CN105099618A - 一种基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法，是在无线双向中继网络中的中继节点上，在多径衰落信道环境中物理层网络编码解码器的解码方法。当两个终端节交互信息时，在第一个时隙内同时向中继节点发送数据。在中继节点上，先对接收到的数据进行采样，然后运用置信传播算法，对采样得到的数据进行解码，得到一个新的编码信息，再把这个编码信息在第二个时隙内广播出去。终端节点收到后可以根据已发送的信息来解码出对方的信息。能够有效地减少解码过程中的误码率。

Description

一种基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法。

背景技术

近年来随着无线通信技术的进步和移动互联网的大规模应用，无线网络和通信已经成为一种越来越受欢迎的网络接入方式和通信技术，深刻地改变了人们的生活。随着网络规模的扩大和数据通信的迅猛增长，这给现有的无线通信技术带来了新的挑战。物理层网络编码[1]在无线网络中的应用是近年来的研究热点。物理层网络编码利用电磁波在传输过程中的叠加特性，进一步挖掘了无线网络的通信潜力，从而有效地提升了无线网络的吞吐率。

如图1所示，在一个双向中继无线网络中，终端节点A和和B想通过中继节点R各自发送一条信息给对方，在没有物理层网络编码和半双工通信的情况下，最少需要4个时隙。在第一和第二个时隙中，A、B各发一条信息给R，在第三、四个时隙中，R分别把收到的2条信息依次发送出去。而在使用了物理层编码之后则只需要2个时隙就可完成信息的交换：在第一个时隙中A和B同时发送信息给R，R对收到的信息进行编码；在第二个时隙中，R将编码后信息同时发送给A和B，A、B在接收到编码信息之后，根据自己已有的信息，就可解码出对方发送的信息。

此前的物理层网络编码的研究主要集中在单路径衰落的信道中。然而，在实际的通信环境中，多径衰落的信道是几乎是难以避免的，因为电磁波信号在传输过程中往往受到其他物体反射，所以在接收端接收到的信号是多条路径叠加起来的发生了畸变的信号。因此，研究物理层网络编码在多径衰落信道中的数据处理具有重要的现实意义。

在异步物理层网络编码中[2][3]，作者主要研究了物理层网络编码在加性高斯白噪声(AWGN)信道中的应用，因此并没有涉及到多径衰落信道的情形。论文[4]虽然涉及了物理层网络编码在频率选择性信道中的应用，但是其作者假定在网络中信道是完全对称的，这是不符合实际的。文章[5]在频率上解决了多径衰落给物理层网络编码带来的问题，但是在频域内，系统的性能往往受到载波频率偏差(CFO)的影响。而在时域中，就不会有CFO带来的影响，因此研究时域内的物理层网络编码以及基于BP算法的物理层网络编码的解码方法是很有必要的。

引用文献：

[1]S.Zhang，S.C.Liew，andP.P.Lam，“Hottopic：physicallayernetworkcoding，”inProc.12thMobiCom，pages358-365，NewYork，NY，USA，2006.

[2]L.Lu，S.C.LiewandS.Zhang，“Optimaldecodingalgorithmforasynchronousphysical-layernetworkcoding”，inProc.IEEEICC，Japan，June2011.

[3]L.LuandS.C.Liew，“AsynchronousPhysical-layernetworkcoding”，IEEETrans.onwirelesscommun.，vol.11，no.2，Feb.2012.

[4]U.BhatandT.M.Duman，“Decodingstrategiesforphysical-layernetworkcodingoverfrequencyselectivechannels”，IEEEWirelessCommutationsandNetworkingConference，2012.

[5]X.Xia，K.XuandY.Xu，“AsynchronousPhysical-layernetworkcodingschemefortwo-wayOFDMrelay”，availableathttp：//arxiv.org/abs/1204.2692，Apr.2012.

发明内容

本申请提供基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法，能够有效地减小解码过程中的误码率。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于物理层网络编码的数据处理方法，包括无线双向中继网络，信息交换过程和中继节点的数据处理；无线双向中继网络包含一个中继节点R和多个终端节点A、B、C、D，以及R和终端节点A、B、C、D之间的无线多径衰落信道1-6；信息交换过程为：当两个终端节点要各自交互一条信息时，在使用物理层网络编码的情况下，只需要2个时隙：在第一个时隙中两个终端节点同时发送信息给R，R对收到的信息进行采样、解码；在第二个时隙中，R将编码数据包同时发送给2个终端节点，终端节点在接收到编码信息之后，根据自己发送的信息，解码出对方发送的信息；中继节点的数据处理分别由匹配滤波器2-1、采样器2-2和解码器2-3组成；中继节点接收到的信号r(t)依次经过上述模块处理之后，得到编码数据包

根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于物理层网络编码的解码方法，包括：根据采样得到的数据，运用BP算法进行解码；在解码过程，在信道参数已知的情况下，首先对根据采样到的信号构造出一个泰勒图并计算出每个证据节点(evidencenode)的概率。然后依据概率信息的传递法则，计算出每个节点发送的数据的后验概率最后再得到编码数据的最大后验概率，从而得到最终的编码数据包。

本申请提供的基于物理层网络编码的解码方法及相应数据处理方法，是在无线双向中继网络中的中继节点上，在多径衰落信道环境中物理层网络编码解码器的解码方法。当两个终端节交互信息时，在第一个时隙内同时向中继节点发送数据。在中继节点上，先对接收到的数据进行采样，然后运用置信传播(BeliefPropagation，BP)算法，对采样得到的数据进行解码，得到一个新的编码信息，再把这个编码信息在第二个时隙内广播出去。终端节点收到后可以根据已发送的信息来解码出对方的信息。能够有效地减少解码过程中的误码率。

附图说明

图1为多径衰落的无线通信网络的示意图；

图2为中继节点R的数据处理过程示意图；

图3a为双倍采样情况下的泰勒图构造图；

图3b为多倍采样情况下的泰勒图构造图；

图4a为泰勒图中信息的传递和更新的一种示意图；

图4b为泰勒图中信息的传递和更新的另一种示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一个具有多径衰落信道的中继网络有多个终端节点A、B、C、D和一个中继节点R以及多径衰落信道1-6组成。由于终端节点相对距离较大，终端节点相互通信必须经过中继节点R。在具有物理层网络编码的情况下，A、B各自交互一条信息需要2个时隙：在第一个时隙内，终端节点A、B同时发送自己的信息x_A[n]和x_B[n]，中继节点收到后进行处理后，在第二个时隙内将编码的信息广播出去。终端节点A、B收到广播信息之后，就可分别解码得到对方的信息。

物理层网络编码的关键在于第一个时隙内节点R收到终端节点A、B同时发送过来的信息后如何进行处理，从而产生一个新的编码的信息。第二个时隙内的通信则是传统的点对点传输。在实际的应用环境中，由于其他物体会对A、B发送出来的电磁波产生折射，R收到的信息是一个发生畸变和码间干扰的信息。在这种情形下，如果仍然采用AWGN信道中的处理方法，中继节点R的误码率将会很高。

本发明中，在中继节点R内部，如图2所示，R对基带信号的处理过程如下：信号先经过一个匹配滤波器2-1后进入一个采样器2-2，该采样器对数据进行采样并把采样得到的数据发送到解码器2-3。在解码器中，在信道参数已知的情况下，解码过程分为2步：1)根据这些采样的数据构造出泰勒图并计算出证据节点的概率；2)根据BP的信息传递法则，得到最终的要发送的信息为了表示方便，在以下说明中，我们分别用r_i和r表示(x_A[n]，x_B[n])，r[i]和(r₁，r₂，...，r_2N或r₁，r₂，...，r_4N)。

1)构造泰勒图并计算证据节点概率

根据采样数据，构造出的泰勒图如图3所示。在图中，X₁，X₂，...，X_2N表示变量节点，每个变量节点与证据节点r_i是相连的。兼容节点ψ代表了不同变量节点的连接。图3a和图3b所示的泰勒图是一个马尔科夫过程，因此ψ(X_i-1，X_i)∝Pr(X_i-1|X_i)。

如图3a所示，对于双倍采样法，计算证据节点概率的方法如下：

$\begin{array}{c}{p}_{2n-1}^{a,b,c}=P\left(x_A\right[n]=\frac{a}{\sqrt{2}},x_B[n-1]=\frac{b}{\sqrt{2}},x_A[n-1]=\frac{c}{\sqrt{2}}|r[2n-1])\\ \∝\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\σ}}^2/{\mathrm{\Δ}}^2}\exp \{-\frac{{(\mathrm{Re}\left(r\right[2n-1\left]\right)-\mathrm{Re}\{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aa}}^0\·a+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ab}}\·b+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ab}}^1\·c\}/\sqrt{2})}^2}{2{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\σ}}^2/{\mathrm{\Δ}}^2}\}\\ \·\exp \{-\frac{{(\mathrm{Im}\left(r\right[2n-1\left]\right)-\mathrm{Im}\{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aa}}^0\·a+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ab}}\·b+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aa}}^1\·c\}/\sqrt{2})}^2}{{2\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\σ}}^2/{\mathrm{\Δ}}^2}\};\\ p_{2n}^{a,b,c}=P\left(x_A\right[n]=\frac{a}{\sqrt{2}},x_B[n]=\frac{c}{\sqrt{2}},x_B[n-1]=\frac{b}{\sqrt{2}}|r\left[2n\right])\\ \∝\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\σ}}^2/{(1-\mathrm{\Δ})}^2}\exp \{-\frac{{(\mathrm{Re}\left(r\right[2n\left]\right)-\mathrm{Re}\{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ba}}\·a+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bb}}^0\·c+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bb}}^1\·b\}/\sqrt{2})}^2}{{2\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\σ}}^2/{(1-\mathrm{\Δ})}^2}\}\\ \·\exp \{-\frac{{(\mathrm{Im}\left(r\right[2n\left]\right)-\mathrm{Im}\{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ba}}\·a+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bb}}^0\·c+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bb}}^1\·b\}/\sqrt{2})}^2}{{2\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\σ}}^2/{(1-\mathrm{\Δ})}^2}\}.\end{array}---\left(1\right)$

如图3b所示，对于多倍采样法(以四倍采样法为例)，计算证据节点概率的方法如下：

2)信息传递与更新方法

如图4a和图4b所示，R_k和Q_k分别表示第k个兼容节点的左侧和右侧的概率。信息的传递分为2次：如图4a的从左至右和如图4b的从右至左。因此，为了区别显示，我们用和表示向右传递的信息，用和表示向左传递的信息。当从左至右传递信息时，根据BP的传递法则，我们可得到其中P_k，R_k和Q_k都是向量，定义分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_k=(P_k^{1+j,1+j,1+j},p_k^{1+j,1+j,-1+j},...,p_k^{1-j,-1-j,1-j})\\ Q_{k-1}=(q_{k-1}^{1+j,1+j,1+j},q_{k-1}^{1+j,1+j,-1+j},...,q_{k-1}^{1-j,-1-j,1-j})\\ R_k=(r_k^{1+j,1+j,1+j},r_k^{1+j,1+j,-1+j},...,r_k^{1-j,-1-j,1-j})\end{array}\right.---\left(3\right)$

对于最左侧的兼容性节点，我们定义根据兼容节点左右两侧向量中包含的相同的元素，从更新的方法从以下三个中选其一：

$q_k^{a,b,1+j}=q_k^{a,b,-1+j}=q_k^{a,b,-1-j}=q_k^{a,b,1-j}=\underset{c}{\mathrm{\Σ}}{r}_k^{a,b,c};$

$\begin{array}{c}{q}_k^{1+j,b,c}=q_k^{-1+j,b,c}=q_k^{-1-j,b,c}=q_k^{1-j,b,c}=\underset{a}{\mathrm{\Σ}}{r}_k^{a,b,c};\\ q_k^{a,1+j,c}=q_k^{a,-1+j,c}=q_k^{a,-1-j,c}=q_k^{a,1-j,c}=\underset{a}{\mathrm{\Σ}}{r}_k^{a,b,c}.\end{array}---\left(4\right)$

同理，从右至左的信息传递和更新是类似的。当信息传递和更新完毕之后，对于每偶数个证据节点，我们可以计算 $p\left(x_A\right[n]=a,x_B[n]=b,x_B[n-1]=c|r)=\mathrm{\μ}\left(X_{2n}\right)=p_{2n}^{a,b,c}\·q_{2n-1}^{a,b,c}\·r_{2n}^{a,b,c}.$ 当采用双倍采样法时，最终的编码数据是：

$x_R\left[n\right]=x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right]=\arg \underset{x\∈X}{\max }\left(\underset{x=x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right]}{\mathrm{\Σ}}\underset{x_B[n-1]}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\μ}\left(X_{2n}\right)\right)---\left(5\right)$

当采用多倍(四倍为例)时，最终的编码数据是：

$x_R\left[n\right]=x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right]=\arg \underset{x}{\max }\left(\underset{x=x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right]}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\μ}\left(X_{4n}\right)\right)---\left(6\right)$

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (2)

1.一种基于物理层网络编码的数据处理方法，包括无线双向中继网络，信息交换过程和中继节点的数据处理；其特征在于，

无线双向中继网络包含一个中继节点(R)和多个终端节点(A)、(B)、(C)、(D)，以及R和终端节点(A)、(B)、(C)、(D)之间的无线多径衰落信道(1-6)；

信息交换过程为：当两个终端节点要各自交互一条信息时，在使用物理层网络编码的情况下，只需要2个时隙：在第一个时隙中两个终端节点同时发送信息给R，R对收到的信息进行采样、解码；在第二个时隙中，R将编码数据包同时发送给2个终端节点，终端节点在接收到编码信息之后，根据自己发送的信息，解码出对方发送的信息；

中继节点的数据处理分别由匹配滤波器(2-1)、采样器(2-2)和解码器(2-3)组成；中继节点接收到的信号r(t)依次经过上述模块处理之后，得到编码数据包 $x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right].$

2.一种基于物理层网络编码的解码方法，其特征在于，包括：根据采样得到的数据，运用BP算法进行解码；在解码过程，在信道参数已知的情况下，首先对根据采样到的信号构造出一个泰勒图并计算出每个证据节点的概率。然后依据概率信息的传递法则，计算出每个节点发送的数据的后验概率最后再得到编码数据的最大后验概率，从而得到最终的编码数据包。