專利名稱：一種基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信的協(xié)作中繼技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無線通信系統(tǒng)中利用中繼協(xié) 作傳輸信息的方法。
背景技術(shù)：
無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約。無線信道不像有線信道那樣固定 并可預(yù)見，而是具有極大的隨機(jī)性。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑往往非常復(fù)雜，從簡(jiǎn)單 的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地形，如建筑物、山脈、樹葉等，這使得發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷了嚴(yán)重 的信道衰落，從而導(dǎo)致接收機(jī)收到的信號(hào)信噪比較低，錯(cuò)誤概率較大。為了改善誤碼性能， 《國際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)_信息論國際會(huì)議》(Proceedings. 2001IEEEInternational Symposium on Information Theory :294)提出了一種協(xié)作中繼技術(shù)，即利用一個(gè)或多個(gè)中 繼輔助發(fā)射機(jī)發(fā)送信息，這樣，在接收機(jī)處會(huì)收到一個(gè)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)副本，且它們經(jīng)歷了 相互獨(dú)立的信道衰落。由于多個(gè)信道同時(shí)處于嚴(yán)重衰落的概率很小，其誤碼率較直接傳輸 要低很多，這相當(dāng)于多天線(MIMO)系統(tǒng)中的空間分集技術(shù)，因而又稱為協(xié)作分集。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集，在《國際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)-信息論國際會(huì)議》 (Proceedings. 200IIEEE International Symposium on Information Theory :294)提出 的中繼協(xié)作方法中，第一步，源端向中繼和目的端廣播信號(hào)，第二步，中繼將接收到的信號(hào) 經(jīng)過處理后在正交的子信道上依次轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，且此期間源端保持沉默；中繼處理接收 信號(hào)的方式包括放大前傳(AF)和解碼前傳(DF)。這種傳統(tǒng)的中繼方法，也稱為重復(fù)編碼方 法，利用各個(gè)中繼提供的獨(dú)立信道，獲得了很好的空間分集增益，但與直傳相比，由于中繼 要在正交的信道上發(fā)送信號(hào)，這種方法花費(fèi)了兩倍甚至更多的信道資源，比如時(shí)隙或者頻 帶，稱之為復(fù)用損失。為了降低傳統(tǒng)中繼傳輸方法的復(fù)用損失，《國際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)-信息論匯 刊》(IEEE Transactions on Information Theory 49(10) :2415_2425，2003)提出 了一種 新的分布式空時(shí)編碼傳輸方法。該方法中，源端先向多個(gè)中繼廣播多個(gè)信息，然后各個(gè)中繼 在處理接收信號(hào)后采用分布式空時(shí)碼將其發(fā)送給目的端。這種方法同樣獲得了空間分集增 益，在多個(gè)中繼情況下傳輸效率為1/2，即平均每?jī)蓚€(gè)時(shí)隙發(fā)送一個(gè)信息，中繼數(shù)較多時(shí)比 傳統(tǒng)的中繼傳輸方法有很大提高，但由于目的端有一半時(shí)間沒有接收信息，其傳輸效率無 法更高，而且它需要在中繼上進(jìn)行分布式空時(shí)編碼和同步，對(duì)中繼設(shè)備的性能要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法，以在兩 個(gè)中繼的通信環(huán)境中獲得與傳統(tǒng)中繼方法和分布式空時(shí)碼傳輸方法相同的空間分集增益， 同時(shí)比這些方法有更少的復(fù)用損失，進(jìn)一步提高傳輸效率。本發(fā)明基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法，整個(gè)協(xié)作通信系統(tǒng)包括一 個(gè)源端、兩個(gè)中繼和一個(gè)目的端，源端和兩個(gè)中繼之間、兩個(gè)中繼和目的端之間的信道為無線衰落信道；源端位于目的端的接收半徑之外，源端通過兩個(gè)中繼與目的端進(jìn)行通信；每 個(gè)中繼以時(shí)分半雙工的方式工作，即每個(gè)中繼在不同的時(shí)隙上發(fā)送或接收信息而在同一 個(gè)時(shí)隙中不能同時(shí)發(fā)送和接收信息；一個(gè)中繼采用放大前傳(AF)方式直接將信號(hào)放大然 后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用放大前傳方式工作，或者，一個(gè)中繼采用解碼前傳 (DF)方式對(duì)其接收到的信號(hào)解碼并重新編碼然后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用解 碼前傳方式工作；其特征在于兩個(gè)中繼互相位于對(duì)方的接收半徑之外；源端對(duì)其要發(fā)送 的二進(jìn)制信息序列每三個(gè)時(shí)隙進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)編碼；兩個(gè)中繼在相鄰的時(shí)隙中交替地發(fā)送信 息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼在本時(shí)隙中接收信息，上一個(gè)時(shí)隙中接收信息的中繼在 本時(shí)隙中發(fā)送信息；每個(gè)時(shí)隙中一個(gè)中繼接收源端發(fā)送的信息的同時(shí)，另一個(gè)中繼向目的 端轉(zhuǎn)發(fā)其上一個(gè)時(shí)隙接收并處理過的信息；所述中繼協(xié)作方法具體過程如下第一個(gè)時(shí)隙，源端廣播發(fā)送第一個(gè)信息，兩個(gè)中繼接收這個(gè)信息；第二個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第一個(gè)和第二個(gè)信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息，第二個(gè) 中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)，第一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第三個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第二個(gè)信息，第一個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)第二個(gè)中繼處 理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第四個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第三個(gè)信息，第二個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)第一個(gè)中繼處 理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；之后的每三個(gè)時(shí)隙，源端和兩個(gè)中繼都按照類似第二到四個(gè)時(shí)隙的方式交替?zhèn)鬏?信息，每個(gè)時(shí)隙中，都有一個(gè)中繼接收信息同時(shí)另一個(gè)中繼發(fā)送信息；第3n-l個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2n-l個(gè)和第2η個(gè)信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息， 一個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)，另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的 端；第3η個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2η個(gè)信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼接收這個(gè)信 息，同時(shí)另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第3η+1個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2η+1個(gè)信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼接收這個(gè) 信息，同時(shí)另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端。由于本發(fā)明采用了交替?zhèn)鬏數(shù)姆椒ǎc傳統(tǒng)中繼協(xié)作方法和分布式空時(shí)碼傳輸方 法中兩個(gè)中繼同時(shí)接收、同時(shí)發(fā)送的方法相比較，充分利用了兩個(gè)中繼傳輸模型的特點(diǎn)，一 個(gè)中繼在轉(zhuǎn)發(fā)信息的時(shí)候源端不再保持沉默，而是向另一個(gè)中繼發(fā)送信息，從而保證源端 在不停地發(fā)送信息，目的端在不停地接收信息，使得本發(fā)明在相同數(shù)目的時(shí)隙中傳輸了更 多的信息，極大地減小了復(fù)用損失，提高了傳輸?shù)男省Ｓ捎诒景l(fā)明還采用了源端網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，與交替?zhèn)鬏斢行У亟Y(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)編 碼可以提高吞吐量和節(jié)省時(shí)隙，在源端每三個(gè)時(shí)隙發(fā)送一個(gè)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息， 使得目的端在三個(gè)時(shí)隙中分別收到兩個(gè)信息及包含這兩個(gè)信息的網(wǎng)絡(luò)編碼信息，與傳統(tǒng)中 繼協(xié)作方法和分布式空時(shí)碼傳輸方法相比，在獲得同樣的空間分集性能的情況下，進(jìn)一步 節(jié)省了時(shí)隙，提高了傳輸效率。同時(shí)，由于本發(fā)明中的網(wǎng)絡(luò)編碼是在源端進(jìn)行的，對(duì)中繼設(shè) 備的處理性能沒有特殊要求，中繼可以是AF的，也可以是DF的，而分布式空時(shí)碼傳輸方法 中，要求中繼設(shè)備能夠進(jìn)行空時(shí)編碼，并且只能工作在DF方式。


圖1為采用本發(fā)明的中繼協(xié)作傳輸無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型示意圖。圖2為采用本發(fā)明的中繼協(xié)作傳輸無線通信系統(tǒng)的傳輸過程示意圖。圖3為目的端處理接收信號(hào)的示意圖。圖4為本發(fā)明與已有的中繼協(xié)作方法的分集復(fù)用折中性能曲線比較圖。圖5為本發(fā)明與已有中繼協(xié)作方法的中斷概率隨信噪比變化的仿真性能比較圖。圖6為本發(fā)明與已有中繼協(xié)作方法的誤碼率隨信噪比變化的仿真性能比較圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法本實(shí)施例以圖1和圖2所示的采用本發(fā)明的中繼協(xié)作傳輸無線通信系統(tǒng)示意圖來 介紹本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。圖1給出了本發(fā)明的中繼協(xié)作傳輸無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型示 意圖。圖2為基于此結(jié)構(gòu)模型采用本發(fā)明的中繼協(xié)作傳輸系統(tǒng)的傳輸過程示意圖。如圖1所示，本發(fā)明基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法，整個(gè)中繼協(xié) 作通信系統(tǒng)包括一個(gè)源端S、兩個(gè)中繼第一中繼Rl和第二中繼R2以及一個(gè)目的端D。源端 S位于目的端D的接收半徑之外，目的端D無法直接收到源端S發(fā)送的信息，源端S只能通 過兩個(gè)中繼Rl和R2與目的端D進(jìn)行通信。源端S與兩個(gè)中繼Rl和R2之間、兩個(gè)中繼Rl 和R2與目的端D之間為瑞利衰落信道，即信道系數(shù)是相互獨(dú)立的復(fù)高斯隨機(jī)變量，其幅值 服從瑞利分布。第一中繼Rl位于第二中繼R2的接收半徑之外，同樣第二中繼R2也位于第 一中繼Rl的接收半徑之外。這樣，當(dāng)?shù)谝恢欣^Rl發(fā)送信息而第二中繼R2接收信息時(shí)，第 二中繼R2只會(huì)接收到源端S發(fā)送的信息，不會(huì)收到第一中繼Rl發(fā)送的信息，從而避免了干 擾。兩個(gè)中繼都是時(shí)分半雙工的，即每個(gè)中繼在不同的時(shí)隙上發(fā)送或接收信息而在同一個(gè) 時(shí)隙中不能同時(shí)發(fā)送和接收信息；當(dāng)一個(gè)中繼采用放大前傳(AF)方式直接將信號(hào)放大然 后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用放大前傳方式工作；或者，當(dāng)一個(gè)中繼采用解碼前傳 (DF)方式對(duì)其接收到的信號(hào)解碼并重新編碼然后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用解碼 前傳方式工作。圖2給出了中繼協(xié)作傳輸過程的示意圖，共分為七個(gè)分圖，分別用小寫字母a_g標(biāo) 識(shí)，列出了采用本發(fā)明的中繼協(xié)作方法第一到第七個(gè)時(shí)隙的信號(hào)傳輸過程。源端S向目的端D傳輸?shù)男畔殚L(zhǎng)度相同的二進(jìn)制序列sl，s2,…，s2n，其中繼 協(xié)作方法具體過程如下如圖2中的分圖a所示，第一個(gè)時(shí)隙，源端S廣播其想要發(fā)送的第一個(gè)二進(jìn)制信息 序列sl，第一中繼Rl和第二中繼R2均接收這個(gè)信息，由于沒有直傳鏈路，該時(shí)隙中目的端 D沒有接收到信號(hào)；如分圖b所示，第二個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第一個(gè)二進(jìn)制信息序列Sl和第二個(gè)二進(jìn) 制信息序列s2經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息ΜΘη，第二中繼R2接收這個(gè)混合信息il d， 同時(shí)，第一中繼Rl解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；如分圖c所示，第三個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第二個(gè)二進(jìn)制信息序列s2，第一中繼Rl接 收這個(gè)信息，同時(shí)第二中繼R2解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；
如分圖d所示，第四個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第三個(gè)二進(jìn)制信息序列S3，第二中繼R2接 收這個(gè)信息，同時(shí)第一中繼Rl解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；如分圖e所示，第五個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第三個(gè)二進(jìn)制信息序列S3和第四個(gè)二進(jìn) 制信息序列s4經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息，第一中繼Rl接收這個(gè)信息，同時(shí)，第二 中繼R2解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；如分圖f所示，第六個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第四個(gè)二進(jìn)制信息序列s4，第二中繼R2接 收這個(gè)信息，同時(shí)第一中繼Rl解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；如分圖g所示，第七個(gè)時(shí)隙，源端S發(fā)送第五個(gè)二進(jìn)制信息序列s5，第一中繼Rl接 收這個(gè)信息，同時(shí)第二中繼R2解碼轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其收到的信息給目的端D ；之后，每三個(gè)時(shí)隙中，源端S和兩個(gè)中繼R1、R2都按照第二到四個(gè)時(shí)隙和第五到七 個(gè)時(shí)隙的方式交替地傳輸信息。各個(gè)時(shí)隙中源端S、兩個(gè)中繼Rl、R2發(fā)送的信號(hào)以及目的端D接收到的信號(hào)如下 表1中所示表1 發(fā)送和接收的信號(hào)
權(quán)利要求
一種基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法，整個(gè)協(xié)作通信系統(tǒng)包括一個(gè)源端、兩個(gè)中繼和一個(gè)目的端，源端和兩個(gè)中繼之間、兩個(gè)中繼和目的端之間的信道為無線衰落信道；源端位于目的端的接收半徑之外，源端通過兩個(gè)中繼與目的端進(jìn)行通信；每個(gè)中繼以時(shí)分半雙工的方式工作，即每個(gè)中繼在不同的時(shí)隙上發(fā)送或接收信息而在同一個(gè)時(shí)隙中不能同時(shí)發(fā)送和接收信息；一個(gè)中繼采用放大前傳方式直接將信號(hào)放大然后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用放大前傳方式工作，或者，一個(gè)中繼采用解碼前傳方式對(duì)其接收到的信號(hào)解碼并重新編碼然后發(fā)送給目的端時(shí)，另一個(gè)中繼也采用解碼前傳方式工作；其特征在于兩個(gè)中繼互相位于對(duì)方的接收半徑之外；源端對(duì)其要發(fā)送的二進(jìn)制信息序列每三個(gè)時(shí)隙進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)編碼；兩個(gè)中繼在相鄰的時(shí)隙中交替地發(fā)送信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼在本時(shí)隙中接收信息，上一個(gè)時(shí)隙中接收信息的中繼在本時(shí)隙中發(fā)送信息；每個(gè)時(shí)隙中一個(gè)中繼接收源端發(fā)送的信息的同時(shí)，另一個(gè)中繼向目的端轉(zhuǎn)發(fā)其上一個(gè)時(shí)隙接收并處理過的信息；所述中繼協(xié)作方法具體過程如下第一個(gè)時(shí)隙，源端廣播發(fā)送第一個(gè)信息，兩個(gè)中繼接收這個(gè)信息；第二個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第一個(gè)和第二個(gè)信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息，第二個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)，第一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第三個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第二個(gè)信息，第一個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)第二個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第四個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第三個(gè)信息，第二個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)第一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；之后的每三個(gè)時(shí)隙，源端和兩個(gè)中繼都按照類似第二到四個(gè)時(shí)隙的方式交替?zhèn)鬏斝畔ⅲ總€(gè)時(shí)隙中，都有一個(gè)中繼接收信息同時(shí)另一個(gè)中繼發(fā)送信息；第3n 1個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2n 1個(gè)和第2n個(gè)信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后的混合信息，一個(gè)中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)，另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第3n個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2n個(gè)信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端；第3n+1個(gè)時(shí)隙，源端發(fā)送第2n+1個(gè)信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼接收這個(gè)信息，同時(shí)另一個(gè)中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)前一個(gè)時(shí)隙其接收到的信息給目的端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于源端網(wǎng)絡(luò)編碼和交替?zhèn)鬏數(shù)闹欣^協(xié)作方法，特征是兩個(gè)中繼互相位于對(duì)方的接收半徑之外；源端對(duì)其發(fā)送的二進(jìn)制信息序列每三個(gè)時(shí)隙進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)編碼；兩個(gè)中繼在相鄰的時(shí)隙中交替地發(fā)送信息，上一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信息的中繼在本時(shí)隙中接收信息，上一個(gè)時(shí)隙中接收信息的中繼在本時(shí)隙中發(fā)送信息；每個(gè)時(shí)隙中一個(gè)中繼接收源端發(fā)送的信息的同時(shí)，另一個(gè)中繼向目的端轉(zhuǎn)發(fā)其上一個(gè)時(shí)隙接收并處理過的信息。本發(fā)明在不影響協(xié)作分集增益的情況下充分利用了兩個(gè)中繼傳輸模型的特點(diǎn)，可在相同數(shù)目的時(shí)隙中傳輸更多的信息，減小了中繼協(xié)作傳輸?shù)膹?fù)用損失，將信息的傳輸效率提高到2/3，在實(shí)際的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中同時(shí)兼顧傳輸性能和效率。
文檔編號(hào)H04L1/06GK101958766SQ20101029682
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者李輝, 肖愛民 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)