专利名称：物理层网络编码处理方法
技术领域：
本发明涉及网络编码技术，特别是涉及一种物理层网络编码处理方法，属于通信技术领域。
背景技术：
由于无线网络中的节点具有移动性以及可携带性，使得无线网路的组建方便、灵活，无线网络得到了普遍的应用。无线网络的链路具有广播特性，即无线网络中的节点可以向其它多个节点广播信息，同样的，无线网络中的节点也可以接收来自其它多个节点的信息。由于节点的广播特性，若网络中的多个节点在同一时间内广播信息，则多个节点广播出去的多个信号之间会在传播的自由空间内相互混合，信号的混合会造成信号之间产生干扰，导致接收节点接收到的信息不准确或无法接收到所需的信息。因此，为避免干扰的产生，现有技术中信息的传输方法一般均采用相继发送信号来实现信息的传输。
图1为现有技术无线网络中信息传输的结构示意图；图2为现有技术无线网络中信息传输方法中信号传输的时序图。假设无线网络中存在两个源节点S1和S2，中继节点R以及目的节点D，源节点S1和S2可以通过中继节点R将信息传输至目的节点D。如图2所示，现有技术中，源节点S1和S2与目的节点D的通信过程如下在第一时隙T10，源节点S1广播信息，中继节点R接收源节点S1广播的信息；在第二时隙T20，中继节点R将观测到的源节点S1广播的信息广播出去，并由目的节点D接收中继节点R广播的信息，目的节点D获得源节点S1的信息；在第三时隙T30，源节点S2广播信息，中继节点R接收源节点S2广播的信息；在第四时隙T40，中继节点R将观测到的源节点S2广播的信息广播出去，并由目的节点D接收中继节点R广播的信息，目的节点D获得源节点S2的信息。可以看出，现有技术中，两个源节点向同一目的节点传输信息时，完成一次通信至少需要4个时隙，若有两个以上的源节点与目的节点之间通信，则需要的时隙将更多。
可以看出，现有技术无线网络中信息传输方法中，为避免信号干扰，提高信息传输的准确性，多个源节点与同一目的节点之间通信时，完成一次信息传输需要的时隙过多，使得网络整体容量小，带宽利用率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种物理层网络编码处理方法，可以有效利用信号混合后产生的干扰，提高带宽利用率，提升网络容量。
为实现上述目的，本发明提供了一种物理层网络编码处理方法，包括 第一源节点广播第一信号，第二源节点广播第二信号； 中继节点接收中继混合信号，所述中继混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述中继节点处的信号；目的节点接收第一混合信号，所述第一混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述目的节点处的信号； 所述中继节点广播所述中继混合信号； 所述目的节点接收第二混合信号，所述第二混合信号为所述中继混合信号经过加噪后到达所述目的节点处的信号； 所述目的节点根据所述第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值。
其中，所述目的节点根据所述第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值包括 将所述第一混合信号和第二混合信号结合并获得所述目的节点的观测信号Y； 通过独立成分分析方法对所述观测信号Y进行处理，获得所述第一信号和第二信号的估计值。
所述通过独立成分分析方法对所述观测信号Y进行处理包括 对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号Z； 对所述白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V； 根据所述分离矩阵V和白化信号Z获得包括由所述第一信号和第二信号的估计值组成的估计矩阵EE＝VHZ。
所述对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号Z包括 根据所述观测信号Y获得协方差阵RY，并根据所述协方差阵RY获得白化矩阵W； 通过所述白化矩阵W对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号ZZ＝WY。
所述根据所述观测信号Y获得协方差阵RY，并根据所述协方差阵RY获得白化矩阵W包括 根据所述观测信号Y获得所述观测信号Y的协方差阵RY，所述协方差阵RY为 其中，Y＝KX+N，X为第一信号和第二信号构成的源信号矩阵，K为信号在信道上幅度及相位衰落系数的混合矩阵，N为噪声矩阵；YH表示观测信号Y的共轭转置矩阵，Rx表示源信号矩阵X的协方差阵，RN表示噪声矩阵N的协方差阵，
和
表示源信号与噪声之间的协方差阵，且
和
均为0；σ2为噪声矩阵N的方差，In为n×n阶单位矩阵； 对行列式|λI-XXH|＝0进行求解，获得所述协方差阵RY的特征值{λ1，λ2，…，λn}及其相应的特征向量矩阵AA＝{a1，a2，…，an}，所述特征值为从大到小顺序排列； 设定矩阵DD＝diag[(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)]，其中，diag(·)为对角元素由(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)组成的矩阵，{(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)}为观测信号Y的特征值； 根据所述矩阵D和矩阵A获得所述白化矩阵W，所述白化矩阵W为W＝D-1/2AH＝[(λ1+σ2)-1/2a1，(λ2+σ2)-1/2a2，…，(λn+σ2)-1/2an]H。
所述对所述白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V包括 根据所述白化信号Z，获得所述白化信号Z的四阶累积量Qz，并根据所述四阶累积量Qz获得所述四阶累积量Qz的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}，根据所述四阶累积量Qz的特征对获得特征集合NsetNset＝{λrMr|1≤r≤n}，其中，λr为特征值，Mr为与λr相应的特征向量组成的矩阵，n为观测信号的个数； 通过联合对角化方法对所述特征集合Nset进行处理，获得所述分离矩阵V。
所述根据所述四阶累积量Qz获得所述四阶累积量Qz的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}包括 将所述四阶累积量Qz组成n2×n2的矩阵Q； 根据所述矩阵Q获得所述矩阵Q的特征值及相应的特征向量，将前n个较大特征值及相应的特征向量组成所述特征对{λr，Mr|1≤r≤n}。
所述通过联合对角化方法对所述特征集合Nset进行处理，获得所述分离矩阵V包括 根据所述特征集合Nset设定目标函数C(V，N)，所述目标函数C(V，N)为 其中，设定diag(·)为对角元素是由VHNrV的特征值组成的矩阵，
是VHNrV的系数，为特征集合Nset中的一个元素，i，l，k∈[1，n]为观测信号的下标； 对所述目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得所述分离矩阵V。
所述对所述目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得所述分离矩阵V包括 根据目标函数C(V，N)设定矩阵T，矩阵T为 其中，P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T是矩阵Re(GHG)的特征值对应的特征向量，gr＝[ar-dr，br+cr，j(cr-br)]T，r＝1，...，n，G＝[g1，g2，…，gn]T，Re(·)代表复数的实部； 获得Re(GHG)矩阵的最大特征值对应的特征向量，并根据所述最大特征值对应的特征向量和公式P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T获得相应的α和β； 设ΔVH，ΔV具有厄米特的结构，且根据所述α和β进行迭代运算获得分离矩阵的更新值VnewVnew＝V·ΔV； 根据所述分离矩阵的更新值Vnew更新所述特征矩阵集合Nset中的元素NrNr＝ΔVHNrΔV； 判断α是否满足迭代停止条件，若是则此时的分离矩阵的更新值即为所述分离矩阵V。
进一步地，所述根据目标函数C(V，N)设定矩阵T之前还包括 初始化所述分离矩阵V＝In； 设定所述迭代停止条件，所述迭代停止条件为|sin α|>1/100/(n)1/2。
本发明技术方案中，源节点和目的节点之间的信号传输采用混合信号传输，使得信号传输占用的时隙减少，因此，节省了网络节点占用信道的时间，提高了网络节点的吞吐量，有效提高了网络的整体通信容量，提升了网络带宽利用率；同时，本发明技术方案中通过采用ICA分离技术对目的节点接收到的混合信号进行处理，使得混合信号的分离结果准确、可靠。
图1为现有技术无线网络中信息传输的结构示意图； 图2为现有技术无线网络中信息传输方法中信号传输的时序图； 图3为本发明物理层网络编码处理方法中信号传输的结构示意图； 图4为本发明物理层网络编码处理方法中信号传输的时序图； 图5为本发明物理层网络编码处理方法的流程示意图； 图6为本发明物理层网络编码处理方法中目的节点对混合信号进行分离处理的流程示意图； 图7为本发明对观测信号进行处理的流程示意图。
具体实施例方式 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图3为本发明物理层网络编码处理方法中信号传输的结构示意图；图4为本发明物理层网络编码处理方法中信号传输的时序图。本发明实施例技术方案可应用于现有的无线网络中，与现有技术中信号传输方法不同的是，本发明实施例中信号是以混合方式进行传输，目的节点接收到的信号是多个源节点信号经过混合后的信号，目的节点可对接收到的混合信号进行分离处理，获得源节点发送的信号。具体地，图5为本发明物理层网络编码处理方法的流程示意图。该方法包括 步骤1、第一源节点广播第一信号，第二源节点广播第二信号； 步骤2、中继节点接收中继混合信号，所述中继混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述中继节点处的信号；目的节点接收第一混合信号，所述第一混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述目的节点处的信号； 步骤3、所述中继节点广播所述中继混合信号； 步骤4、所述目的节点接收第二混合信号，所述第二混合信号为所述中继混合信号经过加噪后到达所述目的节点处的信号； 步骤5、所述目的节点根据所述第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值。
本实施例中，如图4所示，在第一时隙T1，第一源节点S1和第二源节点S2将需要发送的信号广播出去，第一源节点S1广播的第一信号和第二源节点S2广播的第二信号在自由空间内混合、加噪，第一信号和第二信号经过混合、加噪后的混合信号分别到达中继节点R和目的节点D；同时，中继节点R和目的节点D分别接收到中继混合信号和第一混合信号；在第二时隙T2，中继节点R通过将接收到的中继混合信号以广播的形式转发给目的节点D；同时，目的节点D接收中继节点转发过来的经过在自由空间传输中加噪后的第二混合信号。至此，第一源节点S1和第二源节点S2与目的节点D之间的一次信号传输完成，目的节点D对接收到的第一混合信号和第二混合信号进行分离处理，即可获得第一信号和第二信号的估计值，并将该第一信号和第二信号估计值分别作为第一源节点S1和第二源节点S2发送给目的节点的信息。本实施例技术方案中，源节点也可以是三个或三个以上，相应地，目的接收到的信号为多个源节点信号进行混合、加噪后的混合信号，目的节点同样可对其进行分离，获得各源节点的广播信号的估计值。
具体地，本实施例中目的节点可以采用盲信号分离(Blind SignalSeparation，简称BSS)技术对接收到的第一混合信号和第二混合信号进行分离处理。BSS技术是一项在观测信号已知的条件下，分离出源信号的技术，其可以在未知任何信道条件的情况下，实现将接收节点收到的经过无线信道混合、加噪的观测信号进行分离，获取发送节点发送的原始信号。因此，目的节点(接收节点)通过对接收到的混合信号进行分离处理，获得源节点发送的原始信号。可以看出，通过BSS技术可以实现将混合信号进行分离，使得多个源节点可同时发送信号到目的节点，即信号可以以混合信号的形式进行信息的传输，使得各源节点与目的节点进行信号传输的时隙数少，因此，信号传输占用的时间和信道相应的减少，提高了信号传输的速度，有效提高了网络的整个通信容量，提升了网络带宽的利用率。
图6为本发明物理层网络编码处理方法中目的节点对混合信号进行分离处理的流程示意图。在上述图5技术方案的基础上，步骤5可具体包括 步骤51、将所述第一混合信号和第二混合信号结合并获得所述目的节点的观测信号Y； 步骤52、通过独立成分分析方法对所述观测信号Y进行处理，获得所述第一信号和第二信号的估计值。
上述步骤51中，目的节点可对接收到的第一混合信号和第二混合信号进行处理，作为目的节点的观测信号Y，观测信号Y也可看作是各源节点发送的所有信号的混合信号。
上述步骤52中，目的节点通过独立成分分析(Independent ComponentAnalysis，简称ICA)方法对观测信号Y进行分析处理，并获得源节点发送的信号。
具体地，假设各源节点发送的信号组成的源信号矩阵为X，本实施例中的源信号矩阵其中x1[m]为第一源节点S1广播的第一信号，x2[m]为第二源节点S2广播的第二信号，在此，也可将x1[m]、x2[m]作为目的节点根据ICA方法获得的第一源节点S1和第二源节点S2对应的估计值。由于无线信号可以表示为一个离散时间函数，因此，本实施例中将源节点广播出去的信号x[m]可表示为x[m]＝As[m]eiθs[m]，其中As为信号的幅度值，θs为信号的相位，m为一个作为信号源的源节点发出的样本个数；源节点广播出去的信号x[m]在空间传播中要经过信道的衰落、多径以及相移，因此目的节点(接收节点)接收到的信号可表示为x′[m]x′[m]＝kijAs[m]ei(θs[m]+φ)，其中kij(i，j∈{s1，s2，r，d})为信号从节点j到节点i过程中在信道上的幅度衰减系数，与节点j到节点i之间的距离有关，φ为信号在信道上产生的相移。
在第一时隙T1，第一源节点S1和第二源节点S2广播的信号x1[m]、x2[m]到达中继节点R时的信号可分别表示为 由于信号在空间中混合、加噪，则中继节点最终接收到的中继混合信号为 其中，yr[m]为中继混合信号，nr[m]为源节点到达中继节点过程中的加噪信号。
同样地，目的节点接收到的第一混合信号为 其中，
为第一混合信号，为第一源节点S1广播的第一信号x1[m]到达目的节点D时的表示，为第二源节点S2广播的第二信号x2[m]到达目的节点D时的表示，n1[m]为源节点信号到达目的节点过程中的噪声信号。
在第二时隙T2，中继节点R广播的中继混合信号yr[m]到达目的节点D处的信号为经过加噪后的信号，则目的节点D接收到的第二混合信号为 其中，
为第二混合信号，为源节点信号通过中继节点到达目的节点过程中的加噪信号，
为中继混合信号到达目的节点过程中的加噪信号。
因此，目的节点接收到的观测信号Y为且有Y＝KX+N，其中，为信号在信道上幅度及相位衰落系数的混合矩阵，为信号在信道上的加噪矩阵。
可以看出，只要求解出混合矩阵K就可以利用上述公式求解出X，即可获得第一源节点S1广播的第一信号值x1[m]和第二源节点S2广播的第二信号值x2[m]。
具体地，图7为本发明对观测信号进行处理的流程示意图。在上述图6技术方案的基础上，为了求解出混合矩阵K，本实施例将观测信号Y进行白化和分离处理，利用白化矩阵W和分离矩阵V来估计混合矩阵K，从而得到第一源节点S1和第二源节点S2发出的源信号矩阵X。步骤52可具体包括 步骤520、对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号Z； 步骤521、对所述白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V； 步骤522、根据所述分离矩阵V和白化信号Z获得包括由所述第一信号和第二信号的估计值组成的估计矩阵EE＝VHZ。
上述步骤520中，对观测信号Y进行白化处理，获得白化信号Z包括根据所述观测信号Y获得协方差阵RY，并根据所述协方差阵RY获得白化矩阵W；通过所述白化矩阵W对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号ZZ＝WY。其中，根据观测信号Y获得协方差阵RY，并根据协方差阵RY获得白化矩阵W可具体包括 步骤A1、根据所述观测信号Y获得所述观测信号Y的协方差阵RY，所述协方差阵RY为 其中，Y＝KX+N，X为第一信号和第二信号构成的源信号矩阵，K为信号在信道上幅度及相位衰落系数的混合矩阵，N为噪声矩阵；YH表示观测信号Y的共轭转置矩阵，RX表示源信号矩阵X的协方差阵，RN表示噪声矩阵N的协方差阵，
和
表示源信号与噪声之间的协方差阵，且
和
均为0；σ2为噪声矩阵N的方差，In为n×n阶单位矩阵； 步骤A2、对行列式|λI-XXH|＝0进行求解，获得所述协方差阵RY的特征值{λ1，λ2，…，λn}及其相应的特征向量矩阵AA＝{a1，a2，…，an}，所述特征值为从大到小顺序排列； 步骤A3、设定矩阵DD＝diag((λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2))，其中，diag(·)为对角元素由(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)组成的矩阵，{(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)}为观测信号Y的特征值； 步骤A4、根据所述矩阵D和矩阵A获得所述白化矩阵W，所述白化矩阵W为W＝D-1/2AH＝[(λ1+σ2)-1/2a1，(λ2+σ2)-1/2a2，…，(λn+σ2)-1/2an]H。
上述步骤A1中，通常假设噪声矩阵N的均值为0，且与源节点广播的信号是不相关的，因此，信号与噪声之间的协方差阵等于0，即，同样地，且σ2为加性高斯白(AWGN)噪声矩阵N的方差。步骤A2中，对行列式|λI-XXH|＝0求解后得到的特征值按照从大到小的顺序进行排列，则在特征值中取前n个较大特征值{λ1，λ2，…，λn}以及相应的特征向量组成的矩阵A＝{a1,a2，…，an}，同时，根据矩阵的性质可以得到观测信号矩阵Y的特征值为{(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)}。
上述步骤521中，对白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V可具体包括 步骤B1、根据所述白化信号Z，获得所述白化信号z的四阶累积量Qz，并根据所述四阶累积量Qz获得所述四阶累积量Qz的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}，根据所述四阶累积量Qz的特征对获得特征集合NsetNset＝{λrMr|1≤r≤n}，其中，λr为特征值，Mr为与λr相应的特征向量组成的矩阵，n为观测信号的个数，本实施例中n为2； 步骤B2、通过联合对角化方法对所述特征集合Nset进行处理，获得所述分离矩阵V。
其中，在步骤B1中，根据所述四阶累积量Qz获得四阶累积量Qz的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}包括将四阶累积量Qz组成n2×n2的矩阵Q；根据矩阵Q获得矩阵Q的特征值及相应的特征向量，将前n个较大特征值及相应的特征向量组成特征对{λr，Mr|1≤r≤n}。具体地，如果一个随机向量具有零均值m0和单位协方差矩阵R(也可以是单位协方差矩阵再乘上一个常值方差σ2)，则称该随机向量是白化的，因此经白化处理后的向量满足以下公式 其中I是单位矩阵。通常情况下，设源信号矩阵X的协方差为1，即E{XXH}＝1，同时信号X′是经过白化处理后的信号，即 I＝WRx′W＝WKE[XXH]KHWH＝WKKHWH 显然，存在酉矩阵U＝WK，满足酉矩阵定义I＝UUH。那么，混合矩阵K可以表示为 K＝W-U＝W-[u1，...，un] 此处矩阵W-代表白化矩阵W的广义逆矩阵。
经白化处理得到的信号Z为 Z＝WY＝W(KX+N)＝VX+WN 白化后的信号z仍然是线性的。根据公式E＝VHz可以得到估计矩阵E的表达式 E＝VHZ＝VHUX+VHWN 设U＝V，由酉矩阵定义知VHU＝VHV＝I，此处的I与V具有相同的维数。估计矩阵E表示的混有AWGN噪声的信号等同于源信号经过一定的相移后产生的信号，那么则有高阶交叉累积量恒等于零成立。
因此，本实施例中，盲分离对于经白化处理后产生的白化信号Z采用四阶累积量的方法。可定义白化信号Z的四维累积量Qz为 通过对所述四阶累积量Qz进行运算，则所述四阶累积量Qz为 其中，
为zj的共轭，
为zl的共轭，i，l，k∈[1，n]为观测信号的下标。
可知，Qz中含有n4个值，根据该四阶累积量将所述四阶累积量Qz包含的n4个值映射到n2×n2的矩阵Q，所述矩阵Q为
对矩阵Q进行求解，获得矩阵Q的特征值及相应的特征向量，并将获得的特征值按从大到小的顺序排序，取其中前n个较大的特征值，将n2个特征向量组成为一个n×n阶的矩阵，获得Qz的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}，从而获得特征矩阵集合Nset Nset＝{λrMr|1≤r≤n} 其中，Nset由n个矩阵组成的集合。
上述步骤B2中，通过联合对角化方法对特征集合Nset进行处理，获得分离矩阵V包括根据所述特征集合Nset设定目标函数C(V，N)，所述目标函数C(V，N)为 其中，设定diag(·)为对角元素是由VHNrV的特征值组成的矩阵，
是VHNrV的系数，为特征集合Nset中的一个元素，i，l，k∈[1，n]为观测信号的下标；对目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得分离矩阵V。其中，对目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得分离矩阵V包括根据目标函数C(V，N)设定矩阵T，矩阵T为 其中，P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T是矩阵Re(GHG)的特征值对应的特征向量，gr＝[ar-dr，br+cr，j(cr-br)]T，r＝1，...，n，G＝[g1，g2，…，gn]T，Re(·)代表复数的实部；获得Re(GHG)矩阵的最大特征值对应的特征向量，并根据该最大特征值对应的特征向量和公式P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T获得相应的α和β；设ΔVH，ΔV具有厄米特的结构，且根据所述α和β进行迭代运算获得分离矩阵的更新值VnewVnew＝V·ΔV；根据所述分离矩阵的更新值Vnew更新所述特征矩阵集合Nset中的元素NrNr＝ΔVHNrΔV；判断α是否满足迭代停止条件，若是则此时的分离矩阵的更新值即为所述分离矩阵V。此外，所述根据目标函数C(V，N)设定矩阵T之前还包括初始化所述分离矩阵V＝In；设定所述迭代停止条件，所述迭代停止条件为|sin α|>1/100/(n)1/2。
具体地，根据上述获得的特征集合Nset，将Nset中的一个元素表示为Nr 并设定目标函数C(V，N)且VHNrV具有表达形式其中，diag(·)为对角元素是由VHNrV的特征值组成的矩阵，
是VHNrV的系数。
对目标函数C(V，N)的迭代优化过程就等价于找出α和β使得
取得最大。根据和酉变换后矩阵的迹保持不变的特性可知，对∑r|ar|2+|dr|2求最大值，就等价于对求最大值，进而等价于求最大值 通过上述公式通过计算可知 为便于理解和解释，设定以下辅助向量 P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]Tgr＝[ar-dr，br+cr，j(cr-br)]TG＝[g1，g2，…，gn]T 则公式可表示为 那么则有 设ΔVHΔV具有厄米特(Hermitian)的结构，并可将ΔV设为 为了使经过混合的观测信号分离所得到的源信号的估计值与真实的源信号无限逼近，需要进入迭代过程，每一次的迭代过程只要计算Re(GHG)即可。其中，迭代过程如下 首先进行迭代初始化，在迭代过程初始化阶段，初始化分离矩阵V为V＝In，并设定迭代停止条件，所述迭代停止条件为|sinα|>1/100/(n)1/2。然后进入迭代过程，在每一次的迭代过程中，均需要计算矩阵T的特征值，并取其中最大的特征值及相应的特征向量来对矩阵G进行更新，迭代过程中，可以不断对特征矩阵集合Nset中的各元素Nr进行更新，其更新过程如下 Vnew＝V·ΔV Nr＝ΔVH NrΔV 本实施例中，为了对特征矩阵集合Nset进行对角化，将取最大值作为准则对目标函数矩阵中对角线元素平方和进行迭代计算，并在相邻两次计算得到的角度α相差不大的情况下，停止迭代过程，进而得到分离矩阵V。
本实施例中，得到分离矩阵V之后，利用矩阵W和矩阵K之间的关系V＝U＝WK，可以得到矩阵K的表达式K＝W-U＝W-V。
最后，利用关系式E＝VHZ可得 此时，可获得源信号x1[m]、x2[m]对应的估计值e1[m]、e2[m]，并将该估计值作为源信号值，同时可对e1[m]、e2[m]进行解码，获得源信号x1[m]、x2[m]以及源节点标识等信息，并根据对源节点标识等信息对源信号进行排序。
需要说明的是，由于在通过物理层编码处理方法可以对观测信号(接收到的混合信号)进行分离得到源信号的估计值，同时对估计值进行解码后可获得源节点标识，因此可对源信号进行排序，克服了ICA方法中得到的源信号具有顺序模糊的技术缺陷。本发明上述技术方案中，源节点可以为三个或三个以上，其信号传输方法以及混合信号的分离方法与源节点为两个时类同。
本发明技术方案通过采用混合信号进行信号的传输，使得信号传输占用的时隙减少，因此，节省了网络节点占用信道的时间，提高了网络节点的吞吐量，有效提高了网络的整体通信容量，提升了网络带宽利用率；同时，本发明技术方案中通过采用ICA分离技术对混合信号进行处理，获得的源信号准确、可靠。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1、一种物理层网络编码处理方法，其特征在于，包括
第一源节点广播第一信号，第二源节点广播第二信号；
中继节点接收中继混合信号，所述中继混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述中继节点处的信号；目的节点接收第一混合信号，所述第一混合信号为所述第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达所述目的节点处的信号；
所述中继节点广播所述中继混合信号；
所述目的节点接收第二混合信号，所述第二混合信号为所述中继混合信号经过加噪后到达所述目的节点处的信号；
所述目的节点根据所述第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值。
2、根据权利要求1所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述目的节点根据所述第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值包括
将所述第一混合信号和第二混合信号结合并获得所述目的节点的观测信号Y；
通过独立成分分析方法对所述观测信号Y进行处理，获得所述第一信号和第二信号的估计值。
3、根据权利要求2所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述通过独立成分分析方法对所述观测信号Y进行处理包括
对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号Z；
对所述白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V；
根据所述分离矩阵V和白化信号Z获得包括由所述第一信号和第二信号
的估计值组成的估计矩阵EE＝VHZ。
4、根据权利要求3所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号z包括
根据所述观测信号Y获得协方差阵RY，并根据所述协方差阵RY获得白化矩阵W；
通过所述白化矩阵W对所述观测信号Y进行白化处理，获得白化信号zZ＝WY。
5、根据权利要求4所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述根据所述观测信号Y获得协方差阵RY，并根据所述协方差阵RY获得白化矩阵W包括
根据所述观测信号Y获得所述观测信号Y的协方差阵RY，所述协方差阵RY为
其中，Y＝KX+N，X为第一信号和第二信号构成的源信号矩阵，K为信号在信道上幅度及相位衰落系数的混合矩阵，N为噪声矩阵；YH表示观测信号Y的共轭转置矩阵，RX表示源信号矩阵X的协方差阵，RN表示噪声矩阵N的协方差阵，
和
表示源信号与噪声之间的协方差阵，且
和
均为0；σ2为噪声矩阵N的方差，In为n×n阶单位矩阵；
对行列式|λI-XXH|＝0进行求解，获得所述协方差阵RY的特征值{λ1，λ2，…，λn}及其相应的特征向量矩阵AA＝{a1，a2，…，an}，所述特征值为从大到小顺序排列；
设定矩阵DD＝diag[(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)]，其中，diag(·)为对角元素由(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)组成的矩阵，{(λ1+σ2)，(λ2+σ2)，…，(λn+σ2)}为观测信号Y的特征值；
根据所述矩阵D和矩阵A获得所述白化矩阵W，所述白化矩阵W为W＝D-1/2AH＝[(λ1+σ2)-1/2a1，(λ2+σ2)-1/2a2，…，(λn+σ2)-1/2an]H。
6、根据权利要求3所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述对所述白化信号Z进行分析处理，获得分离矩阵V包括
根据所述白化信号Z，获得所述白化信号Z的四阶累积量QZ，并根据所述四阶累积量QZ获得所述四阶累积量QZ的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}，根据所述四阶累积量QZ的特征对获得特征集合Nset∶Nset＝{λrMr|1≤r≤n}，其中，λr为特征值，Mr为与λr相应的特征向量组成的矩阵，n为观测信号的个数；
通过联合对角化方法对所述特征集合Nset进行处理，获得所述分离矩阵V。
7、根据权利要求6所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述根据所述四阶累积量QZ获得所述四阶累积量QZ的特征对{λr，Mr|1≤r≤n}包括
将所述四阶累积量QZ组成n2×n2的矩阵Q；
根据所述矩阵Q获得所述矩阵Q的特征值及相应的特征向量，将前n个较大特征值及相应的特征向量组成所述特征对{λr，Mr|1≤r≤n}。
8、根据权利要求6所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述通过联合对角化方法对所述特征集合Nset进行处理，获得所述分离矩阵V包括
根据所述特征集合Nset设定目标函数C(V，N)，所述目标函数C(V，N)为
其中，设定diag(·)为对角元素是由VHNrV的特征值组成的矩阵，
是VHNrV的系数，为特征集合Nset中的一个元素，i，l，k∈[1，n]为观测信号的下标；
对所述目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得所述分离矩阵V。
9、根据权利要求8所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述对所述目标函数C(V，N)进行迭代优化处理，获得所述分离矩阵V包括
根据目标函数C(V，N)设定矩阵T，矩阵T为
其中，P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T是矩阵Re(GHG)的特征值对应的特征向量，gr＝[ar-dr，br+cr，j(cr-br)]T，r＝1，...，n，G＝[g1，g2，…，gn]T，Re(·)代表复数的实部；
获得Re(GHG)矩阵的最大特征值对应的特征向量，并根据所述最大特征值对应的特征向量和公式P＝[cos 2α，sin 2α cos β，sin 2α sin β]T获得相应的α和β；设ΔVH，ΔV具有厄米特的结构，且根据所述α和β进行迭代运算获得分离矩阵的更新值Vnew:Vnew＝V·ΔV；
根据所述分离矩阵的更新值Vnew更新所述特征矩阵集合Nset中的元素NrNr＝ΔVHNrΔV；
判断α是否满足迭代停止条件，若是则此时的分离矩阵的更新值即为所述分离矩阵V。
10、根据权利要求9所述的物理层网络编码处理方法，其特征在于，所述根据目标函数C(V，N)设定矩阵T之前还包括
初始化所述分离矩阵V＝In；
设定所述迭代停止条件，所述迭代停止条件为|sinα|>1/100/(n)1/2。
全文摘要
本发明公开了一种物理层网络编码处理方法，包括第一源节点广播第一信号，第二源节点广播第二信号；中继节点接收中继混合信号，混合信号为第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达中继节点处的信号；目的节点接收第一混合信号，第一混合信号为第一信号和第二信号经过混合、加噪后到达目的节点处的信号；中继节点广播中继混合信号；目的节点接收第二混合信号，第二混合信号为中继混合信号经过加噪后到达目的节点处的信号；目的节点根据第一混合信号和第二混合信号获得第一信号和第二信号的估计值。本发明技术方案有效利用了信号混合后产生的干扰，提高了网络容量，增加了带宽利用率。
文档编号H04L1/00GK101478374SQ20091007720
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者军 张, 王福祥, 冰 杜, 于杭弘 申请人:北京航空航天大学