CN109743752B - 一种通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信方法，方法包括：中继对应的第二数量M个天线，且每一个节点均工作在全双工模式下，传输总时隙为：4M+2N，中继接收终端发送的数据；根据总时隙，确定第一时隙和第二时隙，且在第一时隙内，中继通过在6N个时隙内传输的数据对应的向量符号；中继利用第一数量个天线在连续的4个时隙内，发送4个六阶符号。应用本发明实施例，解决现有技术在快衰落信道中无法获取瞬时CSIT，无法利用信道状态信息，对所发送的消息进行预编码，本发明利用干扰对齐以及物理层网络编码PLNC技术，解决了在快衰落信道下，只能获取延迟的CSIT，来利用延迟CSIT多阶段传输并解码期望消息。

Description

一种通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种通信方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，基于单向传输的信道模型已经逐渐满足不了实 际业务需求，双向中继通信模型的研究得到了重视。无线中继技术具有拓展信 号传输距离，降低功耗，提高系统吞吐量的功能。目前，中继技术已经成为现 代移动通信技术(如5G)的关键技术之一，同时以基站为中继的双向通信模型 也适用于蜂窝系统。

其中，有一种有效的增大双向中继系统以及传输方法，基于双向中继协议， 实现了两个时隙内完成两组用户终端交换的多天线X型双向传输系统。同时， 通过采用信号对齐技术，对中继节点和用户节点进行联合预编码设计，使系统 的自由度最大化，提升系统性能。

传输方法包括如下步骤：在多址发送时隙，所有用户将待发送的信道进行 预编码，并同时将预编码后的信息流发送给中继节点；该中继节点接收信号， 并基于物理层网络编码对所接收到的信号解码；在广播时隙，先进行中继-用户 联合预编码设计，然后该中继节点把预编码后的信号广播给所有用户；以及用 户对所有接受的信号进行解调，并根据自己在上个时隙所发送的信号，提取出 所需要的信号。通过该发明，实现了在两个时隙内完成两组用户终端信息交换 的多天线X型双向传输系统。

但是该系统的发明以及传输方法设计的是基于具有即时信道状态信息的情 况，在无线信道中，只有在慢衰落信道中发送端才能得到即时的CSIT，而在快 衰落信道中，由于信道变化太快，难以获得即时的CSIT，只能获得延时的CSIT。 因此，这种传输方案存在着缺陷，在快衰落信道中，很难实现。

同时，考虑到该发明所设计的系统是对称的双向X系统，具有一定的特殊 性。在实际传输系统中，往往还存在着非对称X系统。因此，这也是该发明存 在的缺点和不足之处。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通信方法，解 决现有技术在快衰落信道中无法获取瞬时CSIT，无法利用信道状态信息，对所 发送的消息进行预编码、且信道为双向对称的中继信道，X信道还存在着非对称 的情形，利用干扰对齐以及物理层网络编码(PLNC)技术，进行多时隙联合设 计传输方案，解决了在快衰落信道下，只能获取延迟的CSIT，来利用延迟CSIT 多阶段传输并解码期望消息。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通信方法，所述方法包 括：

获取终端每个节点所对应的第一数量N个天线，中继对应的第二数量M个 天线，且每一个节点均工作在全双工模式下，其中，第二数量大于第一数量； 根据所述第一数量和所述第二数量，确定在下行链路的传输总时隙，其中，所 述传输总时隙为：4M+2N，其中，N为第一数量，M为第二数量；

中继接收终端发送的数据；根据所述总时隙，确定第一时隙和第二时隙， 且在所述第一时隙内，中继通过在6N个时隙内传输的数据对应的向量符号；

所述中继利用第一数量个天线在连续的4个时隙内，发送4个六阶符号， 其中，每一个六阶符号均为六个二阶符号的随机和。

一种实现方式中，在用户数量为5的情况下，所述中继通过在6N个时隙内 传输的数据对应的向量符号的具体表达，包括：

其中k＝1,2,…N，q_6k-5～q_6k均为所述中继处理后的PLNC向量，sⁱ _j，k代表s_j,k的第i个元素。

一种实现方式中，在第二数量大于第一数量且不大于第一数量的二倍情况 下，所述步骤(S2)包括：

用户对根据接收信息的前M-N行构造出二阶向量，并对对所有时隙内的二 阶符号堆叠为一个长度为N(M-N)的大向量；

将大向量切割成长为N的小向量；

在第一个阶段传输结束后，在连续4个时隙内分别用矩阵组成4个六阶符 号传输；

用户解码出所有的二阶符号，并依据二阶符号，解码出MAC阶段所有符号。

一种实现方式中，在所述第二数量大于二倍的第一数量，且不大于三倍的 第一数量情况下，所述步骤(S2)包括：

根据所收到的消息的前M-2N项解码出PLNC向量，并构建出二阶向量：

根据所接收到的消息，堆叠成6个长N²的大的第一向量、堆叠成6个长度 为N(M-2N)的大的第二向量，在前4N个时隙，中继用N个天线发送第一向量， 在后4(M-2N)个时隙传输第二向量。

一种实现方式中，所述有效信号的具体表达包括：在所述第二数量大于三 倍的第一数量，且不大于四倍的第一数量情况下，所述步骤(S2)包括：

根据终端所收到的消息，构建二阶符号；

根据接收消息的前M-3N项解码PLNC向量；

将所有的二阶符号拆分为长度为N的小的第三向量、第四向量和第五向量：， 在第一个4N个时隙传输第三向量，在第二个4N个时隙传第四向量，在4(M-3N) 个时隙传输第三向量。

如上所述，本发明实施例提供的一种通信方法，旨在解决现有技术在快衰 落信道中无法获取瞬时CSIT，无法利用信道状态信息，对所发送的消息进行预 编码、且信道为双向对称的中继信道，X信道还存在着非对称的情形(中继两 侧用户数不相等的情况)，利用干扰对齐以及物理层网络编码(PLNC)技术， 进行多时隙联合设计传输方案，解决了在快衰落信道下，只能获取延迟的CSIT， 来利用延迟CSIT多阶段传输并解码期望消息。

附图说明

图1是本发明实施例的一种通信方法的一种流程示意图。

图2是本发明实施例的模型结构示意图。

图3是本发明实施例的效果分析示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还通过另外 不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也基于不同观点 与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施 时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可 为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明时候实施例提供一种通信方法，所述方法包括：

(S1)获取终端每个节点所对应的第一数量N个天线，中继对应的第二数 量M个天线，且每一个节点均工作在全双工模式下，其中，第二数量大于第一 数量；根据所述第一数量和所述第二数量，确定在下行链路的传输总时隙，其 中，所述传输总时隙为：4M+2N，其中，N为第一数量，M为第二数量。

(S2)中继接收终端发送的数据；根据所述总时隙，确定第一时隙和第二 时隙，且在所述第一时隙内，中继通过在6N个时隙内传输的数据对应的向量符 号；所述中继利用第一数量个天线在连续的4个时隙内，发送4个六阶符号， 其中，每一个六阶符号均为六个二阶符号的随机和。

本发明的X信道是针对非对称情形的(中继两侧交互的用户不相等)，其模型图 如图1所示。在系统内，左右两侧终端相互发送消息，通过中继进行数据交互。 终端每个节点都有N个天线，中继有M个天线。系统的所有节点包括中继工作 在全双工模式下，系统分为MAC阶段与BC阶段传输，这两个阶段所有的节点都 有延迟CSIT。MAC和BC阶段都有多个时隙，在MAC阶段通过中继解码出来的消 息只能在下一个BC阶段传输，任意两个终端只能通过中继进行信息交互而不能 直接通信。将MAC阶段用户k发送给用户j的所有数据记为向量s_j,k。在MAC阶 段，由于没有即时的CSIT，信号空间对齐无法运用，因此发送的符号没有经过预编码，在中继处解码。在BC阶段，中继通过利用延迟CSIT进行回溯干扰对 齐以及物理层网络编码进行多段传输MAC阶段收到的消息。

本领域技术人员可以理解的是，在XC信道传播准则和期望消息中，用户1， 2，3通过中继给用户4和5分别发送的消息记为s_1,4s_1,5、s_2,4s_2,5、s_3,4s_3,5。同时用 户4和5通过中继给用户1，2，3发送的数据符号分别记为s_4,1s_4,2s_4,3、s_5,1s_5,2s_5,3。

系统自由度定义为：

其中，P为总发射功率，R_P为系统的可达和速率。在本文中，由于在高信噪 比下噪声对自由度没有影响，因此忽略所有的噪声。

双向中继网络的自由度由MAC阶段和BC阶段的最小自由度值：

η＝min{η^MAC,η^BC} (2)

在这种中继处天线大于终端的情况下，BC阶段采用两个阶段传输，为充分 利用每个阶段的天线，考虑在4M+2N个时隙传输所有的12MN个数据符号(其中 第一个阶段6N个时隙第二个阶段4(M-N)个时隙)。

MST方案结合了PLNC与回溯干扰对齐，利用延迟CSIT在多个时隙内重 构和对齐PLNC符号，本发明实施例中出现符号的物理意义为：

代表s_j,k的第i个元素，s_j,k在MAC阶段被中继解码出；

表示一个长度为k₂-k₁+1的向量

是长为k₂-k₁+1的向量

其中

代表异 或操作；

q表示中继每时隙发送长M的PLNC向量；

k阶符号表示包含k个用户共同信息的符号；

(6)

表示在t时隙中继到用户k的信道状态矩阵；

(7)

记为第k个用户在t时刻的接收信号。

在M≤N的情况下：

由于中继具有M个天线，没有即时CSIT，没有经过预编码所能达到的最大 的自由度为M。经过MAC阶段结束后，中继将所有的消息分配到各个对应终端， 此时这个过程可以看作是一个BC阶段传输。中继将对发的消息采用PLNC，例 如，以第一个时隙为例，在中继处传输q₁向量

第一个时隙后用户1和4收到的信号可以表示为：

由于终端用户的天线大于发送端天线数，因此对此情形，选取

前M行，分别记

对

求逆后与

相乘即可解出q₁，同 理也可以可以求出q₄。由于在MAC阶段

和

是用户1与4的自发消息， 用户1和4可以按下列操作恢复期望消息：

每个时隙对用户对{1,5}，{2,4}，{2,5}，{3,4}，{3,5}进行相同的异或操作， 便可以在每个用户终端解码恢复出期望消息，所以每个时隙能恢复2M个期望消 息：

由于中继只有M个天线，所以在MAC阶段所能达到的最大的自由度为M， 根据公式(2)综合两个阶段的自由度的最小值可以得到

η_MST＝M (7)

通过上述理论分析可以知道，当天线配置为M≤N的时候，能达到的自由 度为M。

由于中继处的天线小于终端天线，在MAC阶段之后的BC广播阶段，中继 可以看成是发送端，发送端发送的天线小于接收端天线的情况下，可以经过终 端直接求逆就可以解码出消息。

中继通过在6N个时隙内传输的向量符号表示为：

其中k＝1,2,…N，q_6k-5～q_6k均为中继处理后的PLNC向量，用于在BC阶段 传输。

本发明实施例中，在整个系统传输过程中设计在情形二和情形三时采用 MST方案。通过多个时隙的干扰重组与干扰对齐，并结合物理层网络编码(PLNC) 的方案来提升本非对称X信道系统的自由度。

情形1，N＜M≤2N

第一阶段：

通过第一个时隙的传输，去构建二阶符号。例如，在时隙6k-5时，终端1， 终端4，终端3接收到的消息表示为：

通过选取

和

的前M-N行，记为

和

由于所有的节点 均存在延迟全局的CSIT，因此，由用户1和用户4组成的用户对可以在1个时 隙之后获取

如果中继能够将

传输给用户对{1,4}，那么用户1可以按 如下方式解码出消息：

同样，用户4也可以用其本身接收到的向量与用户3截取的接收向量，以 及其本身的信道系数与用户3截取的信道系数按照上述相同的方式解码出 PLNC向量：

在解出PLNC向量后，用户对{1,4}再与自发向量进行异或操作，即可把期 望消息解码出来，对用户对{1,4}的二阶符号按下列构建：

通过截取用户3的第6k-5个时隙的前M-N行，用于辅助用户对{1,4}进行解 码PLNC向量。同理，对于用户对{1,5}、{2,4}、{2,5}、{3,4}、{3,5}分别选出

的前M-N行构造出二阶向量：

因此，共有6N(M-N)个二阶符号，把用户对所有时隙内的二阶符号堆叠为一 个长度为N(M-N)的大向量U_1,4，U_1,5，U_2,4，U_2,5，U_3,4，U_3,5。为了在第二阶 段让所有终端天线都充分使用，将大向量切割成长为N的小向量，如下所示：

其中，l＝(1,…,M-N)，重构后的二阶向量将用于第二个阶段进行传输，且 保证了第二个阶段每个用户的N个天线能全部使用。

第二阶段：

在第一个阶段传输结束后，在连续4个时隙内分别用P₁～P₂₄矩阵组成4个六 阶符号传输：

其中l＝(1,2,…M-N)，P₁～P₂₄矩阵均为满秩矩阵并且事先在每个节点都已知。 下面以用户1为例，消息将通过下列式子解码为：

由于P₁～P₂₄在所有的节点均是已知的，且

对于用户1来说是本身自信 息，所以用户1可以使用按下述解码出所有的二阶符号：

因此，用户1可以解码出所有的二阶符号。同理根据同样的解码方式，其 余的用户对也可以解码出所有的二阶符号。依据二阶符号，可以解码出MAC阶 段所有符号。在两个阶段结束后，当系统的天线配置为时N＜M≤2N，BC阶段的 自由度为：

情形二，2N＜M≤3N

第一阶段：

第6k-5时隙，终端所收到的消息如下：

通过选取

和

的前M-2N项记作

如果中继能够把

以及

传给{1,4}，那么用户1能够按下面式子解出q_6k-5：

同理，用户4也可以用相同的方法把q_6k-5解码出来，经过与其自发消息的异 或操作，就可以得到期望消息。

因此，按同样的操作去构建出二阶向量：

把

堆叠成6个长N²的大的向量U_1,4，U_1,5，U_2,4，U_2,5，U_3,4，U_3,5，然后在把这6个向量拆成长度为N的小向量分 别记作：

其中l＝(1,2,…,N)。

然后将

堆叠成6个长度为N(M-2N)的大的向量，将二阶符号按公式(14)分割为长N的向量使用户利用所有的天线接 收分别记作：

其中l＝(1,2,…,M-2N)。

第二阶段：

类似于情形1，在前4N个时隙，中继用N个天线发送

其表达 式和如下公式(19)一样，但是l＝{1,2…N}，在后4(M-2N)个时隙传输

其表达式为如下：

其中l′＝{1,2…M-2N}。通过公式(20)、(21)即可解码出所有的二阶符号。因此 所达的自由度同式(22)相同。

情形三，3N＜M≤4N

第一阶段：

在这种情形下，根据公式(15)给出的终端所收到的消息，构建二阶符号。选 取

和

的前M-3N项记作

和

如果中继能够将

传给{1,4}，那么用户1和4就会解出q_6k-5：

把产生的所有6N(M-N)二阶符号按照上述重组二阶符号的方案，将所有的二 阶符号拆分为长度为N的小的向量：

长度为N的向量

和 长度为N的向量

其中l＝(1,2,…N)，l′＝(1,2,…N)，l″＝(1,2,…M-3N)。

第二阶段：

同理，前4N个时隙传输

接着4N个时隙传

最后4(M-3N) 个时隙传输

通过公式(19)、(20)、(21)，便可解码出所有的二阶符号， 同样，能够得到公式(22)表示的自由度，在此不做赘述。

经过上述三种情况的分类，可以知道当天线配置为N＜M≤4N时，使用PLNC 编码，利用延迟的CSIT分两个阶段传输，能达到的自由度为

在M＞4N的情况下：

根据上述多段传输理论，用户对{1,4}需要解码出期望消息，用户2，3，5 最多只能提供3N额外的方程，这种情形下分析过程与M＝4N时一致。这种情 形下的自由度可以直接通过中继使用M′＝4N根天线得到。可以得到：

因此，结合在MAC阶段的最大自由度M，根据公式(2)、(6)、(22)、(24)整 理归纳出具有延迟CSIT的非对称双向X信道采用MST方案的自由度：

因此，应用本发明的实施例，在分段传输方案设计过程中，第一个阶段是 中继在连续的几个时隙内，将MAC阶段收到的消息广播出去，然后终端将接收 到的消息进行干扰重组。第二个阶段是将干扰重组后的消息，进行求逆，把所 有的干扰重组消息均解码出来，即每一个接收端都能知道这些干扰重组后的消 息，能解码出中继在BC阶段所发送的所有消息。解决现有技术中，解决现有技 术在快衰落信道中无法获取瞬时CSIT，无法利用信道状态信息，对所发送的消 息进行预编码、且信道为双向对称的中继信道，X信道还存在着非对称的情形 (中继两侧用户数不相等的情况)。本发明利用干扰对齐以及物理层网络编码(PLNC)技术，进行多时隙联合设计传输方案，解决了在快衰落信道下，只能 获取延迟的CSIT，来利用延迟CSIT多阶段传输并解码期望消息。

性能分析

在归一化自由度分析中，了更直观的看出自由度随天线配置变化趋势，将 自由度做归一化处理。令

为归一化天线数，

为归一化自由度，提 出的MST方案的归一化自由度表达式为：

本模型中，根据Vaze证明的有延迟的CSIT的K用户BC信道自由度的上 界，不采用PLNC的BC阶段得出的自由度上界为：

由于MAC阶段的最大自由度为M，可以写出本模型具有延迟CSIT而不采 用PLNC的自由度的上界为：

根据归一化假设，该归一化Vaze界为：

若本模型采用TDMA方案，其BC阶段可以看成是发送端有M个天线，每 个接收端有N个天线的MIMO广播系统，因为发送端没有瞬时CSIT，故其自 由度为：

η^TDMA＝min(M,N) (35)

同样地，可得TDMA方案归一化自由度为：

为了更直观地分析上述理论结果，采用Matlab对三种方案进行性能比较。 如图3所示，横坐标为归一化天线数，范围从0到6，覆盖了所提MST方案的 三个区间；纵坐标代表了归一化自由度。通过在m文件中编程并运行，获得了 相关计算结果，三种方案的归一化自由度的变化趋势见图3中三条曲线。

通过图3中对MST方案以及TDMA方案和Vaze提出不采用PLNC延迟 CSIT的Vaze上界的对比，可知：当归一化天线数不大于1时三种方案具有相 同的归一化自由度，且与归一化天线数相等；当归一化天线数大于1时，TDMA 方案具有固定的归一化自由度1，Vaze界性能居中，所提MST方案的性能最高。 由图2及公式(1)可知，当归一化天线数大于4时，所提MST方案具有固定的归 一化自由度8/3。而Vaze上界在当归一化天线数大于5的时候具有固定的归一 化自由度300/137。当在归一化天线数大于5的时候，可以发现MST方案采用 PLNC编码可以实现比Vaze的上界高21.8％的复用增益，同时相对于TDMA方 案自由度提升了166.7％。因此本文方案通过结合PLNC的方法，在具有延迟CSIT 的非对称双向X信道中能够显著提升信道的空间复用增益。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。 任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进 行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所 揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利 要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种通信方法，其特征在于，所述方法包括：

(S1)获取终端每个节点所对应的第一数量N个天线，中继对应的第二数量M个天线，且每一个节点均工作在全双工模式下，其中，第二数量大于第一数量；根据所述第一数量和所述第二数量，确定在下行链路的传输总时隙，其中，所述传输总时隙为：4M+2N，其中，N为第一数量，M为第二数量；

(S2)中继接收终端发送的数据；根据所述总时隙，确定第一时隙和第二时隙，且在所述第一时隙内，中继通过在6N个时隙内传输的数据对应的向量符号；所述中继利用第一数量个天线在连续的4个时隙内，发送4个六阶符号，其中，每一个六阶符号均为六个二阶符号的随机和；

在用户数量为5的情况下，所述中继通过在6N个时隙内传输的数据对应的向量符号的具体表达，包括：

其中k＝1,2,…N，q_6k-5～q_6k均为所述中继处理后的PLNC向量，

代表s_j,k的第i个元素。

2.根据权利要求1所述的一种通信方法，其特征在于，在第二数量大于第一数量且不大于第一数量的二倍情况下，步骤(S2)包括：

并进行解码，获得解码后的PLNC向量；

用户对根据接收信息的前M-N行构造出二阶向量，并对所有时隙内的二阶符号堆叠为一个长度为N(M-N)的大向量；

将大向量切割成长为N的小向量；

在第一个阶段传输结束后，在连续4个时隙内分别用矩阵组成4个六阶符号传输；

用户解码出所有的二阶符号，并依据二阶符号，解码出MAC阶段所有符号。

3.根据权利要求2所述的一种通信方法，其特征在于，在所述第二数量大于二倍的第一数量，且不大于三倍的第一数量情况下，所述步骤(S2)包括

根据所收到的消息的前M-2N项解码出PLNC向量，并构建出二阶向量：

根据所接收到的消息，堆叠成6个长N²的大的第一向量、堆叠成6个长度为N(M-2N)的大的第二向量，在前4N个时隙，中继用N个天线发送第一向量，在后4(M-2N)个时隙传输第二向量。

4.根据权利要求3所述的一种通信方法，其特征在于，在所述第二数量大于三倍的第一数量，且不大于四倍的第一数量情况下，所述步骤(S2)包括：

根据终端所收到的消息，构建二阶符号；

根据接收消息的前M-3N项解码PLNC向量；

将所有的二阶符号拆分为长度为N的小的第三向量、第四向量和第五向量，在第一个4N个时隙传输第三向量，在第二个4N个时隙传第四向量，在4(M-3N)个时隙传输第三向量。

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