CN110971286B - 基于Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统，本发明涉及的一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法，包括步骤：S11.信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；S12.所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；S13.所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；S14.所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。本发明可以有效地降低了传输的差错概率，提高了双向传输中继信道的传输速率。

Description

基于Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统。

背景技术

在无线网络的物理层，所有数据通过电磁波进行传输。无线信道具有广播特性和多址接入特性，一个节点能同时接收到来自多个节点的电磁信号，而引起信号间的干扰。一般情况下，干扰会降低无线传输性能，大多数通信系统的算法和协议选择减少或避免干扰。然而，与其将信号千扰看作一种破坏加以避免，不如利用协作分集技术，使中继节点转发其他节点的电磁信号，从而提高网络性能。大多数已有的协作通信方案主要依靠以下两种中继策略。

A.放大转发

放大转发模式(Amplify-and-Forward，AF)是一种最为简单的协同发送信号方式。在这种模式下，中继节点将接收到来自发射节点的被噪声干扰的信号，然后中继节点将放大并重传这个加了噪声干扰的信号。由于中继节点没有应用任何解码，噪声在中继节点处也被放大，最终影响系统性能。

B.解码转发

解码转发模式(Decode-and-Forward，DF)相比AF更为复杂。在这种模式下，中继节点同样接收到包含噪声的信号，不过中继节点将对信号进行解码，以获得原始信息。然后它再将解码之后的信息重新编码，发送给目的节点。解码转发模式可以避免放大转发模式对噪声的放大，但是它的协议复杂度很高，并且中继节点必须对用户信息分别解码，造成了性能损失。

因此，需要提出一种可以有效地降低了传输的差错概率，提高了双向传输中继信道的传输速率的技术方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统，有效地降低了传输的差错概率，提高了双向传输中继信道的传输速率。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法，包括步骤：

S1.信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

S2.所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

S3.所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

S4.所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。

进一步的，在步骤S1中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得Λ_s、

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，表示为：

其中，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码Λ_s；

表示Λ_s的模操作。

进一步的，所述步骤S2中，信源节点S_i包括S₁、S₂，中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声。

进一步的，在步骤S2中，中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子。

进一步的，所述步骤S4中，信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI。

相应的，还提供一种基于Lattice编码放大转发的网络编码系统，包括：

第一发送模块，用于信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

处理模块，用于所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

第二发送模块，用于所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

解码模块，用于所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。

进一步的，在第一发送模块中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得Λ_s、

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，表示为：

其中，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码Λ_s；

表示Λ_s的模操作。

进一步的，所述处理模块中，信源节点S_i包括S₁、S₂，中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声。

进一步的，在处理模块中，中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子。

进一步的，所述解码模块中，信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI。

与现有技术相比，本发明考虑双向衰落信道，利用Lattice编码，在中继节点进行模运算和放大转发，提出了基于Lattice编码的前向放大方法(AF&LC)，在不破坏Lattice码本结构的情况下，模运算降低了接收信号的功率，从而获得比随机码放大和转发方法(AF&RC)更大的放大倍数，因此改善了信道传输速率。

附图说明

图1是实施例一提供的两个信源在双向半双工衰落系统中交换信息示意图；

图2是实施例一提供的Lattice模运算示意图；

图3是实施例一提供的一维Lattice编码的AF&LC的编码结构示意图；

图4是实施例一提供的AF&LC与AF&RC的误差概率比较示意图；

图5是实施例一提供的随机分布CSI的AF&LC和AF&RC的错误比较概率示意图；

图6是实施例一提供的相同参数下，不同策略的速率比较示意图；

图7是实施例一提供的一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法流程图；

图8是实施例二提供的一种基于Lattice编码放大转发的网络编码系统结构图。

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Lattice编码放大转发的网络编码方法及系统。信源节点发送信号，由中继节点接收后进行模运算，并对来自信源节点的信号进行叠加、放大和转发。目的节点接收到相应的传输信号后，进行解码，对来自其他用户的信息进行消除。本发明有效地降低了传输的差错概率，提高了双向传输中继信道的传输速率。

实施例一

本实施例提供一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法，如图7所示，包括步骤：

S11.信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

S12.所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

S13.所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

S14.所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。

需要说明的是，本申请的一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法是在网络编码系统内实现的。

如图1所示，系统具有信源节点S_i，中继节点r的双向衰落信道，其中信源节点S_i为两个信源节点，分别为S₁、S₂。每个终端配备一个天线。中继节点r以半双工方式工作，因此它不会以相同的频率同时发送和接收。这两个消息源在n个信道中与共享中继节点r交换两条消息

和

这些消息是从

和

中统一选择。分别表示从S₁到r的h_ir、从r到S₁的h_ri为信道状态信息(CSI)。这些CSI彼此独立，并且每个终端的平均每次传的输功率为P。

在步骤S11中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号。

信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，在源S_i处发送的符号如下所示：

其中，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码Λ_s；

表示Λ_s的模操作。

在步骤S12中，所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI。

中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声。

中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子。

中继节点r广播导频符号、估计和广播信道状态信息CSI(h_1r，h_2r)。假设中继节点将这些CSI无误地广播到每个目的节点，这是放大转发(AF)协议的普遍假设。还假设S_i通过使用接收到的导频符号来获得CSI，定义h_ri。然后，中继节点r发送n维数据信号X_r，并且S_i接收到上述信号。

在步骤S13中，所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i。

在步骤S14中，所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。

信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI。

根据上述公式可得出，信源节点S_i处的接收信号Y_i写为：

其中i≠j，i，j∈{1，2}；

为期望信号；

为已知信号。

例如：如果i＝2，那么j＝1。因为在信源节点S_i能够获得h_jr、h_ri、α_x、u_i、u_x和码字c_i，所以在上式中已知信号能够通过一个模操作来消除，使得在目的节点能够消除干扰项。然后采用Lattice解码器进行解码，获得期望信息。

在步骤S14中，信源节点S_i解码的事件成为事件B_i，因此它满足P_r(B_i)＝P_r。这里，我们举一个例子如图2所示。其中x∈v_c。图2中的球面N和球面Λ_c之和不超过球面Λ_s时，模运算

是无效的。对于公式

错误概率用u_b显示，表示为：

因此四种错误概率条件下对应的结论如下表所示：

在本实施例中，利用前向放大方法(AF&LC)，在信源节点S_i处获得信号Y_i ^m。为了更清楚地表示，在图3中示出了在源S₂处用两个模运算来向Y_i ^m发送信号的AF&LC的星座，并与放大和转发方法(AF&RC)星座进行了比较。在信源节点S₂，如果条件

成立，则中继节点处的模运算不是无效的。在图4中，比较AF&LC和AF&RC的误码概率。AF&LC两种信源的误码概率分别小于AF&RC。当误码概率为10^-3时，AF&LC实现了约1.5dB的信噪比增益。这是因为在相同的星座点最短距离，AF&LC获得比AF&RC更大的功率标度增益α_x以降低附加噪声

的功率。图3中还显示了在信源节点S₂处的模运算P_r(A₂)有效的概率，这是引起AF&LC错误概率的一种方式。然而，在这种情况下，它并不支配概率

利用图5中的一维Lattice编码，当错误概率为10^-2，AF&LC相比AF&RC获得约1.5dB的信噪比增益。此外，我们还观察到有效模运算P_r(A₁)+P_r(A₂)的概率远低于不影响系统错误性能的系统错误概率。在图6中，设置参数|h_1r|²＝0.4，|h_2r|²＝0.2，|h_r1|²＝0.9，|h_r2|²＝0.9。并且假设每个终端在这个信道中以相同的功率传输。结果表明，在信噪比为10dB的情况下，随机码的解码和转发(DF&RC)和固定模向前(FMF)均优于其它策略。对于FMF，当信噪比为20dB和信噪比为30dB时，中继的分裂功率导致了源S₂和S₁的性能恶化，但AF&LC更接近速率区的u_b。在低信噪比情况下，AF&LC将噪声版本转发到目的地，导致系统速率下降，而Lattice码的译码转发(DF&LC)和DF&RC对中继处的噪声具有较好的抑制性能。

本实施例考虑双向衰落信道，利用Lattice编码，在中继节点进行模运算和放大转发，提出了基于Lattice编码的前向放大方法(AF&LC)，在不破坏Lattice码本结构的情况下，模运算降低了接收信号的功率，从而获得比随机码放大和转发方法(AF&RC)更大的放大倍数，因此改善了信道传输速率。

实施例二

本实施例提供一种基于Lattice编码放大转发的网络编码系统，如图8所示，包括：

第一发送模块11，用于信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

处理模块12，用于所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

第二发送模块13，用于所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

解码模块14，用于所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息。

进一步的，在第一发送模块11中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得Λ_s、

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，表示为：

其中，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码Λ_s；

表示Λ_s的模操作。

进一步的，所述处理模块12中，信源节点S_i包括S₁、S₂，中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声。

进一步的，在处理模块12中，中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子。

进一步的，所述解码模块14中，信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI。

需要说明的是，本实施例与实施例一类似，在此不多做赘述。

本实施例考虑双向衰落信道，利用Lattice编码，在中继节点进行模运算和放大转发，提出了基于Lattice编码的前向放大方法(AF&LC)，在不破坏Lattice码本结构的情况下，模运算降低了接收信号的功率，从而获得比随机码放大和转发方法(AF&RC)更大的放大倍数，因此改善了信道传输速率。

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 (2)

1.一种基于Lattice编码放大转发的网络编码方法，其特征在于，包括步骤：

S1.信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

S2.所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

S3.所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

S4.所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息；

在步骤S1中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得Λ_s、

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，表示为：

其中，Λ_s表示球面，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码；

表示Λ_s的模操作；

步骤S2中，信源节点S_i包括S₁、S₂，中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声；

在步骤S2中，中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子；

步骤S4中，信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；

根据上述公式可得出，信源节点Si处的接收信号Y_i写为：

其中i≠j，i，j∈{1，2}；

为期望信号；

为已知信号。

2.一种基于Lattice编码放大转发的网络编码系统，其特征在于，包括：

第一发送模块，用于信源节点S_i使用n维Lattice编码器向中继节点r发送导频信号和数据信号；

处理模块，用于所述中继节点r将接收到的数据信号进行模运算，并对所述接收到的导频信号进行叠加、放大转发处理，获得信道状态信息CSI；

第二发送模块，用于所述中继节点r将得到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号发送至信源节点S_i；

解码模块，用于所述信源节点S_i通过Lattice解码器对接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号进行解码，获得期望信息；

在第一发送模块中，信源节点S_i使用n维Lattice编码器获得Λ_s、

然后以平均功率σ²(Λ_s)＝P发送信号，表示为：

其中，Λ_s表示球面，X_i表示信源节点S_i发送的符号；C_i表示Λ_s的Voronoi的基本单元，U_i表示调制符号；V_s表示Λ_s的Voronoi区域；Λ_s表示Lattice码；

表示Λ_s的模操作；

处理模块中，信源节点S_i包括S₁、S₂，中继节点r接收到的数据信号，表示为：

Y_r＝h_1rX₁+h_2rX₂+n_r；

其中，Y_r表示中继节点r将接收到的数据信号；h_1r、h_2r表示中继节点通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；X₁、X₂分别表示信源节点S₁、S₂发送的符号；n_r表示中继节点处的加性噪声；

在处理模块中，中继节点r将接收数据信号Y_r进行模运算，则得到中继节点r处的传输信号，表示为：

其中，X_r表示中继节点r处的传输信号；h_x表示中继节点进行模运算的系数；u_x表示均匀分布于区域h_xv_s的跳频信号；α_x表示中继节点放大信号的放大因子；

解码模块中，信源节点S_i接收到的信道状态信息CSI、导频信号和经过模运算的数据信号，表示为：

Y_i＝h_irX_r+n_i；

其中，Y_i表示信源节点S_i接收到的信号；X_r表示中继节点的发送符号；n_i表示信源节点S_i处的加性噪声；h_ir经过通过计算导频信号获得的信道状态信息CSI；

根据上述公式可得出，信源节点Si处的接收信号Y_i写为：

其中i≠j，i，j∈{1，2}；

为期望信号；

为已知信号。

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