專利名稱：一種用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，屬于無線通信 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雙向通信，是通信中的常見手段，比如用戶之間實(shí)時(shí)文件交互，視屏通話等業(yè)務(wù)， 專用監(jiān)控系統(tǒng)等都需要可靠的雙向通信。由于地理位置間隔或直傳信道質(zhì)量惡劣，期望 實(shí)現(xiàn)雙向通信的用戶無法自行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可靠通信，這時(shí)候可以利用中繼來協(xié)助完成雙向通 信。無線網(wǎng)絡(luò)編碼，利用無線信號(hào)傳輸?shù)膹V播和疊加特性和先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)方法，能夠?yàn)檫@ 些期望交互信息的用戶對(duì)提供高速可靠的信息傳遞。同時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用能夠有效 的提高網(wǎng)絡(luò)整體的頻譜利用率和能量利用率，從而實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保的雙向通信，符合未來綠 色通信的需求。目前無線網(wǎng)絡(luò)編碼已經(jīng)逐漸受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，其中應(yīng)用在雙向通信中 無線網(wǎng)絡(luò)編碼主要包括基于部分譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的模擬網(wǎng)絡(luò) 編碼。其中，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的通信協(xié)議如下兩個(gè)希望進(jìn)行雙向通信的用戶對(duì)利用相同 的時(shí)頻資源完成其上行傳輸，基站端將重疊的或相互干擾的信號(hào)直接映射為網(wǎng)絡(luò)編碼的符 號(hào)，然后利用一定的時(shí)頻率資源將該網(wǎng)絡(luò)編碼后的符號(hào)廣播到該用戶對(duì)，用戶在接收到網(wǎng) 絡(luò)編碼的符號(hào)后，利用自己已有的信息進(jìn)行干擾消除后，獲得來自對(duì)方的有用信息。另外， 模擬網(wǎng)絡(luò)編碼的通信協(xié)議如下兩個(gè)希望進(jìn)行雙向通信的用戶對(duì)利用相同的時(shí)頻資源完成 其上行傳輸，基站端將重疊的或相互干擾的信號(hào)直接放大之后廣播到該用戶對(duì)，用戶在接 收到網(wǎng)絡(luò)編碼的符號(hào)后，利用自己已有的信息進(jìn)行干擾消除后，獲得來自對(duì)方的有用信息。 兩種無線網(wǎng)絡(luò)編碼中，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼具有更高的能量利用率，更符合未來通信的需求?？臻g分集利用多天線收/發(fā)設(shè)備及先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)有效的對(duì)抗無線信道的 衰落特性。特別地，對(duì)于中繼輔助網(wǎng)絡(luò)，中繼通常具有多多天線并可以為網(wǎng)絡(luò)提供空間分集 增益。但是，利用多天線中繼為物理層網(wǎng)絡(luò)編碼提供專屬的分集方案，目前尚沒有相關(guān)報(bào) 道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，以提 高效率頻譜利用率和能量利用，并利用多天線中繼結(jié)點(diǎn)獲得了用戶端到端分集增益，提高 用戶雙向通信的可靠性。本發(fā)明提出的用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，包括以下步驟(1)設(shè)進(jìn)行全速率交互通信的兩個(gè)單天線用戶，在兩個(gè)單天線用戶之間設(shè)定M個(gè) 分布式中繼站天線，構(gòu)成一個(gè)局部通信網(wǎng)絡(luò)；(2)局部通信網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)單天線用戶分別向中繼站發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，中繼站根據(jù) 接收的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分別估計(jì)出中繼站天線與每個(gè)用戶天線之間的信道信息，得到用戶天線和中繼站天線之間的信道矩陣hk= [h^,^,,,…，hM,k]T，其中k=丨二丄^是用戶！^和中 繼第m根天線的信道向量；(3)兩個(gè)單天線用戶均選擇二相相移鍵控BPSK調(diào)制方式，向中繼站同時(shí)分別發(fā)送 兩個(gè)單天線用戶之間的長(zhǎng)度為N個(gè)信號(hào)的交互信息S1和& ；(4)當(dāng)中繼站接收到來自兩個(gè)單天線用戶的第i個(gè)疊加信號(hào)yi后，進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)， 得到第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)&，1 < i彡N，具體過程如下(4-1)對(duì)上述步驟(2)的信道矩陣hk與中繼站接收的疊加信號(hào)71分別進(jìn)行相關(guān)處 理，得到兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值，分別為、=JlK 'Ryh2 =<、，其中，(·廣為共軛轉(zhuǎn)置；(4-2)對(duì)上述步驟O)的兩個(gè)單天線用戶與中繼站之間的兩個(gè)信道矩陣進(jìn)行相關(guān) 處理，得到一個(gè)信道-信道相關(guān)值A(chǔ)lll2 = Wh2 ；(4-3)中繼站利用上述兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值和一個(gè)信道-信道相關(guān)值，對(duì)疊加信 號(hào)Yi進(jìn)行最大比合并檢測(cè)，得到網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)4，檢測(cè)表達(dá)式為S1=Imini (,Ryhi +^),-3 ^ +^hJ)“其中 表示取復(fù)數(shù)的實(shí)部；厶 ，耐·)-Ah2K1 - 2))-2唯lh2)(5)中繼站根據(jù)上述步驟(2)的用戶天線和中繼站天線之間的信道矩陣，從M根中 繼站天線中選擇從中繼站向用戶發(fā)送網(wǎng)絡(luò)編碼的天線集合，具體過程如下(5-1)中繼站分別計(jì)算M根天線的瞬時(shí)合信道增益，并按信道增益從大到小排序；(5-2)中繼站從上述排序中選擇與較大信道增益相對(duì)應(yīng)的M’根天線作為發(fā)射網(wǎng) 絡(luò)編碼的天線；(6)中繼站將上述步驟的網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼后通過上述選擇的天線 向兩個(gè)單天線用戶發(fā)送；(7)兩個(gè)單天線用戶分別接收空時(shí)編碼后的符號(hào)，進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到第i個(gè)網(wǎng)絡(luò) 編碼符號(hào)&的估計(jì)值Sj ；(8)兩個(gè)單天線用戶分別根據(jù)上述步驟C3)交互信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)估計(jì)值進(jìn) 行譯碼，得到對(duì)方單天線用戶的數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明提出的用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，采用基于物理 層網(wǎng)絡(luò)編碼的高效雙向通信策略和基于多天線中繼的聯(lián)合收發(fā)處理技術(shù)?；谖锢韺泳W(wǎng) 絡(luò)編碼的雙向通信包括兩個(gè)傳輸階段多址接入階段(Multiple-Access，ΜΑ)和廣播階段 (Broadcast,BC)。MA階段由希望進(jìn)行雙向通信的兩個(gè)用戶向中繼同時(shí)傳輸信息，中繼對(duì)來 自不同用戶的疊加信號(hào)進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼最大比合并檢測(cè)(MRC-L)，進(jìn)而直接得到網(wǎng)絡(luò) 編碼符號(hào)；BC階段，中繼利用發(fā)送天線選擇(AS)和空時(shí)編碼(STC)將網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)廣播回 用戶，用戶檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)編碼后利用自信息抽取出來另外一個(gè)用戶的信息。本發(fā)明方法有效提 高了雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率和能量利用效率；利用多天線中繼結(jié)點(diǎn)獲得了用戶端到端 分集增益，顯著提高了用戶雙向通信的可靠性。


圖1是分布式天線系統(tǒng)中用戶對(duì)雙向通信示意圖。圖2是本發(fā)明提出的天線選擇流程框圖。圖3是本發(fā)明方法的流程框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，其流程框圖如圖 3所示，包括以下步驟(1)設(shè)進(jìn)行全速率交互通信的兩個(gè)單天線用戶，在兩個(gè)單天線用戶之間設(shè)定M個(gè) 分布式中繼站天線，構(gòu)成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，選定進(jìn)行信息交互的單天線用戶S_1 和S_2及兩個(gè)分布式天線組成的半雙工中繼站R —同構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，M = 3。(2)通信網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)單天線用戶分別向中繼站發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，中繼站根據(jù)接 收的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分別估計(jì)出中繼站天線與每個(gè)用戶天線之間的信道信息，得到用戶天線 和中繼站天線之間的信道矩陣hk= [h^，h2,k, t!3,k]T，其中k= 1，2，hm,k是用戶k和中繼 第m根天線的信道向量，m = 1，2，3，設(shè)服從獨(dú)立同分布的0均值和單位方差瑞麗分布，即 hm it CA/"(0,1);(3)兩個(gè)單天線用戶均選擇二相相移鍵控BPSK調(diào)制方式，向中繼站R同時(shí)分別發(fā) 送兩個(gè)單天線用戶之間的長(zhǎng)度為N個(gè)信號(hào)的交互信息S1和& ；(4)當(dāng)中繼站R接收到來自兩個(gè)單天線用戶的第i個(gè)疊加信號(hào)yi;l < i彡N后， 進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，得到第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)&，1 < i < N，具體過程如下(4-1)對(duì)上述步驟(2)的信道矩陣hk與中繼站接收的第i個(gè)疊加信號(hào)71分別進(jìn)行 相關(guān)處理，得到兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值，分別為= y；^^h2 = y,:h2‘ (O*為共軛轉(zhuǎn)置。兩個(gè)用戶到達(dá)中繼站R的第i個(gè)疊加符號(hào)表達(dá)式為=Y1+A，k=\其中，Si, k e (士 1)是Sk，k = 1，2的第i個(gè)發(fā)送符號(hào)，η,為中繼站R處獨(dú)立同分布的加性高斯白噪聲矩陣，即A CA/"(0,Ag，&,k為用戶S_k的發(fā)送功率，為說明方便我們2將其歸一化為= κ = 1，因此，表達(dá)式簡(jiǎn)化為L(zhǎng)=Lv^+iVk=\(4-2)對(duì)上述步驟O)的兩個(gè)單天線用戶與中繼站R之間的兩個(gè)信道矩陣進(jìn)行相 關(guān)處理，得到一個(gè)信道-信道相關(guān)值A(chǔ)lll2 = Wh2 ；(4-3)中繼站利用上述兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值和一個(gè)信道-信道相關(guān)值，對(duì)疊加信 號(hào)yi進(jìn)行最大比合并檢測(cè)，得到網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)4，檢測(cè)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1. 一種用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，其特征在于該方法包括以下 步驟(1)設(shè)進(jìn)行全速率交互通信的兩個(gè)單天線用戶，在兩個(gè)單天線用戶之間設(shè)定M個(gè)分布 式中繼站天線，構(gòu)成一個(gè)局部通信網(wǎng)絡(luò)；(2)局部通信網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)單天線用戶分別向中繼站發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)，中繼站根據(jù)接收 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分別估計(jì)出中繼站天線與每個(gè)用戶天線之間的信道信息，得到用戶天線和中 繼站天線之間的信道矩陣hk= [h^,^,,,…，hM,k]T，其中k= l，2，hm,k是用戶k和中繼第 m根天線的信道向量；(3)兩個(gè)單天線用戶均選擇二相相移鍵控BPSK調(diào)制方式，向中繼站同時(shí)分別發(fā)送兩個(gè) 單天線用戶之間的長(zhǎng)度為N個(gè)信號(hào)的交互信息S1和& ；(4)當(dāng)中繼站接收到來自兩個(gè)單天線用戶的第i個(gè)疊加信號(hào)yi后，進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，得到 第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)4，1 < i < N，具體過程如下(4-1)對(duì)上述步驟O)的信道矩陣hk與中繼站接收的疊加信號(hào)yi分別進(jìn)行相關(guān)處理， 得到兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值，分別為 =y>i =<、，其中，(·廣為共軛轉(zhuǎn)置；(4-2)對(duì)上述步驟O)的兩個(gè)單天線用戶與中繼站之間的兩個(gè)信道矩陣進(jìn)行相關(guān)處 理，得到一個(gè)信道-信道相關(guān)值A(chǔ)lll2 = h>2 ；(4-3)中繼站利用上述兩個(gè)信道-數(shù)據(jù)相關(guān)值和一個(gè)信道-信道相關(guān)值，對(duì)疊加信號(hào)yi 進(jìn)行最大比合并檢測(cè)，得到網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)A，檢測(cè)表達(dá)式為Si=Imini (^hi +Ryh2) -^[Ryhl +Ryh2))-其中 表示取復(fù)數(shù)的實(shí)部；厶 ，叫·)(5)中繼站根據(jù)上述步驟( 的用戶天線和中繼站天線之間的信道矩陣，從M根中繼站 天線中選擇從中繼站向用戶發(fā)送網(wǎng)絡(luò)編碼的天線集合，具體過程如下(5-1)中繼站分別計(jì)算M根天線的瞬時(shí)合信道增益，并按信道增益從大到小排序；(5-2)中繼站從上述排序中選擇與較大信道增益相對(duì)應(yīng)的M’根天線作為發(fā)射網(wǎng)絡(luò)編 碼的天線；(6)中繼站將上述步驟的網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼后通過上述選擇的天線向兩 個(gè)單天線用戶發(fā)送；(7)兩個(gè)單天線用戶分別接收空時(shí)編碼后的符號(hào)，進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼 符號(hào)&的估計(jì)值I；(8)兩個(gè)單天線用戶分別根據(jù)上述步驟C3)交互信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)估計(jì)值進(jìn)行譯 碼，得到對(duì)方單天線用戶的數(shù)據(jù)信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通信系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的空間分集方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。設(shè)兩個(gè)單天線用戶之間有多個(gè)分布式中繼站天線，用戶向中繼站發(fā)送數(shù)據(jù)，中繼站進(jìn)而估計(jì)與用戶天線之間的信道信息并得到信道矩陣，用戶均選擇BPSK調(diào)制方式，向中繼站發(fā)送用戶之間的交互信息，中繼站對(duì)接收的疊加信號(hào)后進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，得到網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)，并選擇天線集合，將網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼后向用戶發(fā)送，用戶對(duì)空時(shí)編碼后的符號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，并根據(jù)交互信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼符號(hào)估計(jì)值進(jìn)行譯碼，得到對(duì)方用戶的數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明方法提高了雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率和能量利用效率，顯著提高了用戶雙向通信的可靠性。
文檔編號(hào)H04L1/06GK102055565SQ201010606060
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者吳佳, 張長(zhǎng), 曾捷, 程青燕, 粟欣, 高暉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)