 10(-j) | 00(1) | 10(-j) |
| 11(-1) | 01(j) | 10(-j) | 10(-j) | 01(j) | 00(1) |
| 11(-1) | 11(-1) | 00(1) | 10(-j) | 11(-1) | 01(j) |
| 11(-1) | 10(-j) | 01(j) | 10(-j) | 10(-j) | 11(-1) |
源节点T1将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段2)源节点T2发送的信号并别进行差分解调得到ξr1和ξ21，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr1进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr1经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算。
将与ξ1进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行M-PSK解调得到源节点T2发送的编码后数据包c2的估计值 经过信道译码后得到源节点T2的发送信息的估计值
源节点T2将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段1)源节点T1发送的信号并别进行差分解调得到ξr2和ξ12，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr2进行网络软译码，网络软译码可以表示为
其中，表示ξr2经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算。
将与ξr2进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行M-PSK解调得到源节点T1发送的编码后数据包c1的估计值 经过信道译码后得到源节点T1的发送信息的估计值
仿真验证:
为了验证提出的联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议的性能，仿真了该协议的误比特率性能。
图3是本发明的误比特率性能随着功率分配因子变化图。系统中的发射功率为P＝P1+P0，功率分配因子q＝P0/P。可以看出，当调制方式2-DPSK和4-DPSK时，功率分配因子在不同信噪比条件下均为0.75时，系统能够获得最优的误比特率性能。
图4是本发明的2-DPSK调制时系统的误比特率性能。可以看出，提出的联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议的误比特率性能明显优于DAF“Z.Gao,L.Sun,Y.Wangand X.Liao,”Double differential transmissionfor amplify-and-forward two-wayrelay systems,”IEEE Communications Letters,vol.18,no.10,pp.1839-1842,Oct.2014.”、DDF SC“S.J.Kim,N.Devroye,P.Mitran,and V.Tarokh,”Achievable rateregions and performance comparison of half duplex protocols,”IEEETrans.Information Theory,vol.57,no.10,pp.6405-6418,Oct.2011.”和DMNC“J.Manssour,I Alyafawi and S.B.Slimane,”Generalized multiplicative networkcoding for the broadcast phase of bidirectional relaying,”in Proc.IEEEGlobecom Workshop,2011,pp.1336-1341,Houston,Texas,USA,Dec.5-92011.”方法。
图5是本发明的4-DPSK调制时系统的误比特率性能。可以看出，提出的联合差分相乘转发与选择合并的时分广播协议的误比特率性能明显优于DAF“Z.Gao,L.Sun,Y.Wangand X.Liao,Double differential transmission for amplify-and-forward two-wayrelay systems,IEEE Communications Letters,vol.18,no.10,pp.1839-1842,Oct.2014.”、DDF SC“S.J.Kim,N.Devroye,P.Mitran,and V.Tarokh,Achievable rateregions and performance comparison of half duplex protocols,IEEETrans.Information Theory,vol.57,no.10,pp.6405-6418,Oct.2011.”和DMNC“J.Manssour,I Alyafawi and S.B.Slimane,Generalized multiplicative networkcoding for the broadcast phase of bidirectional relaying,in Proc.IEEEGlobecom Workshop,2011,pp.1336-1341,Houston,Texas,USA,Dec.5-92011.”方法。
Claims (1)
1.一种联合差分相乘转发与选择合并的时分广播方法，包括以下步骤：
阶段1)、源节点T1将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后发送给中继节点R和源节点T2；
阶段2)、源节点T2将待发送信息经过信道编码、M-PSK调制、差分编码调制后广播给中继节点R和源节点T1；
阶段3)、中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号进行相乘转发；
源节点T1将接收到的中继节点R转发的信号与阶段2)接收到的源节点T2发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T2发送的信息；
源节点T2将接收到的中继节点R转发的信号与阶段1)接收到的源节点T1发送的信号进行联合网络译码-选择合并后，解调出源节点T1发送的信息；
其特征在于阶段3)中所述的相乘转发包括以下步骤：
中继节点R将阶段1)接收到的源节点T1发送的信号与阶段2)源节点T2发送的信号以及一个放大因子A相乘；中继节点R将相乘后得到的信号广播给源节点T1和源节点T2；
放大因子A为
其中，P1表示中继节点R处每个符号的平均发射功率，源节点T1与源节点T2每个符号的平均发射功率均为P0/2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用2-PSK调制，则中继节点R转发的2-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr为：
其中，源节点T1发送的2-PSK调制符号为v1与相应的信道编码后的信息为c1，源节点T2发送的2-PSK调制符号为v2与相应的信道编码后的信息为c2；
如果阶段1)和阶段2)中源节点T1与源节点T2采用4-PSK调制，则中继节点R转发的4-PSK调制符号vr与信道编码后的信息cr为：
阶段3)中所述的联合网络译码-选择合并包括以下步骤：
源节点T1将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段2)源节点T2发送的信号并别进行差分解调得到ξr1和ξ21，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr1进行网络软译码，网络软译码为：
其中，表示ξr1经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr1进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T2的发送信息；
源节点T2将阶段3)中接收到的中继节点R和阶段1)源节点T1发送的信号并别进行差分解调得到ξr2和ξ12，并将差分解调后的中继节点R发送的信号ξr2进行网络软译码，网络软译码为
其中，表示ξr2经过网络软译码之后的符号，(·)*表示共轭运算；
将与ξr2进行选择式合并，得到合并后的信号即
之后对进行解调、信道译码得到源节点T1的发送信息。
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