CN105356974A - 物理层网络编码同步方法 - Google Patents

Abstract

物理层网络编码同步方法，属于同步网络编码领域。现有BP算法中无法得知符号异步量的问题。一种物理层网络编码同步方法，构架PNC模型和完全互补码；在PNC的数据帧前面增加构建的完全互补码作为同步码字头，节点A、B要发送的原始数据S_A和S_B经过调制转化成信号x_A和x_B，并发送给中继节点R；中继节点R接收到带有噪声的信号后，利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ，利用符号异步量Δ，采用BP接收机最终得到另一个节点的信息和。本发明解决了PNC异步问题，达到可靠通信的目的。

Description

物理层网络编码同步方法

技术领域

本发明涉及一种物理层网络编码同步方法。

背景技术

物理层网络编码(PNC)通过在中继节点应用一种适合的调制和解调技术，利用电磁波的线性叠加性质，将原先的信号干扰过程变成了网络编码中的一部分运算。因此一个关键的问题就是怎样去处理当中继节点接收信号存在异步的问题。

在物理层网络编码中，源节点到达中继节点的信号必须同步才能达到正确传输的目的。目前为止，主要利用BP迭代算法来解决PNC的异步问题，但是现有的BP迭代算法均假设已知符号异步量Δ，实际通信中符号异步量Δ并不已知。所以，处理当中继节点接收信号存在异步的问题，就需要求得符号异步量Δ，进而解决异步问题使得物理层网络编码的误码率产生的3-6dB的下降问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有BP算法中无法得知符号异步量的问题，而提出一种物理层网络编码同步方法。

一种物理层网络编码同步方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设置节点A、B和中继节点R，且节点A、B与中继节点R之间的信道为高斯信道，以构架PNC模型；之后构建能够使PNC同步的完全互补码；

步骤二、在PNC的数据帧前面增加步骤一所构建的完全互补码作为同步码字头，然后，节点A、B要发送的原始数据S_A和S_B经过调制转化成信号x_A和x_B，并发送给中继节点R；

步骤三、中继节点R接收到信号y_R＝x_A+x_B+w_R后，首先利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ，之后利用估计所得的符号异步量Δ，采用BP接收机作用于PNC，对x_A和x_B进行同步操作，得到y_R；之后将y_R映射为信号x_R，并且发送给节点A和B；其中，w_R表示噪声；

步骤四、节点A、B对接收到的信号x_R进行解调，将解调后得到的信息和原始数据S_A和S_B结合，分别得到另一个节点的信息和

本发明的有益效果为：

本发明采用互补码作为同步码字，在物理层网络编码(PNC)系统中的数据帧中加一个同步头来估计符号异步量Δ；之后采用BP算法解决物理层网络编码(PNC)异步问题。

本发明首先构造完全互补码，然后将完全互补码作为发送信号帧的同步头，在中继节点处使用并行滑动相关同步系统来对源节点的两路信号进行估计，得到符号异步量Δ；然后利用BP迭代算法对这两路信号进行同步操作，解决了PNC异步问题，使所接收的信号更加精准，达到可靠通信的目的。

附图说明

图1为本发明三节点PNC的系统模型；

图2为本发明PNC帧结构图；

图3为本发明并行滑动相关同步系统结构图；

图4为本发明BP迭代算法接收机原理图；

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的物理层网络编码同步方法，物理层网络编码即为表1所示的在中继节点进行映射处理的过程，结合图1所示的三节点PNC的系统模型和图5所示的流程图，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设置节点A、B和中继节点R，且节点A、B与中继节点R之间的信道为高斯信道，以构架如图1所示的PNC模型；之后构建能够使PNC同步的完全互补码；其中，PNC表示三节点物理层网络编码系统，是应用到双向中继系统中的一种物理层技术；

步骤二、在PNC的数据帧前面增加步骤一所构建的完全互补码作为同步码字头，然后，节点A、B要发送的原始数据S_A和S_B经过调制转化成信号x_A和x_B，并发送给中继节点R；其中，节点A、B采用BPSK调制方式进行调制，BPSK调制方式是指二进制相移键控；

步骤三、中继节点R接收到信号y_R＝x_A+x_B+w_R后，首先利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ，之后利用估计所得的符号异步量Δ，采用BP接收机作用于PNC，对x_A和x_B进行同步操作，得到y_R；之后将y_R映射为信号x_R，并且发送给节点A和B；其中，w_R表示噪声；

步骤四、节点A、B对接收到的信号x_R进行解调，将解调后得到的信息和原始数据S_A和S_B结合，分别得到另一个节点的信息和

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的物理层网络编码同步方法，步骤一所述的构建PNC的完全互补码的过程为，

步骤一一、构设同步码字为互补码对：序列a和序列b；

其中，序列a＝[a(0),a(1),…a(N-1)]，序列b＝[b(0),b(1),…b(N-1)]，N表示码长；

对任意的n，n＝0,1,…N-1，|a_n|＝1，|b_n|＝1，且序列a和序列b的自相关函数R_a,a(n)和自相关函数R_b,b(n)满足 $R_{a,a}\left(n\right)+R_{b,b}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}2N,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$ 即序列a与b的自相关函数之和只在n＝0处不为0；

步骤一二、由步骤一一构设的互补码对：序列a和序列b，分别作为互补码子码a_p和互补码子码b_p，并分别组成互补码集A和互补码集B；其中，

互补码集A＝{a_p,1≤p≤P}，a_p＝[a_p(0),a_p(1),…a_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码集B＝{b_p,1≤p≤P}，b_p＝[b_p(0),b_p(1),…b_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码子码a_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{p}{\Σ}}{R}_{a_p,a_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$ 即序列a的自相关函数之和只在n＝0处不为0；

互补码子码b_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{p}{\Σ}}{R}_{b_p,b_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$ 即序列b的自相关函数之和只在n＝0处不为0；

步骤一三、令步骤一二得到的互补码集A和互补码集B构成集合C＝{A,B,…}；且互补码集A和互补码集B中的互补子码互相关函数满足：

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的物理层网络编码同步方法，步骤三所述利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ的过程为，

步骤三一、在每个子码的前后分别加入一段循环前缀CyclicPrefix和循环后缀CyclicPostfix，用来保护子码间正交性，得到如图2所示的帧结构，子码A₁的后面一段长度的互补码被复制移到了A₁码的前面作为循环前缀，而前面一段长度的互补码被复制移到了A₁码后面作为循环后缀，循环前缀和循环后缀的长度都大于信号x_A和x_B可能产生的最大时延τ_MAX；

步骤三二、并行滑动相关同步系统，估算符号异步量Δ：

将接收到的信号分为K路，分别延时0,T_S/K,2T_S/K,…,(K-1)T_S/K后，分别与信号x_A中的子码A₀、A₁和信号x_B中的子码B₀、B₁作相关运算，分别取相关结果最大的两路作为输出结果，将两路的结果做相减计算得到符号异步量Δ；具体结构图如图3所示。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的物理层网络编码同步方法，步骤三所述采用BP接收机作用于PNC，对x_A和x_B进行同步操作，得到y_R；之后将y_R映射为信号x_R的过程为，BP接收机对信号y_R分两路进行接收，信号y_R被分为两路，N的码长范围内，一段为从0到Δ的y[2n]，n＝1,2,...,N，另一段为从Δ到T_s的y[2n-1]，n＝1,2,...,N，分别进行积分后，再合成为一路具有2N+1个节点的信号y[k]，k＝1,2,...,2N+1，这样就可以得到同步处理后的y_R，具体结构如图4所示，然后利用PNC在中继节点处的特殊映射得到x_R，具体的映射表如表1所示：

表1PNC节点符号映射表

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的物理层网络编码同步方法，步骤一二所述组成互补码集A和互补码集B的过程为，

(一)、设U为N维酋矩阵，u_ij∈U,(i,j＝1,2,…,N)，且|u_ij|＝1，能够用U₁,U₂,…,U_N表示矩阵U的各行所构成的长度为N的序列，则U的矩阵形式表示为：

同样，设Q为N维酋矩阵，q_ij∈Q,(i,j＝1,2,…,N)，且|q_ij|＝1，能够用Q₁,Q₂,…,Q_N表示矩阵Q的各行所构成的长度为N的序列，则Q的矩阵形式表示为：

用U_iQ_j表示U_i与Q_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即U_iQ_j＝(u_i1q_j1,u_i2q_j2,…,u_iNq_jN)，然后得到构造矩阵A的形式表示为：

其中，A＝{A₁,A₂,…,A_N}构成步骤一二所述的互补码集A；

(二)、设E为N维酋矩阵，e_ij∈E,(i,j＝1,2,…,N)，且|e_ij|＝1，能够用E₁,E₂,…,E_N表示矩阵E的各行所构成的长度为N的序列，则E的矩阵形式表示为：

同样，设F为N维酋矩阵，f_ij∈F,(i,j＝1,2,…,N)，且|f_ij|＝1，能够用F₁,F₂,…,F_N表示矩阵F的各行所构成的长度为N的序列，则F的矩阵形式表示为：

用E_iF_j表示E_i与F_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即E_iF_j＝(e_i1f_j1,e_i2f_j2,…,e_iNf_jN)，然后得到构造矩阵A的形式表示为：

其中，B＝{B₁,B₂,…,B_N}构成步骤一二所述的互补码集B。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的物理层网络编码同步方法，步骤一三所述集合C的构造过程为：

首先，设D为一个N维酉矩阵，d_ij∈D,(i,j＝1,2,…,N)，且|d_ij|＝1，由矩阵D与矩阵A构造矩阵C₁,C₂,…,C_N，其中，用C_ij，j＝1,2,…,N表示任意矩阵C_i的各行元素：

则C_i＝{C_i1,C_i2,…,C_iN}仍然是一个互补码集，N个子互补码集C＝{C₁,C₂,…,C_N}共同构成了一个完全互补码，其中任意子序列C_ij的长度为N²；

然后，利用元素交织的方法将完全互补码的长度进行扩展，最终得到理想长度的完全互补码。

实施例1：

具体步骤如下：

步骤1

(1)构设同步码字为互补码对：序列a＝[a(0),a(1),…a(N-1)]和序列b＝[b(0),b(1),…b(N-1)]；其中，N表示码长；

对任意的n，n＝0,1,…N-1，|a_n|＝1，|b_n|＝1，且序列a和序列b的自相关函数R_a,a(n)和自相关函数R_b,b(n)满足 $R_{a,a}\left(n\right)+R_{b,b}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}2N,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

(2)由构设的互补码对序列a和序列b，分别作为互补码子码a_p和互补码子码b_p，并分别组成互补码集A和互补码集B；其中，

互补码集A＝{a_p,1≤p≤P}，a_p＝[a_p(0),a_p(1),…a_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码集B＝{b_p,1≤p≤P}，b_p＝[b_p(0),b_p(1),…b_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码子码a_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{p}{\Σ}}{R}_{a_p,a_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

互补码子码b_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{p}{\Σ}}{R}_{b_p,b_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

(3)令得到的互补码集A和互补码集B构成集合C＝{A,B,…}；且互补码集A和互补码集B中的互补子码互相关函数满足：

(4)设U为N维酋矩阵，u_ij∈U,(i,j＝1,2,…,N)，且|u_ij|＝1，能够用U₁,U₂,…,U_N表示矩阵U的各行所构成的长度为N的序列，则U的矩阵形式表示为：

同样，设Q为N维酋矩阵，q_ij∈Q,(i,j＝1,2,…,N)，且|q_ij|＝1，能够用Q₁,Q₂,…，Q_N表示矩阵Q的各行所构成的长度为N的序列，则Q的矩阵形式表示为：

用U_iQ_j表示U_i与Q_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即U_iQ_j＝(u_i1q_j1,u_i2q_j2,…,u_iNq_jN)，然后得到构造矩阵A的形式表示为：

其中，A＝{A₁,A₂,…,A_N}构成步骤一二所述的互补码集A；

(5)设E为N维酋矩阵，e_ij∈E,(i,j＝1,2,…,N)，且|e_ij|＝1，能够用E₁,E₂,…,E_N表示矩阵E的各行所构成的长度为N的序列，则E的矩阵形式表示为：

同样，设F为N维酋矩阵，f_ij∈F,(i,j＝1,2,…,N)，且|f_ij|＝1，能够用F₁,F₂,…,F_N表示矩阵F的各行所构成的长度为N的序列，则F的矩阵形式表示为：

用E_iF_j表示E_i与F_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即E_iF_j＝(e_i1f_j1,e_i2f_j2,…,e_iNf_jN)，然后得到构造矩阵A的形式表示为：

其中，B＝{B₁,B₂,…,B_N}构成步骤一二所述的互补码集B。

(6)设D为一个N维酉矩阵，d_ij∈D,(i,j＝1,2,…,N)，且|d_ij|＝1，由矩阵D与矩阵A构造矩阵C₁,C₂,…,C_N，其中，用C_ij，j＝1,2,…,N表示任意矩阵C_i的各行元素：

则C_i＝{C_i1,C_i2,…,C_iN}仍然是一个互补码集，N个子互补码集C＝{C₁,C₂,…,C_N}共同构成了一个完全互补码，其中任意子序列C_ij的长度为N²；

然后，利用元素交织的方法将完全互补码的长度进行扩展，最终得到理想长度的完全互补码。

步骤2将步骤1中所构建的完全互补码作为PNC帧的同步头，按照图3来构造PNC帧，将节点A和B发送的信息都按照这种方法来构造；

步骤3在第一个时隙，将步骤2中节点A和B构造的帧同时发送给中继节点R；

步骤4中继节点R接收到节点A和B发送过来的信号帧之后，

(1)在每个子码的前后分别加入一段循环前缀和循环后缀，子码A₁的后面一段长度的互补码被复制移到了A₁码的前面作为循环前缀，而前面一段长度的互补码被复制移到了A₁码后面作为循环后缀，循环前缀和循环后缀的长度都大于信号x_A和x_B可能产生的最大时延τ_MAX；

(2)并行滑动相关同步系统，估算符号异步量Δ：

将接收到的信号分为多路作延时后，分别与信号x_A中的子码A₀、A₁和信号x_B中的子码B₀、B₁作相关运算，分别取相关结果最大的两路作为输出结果，将两路的结果做相减计算得到符号异步量Δ；

从而完成并行滑动相关同步系统，最终两帧x_A和x_B之间的符号异步量Δ求出来；

步骤5利用步骤4求出的符号异步量Δ，BP接收机对信号y_R分两路进行接收，信号y_R被分为两路，N的码长范围内，一段为从0到Δ的y[2n]，n＝1,2,...,N，另一段为从Δ到T_s的y[2n-1]，n＝1,2,...,N，分别进行积分后，再合成为一路具有2N+1个节点的信号y[k]，k＝1,2,...,2N+1，得到同步处理后的y_R，然后利用PNC在中继节点处的映射得到x_R。完成BP迭代算法对中继节点R接收到的信号y_R进行同步操作；

步骤6将同步处理之后的信号y_R，按照表1中PNC映射规则映射为x_R；

步骤7在第二个时隙，中继节点将x_R发送给节点A和B；

步骤8节点A和B接收到x_R之后，经过解调，然后将解调后的信号与自己本身发送的信号进行比特异或，就可以得到对方节点的信息和节点A、B完成信息的交换。

Claims (6)

1.一种物理层网络编码同步方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、设置节点A、B和中继节点R，且节点A、B与中继节点R之间的信道为高斯信道，以构架PNC模型；之后构建能够使PNC同步的完全互补码；

步骤二、在PNC的数据帧前面增加步骤一所构建的完全互补码作为同步码字头，然后，节点A、B要发送的原始数据S_A和S_B经过调制转化成信号x_A和x_B，并发送给中继节点R；

步骤三、中继节点R接收到信号y_R＝x_A+x_B+w_R后，首先利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ，之后利用估计所得的符号异步量Δ，采用BP接收机作用于PNC，对x_A和x_B进行同步操作，得到y_R；之后将y_R映射为信号x_R，并且发送给节点A和B；其中，w_R表示噪声；

步骤四、节点A、B对接收到的信号x_R进行解调，将解调后得到的信息和原始数据S_A和S_B结合，分别得到另一个节点的信息和

2.根据权利要求1所述物理层网络编码同步方法，其特征在于：步骤一所述的构建PNC的完全互补码的过程为，

步骤一一、构设同步码字为互补码对：序列a和序列b；

其中，序列a＝[a(0),a(1),…a(N-1)]，序列b＝[b(0),b(1),…b(N-1)]，N表示码长；

对任意的n，n＝0,1,…N-1，|a_n|＝1，|b_n|＝1，且序列a和序列b的自相关函数R_a,a(n)和自相关函数R_b,b(n)满足 $R_{a,a}\left(n\right)+R_{b,b}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}2N,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

步骤一二、由步骤一一构设的互补码对：序列a和序列b，分别作为互补码子码a_p和互补码子码b_p，并分别组成互补码集A和互补码集B；其中，

互补码集A＝{a_p,1≤p≤P}，a_p＝[a_p(0),a_p(1),…a_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码集B＝{b_p,1≤p≤P}，b_p＝[b_p(0),b_p(1),…b_p(N-1)]，p＝1,2,…,P；

互补码子码a_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{P}{\Σ}}{R}_{a_p,a_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

互补码子码b_p的自相关函数之和除0点之外，处处为零，即满足：

$\underset{p=1}{\overset{P}{\Σ}}{R}_{b_p,b_p}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}PN,& n=0\\ 0,& n\≠0\end{array}\right.;$

步骤一三、令步骤一二得到的互补码集A和互补码集B构成集合C＝{A,B,…}；且互补码集A和互补码集B中的互补子码互相关函数满足：

3.根据权利要求1或2所述物理层网络编码同步方法，其特征在于：步骤三所述利用PNC的数据帧中同步码字头来估计x_A和x_B到达中继节点R的符号异步量Δ的过程为，

步骤三一、在每个子码的前后分别加入一段循环前缀和循环后缀，子码A₁的后面一段长度的互补码被复制移到了A₁码的前面作为循环前缀，而前面一段长度的互补码被复制移到了A₁码后面作为循环后缀，循环前缀和循环后缀的长度都大于信号x_A和x_B可能产生的最大时延τ_MAX；

步骤三二、并行滑动相关同步系统，估算符号异步量Δ：

将接收到的信号分为K路，分别延时0,T_S/K,2T_S/K,…,(K-1)T_S/K后，分别与信号x_A中的子码A₀、A₁和信号x_B中的子码B₀、B₁作相关运算，分别取相关结果最大的两路作为输出结果，将两路的结果做相减计算得到符号异步量Δ。

4.根据权利要求3所述物理层网络编码同步方法，其特征在于：步骤三所述采用BP接收机作用于PNC，对x_A和x_B进行同步操作，得到y_R；之后将y_R映射为信号x_R的过程为，BP接收机对信号y_R分两路进行接收，信号y_R被分为两路，N的码长范围内，一段为从0到Δ的y[2n]，n＝1,2,...,N，另一段为从Δ到T_s的y[2n-1]，n＝1,2,...,N，分别进行积分后，再合成为一路具有2N+1个节点的信号y[k]，k＝1,2,...,2N+1，得到同步处理后的y_R，然后利用PNC在中继节点处的映射得到x_R。

5.根据权利要求1、2或4所述物理层网络编码同步方法，其特征是：步骤一二所述组成互补码集A和互补码集B的过程为，

(一)、设U为N维酋矩阵，u_ij∈U,(i,j＝1,2,…,N)，且|u_ij|＝1，能够用U₁,U₂,…,U_N表示矩阵U的各行所构成的长度为N的序列，则U的矩阵形式表示为：

同样，设Q为N维酋矩阵，q_ij∈Q,(i,j＝1,2,…,N)，且|q_ij|＝1，能够用Q₁,Q₂,…,Q_N表示矩阵Q的各行所构成的长度为N的序列，则Q的矩阵形式表示为：

用U_iQ_j表示U_i与Q_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即U_iQ_j＝(u_i1q_j1,u_i2q_j2,…,u_iNq_jN)，然后得到构造矩阵A的形式表示为：

其中，A＝{A₁,A₂,…,A_N}构成步骤一二所述的互补码集A；

(二)、设E为N维酋矩阵，e_ij∈E,(i,j＝1,2,…,N)，且|e_ij|＝1，能够用E₁,E₂,…,E_N表示矩阵E的各行所构成的长度为N的序列，则E的矩阵形式表示为：

同样，设F为N维酋矩阵，f_ij∈F,(i,j＝1,2,…,N)，且|f_ij|＝1，能够用F₁,F₂,…,F_N表示矩阵F的各行所构成的长度为N的序列，则F的矩阵形式表示为：

用E_iF_j表示E_i与F_j两个长度为N的序列中对应元素相乘所得的新的长度为N的序列，即E_iF_j＝(e_i1f_j1,e_i2f_j2,…,e_iNf_jN)，然后得到构造矩阵B的形式表示为：

其中，B＝{B₁,B₂,…,B_N}构成步骤一二所述的互补码集B。

6.根据权利要求5所述物理层网络编码同步方法，其特征在于：步骤一三所述集合C的构造过程为：

首先，设D为一个N维酉矩阵，d_ij∈D,(i,j＝1,2,…,N)，且|d_ij|＝1，由矩阵D与矩阵A构造矩阵C₁,C₂,…,C_N，其中，用C_ij，j＝1,2,…,N表示任意矩阵C_i的各行元素：

则C_i＝{C_i1,C_i2,…,C_iN}仍然是一个互补码集，N个子互补码集C＝{C₁,C₂,…,C_N}共同构成了一个完全互补码，其中任意子序列C_ij的长度为N²；

然后，利用元素交织的方法将完全互补码的长度进行扩展，最终得到理想长度的完全互补码。