专利名称：一种用于物理层网络编码的空间复用方法
技术领域：
本发明涉及一种用于物理层网络编码的空间复用方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
双向通信，是通信中的常见手段，比如用户之间实时文件交互，视屏通话等业务， 专用监控系统等都需要可靠的双向通信。由于地理位置间隔或直传信道质量恶劣，期望 实现双向通信的用户无法自行组网实现可靠通信，这时候可以利用中继来协助完成双向通 信。无线网络编码，利用无线信号传输的广播和叠加特性和先进的信号检测方法，能够为这 些期望交互信息的用户对提供高速可靠的信息传递。同时，无线网络编码的应用能够有效 的提高网络整体的频谱利用率和能量利用率，从而实现高效、环保的双向通信，符合未来绿 色通信的需求。目前无线网络编码已经逐渐受到学术界和产业界的关注，其中应用在双向通信中 无线网络编码主要包括基于部分译码转发的物理层网络编码和基于放大转发的模拟网络 编码。其中，物理层网络编码的通信协议如下两个希望进行双向通信的用户对利用相同 的时频资源完成其上行传输，基站端将重叠的或相互干扰的信号直接映射为网络编码的符 号，然后利用一定的时频率资源将该网络编码后的符号广播到该用户对，用户在接收到网 络编码的符号后，利用自己已有的信息进行干扰消除后，获得来自对方的有用信息。另外， 模拟网络编码的通信协议如下两个希望进行双向通信的用户对利用相同的时频资源完成 其上行传输，基站端将重叠的或相互干扰的信号直接放大之后广播到该用户对，用户在接 收到网络编码的符号后，利用自己已有的信息进行干扰消除后，获得来自对方的有用信息。 两种无线网络编码中，物理层网络编码具有更高的能量利用率，更符合未来通信的需求。空间复用利用多天线收/发设备及先进的信号处理技术有效利用多天线信道带 来的自由度以提高频谱利用率。特别地，对于中继辅助网络，中继和用户终端通常具有多天 线，而针对物理层网络编码的空间复用方法，目前还没有报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于物理层网络编码的空间复用方法，以提高双向中继 网络的频谱利用率和能量利用效率，实现多流高速传输，降低了中继端译码的复杂度。本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，包括以下步骤(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之间 设定M个分布式中继站天线，构成一个局部通信网络；(2)局部通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训 练数据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间 的信道矩阵Hit e Cmxm，k= 1，2;(3)两个用户分别根据上述步骤O)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别将 预编码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站；
(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息X1和&进行调 制，Xk = [xka, Xkj2,…，Xkji, ."Xk, Jt，k = 1,2, i = 1,2,…M，并分别利用上述预编码矩 阵对调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送；(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传 输叠加信号y= Ly1, y2,…，yM]T;(6)中继站根据上述步骤(3)的预编码矩阵的Frobenius范数，对接收到的双向 传输叠加信号进行物理层网络编码检测，得到网络编码符号&…,^“，具体过程如 下(6-1)中继站根据步骤(3)中两个用户反馈的预编码矩阵的Frobenius范数计算 得到两个用户的等效信道增益α工和α 2 ；(6-2)中继站利用上述等效信道增益对第i个叠加信号Yi进行最大似然检测，得 到第i个网络编码符号&，检测表达式为(A(U)| (AK-I)] 1 fA(-Ui)] [AM)]^J - ^j，其中是中继站的噪声方差，为大于零的正数；(7)中继站将上述网络编码符号i =向两个用户发送，发送信号为 S = β^Χ，其中^^是中继站的每根天线的发送能量；(8)两个用户分别接收中继站的上述发送信号S，利用上述步骤C3)的预编码矩阵 构建解码矩阵，对发送信号s进行处理并解调后，分别得到各自对于发送信号的解调信号\ = [4，ι，^，2，…，无⑶]，k — 1，2 ；(9)两个用户分别根据上述步骤的需交互信息，对各自解调信号进行译码，得 到对方用户的数据信息、' = x,Ox,,k= 1,2,其中Θ是哈达玛积。本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，采用了基于无线网络编码的 高效双向通信策略和针对多流传输的联合收发处理技术。信号传输方法包括两个传输阶 段多路接入阶段(multiple-access，MAC)和广播阶段(broadcast，BC)。MA阶段由希望进 行双向通信的两个用户向中继同时传输经预编码后的信息，中继对来自不同用户的叠加信 号进行物理层网络编码最大似然检测，进而直接得到网络编码符号；BC阶段中继将网络编 码符号广播回用户，用户解预编码后利用自信息抽取出来另外一个用户的信息。本发明方 法有效提高了双向中继网络的频谱利用率和能量利用效率；有效利用多线信道的自由度， 实现了多流高速传输；利用了双向信道的对称特点，降低了中继端译码的复杂度。
图1分布式天线系统中用户对双向通信示意图。图2是本发明提出的信号传输方法中信号发送的流程框图。图3是本发明提出的信号传输方法中信号接收的流程框图。
具体实施例方式本发明提出的用于物理层网络编码的空间复用方法，其中的信号传输中的信号发 送过程如图2所示，信号传输中信号接收如图3所示，具体包括以下步骤(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之 间设定M个分布式中继站天线，构成一个通信网络；如图1所示，选定进行信息交互的用户 S_1和S_2及分布式天线组成的半双工中继站R—同构成通信网络，用户和中继站均有M根 天线。(2)通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训练数 据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间的信 道矩阵Hit e Cmxm，k = 1，2 ；设定Hk为平衰落信道，服从独立同分布的0均值和单位方差复 高斯随机变量，即Hit CA/" (0, Im )，其中Im是M X M的单位向量。(3)两个用户分别根据上述步骤O)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别 将预编码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站。在本实施例中我们采用采用破零(ZF) 预编码，得到用户S_k对中继站R的破零预编码矩阵为Tit =Hf，以及破零预编码矩阵的 Frobenius范数Il Tk Il F，k = 1，2，用户S_1和S_2将各自破零预编码矩阵的范数反馈回中继。(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息X1和&进行调 制, = [xkjl,xkj2, -,xkji, ,M]T，k= l,2,i = 1,2,…M，并分别利用上述预编码矩阵对 调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送。用户S_k对中继站 R的发送信号为^!^^，其中， =[^^，^^，…，^^^为用户S_k发送给对方用户的数据信息，Tk为用户s_k对中继站R的破零预编码矩阵，％ = /\\τΛ\\ρ =是能量归一化因子，以保证单位符号的平均发送能量为&,k，为用户S_k每根天线的发 送言糧。(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传 输叠加信号y = [yi，y2，"^yJL中继站R的接收信号为
权利要求
1. 一种用于物理层网络编码的空间复用方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)设进行全速率交互通信的两个用户，每个用户具有M根天线，在两个用户之间设定 M个分布式中继站天线，构成一个局部通信网络；(2)局部通信网络中的中继站向两个用户分别发送训练数据，用户根据接收的训练数 据估计出本用户天线与中继站天线之间的信道信息，得到中继站天线和用户天线之间的信 道矩阵Hit e Cmxm，k = 1,2 ；(3)两个用户分别根据上述步骤O)的信道矩阵，计算得到预编码矩阵，并分别将预编 码矩阵的Frobenius范数反馈回中继站；(4)两个用户分别通过二相相移键控BPSK调制方式对需交互信息X1和&进行调制， Xk= [xk,i'Xk,2'… ,工，!^= l，2，i = 1，2，…M，并分别利用上述预编码矩阵对 调制后的需交互信息进行预编码后通过用户各自的天线向中继站发送；(5)中继站接收上述两个用户发送的信号，得到两个用户的多输入多输出双向传输叠 力口信号 ι = [y^ y2'…，yM]T ；(6)中继站根据上述步骤C3)的预编码矩阵的Frobenius范数，对接收到的双向传输叠加信号进行物理层网络编码检测，得到网络编码符号&，具体过程如下(6-1)中继站根据步骤(3)中两个用户反馈的预编码矩阵的Frobenius范数计算得到 两个用户的等效信道增益α工和α 2 ；(6-2)中继站利用上述等效信道增益对第i个叠加信号Yi进行最大似然检测，得到第 i个网络编码符号&，检测表达式为网(Δ ζΜ) iC1 (Δ ζΜ )[雄-1)]^ σ' σ' J - ^ σ' σ' j，其中\ 是中继站的噪声方差，为大于零的正数；(7)中继站将上述网络编码符号i= ln···,ι『向两个用户发送，发送信号为 s = ，其中^^是中继站的每根天线的发送能量；(8)两个用户分别接收中继站的上述发送信号s，利用上述步骤(3)的预编码矩阵 构建解码矩阵，对发送信号s进行处理并解调后，分别得到各自对于发送信号的解调信号\ = [U^u，...，^-]，k — 1，2 ；(9)两个用户分别根据上述步骤(4)的需交互信息，对各自解调信号进行译码，得到对 方用户的数据信息、' = x,Ox^k= 1，2，其中Θ是哈达玛积。
全文摘要
本发明涉及一种用于物理层网络编码的空间复用方法，属于无线通信技术领域。本方法的信号传输方法包括两个传输阶段多路接入阶段(multiple-access，MAC)和广播阶段(broadcast，BC)。MA阶段由希望进行双向通信的两个用户向中继同时传输经预编码后的信息，中继对来自不同用户的叠加信号进行物理层网络编码最大似然检测，进而直接得到网络编码符号；BC阶段中继将网络编码符号广播回用户，用户解预编码后利用自信息抽取出来另外一个用户的信息。本方法有效提高了双向中继网络的频谱利用率和能量利用效率，实现了多流高速传输，降低了中继译码的复杂度。
文档编号H04L1/06GK102055564SQ20101060604
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者吴佳, 张长, 曾捷, 王海军, 粟欣, 高晖 申请人:清华大学