CN101924605B - 基于物理层网络编码的两跳协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于物理层网络编码的两跳协作传输方法，按如下步骤进行：在各个MS向选定的RS发送第一发送信号过程中，MS对要发送的OFDM信号添加上合适长度的CP1，然后分别同时发送给RS；RS对接收到的多路OFDM信号首先除CP1以此来消除***中存在的第一种时间误差，然后进行PNC合并，在RS向BS发送第二发送信号过程中，将合并信号添加上合适长度的CP2，然后发送给BS协助MS传输信息。BS将接收到的合并信号除其CP2以此来消除***中存在的第二种时间误差，然后通过PNC译码间接得到自己所需信息。这样，即使一个MS到BS的上行链路中断，BS也可以获得其发送的信息，提高了网络传输质量。

Description

基于物理层网络编码的两跳协作传输方法

技术领域

本发明涉及基于网络编码与IEEE 802.16j标准的无线传输技术领域，具体地说，是涉及一种基于物理层网络编码的两跳协作传输方法。

背景技术

为实现未来无线通信***的高数据速率、高频谱效率以及无缝覆盖等目标，IEEE 802.16j移动多跳中继标准在网络中引入了RS(Relay Station，中继站)以强化WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)***性能。在移动终端不能应用多天线的情况下，中继协作可作为实现空间分集的一种途径来提高***的性能。

传统的中继协作中，不允许在RS处有信号碰撞，RS只能简单地转发接收到的信号，因此频谱效率较低。PNC(physical layer network coding，物理层网络编码)是一种新的可以显著提高中继网络吞吐量的方法。它是一种处理电磁波信号接收和调制的物理层的网络编码，通过RS处采用一种恰当的调制解调技术，使得电磁波信号的叠加能被映射到数据比特流叠加的高斯域中，即它允许中继节点发生信号碰撞，这样进一步提高了网络吞吐量，减少了信息传输时间。但是，关于PNC之前的研究都假设在理想信道中，并且具有严格的时间同步，而实际环境中信道存在明显的频率选择性衰落，同时由于节点的分布性以及多径信道的路径延迟，***还存在着时间误差，上述信道衰落和时间误差会导致明显的***性能衰退，降低网络传输质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于物理层网络编码的两跳协作传输方法，能够有效提高网络传输质量。

本发明的目的是这样实现的：一种基于物理层网络编码的两跳协作传输方法，按如下步骤进行：

第一步、MS(Mobile Station，移动站)将二进制信号比特d(k)经过串/并转换变成N路并行信息比特流，各支路上的信息比特流分别进行星座映射得到信号空间中的复数坐标{x_k}，复数坐标{x_k}进行N点IFFT(Inverse Fast FourierTransform，快速傅里叶逆变换)变换以进行OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用)调制之后得到OFDM符号，每个OFDM符号加上长度为T_MR的第一循环前缀CP1(Cyclic Prefix，循环前缀)后得到第一发送信号；然后MS根据信道SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)选择两个参与协作传输的RS，并向RS发送第一发送信号；

第二步、RS将接收到的第一发送信号去掉第一循环前缀CP1得到第一接收信号，提取三路第一接收信号进行异或操作以进行PNC编码，得到PNC合并信号，对PNC合并信号添加长度为T_RB的第二前缀CP2得到第二发送信号，将第二发送信号发送给BS(Basic Station，基站)；

第三步、BS接收到的第二发送信号去掉第二循环前缀CP2得到第二接收信号，对第二接收信号进行N点FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)变换、PNC译码和解调后恢复出复数坐标{x_k}。

进一步，第一步中，所述第一循环前缀CP1的长度T_MR大于{τ_d，i，j+τ_MR}的最大值，其中，τ_d，i，j是MS_i到RS_j之间的信道中第d条独立路径对应的路径延迟，τ_MR是来自MS_i的信号到达RS_j的时间相比来自其他MS的信号的延迟。

进一步，第二步中，所述第二循环前缀CP2的长度T_RB大于{τ_d，j+τ′_RB}的最大值，其中，τ_d，j是RS_j到BS之间的信道中第d条独立路径对应的路径延迟，τ′_RB是来自RS_j的信号到达BS的时间相比来自其他RS的信号延迟。

相对于现有技术，本发明的有益效果：该方法应用于IEEE802.16j标准定义的两跳协作传输场景，在具有频率选择性衰落信道的无线环境中，利用物理层网络编码，有效地提高信息传输速率和分集增益。本发明的方法还利用OFDM符号的循环前缀CP，对抗频率选择性衰落和时间误差，以使得PNC可以顺利实施。针对更加实际的具有频率选择性衰落的无线信道环境，本方法将PNC应用在两跳中继协作***中，允许RS对来自不同信源的数据进行编码合并以此提高网络吞吐量、改善负载均衡、减小传输延迟、节省节点能耗，并且考虑了***存在的两种时间误差，即使一个MS到BS的上行链路中断，BS也可以获得其发送的信息，提高了网络传输质量和鲁棒性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是根据本发明的基于物理层网络编码的两跳协作传输方法的网络拓扑模型图；

图2是根据本发明的基于物理层网络编码的两跳协作传输方法的时分双工上行子帧帧结构图；

图3是根据本发明的基于物理层网络编码的两跳协作传输方法的***架构图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1示出的是本发明的基于物理层网络编码的两跳协作传输方法的网络拓扑模型，该模型包含多个源节点U，多个中继节点R和一个目的节点。在本发明的一个实施例中源节点U为MS，中继节点R为RS，目的节点可以为BS或者RS，每个节点处于半双工模式。MS和RS采用TDM(Time Division Multiplex，时分复用)的工作方式。RS可以利用PNC技术同时来协助多个用户进行两跳传输。

为进一步提高频谱效率和降低传输延迟，该网络采用同频发送信息的方式。这就要求信息同步，且RS和BS能够正确地估计出信道状态信息。本方法的上行链路子帧结构如图2所示，整个帧分为两个等长的时隙，在第一时隙中MS将信号发送给RS，在第二时隙中RS将信号发送给BS，MS也可以直接将信号发送给BS。采用这种帧结构时RS不用同时收发数据，相对于全双工模式的RS，这种半双工模式的RS对硬件的要求大大降低，实现起来比较简单。

IEEE802.16j标准定义的两跳协作传输场景中，第一跳传输为MS将信号发送给RS，第一跳传输为RS将信号发送给BS，第一跳传输与第二跳传输可以通过时间来进行区分。该网络中存在三种链路：“BS-RS”链路、“BS-MS”链路和“RS-MS”链路，其中，“BS-RS”链路为第一跳传输，“BS-MS”链路和“RS-MS”链路为第二跳传输。假定这三种链路都是频率选择性瑞利衰落信道，且是准静态的也就是慢衰落的，从MS_i到RS_j的信道有着D条独立传播路径，信道脉冲响应表示为：

$h_{{\mathrm{MS}}_i{\mathrm{RS}}_j}\left(t\right)=\underset{d=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{{\mathrm{MS}}_i{\mathrm{RS}}_j}\left(d\right)\mathrm{\δ}\left({t-\mathrm{\τ}}_{d,i,j}\right)---\left(1\right)$

其中，

表示MS_i到RS_j之间的信道中，第d条独立路径的信道系数。假设

是独立同分布的随机变量，τ_d，i，j是对应的路径延迟，每个信道系数都是零均值的复高斯随机变量，方差为

其他两种信道类似。

OFDM技术通过在每个符号的起始位置增加CP来增加符号时间的长度以进一步抵制ISI(Intersymbol Interference，符号间干扰)，并减少在接收端的定时偏移错误。本发明中正是利用OFDM符号的CP来抵抗频率选择性衰落和时间误差。在每个MS采用OFDM调制，在RS不需要IFFT/FFT或者PNC译码，只需要对接收到的混合信号进行简单操作即可。

图3示出的是根据本发明的基于物理层网络编码的两跳协作传输方法的实施流程，具体为：

第一步、MS将二进制信号比特d(k)经过串/并转换变成N路并行信息比特流，各支路上的信息比特流分别进行星座映射得到信号空间中的复数坐标{x_k}，复数坐标{x_k}进行OFDM调制(即N点IFFT变换)之后得到OFDM符号，每个OFDM符号加上长度为T_MR的第一循环前缀CP1后得到第一发送信号；然后MS根据信道SNR选择两个参与协作传输的RS，并向RS发送第一发送信号。

第一步中，MS1将二进制信号比特d(k)首先经过串/并转换变成N路并行比特流，各支路上的信息比特分别进行星座映射，得到信号空间中的复数坐标{x_k}，然后被送入OFDM调制器，通过N点IFFT运算，把频域数据符号x_k变换为时域数据符号s_k。

IFFT之后，每个OFDM符号加上长度为T_MR的CP1得到第一发送信号。如果来自MS1的信号到达中继RS_j的时间比来自其他MS的信号延迟τ_MR个样点，即存在第一种时间误差。为了对抗频率选择性衰落信道和RS接收第一发送信号的时间误差，CP1长度T_MR应该大于{τ_d，i，j+τ_MR}的最大值。

MS1根据收集到的信道SNR信息，决定是否进行协作发送，以及哪些中继节点参与协作发送。初始选择阶段中选择参与协作发送的RS，并且保证协作的RS之间的信道质量差距不是很大，也就是接收功率差距不是很大。IEEE 802.16j标准中规定可以根据实际环境设定门限值，MS1可以选择多个信道SNR大于门限值的RS进行协作传输，IEEE 802.16j标准还建议选取两个RS进行协作传输。最后，第一发送信号被发送给选定的两个RS。其他MS向RS发送自己的信号的方式与MS1相同。

第二步、RS将接收到的第一发送信号去掉第一循环前缀CP1得到第一接收信号，提取三路第一接收信号进行异或操作以进行PNC编码，得到PNC合并信号，对PNC合并信号添加长度为T_RB的第二循环前缀CP2得到第二发送信号，将第二发送信号发送给BS。

假设每个RS能可靠地获得来自三个MS的信号，BS也可能收到MS通过直接链路发送的信号。RS对每个接收到的第一发送信号首先去掉CP1得到第一接收信号。这样，就消除了第一发送信号频率选择性衰落引起的ISI以及三个MS与任一RS之间的时间误差。然后，对三路去掉CP的信号在不解调的情况下直接进行异或操作以进行PNC编码，得到PNC合并信号。RS1，RS2处的信号处理如式(2)，其他RS处的类似：

$x_{R1}=x_1\⊕x_2\⊕x_3$

$x_{R2}=x_1\⊕x_4\⊕x_5---\left(2\right)$

其中，x_R1、x_R2为三路第一接收信号x₁、x₂、x₃或者x₁、x₄、x₅的PNC编码结果。

PNC之后，为了保证任一RS发送信号的平均功率维持在一个固定的水平，RS需要采用特定功率的放大信号。然后，给PNC合并信号添加新的长度为T_RB的第二循环前缀CP2。如果在三个MS向RS发送信号或者MS通过直接链路向BS发送信号过程中，来自RS_j的信号到达BS的时间比来自其他RS的信号延迟τ′_RB个样点，即存在第二种时间误差。为了对抗频率选择性衰落信道和第二发送信号的时间误差，CP2长度T_RB应该大于的最大值{τ_l，i，j+τ′_RB}。最后，处理过的第二发送信号被发送给BS。

第三步、BS接收到的第二发送信号去掉第二循环前缀CP2得到第二接收信号，对第二接收信号进行N点FFT变换、PNC译码和解调后恢复出复数坐标{x_k}。

在BS处，首先从接收到的混合信号中去掉CP2，这样，第二发送信号中频率选择性衰落引起的ISI以及RS与BS之间的时间误差被消除。CP2去除掉之后，接收到的第二接收信号经过N点FFT转换，然后BS根据接收到的信号进行PNC译码，再经过解调即可得到所需信息。

例如，如果BS不能通过直接链路得到U1发送的信息x₁，而正确得到x_R1以及直接路径得到或者对合并信号译码得到x₂和x₃或者x_R2，x₄和x₅，就能通过异或操作进行PNC译码和解调：

$x_1=x_{R1}\⊕x_2\⊕x_3---\left(3\right)$

或者

$x_1=x_{R2}\⊕x_4\⊕x_5---\left(4\right)$

恢复出x₁，移动站MS1到基站BS一次两跳协作传输过程结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于物理层网络编码的两跳协作传输方法，其特征在于按如下步骤进行：

第一步、MS将二进制信号比特d(k)经过串/并转换变成N路并行信息比特流，各支路上的信息比特流分别进行星座映射得到信号空间中的复数坐标{x_k}，所述复数坐标{x_k}进行N点IFFT变换以进行OFDM调制之后得到OFDM符号，每个所述OFDM符号加上长度为T_MR的第一循环前缀CP1后得到第一发送信号；然后MS根据信道SNR选择两个参与协作传输的RS，并向所述RS发送所述第一发送信号；

第二步、所述RS将接收到的所述第一发送信号去掉所述第一循环前缀CP1得到第一接收信号，提取三路所述第一接收信号进行异或操作以进行物理层网络编码，得到物理层网络编码合并信号，对所述物理层网络编码合并信号添加长度为T_RB的第二循环前缀CP2得到第二发送信号，将所述第二发送信号发送给BS；

第三步、所述BS接收到的所述第二发送信号去掉所述第二循环前缀CP2得到第二接收信号，对所述第二接收信号进行N点FFT变换、物理层网络编码译码和解调后恢复出所述复数坐标{x_k}；

所述第一循环前缀CP1的长度T_MR大于{τ_d，i，j+τ_MR}的最大值，其中，τ_d，i，j是MS_i到RS_j之间的信道中第d条独立路径对应的路径延迟，τ_MR是来自MS_i的信号到达RS_j的时间相比来自其他MS的信号的延迟； 

所述第二循环前缀CP2的长度T_RB大于{τ_d，j+τ′_RB}的最大值，其中，τ_d，j是RS_j到BS之间的信道中第d条独立路径对应的路径延迟，τ′_RB是来自RS_j的信号到达BS的时间相比来自其他RS的信号的延迟。 

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