CN102549935B - 在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法、中继站和*** - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于在第一信号源(S₁)与第二信号源(S₂)之间中继信号的中继站和方法。中继站(R)包括至少两个天线(ANT_R1，ANT_R2)，用于从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收/向第一和第二信号源(S₁，S₂)发送信号。在中继站(R)处，对从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号。使用不同天线(ANT_R1，ANT_R2)从中继站(R)向第一和第二信号源(S₁，S₂)发送第一和第二网络编码信号。

Description

在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法、中继站和***

技术领域

本发明涉及无线网络中的信号通信领域，具体地，涉及移动通信***领域。更具体地，本发明涉及用于在第一信号源与第二信号源之间中继信号的方法和中继站、用于在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法和***、以及在信号源处从远程信号源接收多个信号的方法和信号源。

背景技术

网络编码(见例如Ahlswede，R.；Cai，N.；Li，S.-Y.R.；Yeung，R.W.-H.(2000).Network information flow.IEEE Transactions on Information Theory，46(2000)，pp.1204-1216)是基于存储、编码和转发的数据分发方法。核心概念在于允许和鼓励在中间网络节点处混合数据。这有助于利用无线电的广播性质的潜力来改进无线通信***的吞吐量。

近来，包括传输中继的无线协作网络(见例如Fitzek，F.H.P.；Katz，M.D.(Eds.)：Cooperation in wireless networks：Principles and applications.Berlin：Springer，2006)由于***容量和吞吐量的潜在改进而引起了注意。在这种网络中，已经采用了不同技术，如传统信号转发、PHY层(PHY＝物理)星座相加和网络编码，例如以下文献所描述：

·Ahlswede，R.；Cai，N.；Li，S.-Y.R.；Yeung，R.W.-H.(2000).Networkinformation flow.IEEE Transactions on Information Theory，46(2000)，pp.1204-1216，

·Zhang，S.；Liew，S.；Lam，P.：Hot topic：Physical layer network coding.In Proceedings of the 12th Annual International Conference on MobileComputing and Networking(MobiCom’06)，2006，pp.358-365，

·Katti，S.；Gollakota，S.；Katabi，D.：Embracing wireless interference：Analog network coding.Proceedings of the Special Interest Group onData Communication Conference(SIGCOMM’07)，August 27-31，2007，Kyoto，Japan，pp.397-408，

·Shengli Fu；Kejie Lu；Yi Qian；Varanasi，M..：Cooperative networkcoding for wireless ad-hoc networks.Proceedings of the IEEEGLOBECOM 2007，pp.812-816，

在例如Tse，D.；Viswanath，P.：Fundamentals of wirelesscommunications.New York：Cambridge University Press，2005中描述了空间分集。

尽管无线网络中的网络编码可以受益于广播，但是也要面对信道衰落的挑战。MIMO(MIMO＝多输入多输出)技术可以通过空间分集来提高衰落环境中的性能(见例如Fasolo，E.；Rossetto，F.；Zorzi，M.；NetworkCoding meets MIMO，Network Coding，Theory and Applications，2008.NetCod 2008.Fourth Workshop on 3-4 Jan.2008 pp.1-6)。例如，Alamouti方案(见Alamouti，S.M.：A simple transmit diversity technique for wirelesscommunication.IEEE Journal on Select Areas in Communications，vol.16(1998)，pp.1451-1458)可以利用STBC(空时块编码)来实现完全分集。MIMO***还通过使用空间复用方案来提高数据速率。

存在改进两步骤中继网络的性能的一些研究。例如，PHY层网络编码(见例如Zhang，S.；Liew，S.；Lam，P.：Hot topic：Physical layer networkcoding.In Proceedings of the 12th Annual International Conference onMobile Computing and Networking(MobiCom’06)，2006，pp.358-365)的主要思想是在处理信号接收和调制的物理层进行网络编码。这使得规范的双向网络的吞吐量加倍，但是需要符号-相位同步和载波-频率同步的严格条件。Katti，S.；Gollakota，S.；Katabi，D.：Embracing wirelessinterference：Analog network coding.Proceedings of the Special InterestGroup on Data Communication Conference(SIGCOMM’07)，August 27-31，2007，Kyoto，Japan，pp.397-408描述了一种改进，通过根据两个发送方的两个不对齐信号来估计无线信道，从而处理这些同步约束。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现协作网络中的改进吞吐量的方法。

该目的是通过权利要求1、5或7的方法、权利要求9的中继站、权利要求13的***和权利要求15的信号源来实现的。

本发明提供了一种用于由中继站在第一信号源与第二信号源之间中继信号的方法，所述中继站包括至少两个天线，用于从第一和第二信号源接收/向第一和第二信号源发送信号，所述方法包括：

(a)在中继站处，对从第一和第二信号源接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及

(b)使用不同天线从中继站向第一和第二信号源多重发送第一和第二网络编码信号。

此外，本发明提供了一种用于在第一信号源与第二信号源之间中继信号的中继站，包括：

至少两个天线，用于接收/发送信号；以及

处理器，被配置为促使：

对从第一和第二信号源接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及

使用不同天线从中继站向第一和第二信号源多重发送第一和第二网络编码信号。

本发明还提供了一种用于在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法，所述第一和第二信号源经由中继站互相通信，所述中继站包括至少两个天线，用于从第一和第二信号源接收/向第一和第二信号源发送信号，所述方法包括：

(a)从第一信号源连续发送第一信号和第二信号并从第二信号源连续发送第一信号和第二信号；

(b)根据该发明性的方法，对来自第一和第二信号源的第一和第二信号进行中继；以及

(c)在第一和第二信号源中的每个信号源处，基于在该信号源处接收到的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源中的另一信号源的第一和第二信号。

此外，本发明提供了一种***，包括：

第一信号源；

第二信号源；以及

根据本发明的中继站；

其中，相应信号源被配置为：

促使从第一信号源连续发送第一信号和第二信号并从第二信号源连续发送第一信号和第二信号；

基于在该信号源处接收的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源中的另一信号源的第一和第二信号。

此外，本发明提供了一种用于在信号源处从远程信号源接收多个信号的方法，所述方法包括：

(a)在所述信号源处接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过对所述信号源和所述远程信号源的第一信号进行网络编码而获得的，且所述第二网络编码信号是通过在所述远程信号源处对所述信号源的第二信号进行网络编码而获得的；以及

(b)基于第一和第二网络编码信号以及所述信号源的第一和第二信号来确定源自所述远程信号源的第一和第二信号。

本发明提供一种用于从远程信号源接收多个信号的信号源，包括：

天线，被配置为接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过在所述远程信号源处对所述信号源的第一信号进行网络编码而获得的，所述第二网络编码信号是通过对所述信号源和所述远程信号源的第二信号进行网络编码而获得的；以及

处理器，被配置为基于第一和第二网络编码信号以及基于信号源的第一和第二信号来确定源自所述远程信号源的第一和第二信号。

本发明的实施例提供了与MIMO(多输入多输出)技术相结合的新的两步骤通信协议，允许提高协作网络中的***吞吐量。该协议被称为MINEC(MIMO网络编码)。根据实施例，描述了在中继节点上具有多天线的3节点网络，作为MINEC的示意性示例。在MINEC的步骤1，两个源节点同时发送消息；在步骤2，中继节点利用网络和空时编码来广播编码数据。可以使用二进制对称中继信道模型来执行对MINEC的理论性能分析。通过Monte-Carlo仿真来验证理论发现。发现MINEC在传输阶段和转发阶段分别实现了与2×2V-BLAST MIMO和两个2×1Alamouti MIMO等效的性能。

现有技术方法(例如Zhang，S.；Liew，S.；Lam，P.：Hot topic：Physicallayer network coding.In Proceedings of the 12th Annual InternationalConference on Mobile Computing and Networking(MobiCom’06)，2006，pp.358-365或Katti，S.；Gollakota，S.；Katabi，D.：Embracing wirelessinterference：Analog network coding.Proceedings of the Special InterestGroup on Data Communication Conference(SIGCOMM’07)，August 27-31，2007，Kyoto，Japan，pp.397-408中描述的方法)未考虑衰落信道效应或MIMO。本发明性方法的优点在于基于本发明性的两步骤协议的网络编码与MIMO的组合将改进衰落信道的网络编码。通过将网络编码和MIMO技术组合到中继网络中，实现了来自网络编码以及空间复用的吞吐量改进和来自空间分集的更可靠传输。

附图说明

以下，将基于附图进一步详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的具有两步骤传输的3节点中继网络；

图2示出了根据本发明实施例的用于在图1的3节点中继网络中的信号节点之间传输信号的方法的流程图。

图3示出了图1的3节点中继网络中的无记忆二进制对称中继网络信道；

图4示出了在图1的3节点中继网络中获得的总比特差错性能的比较的图；以及

图5示出了信道容量作为图1的3节点中继网络中的SNR的函数的图。

具体实施方式

以下将基于如图1所示的3节点中继网络来描述提供新颖的两步骤通信协议的本发明性方法的优选实施例。注意，本发明自然不限于如图1所示的3节点中继网络，而是，本发明性方法(即以下进一步详细描述的新颖的两步骤通信协议)可以应用于要在不能直接互相通信而经由中继站通信的多个信号节点之间交换多个消息或信号的任何网络。此外，网络本身可以包括多个中继节点或中继站，以及包括互相通信的多个信号节点或信号源，在经由中继节点来进行这种通信的情况下，可以用以下描述的方式来使用本发明性的两步骤通信协议。

图1示出了包括第一信号节点S₁的3节点中继网络的示例。注意，图1是网络的示意表示，信号节点S₁包括天线ANT₁和信号处理单元100。网络还包括第二信号节点S₂，第二信号节点S₂包括天线ANT₂和中央处理单元200。此外，网络包括中继节点R。中继节点R包括第一天线ANT_R1和第二天线ANT_R2。此外，中继节点R包括中央处理单元或数据处理单元300。

在向中继节点R发送时，第一信号节点S₁具有虚线102所示的范围。在向中继节点R发送时，第二信号节点S₂具有虚线202所示的范围。尽管信号节点S₁和S₂的范围在提供中继节点的区域中重叠，第二信号源S₂在第一信号节点S₁的范围之外，反之亦然。因此，经由中继节点R来进行信号节点S₁与S₂之间的通信。实线箭头指示在第一和第二时隙期间，更具体地在两个连续时隙i、i+1期间，从第一和第二信号节点S₁和S₂向中继节点的通信。虚线箭头指示在第三和第四时刻，例如在时隙i+2和i+3期间，从中继节点R至信号节点S₁和S₂的通信。

以下将参照图2更详细地描述使用两步骤通信协议的本发明的实施例。图2是流程图，将基于图2的流程图来描述本发明性***及其功能，为了描述，假定在步骤S100，传输从第一时隙i开始。在时隙i中，第一信号节点或信号源S₁还有第二信号源或第二信号节点S₂向中继站R发送第一信号S_i，如图1中的实线箭头所示。在中继站或中继节点R处接收这些信号。

在下一时隙i+1中，从信号节点S₁和S₂向中继节点R发送第二信号S_i+1，再次如图1中的实线箭头所示以及如图2的步骤S102所示。在步骤S104，在中继节点处接收这些信号。在中继节点R的CPU 300处，对在连续时隙i和i+1期间从信号节点S₁和S₂接收的信号进行网络编码，更具体地，基于从信号节点S₁和S₂接收的第一信号来产生第一网络编码信号，基于在中继节点R处接收的第二信号来产生第二网络编码信号，以下将进一步详细描述。

在完成网络编码信号的产生之后，在时隙i+2，中继站R发送第一和第二网络编码信号，如步骤S106所示。更具体地，中继节点R经由其第一天线ANT_R1发送第一网络编码信号，并经由其第二天线ANT_R2发送第二网络编码信号。在信号节点S₁和S₂处接收这些信号。在下一时隙中，优选地在时隙i+3中，如步骤S108所示，中继节点R再次发送第一和第二编码信号，然而在该时隙中，中继节点经由其第二天线ANT_R2发送第一网络编码信号，并经由其第一天线ANT_R1发送第二网络编码信号。同样地，信号节点S₁和S₂接收所发送的网络编码信号。

在步骤S110，在第一和第二信号节点S₁和S₂处，基于所接收的第一和第二网络编码信号，并基于从相应信号节点向中继站R原始发出的第一和第二信号，来确定源自另一信号源的相应信号。

如上所述，尽管图1和2以及优选实施例的后续描述涉及仅包括两个信号节点和一个中继节点的网络，但是本发明不限于这种网络，而是可以采用各种网络配置，网络可以包括多个中继节点和多于两个信号节点。此外，中继节点可以包括多于两个天线，从而允许根据本发明的教导将两步骤通信协议扩展至在使用中继节点来互相通信的网络内的多于两个信号节点之间的通信。

以下将基于图1所示的网络来描述本发明性的两步骤通信协议的进一步细节。在图1的规范的双向网络中，信号节点S₁和S₂在彼此的通信范围之外，并且要交换消息。它们通过在源节点S₁和S₂的范围内的中继节点R来通信。假定在通过i，所枚举的连续时隙中组织传输。源节点S₁和S₂均包括单一收发信机天线ANT₁和ANT₂。与传统***不同，本发明性***包括中继节点R，中继节点R具有两个收发信机天线ANT_R1和ANT_R2，而不是仅具有单一收发信机天线。由于源自源节点S₁和S₂的信号互相独立并且在本地移动(locally displaced)，并且由于中继节点R具有两个收发信机天线ANT_R1和ANT_R2，***可以被视为2×2空间复用MIMO***。在中继节点R发送信息并且源节点S₁和S₂接收信息的情况下，***可以被视为两个2×1MISO***。因此，图1的中继网络受益于虚拟MIMO概念，利用所有节点的所有天线的同时操作。

根据本发明的实施例，通过针对图1所示的MIMO中继***的两步骤协议，获得与MIMO相结合的网络编码能力的益处。该协议被称为MINEC(MIMO网络编码)。以下将给出的数学描述涉及传输***的基带模型。

MINEC步骤1.信号节点发送

在第一MINEC步骤中，图1中的源节点S₁和S₂同时发送数据。源节点S₁在第i时隙发送的信号表示为源节点S₂在第i+1时隙发送的信号表示为类似地，源节点S₂在第i和第i+1时隙发送的信号分别表示为和发送信号和是二进制相移键控(BPSK)调制信号，每个信号包括连续发送的N个比特(假定单载波传输)。E_b表示比特能量，T_b表示比特持续时间。表示源节点S₁在时隙i发送的数据序列的数据向量为：

$b_i^{\left(1\right)}={(b_{i,1}^{\left(1\right)},...,b_{i,N}^{\left(1\right)})}^T---\left(1\right)$

其中

$b_{i,n}^{\left(1\right)}\∈\{-1,+1\},n\∈\{1,...,N\},---\left(2\right)$

相应地，表示在相同时隙i中的源节点S₂处的数据向量。因此，在时隙i，发送信号由以下给出：

$s_i^{\left(1\right)}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,n}^{\left(1\right)}\·p(t-[n-1\left]T_b\right),$

$s_i^{\left(2\right)}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,n}^{\left(2\right)}\·p(t-[n-1\left]T_b\right),---\left(3\right)$

其中使用BPSK冲激

$p\left(t\right)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{for}\\ 0& \mathrm{else}.\end{array}\right.0\&le;t<T_b,---\left(4\right)$

中继节点R经由其两个收发信机天线ANT_R1和ANT_R2接收这些信号。表示在时隙i中，第一源节点S₁与中继节点R的第一天线ANT_R1之间的信道冲激响应。表示在时隙i中，第一源节点S₁与中继节点R的第二天线ANT_R2之间的信道冲激响应。类似地，和表示第二源节点S₂与中继节点R的第一天线ANT_R1和第二天线ANT_R2之间的信道冲激响应。

应用本发明性的网络编码和MIMO的组合的***可以基于具有低发射功率的短距离场景(展现低移动性)内的自组织原理。在这种情况下，信道冲激响应近似表示具有可忽略时间变化的单径信道；然而，可能发生时隙间时间变化。因此，可以使用一般的复值数和来表示信道冲激响应。在执行性能分析时(见以下)，可以考虑和表示方差σ²等于1的独立同分布瑞利平坦衰落信道。

由于在时隙i中，在中继节点R的第一天线ANT_R1和第二天线ANT_R2处的加性白高斯噪声信号和每个噪声信号具有双边频谱噪声功率密度N₀/2，并且由于和是在时隙i中的中继节点R的第一天线ANT_R1和第二天线ANT_R2处的接收信号，通信***由以下等式集合来给出：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{R,i}^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ e_{R,i}^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_i^{\left(\mathrm{1,1}\right)}& h_i^{\left(\mathrm{2,1}\right)}\\ h_i^{\left(\mathrm{1,2}\right)}& h_i^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_i^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ s_i^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_i^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ n_i^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right).---\left(5\right)$

中继节点R确定接收信号中包含的信息，得到和的检测版本：

${\tilde{b}}_i^{\left(1\right)}={({\tilde{b}}_{i,1}^{\left(1\right)},...,{\tilde{b}}_{i,N}^{\left(1\right)})}^T---\left(6\right)$

和可以使用不同检测技术，例如基于迫零(ZF)的V-BLAST(见例如Tse，D.；Viswanath，P.：Fundamentals of wireless communications.NewYork：Cambridge University Press，2005)或其最小均方误差(MMSE)对等SIC-MMSE。

ZF接收机的符号差错概率(见例如Kiessling，M.；Speidel，J.；Analytical performance of MIMO zero-forcing receivers in correlatedRayleigh fading environments SPAWC 2003.pp.383-387)由以下给出：

$P_{e,\mathrm{ZF}}=1-{\left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_b}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_b}\right)}^{1/4},---\left(7\right)$

其中γ_b是发送比特的平均信噪比(SNR)。在MMSE接收机的情况下(见例如Mario Kiessling，Joachim Speidel.Analytical performance of MIMOMMSE receivers in correlated Rayleigh fading environment.VehicularTechnology Conference，2003.pp.1738-1742)，得到：

$P_{e,\mathrm{MMSE}}=1-$

$\sqrt{(\frac{1}{2{\mathrm{\&gamma;}}_b}+1)\sqrt{\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_b}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_b}}-\frac{1}{2{\mathrm{\&gamma;}}_b}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}{e}^{\left(\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_b}{2{\mathrm{\&gamma;}}_b}\right)}\mathrm{erfc}\left(\sqrt{\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_b}{2{\mathrm{\&gamma;}}_b}}\right)}.---\left(8\right)$

MINEC步骤2.中继节点转发

在MINEC的第二步骤中采用解码-转发(DF)转发方案(见例如Ahlswede，R.；Cai，N.；Li，S.-Y.R.；Yeung，R.W.-H.(2000).Networkinformation flow.IEEE Transactions on Information Theory，46(2000)，pp.1204-1216 or Fitzek，F.H.P.；Katz，M.D.(Eds.)：Cooperation in wirelessnetworks：Principles and applications.Berlin：Springer，2006)。中继节点R对接收信号进行重新编码和重新调制(见等式(6))，并将其转发至源节点S₁和S₂。在该第二MINEC步骤中，可以一起利用网络编码和空时块编码(STBC)，例如Alamouti方案(见Alamouti，S.M.：A simple transmitdiversity technique for wireless communication.IEEE Journal on SelectAreas in Communications，vol.16(1998)，pp.1451-1458)来获得编码复用和空间分集增益。

网络编码提高网络吞吐量，STBC克服信道衰落，如现在将基于简单网络编码方案所解释的。和分别表示在时隙i+2中通过中继节点的第一天线ANT_R1和第二天线ANT_R2发送的信号。网络编码方案由在第i和第i+1时隙中接收的信号根据以下规则的逐比特相乘给出：

$r_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\tilde{b}}_{i,n}^{\left(1\right)}{\tilde{b}}_{i,n}^{\left(2\right)}\&CenterDot;p(t-[n-1\left]T_b\right),$

$r_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\tilde{b}}_{i+1,n}^{\left(1\right)}{\tilde{b}}_{i+1,n}^{\left(2\right)}\&CenterDot;p(t-[n-1\left]T_b\right).---\left(9\right)$

从等式(9)出发，发送信息由以下给出：

$d_{i+2,n}^{\left(1\right)}={\tilde{b}}_{i,n}^{\left(1\right)}{\tilde{b}}_{i,n}^{\left(2\right)},d_{i+2,n}^{\left(1\right)}\&Element;\{-1,+1\},n\&Element;\{1,...,N\},$

$d_{i+2,n}^{\left(2\right)}={\tilde{b}}_{i+1,n}^{\left(1\right)}{\tilde{b}}_{i+1,n}^{\left(2\right)},d_{i+2,n}^{\left(2\right)}\&Element;\{-1,+1\},n\&Element;\{1,...,N\}.---\left(10\right)$

和是在时隙i+3中发送的与和相对应的信号。

在该网络编码之后，应用Alamouti方案：在时隙i+2中发送和之后，在时隙i+2中，中继节点R的第一天线ANT_R1发送信号：

$r_{i+3}^{\left(1\right)}\left(t\right)=-{\left(r_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)\right)}^{*}=-r_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)---\left(11\right)$

且其第二天线ANT_R2发送信号：

$r_{i+3}^{\left(2\right)}\left(t\right)={\left(r_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)\right)}^{*}=r_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)---\left(12\right)$

使用Alamouti，S.M.：A simple transmit diversity technique for wirelesscommunication.IEEE Journal on Select Areas in Communications，vol.16(1998)，pp.1451-1458已经引入的标记，在时隙i+2和时隙i+3中，在源节点S₁和S₂处接收信号：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{S,i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ e_{S,i+3}^{\left(1\right)}\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{i+2}^{\left(\mathrm{1,1}\right)}& h_{i+2}^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ {\left(h_{i+3}^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\right)}^{*}& -{\left(h_{i+3}^{\left(\mathrm{1,1}\right)}\right)}^{*}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{r}_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ r_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ n_{i+3}^{\left(1\right)}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(13\right)$

和

$\left(\begin{array}{c}{e}_{S,i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)\\ e_{S,i+3}^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{i+2}^{\left(\mathrm{2,1}\right)}& h_{i+2}^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\\ {\left(h_{i+3}^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\right)}^{*}& -{\left(h_{i+3}^{\left(\mathrm{2,1}\right)}\right)}^{*}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{r}_{i+2}^{\left(1\right)}\left(t\right)\\ r_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_{i+2}^{\left(2\right)}\left(t\right)\\ n_{i+3}^{\left(2\right)}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(14\right)$

源节点S₁和S₂通过将两个连续输入信号与对应信道信息组合，并使用最大似然(ML)判决规则(见例如Alamouti，S.M.：A simple transmitdiversity technique for wireless communication.IEEE Journal on SelectAreas in Communications，vol.16(1998)，pp.1451-1458)来估计组合信号，从而检测n∈{1，...，N}和n∈{1，...，N}。该2×1MISO***的对应比特差错概率(见例如Zhang，H.；Gulliver，T.A.：Capacity and errorprobability analysis for orthogonal space-time block codes over fadingchannels.IEEE Transactions on Wireless Communication，vol.4(2005)，pp.pp.808-819)由以下给出：

$P_{e,\mathrm{Alam}.}=\frac{1}{2}(1-\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_b}{2+{\mathrm{\&gamma;}}_b}}(3-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_b}{2+{\mathrm{\&gamma;}}_b})).---\left(15\right)$

在进行了在源节点处得到n∈{1，...，N}和n∈{1，...，N}的检测之后，每个源节点能够确定源自另一源节点的特定信息。第一源节点S₁计算：

$\left(\begin{array}{c}{\hat{b}}_{i+2,n}^{\left(1\right)}\\ {\hat{b}}_{i+3,n}^{\left(1\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\hat{d}}_{i+2,n}\&CenterDot;b_{i,n}^{\left(1\right)}\\ {\hat{d}}_{i+3,n}\&CenterDot;b_{i+1,n}^{\left(1\right)}\end{array}\right),n\&Element;\{1,...,N\},---\left(16\right)$

第二源节点S₂评估：

$\left(\begin{array}{c}{\hat{b}}_{i+2,n}^{\left(2\right)}\\ {\hat{b}}_{i+3,n}^{\left(2\right)}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\hat{d}}_{i+2,n}\&CenterDot;b_{i,n}^{\left(2\right)}\\ {\hat{d}}_{i+3,n}\&CenterDot;b_{i+1,n}^{\left(2\right)}\end{array}\right),n\&Element;\{1,...,N\}.---\left(17\right)$

在MINEC协议中，需要4个时隙从第一源节点S₁向第二源节点S₂发送2个信息序列和在相同的4个时隙中，第二源S₂将其信息序列和传送至第一源节点S₁。因此，效率仍为每个时隙1个信息序列，只是延迟为4个时隙。

以下评估本发明性方法实现的容量增益。对于MINEC方法的容量增益的评估，使用如图3所示的无记忆二进制对称中继网络信道(BSRNC)模型。两个源节点S₁和S₂的传输被认为是完全同步的，且连续比特被认为是互相统计独立的。在这种情况下，考虑每个节点对单一二进制消息的传输是足够的。

在第一MINEC步骤开始时，两个源节点S₁和S₂不知道对方。因此，对BSRNC的输入由两个比特组成(b⁽¹⁾，b⁽²⁾)，具有4种可能实现(-1，-1)，(-1，+1)，(+1，-1)和(+1，+1)，对于0≤α，β≤1，假定源对的以下出现概率：

Pr{(b⁽¹⁾，b⁽²⁾)＝(-1，-1)}＝αβ，(18)

Pr{(b⁽¹⁾，b⁽²⁾)＝(+1，+1)}＝(1-α)(1-β)，(19)

Pr{b⁽¹⁾·b⁽²⁾＝-1}＝α(1-β)+(1-α)β.(20)

使用差错概率来表征通过BSRNC的传输。p⁽¹⁾是与源节点S₁和中继节点R之间的链路相关联的传输比特b⁽¹⁾正确接收的差错概率。因此，正确接收的出现概率为(1-p⁽¹⁾)。类似地，p⁽²⁾和(1-p⁽²⁾)分别表示源节点S₂与中继节点R之间针对比特b⁽²⁾的差错和无差错传输的概率。差错概率p⁽¹⁾和p⁽²⁾反映了在中继节点R处完全已知信道状态信息时，在中继节点B处由等式(7)或(8)表示的空间复用接收。

在考虑图3的BSRNC时，在第二MINEC步骤中，源节点S₁和S₂处的接收概率互相独立。现在假定从中继节点R至源节点S₁和S₂的传输分别具有差错概率和在源节点S₁和S₂处的差错概率和表示具有等式(15)的P_e，Alam.的STBC(Alamouti)接收。在接收之后，存在针对源节点S₁的以下概率：

$\mathrm{Pr}\{{\hat{b}}^{\left(1\right)}=+1\}=$

$[1-\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;(1-{\tilde{p}}^{\left(1\right)})\&CenterDot;[1-p^{\left(1\right)}-p^{\left(2\right)}+2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[1-\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;{\tilde{p}}^{\left(1\right)}\&CenterDot;[p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;(1-{\tilde{p}}^{\left(1\right)})\&CenterDot;[p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;{\tilde{p}}^{\left(1\right)}\&CenterDot;[1-p^{\left(1\right)}-p^{\left(2\right)}+2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}],---\left(21\right)$

$\mathrm{Pr}\{{\hat{b}}^{\left(1\right)}=-1\}=$

$[1-\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;{\tilde{p}}^{\left(1\right)}\&CenterDot;[1-p^{\left(1\right)}-p^{\left(2\right)}+2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[1-\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;}+2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;(1-{\tilde{p}}^{\left(1\right)})\&CenterDot;[p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;{\tilde{p}}^{\left(1\right)}\&CenterDot;[p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}]+$

$[\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}-2\mathrm{\&alpha;\&beta;}]\&CenterDot;(1-{\tilde{p}}^{\left(1\right)})\&CenterDot;[1-p^{\left(1\right)}-p^{\left(2\right)}+2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}].---\left(22\right)$

对于源节点S₂也存在类似概率，不再重复。

不失一般性，输入比特对(b⁽¹⁾，b⁽²⁾)和输出比特对形成向量：

b＝(b⁽¹⁾，b⁽²⁾)， $\hat{b}=({\hat{b}}^{\left(1\right)},{\hat{b}}^{\left(2\right)}).---\left(23\right)$

令：

B＝{(-1，-1)；(-1，+1)；(+1，-1)；(+1，+1)}    (24)

为所有比特对实现的集合。现在假定接收方完全知道信道状态信息，但是发送方不知道。利用等式(18)-(22)，等式(23)中b与之间的互信息(见例如Van der Lubbe，J.C.A.：Information theory.New York：Cambridge University Press，1997)由以下给出：

$I(b;\hat{b})=-\underset{\hat{b}\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{Pr}\left\{\hat{b}\right\}\&CenterDot;{\log }_2\left(\mathrm{Pr}\right\{\hat{b}\left\}\right)$

$+\underset{b\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{Pr}\left\{b\right\}\underset{\hat{b}\&Element;B}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{Pr}\left\{\hat{b}\right|b\}\&CenterDot;{\log }_2\left(\mathrm{Pr}\right\{\hat{b}\left|b\right\}).---\left(25\right)$

在等式(25)中，是输出比特对的出现概率，是给定b的情况下的观察概率。使用

$X_1={\tilde{p}}^{\left(1\right)}+p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}$

$-2{\tilde{p}}^{\left(1\right)}{p}^{\left(1\right)}-2{\tilde{p}}^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}+4{\tilde{p}}^{\left(1\right)}{p}^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)},---\left(26\right)$

$X_2={\tilde{p}}^{\left(2\right)}+p^{\left(1\right)}+p^{\left(2\right)}-2p^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)}$

$-2{\tilde{p}}^{\left(2\right)}{p}^{\left(1\right)}-2{\tilde{p}}^{\left(2\right)}{p}^{\left(2\right)}+4{\tilde{p}}^{\left(2\right)}{p}^{\left(1\right)}{p}^{\left(2\right)},---\left(27\right)$

以及

Y₁＝α+β-2αβ+X₁-2αX₁-2βX₁+4αβX₁，(28)

Y₂＝α+β-2αβ+X₂-2αX₂-2βX₂+4αβX₂，(29)

等式(25)得到：

$I(b;\hat{b})=$

$-\left[\begin{array}{c}(1-Y_1){\log }_2(1-Y_1)+Y_1{\log }_2{Y}_1+\\ (1-Y_2){\log }_2(1-Y_2)+Y_2{\log }_2{Y}_2\end{array}\right]$

$+\left[\begin{array}{c}(1-X_1){\log }_2(1-X_1)+X_1{\log }_2{X}_1+\\ (1-X_2){\log }_2(1-X_2)+X_2{\log }_2{X}_2\end{array}\right].---\left(30\right)$

假定p⁽¹⁾与p⁽²⁾相等，表示为p；并且与相等，表示为此外，假定先验概率α与β相等，取值1/2，等式(30)将得到BSRNC容量的最大值。使用：

$P=2[p-p^2-2p\tilde{p}+2p^2\tilde{p}]+\tilde{p},---\left(31\right)$

并考虑到需要4个时隙来完成MINEC协议，BSRNC的容量得到：

C＝1+Plog₂P+(1-P)log₂(1-P).(32)

以下将传统中继网络方案(见例如Katti，S.；Gollakota，S.；Katabi，D.：Embracing wireless interference：Analog network coding.Proceedings of theSpecial Interest Group on Data Communication Conference(SIGCOMM’07)，August 27-31，2007，Kyoto，Japan，pp.397-408)、网络编码中继方案(见例如Shengli Fu；Kejie Lu；Yi Qian；Varanasi，M..：Cooperative networkcoding for wireless ad-hoc networks.Proceedings of the IEEE GLOBECOM2007，pp.812-816)和物理层网络编码(PNC)(见例如Zhang，S.；Liew，S.；Lam，P.：Hot topic：Physical layer network coding.In Proceedings of the 12thAnnual International Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom’06)，2006，pp.358-365)的性能与本发明性MINEC方法进行比较。所有方案使用BPSK。如上所述，假定***中每个天线对之间为独立同分布瑞利平坦衰落信道模型。

图4提供了在3节点中继网络中获得的总比特差错性能的比较。在MINEC方案的第一步骤中，在中继节点R处部署两个不同的空间复用接收机：ZF和MMSE。在MINEC方案的第二步骤中，源节点S₁或S₂应用Alamouti最大似然(ML)符号检测器，之后应用二进制异或运算，从另一源节点提取BPSK信号。在低于近似5x10^-2(5％)的期望较低比特差错率值，MINEC方案的性能优于传统中继网络方案、网络编码中继方案和PNC。

图5示出了：假定两个MINEC步骤中的SNR值相同，所获得的信道容量作为SNR的函数。还绘出了在两个MINEC步骤中，对应接收机的等式(30)的理论分析结果，其与使用MINEC方案的信道容量的Monte-Carlo仿真结果对齐。在图5中，所提出的MINEC方案和PNC(见例如Zhang，S.；Liew，S.；Lam，P.：Hot topic：Physical layer network coding.In Proceedingsof the 12th Annual International Conference on Mobile Computing andNetworking(MobiCom’06)，2006，pp.358-365)提供了高于传统中继网络方案(见例如Katti，S.；Gollakota，S.；Katabi，D.：Embracing wirelessinterference：Analog network coding.Proceedings of the Special InterestGroup on Data Communication Conterence(SIGCOMM’07)，August 27-31，2007，Kyoto，Japan，pp.397-408)和网络编码中继方案(见例如Shengli Fu；Kejie Lu；Yi Qian；Varanasi，M..：Cooperative network coding for wirelessad-hoc networks.Proceedings of the IEEE GLOBECOM 2007，pp.812-816)的吞吐量。尽管PNC在低SNR值处具有微弱的优势，MINEC更适于在中等和高SNR值处实现高吞吐量。总而言之，所提出的MINEC性能优于其它竞争方案。

以上对本发明性方法(MIMO和网络编码的新结合，称为MINEC)的评估(在性能分析以及与公知***的对比方面)示出了MINEC相对于传统方案的优点。MINEC的优势来自在中继节点R处部署多天线ANT_R1和ANT_R2。在MINEC中，将码复用和空间分集增益的优点相结合。

尽管在设备的上下文中描述了一些方面，显然这些方面也表示对应方法的描述，其中模块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也是对应设备的对应模块或项目或特征的描述。

根据特定实现要求，可以用硬件或软件来实现本发明的实施例。可以使用数字存储介质来执行实现，数字存储介质是例如软盘、DVD、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存，其上存储有电子可读控制信号，与(或者能够与)可编程计算机***协作，使得执行相应方法。

根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，电子可读控制信号能够与可编程计算机***协作，使得执行本文描述的方法之一。

一般地，可以将本发明的实施例实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码用于执行方法之一。例如，程序代码可以存储在机器可读载体上。其他实施例包括在机器可读载体上存储的，用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。

换言之，因此，本发明性方法的实施例可以是：

·具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，程序代码用于执行本文描述的方法之一，或者

·数据载体(或数字存储介质、或计算机可读介质)，包括其上记录的用于执行本文描述的方法之一的计算机程序，或者

·数据流或信号序列，表示用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如经由互联网)来传送。

另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑器件，被配置为或适于执行本文描述的方法之一。另一实施例包括计算机，其上安装有计算机程序，用于执行本文描述的方法之一。

在一些实施例中，可以使用可编程逻辑器件(例如现场可编程门阵列)来执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以执行本文描述的方法之一。一般地，方法优选地由任何硬件设备来执行。

尽管已通过若干实施例描述了本发明，存在落入本发明的范围中的修改、变化以及等价物。还应当注意到，存在很多种实现本发明的方法和构成的备选方式。因此应当将以下所附权利要求解释为包括所有这种改变、变换和等价物，因为它们落入了本发明的真实精神和范围中。

Claims (6)

1.一种用于由中继站(R)在第一信号源(S₁)与第二信号源(S₂)之间中继信号(s_i，s_i+1)的方法，所述中继站(R)包括至少两个天线(ANT_R1，ANT_R2)，用于从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收信号/向第一和第二信号源(S₁，S₂)发送信号，所述方法包括：

在第一时隙(i)，在中继站(R)处从第一信号源(S₁)接收第一信号并从第二信号源(S₂)接收第一信号

在第二时隙(i+1)，在中继站(R)处从第一信号源(S₁)接收第二信号并从第二信号源(S₂)接收第二信号

在中继站(R)处，通过对在第一时隙(i)从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收的第一信号进行网络编码(S104)，来产生第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，以及通过对在第二时隙(i+1)从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收的第二信号进行网络编码(S104)，来产生第二网络编码信号(r⁽²⁾)；

在第三时隙(i+2)，通过中继站(R)的第一天线(ANT_R1)发送第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，并且通过中继站(R)的第二天线(ANT_R2)发送第二网络编码信号(r⁽²⁾)；以及

在第四时隙(i+3)，通过中继站(R)的第二天线(ANT_R2)发送第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，并且通过中继站(R)的第一天线(ANT_R1)发送第二网络编码信号(r⁽²⁾)，

其中，所述第一时隙(i)、所述第二时隙(i+1)、所述第三时隙(i+2)、以及所述第四时隙(i+3)均是连续时隙。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在第一和第二信号源(S₁，S₂)中的每个信号源处，基于第一和第二网络编码信号，并基于第一和第二信号，确定(S110)源自第一和第二信号源(S₁，S₂)中的另一信号源的第一和第二信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定步骤(S110)包括：

在第一信号源(S₁)处，基于第一和第二网络编码信号以及第一信号源(S₁)的第一和第二信号，获得源自第二信号源(S₂)的第一和第二信号；以及

在第二信号源(S₂)处，基于第一和第二网络编码信号以及第二信号源(S₂)的第一和第二信号，获得源自第一信号源(S₁)的第一和第二信号。

4.一种用于在第一信号源(S₁)与第二信号源(S₂)之间中继信号的中继站，包括：

至少两个天线(ANT_R1，ANT_R2)，用于接收/发送信号；以及

处理器(300)，被配置为促使对接收到的信号进行网络编码，

所述中继站被配置为促使：

在第一时隙(i)，在所述中继站(R)处从第一信号源(S₁)接收第一信号并从第二信号源(S₂)接收第一信号

在第二时隙(i+1)，在所述中继站(R)处从第一信号源(S₁)接收第二信号并从第二信号源(S₂)接收第二信号

在中继站(R)处，通过对在第一时隙(i)从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收的第一信号进行网络编码(S104)，来产生第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，并通过对在第二时隙(i+1)从第一和第二信号源(S₁，S₂)接收的第二信号进行网络编码(S104)，来产生第二网络编码信号(r⁽²⁾)；

在第三时隙(i+2)，通过中继站(R)的第一天线(ANT_R1)发送第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，并通过中继站(R)的第二天线(ANT_R2)发送第二网络编码信号(r⁽²⁾)；以及

在第四时隙(i+3)，通过中继站(R)的第二天线(ANT_R2)发送第一网络编码信号(r⁽¹⁾)，并通过中继站(R)的第一天线(ANT_R1)发送第二网络编码信号(r⁽²⁾)，

其中，所述第一时隙(i)、所述第二时隙(i+1)、所述第三时隙(i+2)、以及所述第四时隙(i+3)均是连续时隙。

5.一种用于在信号源之间中继信号的***，包括：

第一信号源(S₁)；

第二信号源(S₂)；以及

根据权利要求4所述的中继站(R)；

其中，各个信号源(S₁，S₂)被配置为：

促使从第一信号源(S₁)连续发送第一信号和第二信号，并从第二信号源(S₂)连续发送第一信号和第二信号；以及

基于在该信号源处接收的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源(S₁，S₂)中的另一信号源的第一和第二信号。

6.根据权利要求5所述的***，其中

第一信号源(S₁)被配置为，基于第一和第二网络编码信号以及第一信号源(S₁)的第一和第二信号，获得源自第二信号源(S₂)的第一和第二信号；以及

第二信号源(S₂)被配置为，基于第一和第二网络编码信号以及第二信号源(S₂)的第一和第二信号，获得源自第一信号源(S₁)的第一和第二信号。