專利名稱：一種基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于物理層網絡編碼的空間復用的信號傳輸方法，確切地說，涉及一種基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法，屬于無線通信技術領域。
背景技術：
雙向通信要求通信兩端都能夠發(fā)送和接收信息，也是一種常見的通信手段；比如， 用戶之間的實時文件交互、視頻通話和專用監(jiān)控系統(tǒng)等都需要可靠的雙向通信。由于地理位置的間隔或直傳信道的質量惡劣，期望實現(xiàn)雙向通信的用戶往往無法自行組網，實現(xiàn)可靠通信，這時通常利用中繼來協(xié)助完成雙向通信。物理層網絡編碼是利用無線信號傳輸?shù)膹V播和疊加特性和先進的信號檢測方法，以便為這些期望交互信息的用戶對能夠提供高速、可靠的信息傳遞。同時，采用物理層網絡編碼的中繼網絡只需要兩個時隙就能完成用戶對的信息交互，有效地提高了網絡整體的頻譜利用率、能量利用率和吞吐量，從而實現(xiàn)高效、環(huán)保的雙向通信，也符合未來綠色通信的需求。目前，物理層網絡編碼已經逐漸受到學術界和產業(yè)界的關注，其中應用于雙向通信中的物理層網絡編碼，主要包括基于譯碼轉發(fā)DNF(decode and forward)的物理層網絡編碼PLNC(physical-layer network coding)禾口基于方文大轉發(fā)ANF(amplify and forward) 的模擬網絡編碼ANC (analogue network coding)。其中，PLNC的通信協(xié)議規(guī)定兩個希望進行雙向通信的用戶對利用相同的時頻資源完成其上行傳輸，中繼端將重疊的或相互干擾的信號直接映射為網絡編碼的符號，然后利用一定的時頻率資源將該網絡編碼后的符號廣播到該用戶對；用戶接收到網絡編碼的符號后，利用自己已有的信息通過一些非線性運算消除干擾后，獲得來自對方用戶的有用信息。另外，模擬網絡編碼ANC的通信協(xié)議規(guī)定兩個希望進行雙向通信的用戶對利用相同的時頻資源完成其上行傳輸，中繼端將重疊的或相互干擾的信號直接放大后，再廣播到該用戶對；用戶接收到網絡編碼的符號后，利用自己已有的信息通過一些線性運算消除干擾后，獲得來自對方用戶的有用信息。在這兩種物理層網絡編碼協(xié)議中，PLNC協(xié)議在中繼端對接收的重疊的或相互干擾的信號進行解調映射和相應的調制映射，重新生成網絡編碼符號后，再廣播到用戶對。其信息交互過程涉及的運算是非線性的，運算較為復雜，尤其在采用高階調制方式時，這個缺點更為明顯。相比之下，模擬網絡編碼ANC協(xié)議只需要進行簡單的線性運算，容易實現(xiàn)，也是物理層網絡編碼中普遍應用的協(xié)議。在多天線信道中，采用空間復用技術可以有效利用空間自由度來實現(xiàn)多流傳輸， 以提高頻譜利用率。然而，在中繼和用戶終端都具有多天線的雙向中繼網絡場景中，針對 ANC的中繼端天線選擇和空間復用的方法，目前還鮮有報道。實用的空分復用方法通常是使用線性的接收機。雖然線性接收機的結構比較簡單、實現(xiàn)復雜度低；但是，基于線性接收機的空分復用系統(tǒng)往往無法利用多天線接收機的潛在分集增益，這就使得系統(tǒng)抗信道衰落能力較弱?，F(xiàn)在，傳統(tǒng)雙向中繼系統(tǒng)的通信過程主要包括兩個階段多路接入階段
5MAC (multiple-access)和廣播階段BC (broadcast)。在MAC階段，由希望進行雙向通信的兩個用戶同時向中繼傳輸信息，中繼接收來自不同用戶的疊加信號；在BC階段，中繼對接收到的信號進行放大后，直接廣播回送給用戶，用戶利用本地的自信息將其中另一個用戶的信息抽取出來。目前，針對基于ANC的雙向中繼系統(tǒng)的研究，主要集中于所有節(jié)點都配置單天線 (參見圖I(A)所示)和僅有中繼端配置多天線(參見圖I(B)所示)的兩種場景，這兩種場景都僅能支持單流的雙向中繼傳輸。此外，目前實用的空分復用方法通常使用線性的接收機，無法利用多天線接收機潛在的分集增益，使得系統(tǒng)抗信道衰落能力較弱。在中繼和用戶終端都具有多天線的雙向中繼網絡場景中，通常專屬的中繼節(jié)點都會配備比用戶接收機更多的天線，而用戶支持的最大傳輸流數(shù)目不會超過用戶的天線數(shù)目，即中繼不需要使用全部天線就可以支持用戶之間的多流雙向通行。并且，對于中繼而言，射頻單元的硬件投入相對昂貴，而天線單元相對價廉，所以天線選擇無疑是一個既降低通信成本、又有望提高傳輸性能的好方法。然而，目前多天線系統(tǒng)中的天線選擇方法主要是針對點對點通信網絡或者單向中繼通信網絡提出的，不能直接應用于雙向中繼的多天線系統(tǒng)中。如何解決這個天線選擇問題，就成為業(yè)內科技人員關注的一個焦點課題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種針對ANC協(xié)議實現(xiàn)用戶對之間高速、高可靠性的雙向通信的方法，即基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法，本發(fā)明方法采用基于ANC 的高效雙向通信策略，針對多流傳輸制定天線選擇方案和接收信號的線性解耦技術，降低了中繼的發(fā)送能耗和運算復雜度，有效利用了多輸入多輸出雙向中繼信道的自由度。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法， 用于下述場景兩端用戶sk，即兩個源節(jié)點的天線數(shù)Nt都不小于2，也就是Nt > 2，雙向中繼節(jié)點R的天線數(shù)Nk大于每個用戶Sk的天線數(shù)，即Nk > Nt ；兩端用戶Sk到中繼節(jié)點R的兩個信道矩陣禮中的每個元素都是獨立同分布的，即其元素服從CA/"(0,1)分布，也就是滿足均值為0、方差為1的復高斯分布的隨機變量；且Hk E C稱,式中，C為復數(shù)集合，表示Nk行Nt列的復數(shù)矩陣的集合，下標k表示兩端用戶的序號，且k = 1或2 ；其特征在于 所述方法包括下列兩個操作步驟(1)中繼天線選擇(antenna-selection)階段兩個源節(jié)點Sk分別向中繼節(jié)點R 發(fā)送訓練信號序列，中繼節(jié)點R根據接收的訓練信號序列分別估計其與該兩個源節(jié)點Sk之間的信道信息，獲得相應的兩個信道矩陣禮,再根據該兩個信道矩陣^fc選擇參與該兩個用戶交互通信的天線子集，以降低中繼節(jié)點R處理信號的復雜度和轉發(fā)能耗，獲得分集增益， 提高系統(tǒng)的誤碼性能；(2)雙向中繼傳輸階段中繼節(jié)點根據所選擇的天線子集進行雙向中繼傳輸，完成信息交互。本發(fā)明基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法是一種基于ANC的聯(lián)合天線選擇_空間復用的高效雙向通信方法，其優(yōu)點是針對多流傳輸制定天線選擇方案和接收信號的線性解耦技術，降低了中繼的發(fā)送能耗和運算復雜度，有效利用了多輸入多輸出雙向中繼信道的自由度。本發(fā)明方法的創(chuàng)新關鍵是基于線性接收機的ANC多流雙向傳輸方法，以及中繼天線的選擇策略。本發(fā)明能夠有效提高雙向中繼網絡的頻譜利用率和能量利用效率，以及有效利用多線信道的自由度，實現(xiàn)了多流高速傳輸。


圖1(A)、(B)分別是單天線雙向中繼通信和中繼多天線雙向中繼通信的兩個示意圖。圖2是本發(fā)明應用場景多流雙向中繼通信的示意圖。圖3是本發(fā)明基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法的流程圖。圖4是本發(fā)明實施例中，中繼節(jié)點在不同數(shù)量天線的配置下采用基于放大轉發(fā)的多流雙向傳輸性能比較示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖2，先介紹本發(fā)明方法的應用場景三節(jié)點的雙向中繼通信系統(tǒng)，其中，兩個源節(jié)點S1和S2是網絡系統(tǒng)中的兩個通信用戶，每個源節(jié)點的收發(fā)天線數(shù)Nt都不小于2， 即Nt > 2 ；雙向中繼節(jié)點R的天線數(shù)Nk > Nto兩端用戶Sk到中繼節(jié)點R的兩個信道矩陣片中的每個元素都是獨立同分布的，即其元素服從CA/"(0,1)分布，也就是滿足均值為0、方差為 1的復高斯分布的隨機變量；且禮e Cn-t ,式中，C為復數(shù)集合，C.表示Nk行Nt列的復數(shù)矩陣的集合，下標k為兩端用戶序號，且k= 1或2。并且，根據通信過程中的具體條件，本發(fā)明做出下述三項合理假設A、所有節(jié)點都以時分雙工的模式進行通信，因此假設信道滿足互異性，即如果從 Sk到R的信道為Hk，則從R到Sk的信道為祐，其中H〖為Hk的轉置矩陣。B、因為目前對于雙向中繼通信系統(tǒng)的信道估計技術的研究已經比較完善，因此假設所有節(jié)點都能通過信道估計，獲得準確的全局信道信息。C、中繼節(jié)點采用放大轉發(fā)的模式工作，處理操作步驟簡單，時延很小，因此完成一次信息交互的時間很短，并假設在此信息交互期間信道保持不變。參見圖3，介紹本發(fā)明方法的下列兩個操作步驟步驟1，中繼天線選擇階段由于中繼節(jié)點的天線數(shù)Nk大于源節(jié)點的天線數(shù)Nt，在中繼節(jié)點處進行天線選擇，從中選出參與通信的中繼天線子集，既可以降低中繼節(jié)點R處理信號的復雜度和轉發(fā)能耗，還可以獲得分集增益，提高系統(tǒng)的誤碼性能。該步驟的操作內容為(11)兩個源節(jié)點Sk分別向中繼節(jié)點R發(fā)送訓練信號序列，中繼節(jié)點R根據接收的訓練信號序列分別估計其與該兩個源節(jié)點Sk之間的信道信息，獲得相應的兩個信道矩陣禮，兩端用戶序號k= 1，2。(12)根據該兩個信道矩陣對，中繼節(jié)點R選擇參與該兩個用戶交互通信的天線子集。該步驟選擇天線的具體操作內容如下(12a)中繼節(jié)點從其全部Nk根天線集合Φ = {1，2，. . .，Νκ}中隨機挑選出Nt根天線組成候選天線集合Φ工，則候選天線集合(^ccD，且集合Cj5l內的天線數(shù)I φ」=Nt，根據組合規(guī)則，共有
權利要求
1.一種基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法，用于下述場景兩端用戶Sk，即兩個源節(jié)點的天線數(shù)Nt都不小于2，也就是Nt ^ 2，雙向中繼節(jié)點R的天線數(shù)Nk大于每個用戶Sk 的天線數(shù)，即Nk > Nt ；兩端用戶Sk到中繼節(jié)點R的兩個信道矩陣禮中的每個元素都是獨立同分布的，即其元素服從分布，也就是滿足均值為0、方差為1的復高斯分布的隨機變量；且凡e Cn^，式中，C為復數(shù)集合，Cn她轟示Νκ行Ντ列的復數(shù)矩陣的集合，下標k 表示兩端用戶的序號，且k = 1或2 ；其特征在于所述方法包括下列兩個操作步驟(1)中繼天線選擇階段兩個源節(jié)點Sk分別向中繼節(jié)點R發(fā)送訓練信號序列，中繼節(jié)點 R根據接收的訓練信號序列分別估計其與該兩個源節(jié)點Sk之間的信道信息，獲得相應的兩個信道矩陣禮,再根據該兩個信道矩陣％選擇參與該兩個用戶交互通信的天線子集，以降低中繼節(jié)點R處理信號的復雜度和轉發(fā)能耗，獲得分集增益，提高系統(tǒng)的誤碼性能；(2)雙向中繼傳輸階段中繼節(jié)點根據所選擇的天線子集進行雙向中繼傳輸，完成信息交互。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法在通信過程中，還必須滿足下述條件所有節(jié)點都以時分雙工模式進行通信，故傳輸信道滿足互異性，即如果從Sk到R信道矩陣為Hk，則從R到Sk的信道矩陣為H〖,其中H〖為Hk的轉置矩陣；且所有節(jié)點都能通過信道估計獲得準確的全局信道信息，以及中繼節(jié)點采用放大轉發(fā)方式工作，處理簡便，時延小，完成每次信息交互的時間很短，在此期間信道保持不變。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中，中繼節(jié)點選擇天線進一步包括下列操作內容(11)中繼節(jié)點從其全部Nk根天線集合Φ= {1，2，...，ΝΚ}中隨機選出Nt根天線組成候選天線集合Φi，則候選天線集合於〔Φ，且集合Φι內的天線數(shù)I C^11 = Nt，根據組合規(guī)則，Ct1共有
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(2)的操作內容與傳統(tǒng)雙向中繼傳輸系統(tǒng)相同，分為下述兩個階段(21)多址接入MAC兩個源節(jié)點分別對準備發(fā)送的信息進行調制后，同時向中繼節(jié)點發(fā)送；中繼節(jié)點接收來自不同源節(jié)點的疊加信號；(22)廣播BC中繼節(jié)點將接收到的信號進行放大后，直接廣播出去，兩端源節(jié)點分別利用本地的自信息抽取出另一端源節(jié)點的信息。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(21)進一步包括下列操作內
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(22)進一步包括下列操作內容
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述步驟(22D)中的傳統(tǒng)的線性接收機包括迫零ZF接收機和最小均方誤差MMSE接收機。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述迫零ZF接收機中的濾波器采用信道反轉實現(xiàn)濾波，即Fz/i =&〖(<)，其中，F(xiàn)z/i為源節(jié)點k處的ZF濾波器的數(shù)學表達式，(·/為矩陣(·)的偽逆矩陣；其對接收信號按照下述公式進行處理得到的接收信號為然后，再對每個流進行檢測。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述MMSE接收機的操作包括下列內容 先按照下述公式分別計算噪聲
全文摘要
一種基于放大轉發(fā)的多流雙向中繼傳輸方法，操作步驟如下(1)中繼天線選擇階段兩個源節(jié)點分別向中繼節(jié)點發(fā)送訓練信號序列，中繼節(jié)點根據接收的訓練信號序列分別估計其與兩個源節(jié)點之間的信道信息，獲得相應的兩個信道矩陣，再根據該兩個信道矩陣選擇參與該兩個用戶交互通信的天線子集，降低中繼節(jié)點處理信號的復雜度和轉發(fā)能耗，獲得分集增益，提高系統(tǒng)的誤碼性能。(2)雙向中繼傳輸階段中繼節(jié)點根據所選擇的天線子集進行雙向中繼傳輸，完成信息交互。本發(fā)明采用基于ANC的高效雙向通信策略，針對多流傳輸制定天線選擇方案和接收信號的線性解耦技術，降低了中繼的發(fā)送能耗和運算復雜度，有效利用了多輸入多輸出雙向中繼信道的自由度。
文檔編號H04B7/08GK102355291SQ20111020056
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權日2011年7月18日
發(fā)明者呂鐵軍, 高暉, 龍偉 申請人:北京郵電大學