CN110958039B - 一种适用于mimo双向中继信道的物理层编码方法及系统 - Google Patents

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CN110958039B CN201911003928.4A CN201911003928A CN110958039B CN 110958039 B CN110958039 B CN 110958039B CN 201911003928 A CN201911003928 A CN 201911003928A CN 110958039 B CN110958039 B CN 110958039B
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Abstract

本发明公开了一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法及系统，本发明涉及的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，包括步骤：S11.用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R；S12.所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号；S13.所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure DDA0002242170780000011
；S14.所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure DDA0002242170780000012
，并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式；S15.所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si；S16.所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果。

Description

一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法及系统
技术领域
本发明涉及数字通信工程技术领域，尤其涉及一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法及系统。
背景技术
Ahlswede、Li和Yeung等人首次提出了网络编码(Network Coding,NC)理论(见“R.Ahlswede,N.Cai and R.W.Yeung.Network information flow theory[J].IEEEInternational Symposium on Information Theory(Cat.No.98CH36252),Cambridge，MA,1998,pp.186-190)，以提高网络中的信息传输吞吐量。其基本思想是，中继节点接收到来自不同源节点的信息后，将指向不同目标节点的多个信息分组进行编码，再一并转发出去。与中继节点逐个转发信息分组的传统多址技术相比，NC极大地节省了信息分组转发的次数(即时间)，进而可提高信息传输吞吐量。传统NC工作在网络层，两个用户通过一个中继节点交换两个数据包需3个时隙。这种3时隙NC方法被称为高层网络编码(High-layer NetworkCoding，HNC)方法。但HNC方法存在过度检测的缺陷。对于中继节点，其关心的是传送给目的节点的NC符号，而非源节点发送信息的精确值。故人们又提出一种物理层编码，它可以看作是协作通信的一种特殊情况。在PNC中，中继节点无需分别对接收的信息进行译码，它只需将无线信道中叠加的信号直接映射为NC符号，将信号之间的互干扰变成NC方法的一部分。对于PNC来说，两个源节点只需两个时隙就可通过一个中继节点交换两个数据包，大大提高了网络吞吐量。
现有技术中，对PNC的探讨主要基于双向中继信道(Two-Way Relay Channel，TWRC)，两个源节点通过一个中继节点进行信号互传。但多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)技术可以提高信道容量，并且多天线在现代无线设备中得到了广泛应用，所以PNC与MIMO技术的结合引起了人们极大的兴趣。故本发明所提出的方法将基于MIMO双向中继信道进行讨论。目前，PNC主要有两种协作方法：放大转发(Amplify Forward，AF)和译码转发(Decode Forward，DF)协作。在AF协作中，中继节点接收到来自源节点的叠加信号后，进行放大处理，再转发到目的节点。在DF协作中，中继节点将接收到的叠加信号映射为NC符号后，再转发到目的节点。从软消息角度看，在AF协作中，中继节点以软消息形式转发接收到的叠加信号，但其软消息直接从传输信道中获取，而未利用可能存在于数据包中的信道编码信息。其中，信号软消息包含其可被正确判决的概率信息。反之，在DF协作中，中继节点虽利用了信道编码信息来解码所接收到的信号，但其采用的是硬判决解码。解码后的信号丢失了利于目的节点解码的软消息。为充分利用AF、DF协作优点，弥补两者不足，本发明提出了一种适用于MIMO双向中继信道下基于选择软消息转发协作(SSMF)的物理层编码方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法及系统，方便了各区网络基站运用大规模天线传输技术，同时与现有物理层编码方法相比，具有更优误码率性能和更低计算复杂度。故该发明方法具有较好实用价值，可有效用于第五代移动通信等下一代无线通信。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，包括步骤：
S1.用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R；
S2.所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号；
S3.所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure BDA0002242170760000021
S4.所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure BDA0002242170760000022
并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式；
S5.所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si；
S6.所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果。
进一步的，所述步骤S1中，所述用户节点Si包括S1和S2；所述待发送的信号xi包括x1和x2。
进一步的，所述步骤S2中，中继节点R接收到信号xi表示为：
Figure BDA0002242170760000031
Figure BDA0002242170760000032
其中，
Figure BDA0002242170760000033
分别表示中继节点R第1副、第2副天线接收到的信号；
Figure BDA0002242170760000034
Figure BDA0002242170760000035
分别表示用户节点S1、S2的发射功率；h11,1、h12,1、h21,1、h22,1分别表示用户节点S1、S2到中继节点R第1副、第2副天线之间链路的信道系数；n1,1、n2,1分别表示中继节点R第1副、第2副天线处的加性高斯白噪声；x1、x2分别表示用户节点S1、S2发送的信号；
所述步骤S2中，中继节点R接收到的信号
Figure BDA0002242170760000036
用矩阵形式表示为：
XR＝HX+N
Figure BDA0002242170760000037
其中，H、X、N表示矩阵或向量。
进一步的，在步骤S2中还包括，所述中继节点R将接收到信号采用和差线性变换获得和信号和差信号，并对所述获得的和信号和差信号进行检测，所述中继节点R接收到信号表示为：
Figure BDA0002242170760000038
Figure BDA0002242170760000039
Figure BDA00022421707600000310
其中，
Figure BDA00022421707600000311
表示和信号；
Figure BDA00022421707600000312
表示差信号。
进一步的，在步骤S3中，所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，表示为：
Figure BDA00022421707600000313
其中，
Figure BDA0002242170760000041
表示迫零检测方法的均衡矩阵；
Figure BDA0002242170760000042
表示
Figure BDA0002242170760000043
的共轭转置矩阵；
Figure BDA0002242170760000044
表示
Figure BDA0002242170760000045
的逆矩阵。
进一步的，在步骤S3中，得到校正后的信号
Figure BDA0002242170760000046
表示为：
Figure BDA0002242170760000047
Figure BDA0002242170760000048
其中，
Figure BDA0002242170760000049
表示校正后的信号；
Figure BDA00022421707600000410
分别表示经迫零检测方法放大后的第1副、第2副天线处的噪声。
进一步的，在步骤S4中，对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式，表示为：
Figure BDA00022421707600000411
其中，
Figure BDA00022421707600000412
表示信号变量x1、x2的异或；
Figure BDA00022421707600000413
表示方差；
Figure BDA00022421707600000414
Figure BDA00022421707600000415
其中，
Figure BDA0002242170760000051
将上式整理为：
Figure BDA0002242170760000052
Figure BDA0002242170760000053
在步骤S4中，还包括在映射后的数据中加入1比特标志，表示为：
Figure BDA0002242170760000054
其中，sign表示标志。
进一步的，在步骤S6中，用户节点Si接收到的信号表示为：
Figure BDA0002242170760000055
Figure BDA0002242170760000056
其中，h11,2、h12,2分别表示中继节点R第1副、第2副天线到用户节点S1、S2之间链路的信道系数；
Figure BDA0002242170760000057
分别表示中继节点R第1副、第2副天线的发射功率；n1,2、n2,2分别表示用户节点S1、S2处的加性高斯白噪声；xNC表示映射得到的网络编码符号。
进一步的，在步骤S6中，用户节点Si对接收到的信号进行译码，表示为：
(1)sign＝1
此时，
Figure BDA0002242170760000058
Figure BDA0002242170760000059
用户节点S1接收到的信号表示为：
Figure BDA0002242170760000061
将接收到的叠加信号
Figure BDA0002242170760000062
根据
Figure BDA0002242170760000063
的不同取值映射到不同区域，采用基于门限判决的译码方法，根据链路信道系数，表示为：
Figure BDA0002242170760000064
得到：
Figure BDA0002242170760000065
其中，“>>”表示远远大于，用户节点S1处的译码为：
Figure BDA0002242170760000066
(2)sign＝0
此时，
Figure BDA0002242170760000067
Figure BDA0002242170760000068
用户节点S1接收到的信号表示为：
Figure BDA0002242170760000071
将接收到的叠加信号
Figure BDA0002242170760000072
根据
Figure BDA0002242170760000073
的不同取值映射到不同区域，采用基于门限判决的译码方法，根据链路信道系数，表示为：
Figure BDA0002242170760000074
得到：
Figure BDA0002242170760000075
其中，“>>”表示远远大于，用户节点S1处的译码为：
Figure BDA0002242170760000076
相应的，还提供一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码系统，包括上述任一项所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法。
与现有技术相比，本发明改进了现有非最优物理层编码方法，提供了一种改进的物理层编码方法，即基于SSMF的物理层编码方法。本发明方便了各区网络基站运用大规模天线传输技术，同时与现有物理层编码方法相比，具有更优误码率性能和更低计算复杂度。故该发明方法具有较好实用价值，可有效用于第五代移动通信等下一代无线通信。
附图说明
图1是实施例一提供的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法流程图；
图2为实施例二提供的MIMO双向中继网络系统模型示意图；
图3为实施例二提供的
Figure BDA0002242170760000081
映射电路图示意图；
图4为实施例二提供的不同物理层编码方案在MA阶段传输时的误码率(BER)性能对比示意图；
图5为实施例二提供的不同物理层编码方案在BC阶段传输时的BER性能对比示意图；
图6为实施例二提供的不同物理层编码方案端到端BER性能对比示意图；
图7为实施例二提供的不同物理层编码方案端到端吞吐量对比示意图；
图8为实施例二提供的不同天线数目下端到端BER性能对比示意图；
图9为实施例二提供的不同天线数目下端到端吞吐量对比示意图；
图10为实施例二提供的不同不对称系数下端到端BER性能对比示意图；
图11为实施例二提供的用户节点S2与中继节点之间的距离对端到端BER性能的影响示意图；
图12为实施例二提供的用户节点与中继节点之间的距离对端到端BER性能的影响示意图。
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。本发明还可以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可以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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于信道统计信息的网络编码协议功率的分配方法及系统，即基于SSMF的物理层编码方法。本发明方便了各区网络基站运用大规模天线传输技术，同时与现有物理层编码方法相比，具有更优误码率性能和更低计算复杂度。
实施例一
本实施例提供一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，如图1所示，包括步骤：
S11.用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R；
S12.所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号；
S13.所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure BDA0002242170760000091
S14.所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure BDA0002242170760000092
并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式；
S15.所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si；
S16.所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果。
在步骤S11中，用户节点Si包括S1和S2；待发送的信号xi包括x1和x2。
在本实施例中，首先在多址接入(MA)阶段，两用户节点S1和S2同时将待发送的信号x1和x2经信道传输给中继节点R，且x1和x2为取值+1或-1的整数。
然后中继节点R利用和差线性变换方法，获得两路信号的“和信号”
Figure BDA0002242170760000093
和“差信号”
Figure BDA0002242170760000094
其中，
Figure BDA0002242170760000095
和
Figure BDA0002242170760000096
皆为整数，且
Figure BDA0002242170760000097
接着中继节点R采用迫零检测(ZF)方法，来减少信号
Figure BDA0002242170760000098
和
Figure BDA0002242170760000099
中由信道引入的失真，得到处理后信号
Figure BDA00022421707600000910
和
Figure BDA00022421707600000911
接着，中继节点R选择所含噪声
Figure BDA00022421707600000912
最小的处理后信号，将其映射为对数似然比(LLR)形式。其中，
Figure BDA00022421707600000913
为复数，表示MA阶段经ZF方法放大后的第i副天线处的噪声。LLR为：接收信号判为0和判为1概率的比值，再取e等数为底对数计算得到的值。
接着，在广播(BC)阶段，中继节点R将映射得到的信号广播发送回各用户节点。
最后，用户节点S1和S2使用基于门限判决(TD)的译码方法，对接收信号译码。同时，利用在MA阶段自己发送的信息协助译码，即可得到另一用户节点的发送信息。该译码结果即为本方法所得的最终结果。
本发明适用于大规模天线技术，相比于现有方法，具有更优误码性能和更低复杂度，可有效用于第五代移动通信等下一代无线通信系统。
需要说明的是，迫零检测(ZF)方法：
ZF方法是MIMO系统中常用的一种检测器，其核心思想是在接收端通过线性变换消除不同天线发射信号间的干扰。将MIMO系统中接收端接收到的信号表示为以下形式：
y＝h1x1+h2x2+…+hkxk+n (1)
其中，y为复数，表示接收端接收到的信号；xi为复数，表示第i个用户发送的信号；hi为复数，表示第i个用户到接收端链路的信道系数；k为正整数，表示MIMO系统中的用户数；n为复数，表示接收端的加性高斯白噪声。其中，i∈(1，2，…k)。
为了在接收端恢复xi而排除其他信号的干扰，ZF方法使用矢量wi与y作内积，其中wi满足以下条件：
Figure BDA0002242170760000101
在步骤S11中，用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R。
在多址接入(MA)阶段，两用户节点S1和S2同时将待发送的信号x1和x2经过信道传输给中继节点R。
在步骤S12中，所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号。
中继节点R接收到信号xi表示为：
Figure BDA0002242170760000102
Figure BDA0002242170760000103
其中，
Figure BDA0002242170760000104
为复数，表示中继节点R第i副天线接收到的信号；
Figure BDA0002242170760000105
为大于0的实数，表示用户节点Si的发射功率；hij,1为复数，表示MA阶段用户节点Sj到中继节点R第i副天线之间链路的信道系数，服从均值为0，方差为
Figure BDA0002242170760000106
的复高斯分布；ni,1为复数，表示中继节点R第i副天线处的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，服从均值为0，方差为σi 2的复高斯分布；xi为取值+1、-1的整数，表示用户节点Si发送的信号，采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制。其中，i、j∈(1，2)。
为了方便表述，将公式(3)、公式(4)重写为矩阵形式：
XR＝HX+N (5)
Figure BDA0002242170760000111
其中，大写字母，如H，表示矩阵或向量；相应的小写字母，如hij,1，表示H在第i行和第j列上的元素，且i、j为自然数。
在本实施例中，中继节点R利用和差线性变换获得两路信号的“和信号”
Figure BDA0002242170760000112
和“差信号”
Figure BDA0002242170760000113
对于中继节点R而言，其所关心的是要传送给用户节点的网络编码(NC)符号，而非用户节点发送信号x1和x2的准确值。故在本实施例中，中继节点R并不独立检测两个用户节点的信息流，而是通过和差线性变换来获得两路信息的“和信号”和“差信号”，然后直接针对“和信号”或“差信号”检测。此时，中继节点R各天线接收到的信号可重写为：
Figure BDA0002242170760000114
Figure BDA0002242170760000115
Figure BDA0002242170760000116
其中，
Figure BDA0002242170760000117
表示和信号；
Figure BDA0002242170760000118
表示差信号。
在步骤S13中，所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure BDA0002242170760000119
中继节点R采用迫零检测ZF方法，校正
Figure BDA00022421707600001110
中有信道引入的失真，表示为：
Figure BDA00022421707600001111
其中，
Figure BDA00022421707600001112
表示迫零检测方法的均衡矩阵；
Figure BDA00022421707600001113
表示
Figure BDA00022421707600001114
的共轭转置矩阵；
Figure BDA00022421707600001115
表示
Figure BDA00022421707600001116
的逆矩阵。
此时，中继节点得到的信号可表示为：
Figure BDA0002242170760000121
Figure BDA0002242170760000122
其中，
Figure BDA0002242170760000123
表示校正后的信号；
Figure BDA0002242170760000124
为复数，表示在MA阶段经迫零检测ZF方法放大后的第i副天线处的噪声，服从均值为0，方差为σi 2＝{GHG}i.iσi 2的复高斯分布。其中，i∈(1，2)。
在步骤S14中，所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure BDA0002242170760000125
并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式。
中继节点R选择所含噪声
Figure BDA0002242170760000126
最小的处理后信号，使用对数似然比(LLR)映射方法，将其映射为LLR形式。
由公式(11)、公式(12)得，中继节点R不同天线接收到的叠加信号可靠性程度主要由
Figure BDA0002242170760000127
决定。选择
Figure BDA0002242170760000128
最小的叠加信号进行映射，可进一步提高系统误码率(BER)性能和降低计算复杂度。具体地说：
Figure BDA0002242170760000129
其中，
Figure BDA00022421707600001210
表示方差；
Figure BDA00022421707600001211
表示信号变量x1、x2的异或；
Figure BDA00022421707600001212
Figure BDA00022421707600001213
Figure BDA0002242170760000131
因为
Figure BDA0002242170760000132
故为了降低复杂度，并且方便叠加信号的波形处理，将式(14)、式(15)整理为：
Figure BDA0002242170760000133
Figure BDA0002242170760000134
由公式(16)、公式(17)得，将
Figure BDA0002242170760000135
映射为
Figure BDA0002242170760000136
的过程并不相同。故为方便用户节点使用基于门限判决(TD)的译码方法对信号进行译码，需要在数据帧中加入1比特标志sign，且表示为：
Figure BDA0002242170760000137
在步骤S15中，所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si。
在广播(BC)阶段，中继节点将映射得到的信号广播发送回用户节点S1和S2。
在步骤S16中，所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果。
用户节点S1和S2接收到的信号表示为：
Figure BDA0002242170760000138
Figure BDA0002242170760000139
其中，hij,2为复数，表示在BC阶段中继节点R第i副天线到用户节点Sj之间链路的信道系数，服从均值为0，方差为
Figure BDA0002242170760000141
的复高斯分布；
Figure BDA0002242170760000142
为大于0的实数，表示中继节点R第i副天线的发射功率；ni,2分别表示用户节点Si处的加性高斯白噪声(AWGN)，服从均值为0，方差为σi 2的复高斯分布；xNC为复数，表示映射得到的网络编码(NC)符号。其中，i、j∈(1，2)。
用户节点使用基于门限判决(TD)的译码方法对接收到的信号进行译码。并利用自身MA阶段发送的信息协助译码，即可得到另一源节点的发送信息。
在MA阶段，用户节点S1和S2发送的信号均有两种可能，即+1与-1。故中继节点迫零检测后接收到的叠加信号共有4种可能，如表1所示：
Figure BDA0002242170760000143
表1(中继节点迫零检测后接收到的叠加信号)
在基于软消息转发(SSMF)协作的物理层编码中，中继节点选择
Figure BDA0002242170760000144
最小的叠加信号进行映射。由公式(13)得，映射得到的NC符号主要有两种可能：
第一种为：
Figure BDA0002242170760000145
此时，
Figure BDA0002242170760000146
根据公式(16)，xNC只能有两种可能，即：
Figure BDA0002242170760000147
用户节点S1接收到的信号为例，将公式(21)代入公式(19)，得：
Figure BDA0002242170760000151
为将接收到的叠加信号
Figure BDA0002242170760000152
根据
Figure BDA0002242170760000153
的不同取值映射到不同区域，采用基于TD的译码方法，根据链路信道系数，对其处理：
Figure BDA0002242170760000154
由公式(13)得，相较于
Figure BDA0002242170760000155
为一个较小正数，得到：
Figure BDA0002242170760000156
其中，“>>”表示远远大于，故用户节点S1处的译码准则为：
Figure BDA0002242170760000157
第二种为：
Figure BDA0002242170760000158
此时，
Figure BDA0002242170760000159
根据公式(17)，xNC只能有两种可能，即：
Figure BDA00022421707600001510
根据用户节点S1接收到的信号，将公式(25)代入公式(20)，得：
Figure BDA0002242170760000161
为将接收到的叠加信号
Figure BDA0002242170760000162
根据
Figure BDA0002242170760000163
的不同取值映射到不同区域，采用基于TD的译码方法，根据链路信道系数，对其处理：
Figure BDA0002242170760000164
由公式(13)得，相较于
Figure BDA0002242170760000165
为一个较小正数，得到：
Figure BDA0002242170760000166
其中，“>>”表示远远大于，故用户节点S1处的译码准则为：
Figure BDA0002242170760000167
本实施例改进了现有非最优物理层编码方法，提供了一种改进的物理层编码方法，即基于SSMF的物理层编码方法。本发明方便了各区网络基站运用大规模天线传输技术，同时与现有物理层编码方法相比，具有更优误码率性能和更低计算复杂度。故该发明方法具有较好实用价值，可有效用于第五代移动通信等下一代无线通信。
实施例二
本实施例提供的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法与实施例一的不同之处在于：
本实施例通过图2-图12来详细说明。
如图2、3所示，为MIMO双向中继网络系统模型和
Figure BDA0002242170760000171
映射电路图。由两个用户节点S1和S2，一个中继节点R组成。中继节点R具有M副天线，且M为大于0的自然数。
图4为不同物理层编码方案在MA阶段传输时BER性能对比。为比较MA阶段不同映射方法的BER性能，在实验中对映射得到的NC符号进行硬判决以计算BER。但该硬判决过程在本发明所提的SMF、SSMF协作中并不需要。当中继节点单独采用单幅天线ZF均衡后的信号译码时，无法获得满分集增益。故相较于其他方法，该方法BER性能最差。当中继节点利用所有天线ZF均衡后的信号进行译码时，可获得满分集增益，故BER性能有所提高。由式(13)得，当中继节点选择
Figure BDA0002242170760000172
最小的叠加信号进行译码时，可有效解决ZF方法导致的噪声放大问题。故该方案的BER性能是以上四种方案中最优的，也是本实施例所提基于SSMF协作的物理层编码在MA阶段所用映射方法。如图6所示，当BER为10-3时，相比于单天线和全天线译码，选择天线译码可分别获得约1dB和2.5dB的性能增益。
图5为不同物理层编码方案在BC阶段传输时的BER性能对比。BC阶段，中继节点广播信号给用户节点只通过一个时隙完成，用户节点接收到的信号波形为所有信号波形的叠加，无法使用最大比值合并(MRC)方法，对接收信号处理。因此本发明提出了选择合并(Selective Combining,SC)和TD两种检测方法。在SC方法中，BC阶段，中继节点选择到用户节点信道质量最优的天线发射信号。此时系统退化为单输入单输出(Single-Input-Single-Output,SISO)系统，无法获得分集增益。故相比于TD方法，该方法BER性能较差。在BER为10-3时，相比于SC方法，TD方法可获得约0.7dB性能增益。虽然当用户节点采用MRC方法时，可进一步获得BER性能增益，但其整个协作过程需要M+1个时隙完成，吞吐量将大幅下降。
附图6为不同物理层编码方案端到端BER性能对比。PNC技术可将两节点间的信息交互过程从4个时隙缩减为2个时隙，大大提高系统的吞吐量。由式(13)得，在SSMF协作中，中继节点选择所含噪声
Figure BDA0002242170760000173
最小的叠加信号映射，有效解决了ZF方法导致的噪声放大问题。当BER为10-3、用户节点采用基于TD的译码方法时，相比于选择译码转发、SMF与DF协作，基于SSMF协作的物理层编码可分别获得约0.6dB、1dB与1.7dB的性能增益。
附图7为不同物理层编码方案端到端吞吐量对比。虽然当用户节点采用MRC检测方法时，能获得最优BER性能增益，但此时整个协作过程需要M+1个时隙完成。如图7所示，此时网络吞吐量将大幅下降。相比于其他方案，该方案的吞吐量上限仅为1.67Mbps。低信噪比时，中继节点各接收天线处的噪声均较大，即使中继节点选择
Figure BDA0002242170760000181
最小的叠加信号映射，BC阶段的BER仍保持一个较大值。故当低信噪比，中继节点采用基于SSMF协作的物理层编码、用户节点采用基于TD的译码方法时，其网络吞吐量略小于其他方法。但是，随着接收端信噪比增大，中继节点各接收天线处的噪声随之减小，该方法的网络吞吐量将超过其它方法，且在6种方法中处于最佳。
附图8、9分别为不同天线数目下端到端BER性能和吞吐量对比。随着中继节点天线数目增加，MA阶段可供选择的叠加信号样本增多。因此，由式(13)得，多天线中继用于映射的叠加信号的噪声将更小，其端到端BER性能将更优。当用户节点采用基于TD的译码方法时，不同天线数目下，基于SSMF协作的物理层编码端到端BER性能和吞吐量分别如图8、9所示。当天线数目增加到一定程度时，继续增加中继节点天线数目，用于映射的叠加信号中的噪声减小并不明显。此时，增加中继节点天线数目换来的性能增益较小。如图8所示，在BER为10-3时，相比于双天线中继，四天线中继可获得约13dB性能增益。但相比于六天线中继，八天线中继仅可获得约1dB性能增益。低信噪比时，随着中继节点天线数目增加，通信系统端到端吞吐量随之增加。但高信噪比时，不同天线数目下端到端BER均已较小。如图9所示，此时不同天线数目下的端到端吞吐量差异并不大，均接近于吞吐量上限，即2.5兆比特每秒(Mbps)。
图10为不同不对称系数下端到端BER性能对比。在上述实验中，中继节点一直位于两用户节点中间。但在实际通信过程中，中继节点与两用户节点之间的距离并不总是相同的，将引起远近效应(Near-Far Effect,NFE)。为考虑NFE对本实施例所提出的基于SSMF协作物理层编码的影响，在下述实验中引入不对称系数α。此时两源节点与中继节点之间的距离可表示为：
Figure BDA0002242170760000182
Figure BDA0002242170760000183
其中0<α<1。当各链路信噪比固定为15dB，不同α取值下，系统端到端BER性能如图10所示。只有当x1与x2中其中一个译码错误时，MA阶段映射得到的NC符号才会出错。故如图10所示，当两用户节点与中继节点之间的距离相近时，系统端到端BER最小。
附图11为用户节点S2与中继节点之间的距离对端到端BER性能的影响。只有当x1与x2全部正确或错误译码时，MA阶段映射得到的NC符号才不会出错。因此，MA阶段，即使x1正确译码，即某一用户节点与中继节点之间的BER接近于0，系统端到端BER性能仍不可能接近于0。当用户节点S1与中继节点之间的距离固定为15km，各链路信噪比固定为15dB时，用户节点S2与中继节点之间的距离对系统端到端BER性能的影响如图11所示。当用户节点S2距中继节点较近时，中继节点处信号x2的BER较小，此时系统端到端BER性能由中继节点处信号x1的BER决定。如图11所示，此时系统端到端BER性能达到一个下限。随着用户节点S2与中继节点之间距离的减小，系统端到端BER基本保持不变。当两用户节点到中继节点之间的距离相等，各链路信噪比固定为15dB时，用户节点与中继节点之间的距离对系统端到端BER性能的影响如图12所示。不同于图11中的情况，此时随着用户节点与中继节点之间距离的减小，x1与x2的BER均减小，故系统端到端BER不存在地板效应。
在未来5G及下一代无线通信中，各区网络基站会运用大规模天线传输技术。故在实际无线通信过程中，存在大量MIMO双向中继信道，该发明具有较高实用价值。
本实施例改进了现有非最优物理层编码方法，提供了一种改进的物理层编码方法，即基于SSMF的物理层编码方法。本发明方便了各区网络基站运用大规模天线传输技术，同时与现有物理层编码方法相比，具有更优误码率性能和更低计算复杂度。故该发明方法具有较好实用价值，可有效用于第五代移动通信等下一代无线通信。
实施例三
本实施例提供一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码系统，包括：
第一发送模块，用于用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R；
获得模块，用于所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号；
校正模块，用于所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure BDA0002242170760000201
映射模块，用于所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure BDA0002242170760000202
并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式；
第二发送模块，用于所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si；
译码模块，用于所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果。
需要说明的是，本实施例提供一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，其特征在于，包括步骤：
S1.用户节点Si将待发送的信号xi经过信道传输至中继节点R；
所述步骤S1中，所述用户节点Si包括S1和S2；所述待发送的信号xi包括x1和x2；
S2.所述中继节点R将接收到信号xi采用和差线性变换获得和信号和差信号；
S3.所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，得到校正后的信号
Figure FDA0003214608780000011
S4.所述中继节点R筛选所述得到的校正后的信号
Figure FDA0003214608780000012
并对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式；其中，中继节点R选择所含噪声最小的处理后信号；
在步骤S4中，对筛选出的信号采用对数似然比映射方法映射为对数似然形式，表示为：
Figure FDA0003214608780000013
其中，
Figure FDA0003214608780000014
表示信号变量x1、x2的异或；
Figure FDA0003214608780000015
表示方差；
Figure FDA0003214608780000016
Figure FDA0003214608780000021
其中，
Figure FDA0003214608780000022
将上式整理为：
Figure FDA0003214608780000023
Figure FDA0003214608780000024
在步骤S4中，还包括在映射后的数据中加入1比特标志，表示为：
Figure FDA0003214608780000025
其中，sign表示标志；
S5.所述中继节点R将映射得到的信号广播发送至所述用户节点Si；
S6.所述用户节点Si采用基于门限判决的译码方式，对接收到的信号进行译码，得到最终结果；
在步骤S6中，用户节点Si接收到的信号表示为：
Figure FDA0003214608780000026
Figure FDA0003214608780000027
其中，h11,2、h12,2分别表示中继节点R第1副、第2副天线到用户节点S1、S2之间链路的信道系数；
Figure FDA0003214608780000028
分别表示中继节点R第1副、第2副天线的发射功率；n1,2、n2,2分别表示用户节点S1、S2处的加性高斯白噪声；xNC表示映射得到的网络编码符号；
在步骤S6中，用户节点Si对接收到的信号进行译码，表示为：
(1)sign＝1
此时，
Figure FDA0003214608780000031
Figure FDA0003214608780000032
用户节点S1接收到的信号表示为：
Figure FDA0003214608780000033
将接收到的叠加信号
Figure FDA0003214608780000034
根据
Figure FDA0003214608780000035
的不同取值映射到不同区域，采用基于门限判决的译码方法，根据链路信道系数，表示为：
Figure FDA0003214608780000036
得到：
Figure FDA0003214608780000037
其中，>>表示远远大于，用户节点S1处的译码为：
Figure FDA0003214608780000038
(2)sign＝0
此时，
Figure FDA0003214608780000041
Figure FDA0003214608780000042
用户节点S1接收到的信号表示为：
Figure FDA0003214608780000043
将接收到的叠加信号
Figure FDA0003214608780000044
根据
Figure FDA0003214608780000045
的不同取值映射到不同区域，采用基于门限判决的译码方法，根据链路信道系数，表示为：
Figure FDA0003214608780000046
得到：
Figure FDA0003214608780000047
其中，>>表示远远大于，用户节点S1处的译码为：
Figure FDA0003214608780000048
利用在MA阶段自己发送的信息协助译码，即可得到另一用户节点的发送信息，即为得到的最终结果；
其中，
Figure FDA0003214608780000051
表示复数。
2.根据权利要求1所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，其特征在于，所述步骤S2中，中继节点R接收到信号xi表示为：
Figure FDA0003214608780000052
Figure FDA0003214608780000053
其中，
Figure FDA0003214608780000054
分别表示中继节点R第1副、第2副天线接收到的信号；
Figure FDA0003214608780000055
Figure FDA0003214608780000056
分别表示用户节点S1、S2的发射功率；h11,1、h12,1、h21,1、h22,1分别表示用户节点S1、S2到中继节点R第1副、第2副天线之间链路的信道系数；n1,1、n2,1分别表示中继节点R第1副、第2副天线处的加性高斯白噪声；x1、x2分别表示用户节点S1、S2发送的信号；
所述步骤S2中，中继节点R接收到的信号
Figure FDA0003214608780000057
用矩阵形式表示为：
XR＝HX+N
Figure FDA0003214608780000058
其中，H、X、N表示矩阵或向量。
3.根据权利要求2所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，其特征在于，在步骤S2中还包括，所述中继节点R将接收到信号采用和差线性变换获得和信号和差信号，并对所述获得的和信号和差信号进行检测，所述中继节点R接收到信号表示为：
Figure FDA0003214608780000059
Figure FDA00032146087800000510
Figure FDA00032146087800000511
其中，
Figure FDA00032146087800000512
表示和信号；
Figure FDA00032146087800000513
表示差信号。
4.根据权利要求3所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，其特征在于，在步骤S3中，所述中继节点R采用迫零检测方法校正所述获得的和信号和差信号中有信道引入的失真，表示为：
Figure FDA0003214608780000061
其中，
Figure FDA0003214608780000062
表示迫零检测方法的均衡矩阵；
Figure FDA0003214608780000063
表示
Figure FDA0003214608780000064
的共轭转置矩阵；
Figure FDA0003214608780000065
表示
Figure FDA0003214608780000066
的逆矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法，其特征在于，在步骤S3中，得到校正后的信号
Figure FDA0003214608780000067
表示为：
Figure FDA0003214608780000068
Figure FDA0003214608780000069
其中，
Figure FDA00032146087800000610
表示校正后的信号；
Figure FDA00032146087800000611
分别表示经迫零检测方法放大后的第1副、第2副天线处的噪声。
6.一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的一种适用于MIMO双向中继信道的物理层编码方法。
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Shengli Zhang 等.Physical Layer Network Coding with Multiple Antennas.《 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference》.2010, *
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