基于信道排序和网络编码的中继通信系统及其信道排序方法.pdf

本发明公开了一种基于信道排序和网络编码的中继通信系统及信道排序方法，其特征是在数据上行阶段中继节点的信道排序模块接收K个接收信号并进行信道排序获得排序后的接收信号后发送给信号量化模块；信号量化模块对排序后的接收信号进行信道量化处理后发送给信号网络编码模块用于进行网络编码，最终估计出排序后的第一数据包和第二数据包的网络编码格式。本发明可以有效降低通信误符号率，提高数据速率和系统容量，降低信息传输对无线信道质量的依赖度，尤其是在低信噪比下的性能提升更为明显。

1.  一种基于信道排序和网络编码的双向中继无线通信系统，其特征是包括：一个中继节点R、第一端节点S₁和第二端节点S₂；所述中继节点R具有K根天线；K为正整数；所述第一端节点S₁和第二端节点S₂各自具有一根天线；所述中继节点R包括信道排序模块、信号量化模块和信号网络编码模块；
所述第一端节点S₁和第二端节点S₂通过各自的天线以码元同步的方式同时向所述中继节点R发送第一数据包x₁′和第二数据包x₂′；
所述中继节点R利用所述K根天线分别接收所述第一数据包x₁′和第二数据包x₂′的物理叠加信号，从而形成包含有噪声的K个接收信号并发送给所述信道排序模块，将所述K个接收信号记为Y′＝{y₁′,y₂′,…,y_i′,…,y_K′}；y_i′表示所述中继节点R的第i根天线接收到的信号；1≤i≤K；并有y_i′＝h_i,1′x₁′+h_i,2′x₂′+n_i′；h_i,1′表示第一端节点S₁到所述中继节点R的第i根天线的信道衰落系数；h_i,2′表示第二端节点S₂到所述中继节点R的第i根天线的信道衰落系数；n_i′为所述中继节点R的第i根天线的信道噪声；
所述信道排序模块接收所述K个接收信号并进行信道排序获得排序后的接收信号Y后发送给所述信号量化模块；
所述信号量化模块对所述排序后的接收信号Y进行信道量化处理后发送给所述信号网络编码模块用于进行网络编码，最终估计出所述排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂的网络编码格式为
所述中继节点R将所述网络编码格式通过任一天线发送给所述第一端节点S₁和第二端节点S₂；
所述第一端节点S₁和第二端节点S₂分别通过各自的天线接收所述网络编码格式并分别与自身的第一数据包x₁′和自身的第二数据包x₂′进行异或运算，从而使得所述第一端节点S₁获得所述第二端节点S₂发送的第二数据包x₂′；所述第二端节点S₂获得所述第一端节点S₁发送的第一数据包x₁′，完成双向中继通信过程。

2.  一种利用权利要求1所述的基于信道排序和网络编码的双向中继无线通信系统的信道排序方法，其特征是如下步骤进行：
步骤1、所述中继节点R提取所述信道衰落系数，获得信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′......hi,1′hi,2′......hK,1′hK,2′;]]>
步骤2、利用式(1)和式(2)分别获得所述信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′......hi,1′hi,2′......hK,1′hK,2′]]>中两列元素模的平方和sum₁和sum₂：
sum1=Σi=1K|hi,1′|2---(1)]]>
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步骤3、对所述两列元素模的平方和sum₁和sum₂进行比较，根据K取值的不同，若K＝1，即所述中继节点R只具有1根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(3)和式(4)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]    (3)
x1=x1′x2=x2′---(4)]]>
若sum₁＜sum₂，则利用式(5)和式(6)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]    (5)
x1=x1′x2=x2′---(6)]]>
从而获得排序后的接收信号记为y₁＝h_1,1x₁+h_1,2x₂+n₁；
若K≥2，即所述中继节点R只具有不少于2根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(7)和式(8)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2......hi,1hi,2......hK,1hK,2=H1,2′h1,1′h2,2′h2,1′......hi,2′hi,1′......hK,2′hK,1′---(7)]]>
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若sum₁＜sum₂，则利用式(9)和式(10)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2......hi,1hi,2......hK,1hK,2=H1,1′h1,2′h2,1′h2,2′......hi,1′hi,2′......hK,1′hK,2′---(9)]]>
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从而获得排序后的接收信号记为Y＝{y₁,y₂,…,y_i,…,y_K}；并有y_i＝h_i,1x₁+h_i,2x₂+n_i。

基于信道排序和网络编码的中继通信系统及其信道排序方法
技术领域
本发明涉及无线通讯中的双向中继通信系统，具体地说是一种基于信道排序和网络编码的中继通信系统及其信道排序方法。
背景技术
已有专利(公开号CN103281271 A，专利申请号CN201310207093)公开了一种通过信道量化进行物理层网络编码的方法。在该方法的信道量化过程中，没有考虑到两个端节点到中继节点的信道质量的差异性。具体来说，由于两个端节点到中继节点的无线信道传输环境的不同，两个端节点到中继节点的信道衰落系数有大有小。没有区分信道差异而直接对进行估计使得估计的准确性不高，信号处理误符号率较大。
发明内容
本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于信道排序和网络编码的中继通信系统及其信道排序方法，以期能有效降低通信误符号率，提高数据速率和系统容量，降低信息传输对无线信道质量的依赖度，尤其是在低信噪比下的性能提升更为明显。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种基于信道排序和网络编码的双向中继无线通信系统的特点是包括：一个中继节点R、第一端节点S₁和第二端节点S₂；所述中继节点R具有K根天线；K为正整数；所述第一端节点S₁和第二端节点S₂各自具有一根天线；所述中继节点R包括信道排序模块、信号量化模块和信号网络编码模块；
所述第一端节点S₁和第二端节点S₂通过各自的天线以码元同步的方式同时向所述中继节点R发送第一数据包x₁′和第二数据包x₂′；
所述中继节点R利用所述K根天线分别接收所述第一数据包x₁′和第二数据包x₂′的物理叠加信号，从而形成包含有噪声的K个接收信号并发送给所述信道排序模块，将所述K个接收信号记为Y′＝{y₁′,y₂′,…,y_i′,…,y_K′}；y_i′表示所述中继节点R的第i根天线接收到的信号；1≤i≤K；并有y_i′＝h_i,1′x₁′+h_i,2′x₂′+n_i′；h_i,1′表示第一端节点S₁到所述中继节点R的第i根天线的信道衰落系数；h_i,2′表示第二端节点S₂到所述中继节点R的第i根天线的信道衰落系数；n_i′为所述中继节点R的第i根天线的信道噪声；
所述信道排序模块接收所述K个接收信号并进行信道排序获得排序后的接收信号Y后发送给所述信号量化模块；
所述信号量化模块对所述排序后的接收信号Y进行信道量化处理后发送给所述信号网络编码模块用于进行网络编码，最终估计出所述排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂的网络编码格式为
所述中继节点R将所述网络编码格式通过任一天线发送给所述第一端节点S₁和第二端节点S₂；
所述第一端节点S₁和第二端节点S₂分别通过各自的天线接收所述网络编码格式并分别与自身的第一数据包x₁′和自身的第二数据包x₂′进行异或运算，从而使得所述第一端节点S₁获得所述第二端节点S₂发送的第二数据包x₂′；所述第二端节点S₂获得所述第一端节点S₁发送的第一数据包x₁′，完成双向中继通信过程。
本发明一种基于信道排序和网络编码的双向中继无线通信系统的信道排序方法的特点是如下步骤进行：
步骤1、所述中继节点R提取所述信道衰落系数，获得信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′;]]>
步骤2、利用式(1)和式(2)分别获得所述信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′]]>中两列元素模的平方和sum₁和sum₂：
sum1=Σi=1K|hi,1′|2---(1)]]>
sum2=Σi=1K|hi,2′|2---(2)]]>
步骤3、对所述两列元素模的平方和sum₁和sum₂进行比较，根据K取值的不同，若K＝1，即所述中继节点R只具有1根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(3)和式(4)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]  (3)
x1=x1′x2=x2′---(4)]]>
若sum₁＜sum₂，则利用式(5)和式(6)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]  (5)
x1=x1′x2=x2′---(6)]]>
从而获得排序后的接收信号记为y₁＝h_1,1x₁+h_1,2x₂+n₁；
若K≥2，即所述中继节点R只具有不少于2根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(7)和式(8)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2······hi,1hi,2······hK,1hK,2=h1,2′h1,1′h2,2′h2,1′······hi,2′hi,1′······hK,2′hK,1′---(7)]]>
x1=x2′x2=x1′---(8)]]>
若sum₁＜sum₂，则利用式(9)和式(10)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2······hi,1hi,2······hK,1hK,2=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′---(9)]]>
x1=x1′x2=x2′---(10)]]>
从而获得排序后的接收信号记为Y＝{y₁,y₂,…,y_i,…,y_K}；并有y_i＝h_i,1x₁+h_i,2x₂+n_i。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明充分挖掘两个端节点到中继节点之间无线信道质量的差异性，在进行信道量化和物理层网络编码之前，增加对信道进行排序的处理步骤，优先对具有较好信道的端节点发送的数据进行估计，通过比较两个端节点到中继节点两组无线信道衰落系数模的平方与并进行必要的交换，保证具有较好信道质量的端节点的信号可以被优先处理和估计，从而降低了对进行估计时的残存误差，提高了对进行估计的准确率，进而降低了中继通信中两个端节点进行数据交换时的误符号率，提高了估计的准确率和通信的数据速率，扩充了中继系统的通信容量；
2、本发明通过信道排序和网络编码，所设计的无线双向中继通信系统可以工作在更恶劣的信道环境和更低信噪比下，从而降低了双向中继系统对无线信道的依赖性。
附图说明
图1为本发明中继系统的结构示意图；
图2为本发明中继系统上行信道的排序方法实施例中信道排序方法的流程图；
图3为本发明在K＝1时与现有技术的误符号率对比图；
图4为本发明在K＝2时与现有技术的误符号率对比图；
图5为本发明在K＝3时与现有技术的误符号率对比图。
具体实施方式
如图1所示，在无线双向中继通信系统TWRC中，包括：一个中继节点R和两个端节点，即第一端节点S₁和第二端节点S₂；中继节点R具有K根天线；K为正整数；第一端节点S₁和 第二端节点S₂各自具有一根天线；双向中继通信系统的信号传输由两个阶段组成，包括数据上行阶段和数据下行阶段；中继节点R的信号处理过程如图2所示，包括信道排序模块、信号量化模块和信号网络编码模块；其中，信道排序模块提取已知的信道衰落系数，获得维数为K×2的信道矩阵，计算每一列各元素模的平方和并进行比较和列交换，列交换保证排序后的信道矩阵的第二列各元素模的平方和大于等于第一列各元素模的平方和。
在数据上行阶段，端节点S₁和端节点S₂通过各自的天线以码元同步的方式同时向中继节点R发送第一数据包x₁′和第二数据包x₂′，中继节点R的第i根天线接收到的信号实际上是x₁′和x₂′的混合叠加，即如式(1)所示：
y_i′＝h_i,1′x₁′+h_i,2′x₂′+n_i′  (1)
式(1)中，y_i′表示所述中继节点R的第i根天线接收到的复信号；1≤i≤K；h_i,1′和h_i,2′分别表示两个端节点S₁和S₂到中继节点R的第i根天线的信道衰落系数，服从均值为0、方差为1的复高斯随机分布；x₁′,x₂′∈{±1±j}分别表示端节点S₁和S₂经过QPSK调制后的发送信号；n_i′表示中继节点R的第i根天线的信道复高斯噪声，其实部和虚部均服从均值为0、方差为σ²的正态分布。
中继节点R利用所述K根天线分别接收所述第一数据包x₁′和第二数据包x₂′的叠加信号，从而形成含有信道噪声的K个接收信号Y′＝{y₁′,y₂′,…,y_i′,…,y_K′}，基于K个接收信号Y′，中继节点R进行信号处理，希望得到对数据包x₁′和x₂′的网络编码形式的估计值因此，将其发送给所述信道排序模块；
信道排序模块接收K个接收信号并进行信道排序获得排序后的接收信号Y后发送给信号量化模块；
信号量化模块对排序后的接收信号Y进行信道量化处理后发送给信号网络编码模块进行网络编码，最终估计出排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂的网络编码格式
在数据下行阶段，中继节点R将网络编码格式通过任一天线广播发送给第一端节点S₁和第二端节点S₂；
第一端节点S₁和第二端节点S₂分别通过各自的天线接收所述网络编码格式并分别与之前上行阶段保存的自身的第一数据包x₁′和自身的第二数据包x₂′进行异或运算，从而 解出想要得到的信息，使得第一端节点S₁获得第二端节点S₂发送的数据包x₂′；第二端节点S₂获得第一端节点S₁发送的数据包x₁′。
其中，信道排序模块是如下步骤进行：
步骤1、假设中继节点完全知道信道信息，且信道是块衰落的，即在一个数据包的时间内，信道衰落系数是保持不变的，而且每个包经历的衰落是相互独立的。中继节点R提取信道衰落系数获得信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′,]]>其中h_i,m，i＝1,…,K，m＝1,2表示端节点S_m到中继节点第i根天线的信道衰落系数，服从均值为0，方差为1的复高斯随机分布。
步骤2、利用式(2)和式(3)分别获得所述信道矩阵H′=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′]]>中两列元素模的平方和sum₁和sum₂：
sum1=Σi=1K|hi,1′|2---(2)]]>
sum2=Σi=1K|hi,2′|2---(3)]]>
步骤3、对所述两列元素模的平方和sum₁和sum₂进行比较，根据K取值的不同，若K＝1，即所述中继节点R只具有1根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(4)和式(5)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]  (4)
x1=x1′x2=x2′---(5)]]>
若sum₁＜sum₂，则利用式(6)和式(7)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H＝[h_1,1 h_1,2]＝[h_1,1′ h_1,2′]  (6)
x1=x1′x2=x2′---(7)]]>
从而获得排序后的接收信号记为y₁＝h_1,1x₁+h_1,2x₂+n₁；
若K≥2，即所述中继节点R只具有不少于2根天线，则
若sum₁≥sum₂，则利用式(8)和式(9)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2······hi,1hi,2······hK,1hK,2=h1,2′h1,1′h2,2′h2,1′······hi,2′hi,1′······hK,2′hK,1′---(8)]]>
x1=x2′x2=x1′---(9)]]>
若sum₁＜sum₂，则利用式(10)和式(11)分别获得排序后的信道矩阵H和排序后的第一数据包x₁和第二数据包x₂：
H=h1,1h1,2h2,1h2,2······hi,1hi,2······hK,1hK,2=h1,1′h1,2′h2,1′h2,2′······hi,1′hi,2′······hK,1′hK,2′---(10)]]>
x1=x1′x2=x2′---(11)]]>
从而获得排序后的接收信号记为Y＝{y₁,y₂,…,y_i,…,y_K}；并有y_i＝h_i,1x₁+h_i,2x₂+n_i。
k＝1时，排序后的接收信号为y₁＝h_1,1x₁+h_1,2x₂+n₁，通过信道排序模块，保证|h_1,1|≥|h_1,2|。在信号量化模块，使用量化系数h_1,1或h_1,1/(1+j)自适应地对接收信号进行量化，得到最终被估量值或者具体来说，
u1=y1h1,1=(x1+(L+l)x2)+n1h1,1=(x1+Lx2)+lx2+n1h1,1=x1+(Lr+jLi)x2+(lr+jli)x2+n1h1,1---(12)]]>
式(12)中，L＝Round(h_1,2/h_1,1)，Round(t)表示取最接近t的整数，实部和虚部分别进行取最接近整数的运算；表示取对h_1,2/h_1,1取整后留下的部分，即h_1,2/h_1,1＝Round(h_1,2/h_1,1)+Res(h_1,2/h_1,1)。
与现有技术相比，本发明增加了信道排序模块，通过必要的信道排序(对信道矩阵的列交换)，保证|h_1,1|≥|h_1,2|，经过式(12)的运算后，保证残余误差是个较小值，从而提高对估计的精度。
K≥2时，通过上述信道排序模块，我们保证具有较好信道质量的数据包(注：因为只有两个数据包，因而这里“较好”和“最好”是等同的)在排序后的信道矩阵H的第二列。也就是说，排序后的信道矩阵H的第二列的信道衰落系数的模的平方和一定大于等于第一列。
参照已有专利(公开号CN103281271A，专利申请号CN 201310207093)公开的信号量化和网络编码方法，在信号量化模块，中继节点R首先对排序后的信道矩阵H进行QR分解，得到H＝QR，其中，Q是K*K的方阵且满足Q*Q^H＝I；R是2*K的上三角矩阵，其从第3行到第K行的元素为零。
将分解后的H代入接收矢量表达式，化简得到等效于该接收矢量表达式的第一中间层信号和第二中间层信号，如下：
w1=r1,1x1+r1,2x2+n1w2=r2,2x2+n2---(13)]]>
式(13)中，w₁是第一中间层信号；w₂是第二中间层信号；r_1,1是上三角矩阵R的第1行第1列元素；r_1,2是矩阵R第1行第2列元素；r_2,2是矩阵R第2行第2列元素；n₁和n₂分别 是复高斯噪声，其实部和虚部都服从0均值，方差σ²的正态分布。
在网络编码模块，将首先使用第二中间层信号进行估值，得到所述第二端节点发送的编码信号估值，如下：
x~2=E{x2|w2}=tanh(r2,2ω2/σ2)---(14)]]>
然后基于利用第一中间层信号来计算
从上述步骤可以看到，对于x₂进行估计的准确率非常重要，因为如果估计出错，将直接导致对的估计出错。
与现有技术相比，本发明增加了信道排序模块，通过必要的信道排序(对信道矩阵的列交换)，保证具有较好信道质量的信号在第二列，经过QR分解后，保证(13)中的r_2,2是个较大的值，从而提高对和估计的正确率。
图3、图4、图5分别列出了K＝1、K＝2、K＝3时本发明技术与现有技术的误符号率对比图，从中可以看出增加信道排序步骤可以明显的降低中继通信的误符号率，在低信噪比下的性能提高更加显著。本发明技术提高了无线双向中继系统的通信速率，使其可以工作在低信噪比的无线环境中。