CN107222440A - 一种基于网格编码的中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于网格编码的中继通信方法。本发明的方案有效利用线性预编码技术、嵌套网格编码技术、以及网格预编码技术，进行信道对齐、物理层网络编码、和干扰消除，实现了MIMO多端分布式中继系统在采用全数据交换模式情况下在有限信噪比时的传输方案设计。本发明的传输方案包括三个部分分别是：用户端发送策略，中继端收发策略，以及用户端接收策略。方案采用预编码技术在用户端进行干扰消除，不需要中继节点之间进行任何合作，能够在分布式中继系统中达到或逼近合作式中继系统的性能，从而在相同性能的情况下降低了中继节点的合作开销，有效提高了系统的资源利用率，也更实用于实际中继系统。

Description

一种基于网格编码的中继通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于网格编码的中继通信方法。

背景技术

在过去十年间物理层网络编码(Physical-layer Network Coding,PNC)已经被证实能够极大程度提高无线中继网络的网络容量，其突破性的核心思想在于允许中继节点对数据进行有效处理。物理层网络编码最早应用于双向中继网络(Two Way Relay Channel,TWRC)中，并且在采用网格编码(lattice coding)作为编码方案时所达到的系统容量只比TWRC的香农容量小0.5比特。随着多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术在传统无线通信中的广泛应用，MIMO-TWRC也成为科研工作者研究的重点。

随着PNC在TWRC上的成功，更多的研究工作开始研究更一般化的中继网络，比如MIMO多端中继信道(Multiway Relay Channel,MRC)，即多个多天线用户通过中继节点交换信息。不同的信息交换模式也会带来不同的传输方案的设计。在本专利中，我们考虑全数据交换(Full Data Exchange)，即网络中的每个用户需要获取其他所有用户的数据。针对MIMO-MRC并且采用全数据交换模型的系统，现有的文献多致力于网络自由度(Degrees ofFreedom,DoF)的分析，并且指出采用嵌套网格编码(nested-lattice coding)技术可以在某些系统模型下在信噪比趋于无穷的情况下渐近达到系统容量。

大部分现有的MIMO-MRC的工作只考虑一个中继节点的情况。由于所有的数据流都需要经过这个中继节点，使得中继节点经常成为制约系统性能进一步提高的瓶颈。因此，采用多个分布式的中继节点成为打破瓶颈进一步提升系统性能的一个有效手段。对于MIMO多端分布式中继信道(Multiway Distributed Relay Channel,MDRC)的研究还停留在DoF的研究方面，还缺少对于实际信噪比区域的传输方案设计。

发明内容

本发明的目的是针对MIMO-MDRC系统在采用全数据交换模式情况下，提出一套有效的传输方案。

为了达到上述目的，本发明的技术方案创新性的整合了线性预编码技术、嵌套网格编码、以及网格预编码技术，能够有效地进行信道对齐、物理层网络编码、和干扰消除。该方案的最大特征就在于将上述多种技术融合起来，为MIMO-MDRC在有限信噪比下提供逼近信道容量的性能。

本发明的传输方案包括三个部分分别是：用户端发送策略，中继端收发策略，以及用户端接收策略，具体如下：

用户端发送策略：

1.根据用户在各个子信道上的码率构建嵌套网格编码。

2.将上行(即从用户到中继端)传输时间分成K-1个时隙，其中K表示系统中的总用户数。

3.用户根据嵌套网格编码进行编码，即根据网格编码的星座点进行映射得到编码序列{c_k,n}。

4.用户k对自己到所有中继节点的信道矩阵H_k进行RQ分解得到：H_k＝R_kU_k，其中R_k的对角元素记为{r_k(n,n)}。

5.用户计算码流间干扰{v_k,n}，并在从发送码序列中减去码流间干扰项，即计算{c_k,n-v_k,n}。

6.用户从步骤5的结果中减去随机扰动信号(dithering){d_k,n}得到{c_k,n-v_k,n-d_k,n}，并对这个信号进行取模处理使得信号的发送信号满足功率约束。

7.用户将步骤6中的信号除以{r_k(n,n)}。

8.用户将步骤7中的信号乘以矩阵U_k ^T得到发送信号

9.用户1在时隙1发送信号用户K在时隙K-1发送信号其他用户k在时隙k-1,k两个时隙发送信号

用户端的发送操作如图1所示。上行时隙划分及时隙对用户的分配方案如图2所示。在用户端操作中我们假设所有用户知道所有信道的信道状态信息。

中继端收发策略：

1.从接收信号中加上扰动信号，并在网格码星座图上进行取模操作。

2.中继节点进行网格码译码得到不同用户信息流的线性组合

3.中继节点对进行重新编码并将编码序列广播到所有用户。用户端接收策略：

1.用户在接收到多个中继节点的信号后进行串型干扰消除(successiveinterference cancelation)译码得到中继端的发送信号，即

2.用户根据自己的发送信号以及中继的发送信号得到其他所有用户的信号。

本发明的有益效果为，本发明的方法利用线性预编码进行码流间的干扰消除，基于网格编码调制以及物理层网络编码充分利用多个用户之间的干扰，显著提高了系统的可达速率。同时，本发明的方案不需要多个分布式中继节点进行合作，而且可达速率逼近集中式中继网络的性能，这使得该方案可以更容易向实际通信系统中移植，具有显著的实用价值。

附图说明

图1是用户端发送策略流程示意图；

图2是上行时隙划分及时隙对用户的分配方案示意图；

图3是9QAM与81QAM嵌套网格码示意图；

图4是用户1编码示意图；

图5是用户2编码示意图；

图6是中继节点发送码字示意图；

图7是用户1解码示意图；

图8是用户2解码示意图。

图9是所提方案与其他参考方案在系统吞吐量上的比较图，系统中用户个数3，用户端天线数4，中继个数4，用户采用等功率约束。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明主要解决MIMO多端分布式中继信道在采用全数据交换模式下的传输方案设计问题。

首先简要介绍MIMO多端分布式中继信道的信道模型。假设在系统中存在K个用户，每个用户配备M根天线，以及N个单天线中继节点。用户必须通过N个中继进行信息交换。每一次信息传递周期包含两个阶段：用户到中继的上行传输及中继到用户的下行传输。令T为一次信息交换的时隙总数，αT为上行传输时隙数，(1-α)T为下行传输时隙数，其中α∈(0,1)。

我们首先考虑上行传输阶段。将上行传输时间αT均匀分成K-1个时隙，每个时隙的长度为第1个用户只在第1个时隙发送数据，第K个用户只在第K-1个时隙发送数据，其他用户k在第k-1,k两个时隙发送数据，具体的时隙分配如图2所示。下面我们将详细描述用户k的发送策略，其他用户的发送策略是类似的，将不再赘述。由于系统中存在N个中继节点，我们将信道分成N个子信道。令表示用户k在第n个子信道的信息，其中R_k,n表示相应地发送码率。则在第n个子信道上的所有发送数据为{w_1,n,…,w_K,n}。现在我们要构造适合第n个子信道的嵌套网格码。根据码率的大小可以对用户进行排序，并用{π(1),…,π(K)}表示，即R_π(1),n≥R_π(2),n≥…≥R_π(K),n。构造一系列嵌套网格星座集合使满足用户k在第n个子信道上的码集C_k,n则由星座集Λ_k,n与Λ_c,n共同定义。根据C_k,n，我们得到发送数据w_k,n的编码序列为c_k,n。

令表示从第k个用户到所有中继节点的信道矩阵，其中表示从用户k到中继n的信道向量。对信道矩阵H_k进行RQ分解得到

H_k＝R_kU_k

其中R_k是一个上三角矩阵其对角元素用r_k(n,n)表示，U_k由酉阵的N行构成且满足用户k在第n个子信道第l个时隙的码流间干扰项则可以根据下式计算：

其中x_k,n′表示其他码流的发送信号，注意如果按照从第一个码流开始串行设计发送信号，上式中{x_k,n′}是知道的。用户k按照下式构造时隙l的发送信号：

其中d_k,n表示扰动信号。令则用户k在时隙l的发送信号为：

上行用户的发送策略如图1所示。

我们现在考虑中继节点的接收和发送策略。不失一般性的，我们考虑第n个中继的操作。第n个中继在第l个时隙接收到的信号可以表示如下

中继在接收到后加上扰动信号d_k,n并在网格Λ_l,n上进行取模操作可得：

其中是不同用户的编码序列在第n个子信道上的线性组合，表示等效噪声。根据网格码译码算法我们可以从中恢复接着中继节点对重新编码得到中继节点的发送信号x_R,n并发送给所有用户。

最后我们考虑下行用户端的接收策略。用户k的接收信号可以建模如下：

其中g_n,k表示从中继n到用户k的下行信道向量。上述信道模型类似于多址接入信道，因此串行干扰消除信号检测算法可以用来从Y_k中恢复中继的发送信号注意到 并且用户k知道自己的发送信号，则用户可以恢复出其他用户的码序列{c_l,n}，从而完成整个信息交换的过程。

下面我们用具体参数情况下的一个例子详细讲述方案中最复杂的嵌套网格码编码过程。假设系统中有3个用户，每个用户的天线数量为2，系统工作在半双工模式下，并且上下行的时间相等，分布式中继的个数为2，每个用户和中继的最大功率限制相同。本例中上行链路分成两个相等的时隙，每个时隙发送两个用户的信息，即在时隙1中用户1和用户2发送信息，时隙2中用户2和用户3发送信息。由于每个时隙只有两个用户发送信息，每个时隙的操作过程完全一致，每个子信道的操作方式也完全一致。不失一般性地，我们将只详述第一个时隙中用户1和用户2的第一个子信道的编码以及解码操作。本例的具体方法为：

假设用户1采用9QAM调制，用户2采用81QAM调制。在子信道1中，两个用户的星座点之间的关系如图3所示。显然用户2的星座点是用户1星座点的一个子集。令w_1,1是用户1在子信道1上的编码序列，码流间干扰为z_1,1，则用户1的发送信号x_1,1由下式给出：

x_1,1＝(w_1,1-z_1,1)modΛ₁

用户1的编码过程如图4所示。同理令w_2,1表示用户2在子信道1上的编码序列，码流间干扰为z_2,1，用户2的发送信号x_2,1为

x_2,1＝(w_2,1-z_2,1)modΛ₂

用户2的编码过程如图5所示。

中继节点在收到信号后进行网格码译码得到x_1,1及x_2,1的线性组合x_R,1，即

x_R,1＝(x_1,1+x_2,1)modΛ₂

由于x_1,1及x_2,1都是Λ₂的星座点，因此x_R,1也是Λ₂上的星座点。中继节点的发送码字如图6所示。中继节点将x_R,1广播给所有用户。

用户收到中继的发送信号后首先进行译码操作得到x_R,1。接着用户1从接收信号中去除自己的信号x_1,1得到对于用户2信息w_2,1的估计。在无噪声情况下的译码过程如下：

从上式可以看到在无噪声情况下，在用户1端可以无误收到用户2的数据。用户1的译码过程如图7所示。

同理，用户2从接收信号中去除自己的信号x_2,1得到对于用户1信息w_1,1的估计。在无噪声情况下的译码过程如下：

在用户2端同样可以无误收到用户1的数据。用户2的译码过程如图8所示。

最后我们用一个仿真实例说明我们方案的性能。系统中存在K＝3个用户，每个用户的天线数M＝4,分布式中继个数N＝4，上下行传输占用相同的时长，即α＝0.5，每个用户等功率约束。本发明方案与其他方案的性能比较如图9所示。从图中可以看出我们的方案与最大流最小割性能上界只有0.5dB的性能差异并且与集中式中继的情况性能差别不大，同时我们的方案要明显优于放大转发(amplify-and-forward,AF)方案和译码转发(decode-and-forward,DF)方案。

Claims (1)

1.一种基于网格编码的中继通信方法，该方法用于MIMO多端分布式中继系统，并且采用全数据交换模式；其特征在于，所述的中继通信方法包括：用户端发送策略，中继端收发策略，以及用户端接收策略，具体如下：

用户端发送策略，包括：

S1、根据用户在各个子信道上的码率构建嵌套网格编码；

S2、将上行，即从用户到中继端的传输时间分成K-1个时隙，其中K表示系统中的总用户数；

S3、用户根据嵌套网格编码进行编码，即根据网格编码的星座点进行映射得到编码序列{c_k,n}；

S4、用户k对自己到所有中继节点的信道矩阵H_k进行RQ分解得到：H_k＝R_kU_k，其中R_k的对角元素记为{r_k(n,n)}；

S5、用户计算码流间干扰{v_k,n}，并从发送码序列中减去码流间干扰项，即计算{c_k,n-v_k,n}；

S6、用户从步骤S5的结果中减去随机扰动信号{d_k,n}得到{c_k,n-v_k,n-d_k,n}，并对这个信号进行取模处理使得信号的发送信号满足功率约束；

S7、用户将步骤S6中的信号除以{r_k(n,n)}；

S8、用户将步骤S7中的信号乘以矩阵U_k ^T得到发送信号

S9、用户1在时隙1发送信号用户K在时隙K-1发送信号其他用户n在时隙n-1,n两个时隙发送信号1＜n＜K；

在用户端操作中假设所有用户知道所有信道的信道状态信息；

中继端收发策略，包括：

S10、从接收信号中加上扰动信号，并在网格码星座图上进行取模操作；

S11、中继节点进行网格码译码得到不同用户信息流的线性组合

S12、中继节点对进行重新编码并将编码序列广播到所有用户；

用户端接收策略，包括：

S13、用户在接收到多个中继节点的信号后进行串型干扰消除译码得到中继端的发送信号，即

S14、用户根据自己的发送信号以及中继的发送信号得到其他所有用户的信号。