双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计方法，通信节点采用波形已知的通信信号通过不同通信信道发送包含有循环前缀和循环后缀的训练序列到中继节点；中继节点对接收的多路叠加信号过采样得到采样信号，采样信号经匹配滤波器滤波后输出的相同相位的采样点构成接收向量；采用训练序列和接收向量计算似然函数，利用通信信号的波形已知及训练序列正交的条件，分离出不同通信信号的似然函数，有效地实现了时间偏移的低复杂度、低过采样率估计。本发明方法的时钟估计性能良好，低过采样率达到2时，相比于传统的时间偏移的估计算法，在信噪比大于5dB时，本发明的估计算法的均方误差性能至少要好一个数量级。
【专利说明】双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低过采样率时钟估计方法，尤其涉及一种双向中继信道物理层网 络编码的低过采样率时钟估计方法，属于数字通信领域。
【背景技术】
[0002] Shengli Zhang等人于2006年首次提出了物理层网络编码（Physical-Layer Network Coding, PNC)的概念。该概念一提出，迅速引起了学术界和工业界的广泛关注和 重视。PNC采用的主要思想是：在中继节点采用恰当的映射机制，将相互叠加的电磁信号 映射为相应数字比特流的异或，使得干扰变成网络编码算法操作的一部分。它能极大地提 高系统的吞吐量，例如，在双向中继信道中，相比传统路由方案PNC的系统吞吐量可以提升 100 %，这一优点也让它越来越广泛地应用在蜂窝网络和军事通信中。
[0003] 目前关于PNC的研究结果，例如多输入多输出PNC(Multiple Input Multiple Output PNC，MM0 PNC)、多路PNC(Multi-Way PNC)，多假定端节点发出的信号能够同时到 达中继节点。然而在实际情况中，端节点发出的信号在经历不同的信道抵达中继节点后，到 达的时间难免存在相对时间偏移。因此PNC系统中的时钟估计是必不可少的。
[0004] 有资料公开了双向中继的PNC同步问题，主要研究载波相位及载波频率误差和时 间同步误差这两个方面的非同步对系统性能的影响，研究结果表明在QPSK调制方式下，两 种情形中的非同步平均功率总损失大约为3?4dB，但很少有资料公开PNC的时钟估计方 法。虽然有资料公开了 PNC在时钟异步情况下，利用置信传播（Belief Propagation, BP) 算法，可降低误比特率性能损失，并且证明了若结合信道编码，存在符号时钟和载波相位异 步时可减轻性能损失，但这是以提高系统复杂度和降低系统的信息传输效率为代价的。
[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，对于双向中继信道物理层网络编码的通信网络 系统，在两端节点发射的信号到达中继节点的时刻未知且不同的情况下，亟需开发一种用 于双向中继信道物理层网络编码的过采样率低的复杂度低的时钟估计方法，且所述时钟估 计方法中涉及的过采样率在工程实现时受实际情况限制不大。
【发明内容】
[0006] 在实际的物理层网络编码通信网络中，由不同端节点发出的信号在经历不同的信 道抵达同一个中继节点后，其到达的时间往往是不同步的，难免存在相对时间偏移。为了实 现不同端节点所发送的信号相对中继节点能充分叠加，物理层网络编码对同步要求较高， 否则物理层网络编码的提高网络吞吐量的优势受到严重影响。由于不同节点发出的信号经 历的信道不同，要保障完全同步到达中继节点是难以实现，因此，物理层网络编码系统中的 时钟估计是必不可少。本发明的目的是提供一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样 率时钟估计方法。
[0007] 本发明的技术方案是提供一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟 估计方法，包括通信节点和中继节点，其设计要点在于，包括以下步骤：
[0008] 步骤1第一通信节点采用波形已知的第一通信信号通过第一通信信道发送包含 有循环前缀和循环后缀的第一训练序列到中继节点，第二通信节点采用第二通信信号经第 二通信信道同时发送包含有循环前缀和循环后缀的第二训练序列到中继节点；所述第一训 练序列和第二训练序列为正交训练序列；
[0009] 步骤2中继节点对所接收的由第一通信信号和第二通信信号叠加构成的接收信 号进行过采样得到采样信号，所述采样信号经匹配滤波器滤波后输出的相同相位的采样点 构成接收向量；
[0010] 步骤3采用步骤1中的第一训练序列以及步骤2的接收向量计算出第一通信信号 的第一似然函数，采用步骤1中的第二训练序列以及步骤2的接收向量计算出第二通信信 号的第二似然函数，第一似然函数和第二似然函数相互独立；
[0011] 步骤4根据步骤3得到的第一似然函数和第二似然函数分别估计第一通信信号到 中继节点的第一时间偏移和第二通信信号到中继节点的第二时间偏移。
[0012] 本发明还有如下进一步改进的技术方案。
[0013] 进一步地，所述第一训练序列和第二训练序列为长度Nt的恒包络零自相关的训练 序列：
[0014] 训练序列的表达式如下：
【权利要求】
1. 一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计方法，包括通信节点和中 继节点，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1第一通信节点采用波形已知的第一通信信号通过第一通信信道发送包含有循 环前缀和循环后缀的第一训练序列到中继节点，第二通信节点采用第二通信信号经第二通 信信道同时发送包含有循环前缀和循环后缀的第二训练序列到中继节点；所述第一训练序 列和第二训练序列为正交训练序列； 步骤2中继节点对所接收的由第一通信信号和第二通信信号叠加构成的接收信号进 行过采样得到采样信号，所述采样信号经匹配滤波器滤波后输出的相同相位的采样点构成 接收向M ; 步骤3采用步骤1中的第一训练序列以及步骤2的接收向量计算出第一通信信号的第 一似然函数，采用步骤1中的第二训练序列以及步骤2的接收向量计算出第二通信信号的 第二似然函数，第一似然函数和第二似然函数相互独立； 步骤4根据步骤3得到的第一似然函数和第二似然函数分别估计第一通信信号到中继 节点的第一时间偏移和第二通信信号到中继节点的第二时间偏移。
2. 根据权利要求1所述的一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计 方法，其特征在于：所述第一训练序列和第二训练序列为长度Nt的恒包络零自相关的训练 序列； 训练序列的表达式如下：
式中，u(a) = exp (j π a2/Nt)，a = 0,1，表示 Chirp 序列，C1 为第一训练序列， C2为第二训练序列；第一训练序列和第二训练序列分别从第一通信节点和第二通信节点同 时发射。
3. 根据权利要求2所述的一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计 方法，其特征在于：所述波形已知的第一通信信号和第二通信信号由根升余弦脉冲成形滤 波器产生；包含有循环前缀和循环后缀的第一通信信号和包含有循环前缀和循环后缀的第 二通信信号在中继节点叠加形成叠加信号r (t)，中继节点以Q/T的采样率对叠加信号r (t) 进行过采样得到采样信号，采样信号经匹配滤波器滤波后输出的相同相位的采样点构成接 收向量r (k)，其中Q为过采样率，T为码元周期，接收向量r (k)的表达式如下：
式中，Es为符号能量，Ci为第i训练序列，Pi (k)为升余弦脉冲向量，w(k)为噪声向量。
4. 根据权利要求3所述的一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计 方法，其特征在于：所述第一似然函数和第二似然函数的表达式如下 ： Al(Ir) = Icfr(Ir)I2
式中，Ci为第i训练序列，r(k)为接收向量，AiGO为第i通信信号的第i似然函 数，ε' i为第i通信信号的时间偏移；e' p ε' 2是接收信号的第一个采样点分别与 第一训练序列C1、第二训练序列C2的下一个最近的最佳采样点之间的时间偏移，ε' i， ε' 2e(〇,〇.5)，从接收向量r(k)分离出来ε' ρε' 2得到两个独立的似然函数 Λ i (k)，分别估计出第一通信信号和第二通信信号的时间偏移。
5. 根据权利要求4所述的一种双向中继信道物理层网络编码的低过采样率时钟估计 方法，其特征在于：步骤4中时间偏移的估计算法如下 ： 由于发送信号的波形是已知的，令过采样率Q = 2,从而可以得到Ai(O)和Ai(I),进 而可以得到两者的差值变量φ=Η2[ρ2(_ε' Α-ρΥΟ.δΤ-ε' J)]=H2f(e' D，其中 = ε' ie(〇,〇.5)，第一通信信号和第二通信信号由根升余弦脉冲成形滤波 器产生，屯和￡',存在一对一的映射关系，即存在f(·)的反函数户（·），使ε' i = ΓΗφ/Η2)，实现估计第一通信信号的第一时间偏移ε' i、第二通信信号的第二时间偏移 ε ' 2，从而得到第一通信信号的第一时间偏移估计值A、第二通信信号的第二时间偏移估 计值
6. 根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种双向中继信道物理层网络编码的低过 采样率时钟估计方法，其特征在于：所述循环前缀为N个比特，取自训练序列的后N位；循 环后缀为N个比特,取自训练序列的前N位。
【文档编号】H04L7/00GK104393978SQ201410743771
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】党小宇, 李强, 刘兆彤, 黎宁, 虞湘宾 申请人:南京航空航天大学