CN105099619A - 一种物理层网络编码的多倍采样方法及相应数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物理层网络编码的多倍采样方法及相应数据处理方法，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，为了降低解码的误码率，利用多径衰落信道的参数，构造出相应的匹配滤波器并对接收到的信号进行多倍速率采样。然后根据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有的信息来解码出对方的信息。有效地降低了误码率。

Description

一种物理层网络编码的多倍采样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，尤其涉及到一种物理层网络编码的多倍采样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在时域内中继节点上的一种物理层网络编码的多倍采样方法是很有必要的。

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

本发明提出了一种物理层网络编码的多倍采样方法及相应数据处理方法，有效地降低了误码率。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种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；所述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：当两个终端节点想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，就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、多倍采样器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，提供一种物理层网络编码的多倍采样方法，包括：根据信道参数构建的匹配滤波器和多倍采样器，信号r(t)首先进入4个不同的匹配滤波器，在匹配滤波器中同时和4条信道的冲击响应的共轭函数相乘，再分别积分；最后在输出的信号中分别在(n-1+τ₁)，(n-1+Δ)，(n-1+Δ+l₁)和n时刻进行采样，分别得到了采样信号r[4n-3]，r[4n-2]，r[4n-1]和r[4n]，(n＝1，2，...N)。

本申请提供的一种物理层网络编码的多倍采样方法及相应数据处理方法，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，为了降低解码的误码率，利用多径衰落信道的参数，构造出相应的匹配滤波器并对接收到的信号进行多倍速率采样。然后根据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有的信息来解码出对方的信息。有效地降低了误码率。

附图说明

图1物理层网络编码在无线双向中继网络中的应用的示意图；

图2中继节点R的数据处理过程的示意图；

图3中继节点R上的匹配滤波器和多倍采样的示意图。

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A、B、C、D之间相对距离较大，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，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。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。

从以上的描述可以看出，物理层网络编码的关键在于第一个时隙内节点R收到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上，如图2所示，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后进入一个多倍采样器2-2，该采样器在一个码元周期内采样多次。经过采样后的信息送入解码器2-3，最后产生一个编码的信息发送出去。

假定终端节点A到R有p条路径，终端节点B到R有s条路径。进一步假设节点A的第i条路径的信道冲击响应为节点B的第j条路径的冲击响应是其中ηi(μ_j)和分别代表终端节点A(B)的第i(j)条路径的衰减系数和相移。考虑到脉冲调制函数g(t)，那么对于节点A的第i条路径和节点B的第j条路径，有效的信道冲击响应分别是和假定Δ(0＜Δ＜1)是终端节点A第一条路径和终端节点B的第一条路径的相对延迟，那么τ_i是终端节点A的第i条path的时延，l_j+Δ是节点B的第j条路径的时延。那么节点R收到的信号可以表示为：

$r\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{i=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_A\right[n]h_i^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_i))+\underset{j=0}{\overset{s-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_B[n\left]h_j^B(t-(n+l_j+\mathrm{\Δ}))\right]+w\left(t\right)---\left(1\right)$

其中x_A[n]和x_B[n]分别是节点A和B的调制信号，w(t)是加性高斯白噪声。

以p＝s＝2的情形为例，来说明在中继节点R中匹配滤波器和多倍采样方法。如图2所示，将接收到的信号r(t)通过4个并行的匹配滤波器然后分别在(n-1+τ₁)，(n-1+Δ)，(n-1+Δ+l₁)和n时刻进行采样，那么我们就会得到如下的离散的数据：

$\begin{array}{c}r[4n-3]=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}r\left(t\right){h^{*}}_0^A(t-n)\mathrm{dt}\\ =x_A\left[n\right]{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{aa}}^0+x_A[n-1]{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{aa}}^1+x_B[n-1]({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}^0+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ab}}^1)+w[4n-3];\\ r[4n-2]=\frac{1}{\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}r\left(t\right){h^{*}}_1^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_1))\mathrm{dt}\\ =x_A\left[n\right]({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{aa}}^0+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{aa}}^1)+x_B[n-1]({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ab}}^0+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ab}}^1)+w[4n-2];\\ r[4n-1]=\frac{1}{l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}r\left(t\right){h^{*}}_0^B(t-(n+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt}\\ =x_A\left[n\right][{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ba}}^0+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ba}}^1]+x_B\left[n\right]{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bb}}^0+x_B[n-1]{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{bb}}^1+w[4n-1];\\ r\left[4n\right]=\frac{1}{1-\mathrm{\Δ}-l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^{n}r\left(t\right){h^{*}}_1^B(t-(n+l_1+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt}\\ =x_A\left[n\right][{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ba}}^0+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ba}}^1]+x_B\left[n\right][{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bb}}^0+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bb}}^1]+w\left[4n\right],\end{array}---\left(2\right)$

其中和分别是匹配滤波器产生的积分系数，定义分别如下：

${{\mathrm{\μ}}^0}_{\mathrm{aa}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}{h}_0^A(t-n){h_0^{*}}^A(t-n)\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^1}_{\mathrm{aa}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}{h}_1^A(t-n+1){h_0^{*}}^A(t-n)\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^0}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}{h}_0^B(t-n+1){h_0^{*}}^A(t-n)\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^1}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}{h}_1^B(t-n+1){h_0^{*}}^A(t-n)\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^0}_{\mathrm{aa}}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}{h}_0^A(t-n){h_1^{*}}^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^1}_{\mathrm{aa}}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}{h}_1^A(t-n+1){h_1^{*}}^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^0}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}{h}_0^B(t-n+1){h_1^{*}}^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^1}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}{h}_1^B(t-n+1){h_1^{*}}^A(t-(n+{\mathrm{\τ}}_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^0}_{\mathrm{ba}}=\frac{1}{l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}{h}_0^A(t-n){h_0^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^1}_{\mathrm{ba}}=\frac{1}{l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}{h}_{11}^A(t-n+1){h_0^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^0}_{\mathrm{bb}}=\frac{1}{l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}{h}_0^B(t-n+1){h_0^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\μ}}^1}_{\mathrm{bb}}=\frac{1}{l_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}{h}_1^B(t-n+1){h_0^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^0}_{\mathrm{ba}}=\frac{1}{1-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^n{h}_0^A(t-n){h_1^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}+l_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^1}_{\mathrm{ba}}=\frac{1}{1-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^n{h}_1^A(t-n+1){h_1^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}+l_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^0}_{\mathrm{bb}}=\frac{1}{1-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^n{h}_0^B(t-n+1){h_1^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}+l_1))\mathrm{dt};$

${{\mathrm{\λ}}^1}_{\mathrm{bb}}=\frac{1}{1-\mathrm{\Δ}-{\mathrm{\τ}}_1}{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^n{h}_1^B(t-n+1){h_1^{*}}^B(t-(n+\mathrm{\Δ}+l_1))\mathrm{dt}---\left(3\right)$

假定信道相应在一次发送之内保持不变的话，这些系数全部独立于n。w[4n-3]，w[4n-2]，w[4n-1]和w[4n]分别是均值为0的复高斯噪声，方差分别是β₂N₀/2(Δ-τ₁)²，和β₄N₀/2(1-Δ-l₁)²。其中，β₁，β₂，β₃和β₄的定义分别是

${\mathrm{\β}}_1={\∫}_{n-1}^{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}{\left|h_0^A\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt};$

${\mathrm{\β}}_2={{\∫}_{(n-1)+{\mathrm{\τ}}_1}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}}\left|h_0^B\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt};$

${\mathrm{\β}}_3={{\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}}^{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}\left|h_1^A\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt};$

${\mathrm{\β}}_4={\∫}_{(n-1)+\mathrm{\Δ}+l_1}^n{\left|h_1^B\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}.---\left(4\right)$

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，所述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：当两个终端节点想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，就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)、多倍采样器(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 $x_A\left[n\right]\⊕x_B\left[n\right].$

2.一种物理层网络编码的多倍采样方法，其特征在于，包括：根据信道参数构建的匹配滤波器和多倍采样器，信号r(t)首先进入4个不同的匹配滤波器，在匹配滤波器中同时和4条信道的冲击响应的共轭函数相乘，再分别积分；最后在输出的信号中分别在(n-1+τ₁)，(n-1+Δ)，(n-1+Δ+l₁)和n时刻进行采样，分别得到采样信号r[4n-3]，r[4n-2]，r[4n-1]和r[4n]，(n＝1，2，...N)。