CN102571274A - 一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，步骤是两个信源节点S₁和S₂通过中继节点R无线传输交互信息，S₁和S₂节点在同一个时隙向R节点发送数据，数据映射的调制星座符号采用预定的规则做相位预旋转发送。源节点对初始发送信号的相位预旋转可以有效地克服信道造成的随机相位偏差，使得中继节点R完成高效的合并解码接收。该方法适用于无线双向中继***的各种解码处理方案，有效解决信道随机相位偏差和信号间相互干扰问题，工作鲁棒性高。

Description

一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法

技术领域

本发明给出了一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，属于通信与信息***中的数字通信数据链路层技术领域。

背景技术

无线通信***中的双向中继节点常规的四时隙工作模式，以及采用网络编码技术减少时隙的工作模式，具体可参见图1(a)、图1(b)和图1(c)，两路信源节点S₁和S₂需要互相交换数据B₁和B₂，经过编码调制转换为发送序列X₁和X₂由于传输距离等条件限制，必须经过中继节点R转发。考虑到无线通信链路传输特点，传统的节点R路由工作模式需要按图1(a)给出的过程，历经两个时隙(时隙1和时隙2)分别接收数据X₁和X₂，再通过两个时隙(时隙3和时隙4)转发到节点S₁和S₂。

中继节点R如果按照网络编码机制工作，则可以选择三时隙工作模式，如图1(b)。首先在时隙1和时隙2分别正确接收来自S₁和S₂的数据X₁和X₂之后，对X₁和X₂做译码检测得到C₁和C₂，再完成比特级的异或编码操作C₁⊕C₂，再经编码调制映射到发送序列X_1⊕2，然后用时隙3同时向S₁和S₂广播数据X_1⊕2。如果中继节点R采用物理层网络编码方案，节点R可以在时隙1同时接收数据X₁和X₂，然后采用解码后数据做网络编码转发，如图1(c)，在两个时隙即可完成整个交互过程。由此可见网络编码技术的应用，可以非常有效地改善传输效率，提高带宽利用率和节省发射功率。

无线双向中继的工作模式如果采用物理层网络编码，如图1(c)，可以有效地降低传输带宽和发射功率。一般再生中继工作模式，如图1(b)，中继节点R需要在线解出终端发送的数据，做比特级的网络编码再同时传送给两侧源节点S₁和S₂。因此相比直接物理层信号叠加的网络编码处理，三时隙的再生中继工作模式在带宽需求或传输时隙分配上已不占优势。随着目前对中继节点处理性能要求的进一步提高，中继用户数目的增加，直接物理层网络信号叠加的编码方式在去除干扰，提升传输性能方面存在较为严重的瓶颈效应。在线处理数据业务之后转发网络编码数据包的再生中继模式可以较好的解决用户数据叠加干扰问题。但再生中继方案又造成处理复杂度的增加，并可能需要额外调度接入时隙或带宽资源。因此如何在处理复杂度和双向中继性能上实现较好的均衡，是一个急需解决的问题。

从传统无线双向中继节点的处理方式可以看出，在两路数据多址接入阶段需要单独分配时隙和带宽，如果想类似模拟网络编码，进一步节省传输带宽资源，可以采用基于多址接入的直接物理层网络编码。考虑到不同终端传输信道的差异，我们可以将上述模型建立为两路信号的多址接入，具体公式表达如下：

Y＝X₁exp(φ₁)+X₂exp(φ₂)+V

其中φ₁和φ₂为两路信号经信道到接收端随机产生的相位偏差，这里我们忽略幅度衰减变化，V为叠加的高斯白噪声向量。

两个源节点的双向中继工作模式，可以对任意一路数据首先做解码，另一路数据作为一个干扰信号，称之为并行分离信道译码方案(P-SCD)。这种解码方式可以分成两次独立的标准信道译码过程。首先将X₂exp(φ₂)+V整体看成相对Z₁信号的噪声干扰I₂，

X₂exp(φ₂)+V＝I₂

在次条件下检测X₁序列信号，然后完成对X₁的解码。同样对X₂序列的解码，将X₁exp(φ₁)+V整体作为对X₂的干扰噪声I₁：

X₁exp(φ₁)+V＝I₁

在考虑噪声I₁影响的情况下，完成对Z₂序列的检测译码。这样的处理方式较为直接，方式简单明了，检测译码等硬件可以维持常规的设计方案。但P-SCD方案无法有效地消除X₁和X₂信号相互间的干扰，特别是随着信噪比的增加，信号本身的强度也在增加，信号间本身的干扰始终无法消除。

考虑到网络编码的具体工作模式，如图1(b)、图1(c)所示，其实中继节点R无需精确解出每一路信号，而只需要译码网络编码后的数据比特。另外根据信道编码的一般特性，两路信道编码块的线性编码组合也是有效的编码序列。因此将多址接入后叠加的信号波形，根据具体的调制方式，推导网络编码后比特的似然比信息，然后直接以网络编码和的比特序列为目标完成解码，这一方案称之为联合信道-网络编码解码(JCNC)。JCNC的实现方式和具体的编码调制方案密切相关，其基本原理即是将X₁和X₂序列中的对应符号组合检测成两组编码比特异或编码后的比特信息软量：

$x_{1n}\exp \left({\mathrm{\φ}}_1\right)+x_{2n}\exp \left({\mathrm{\φ}}_2\right)\→\{L(c_{{1n}_1}\⊕c_{{2n}_1}),L(c_{{1n}_2}\⊕c_{{2n}_2}),...,L(c_{{1n}_Q}\⊕c_{{2n}_Q})\},n\∈[1,T]$

其中L定义为编码比特检测出来的似然比软量。中继节点再将网络编码后的比特软量信息作为新的一个码字C₁⊕C₂，做一次标准的解码得到C_1⊕2，再映射成X_1⊕2广播给两个信源节点S₁和S₂。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法。两路信源对编码调制后待发送的一组复数域符号，为各个已调符号预加上不同的相位旋转，再同一时隙发送到中继。预加的相位旋转可以有效克服，两组信号在接收端由于信道随机相位偏差造成的同时接入检测译码性能劣化。该方法适用于无线双向中继***的各种使用场景，适用于各种编码和调制方案，适用于多种中继接收方案，工作鲁棒性高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，具体来说，对于两个信源节点S_m，m＝1，2，的信号发送方案，步骤如下：

步骤1：

信源节点S_m，m＝1，2，对各自待发送的长度为K的信息数据序列B_m＝{b_m1，b_m2，...，b_mK}，m＝1，2做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列C_m＝{c_m1，c_m2，...，c_mN}，m＝1，2；

步骤2：

编码序列C_m，m＝1，2再分别经过Q阶的调制，即每Q个编码比特映射成一个复数域的符号，得到长度为T＝N/Q的已调符号序列X_m＝{x_m1，x_m2，...，x_mT}，x_mn＝a_mnexp(θ_mn)，n∈[1，T]，m＝1，2，其中a_mn为X_m序列中第n个符号的调制幅度，θ_mn为对应的调制相位；

步骤3：

已调符号序列X_m再经过相位预选转得到相同长度T的待发送符号序列Z_m＝{z_m1，z_m2，...，z_mT}，

其中各符号的预旋转相位值根据信源节点S_m，m＝1，2预先设定的长度为T的相位序列

配置，信源节点S_m，m＝1，2的第n个预旋转相位为

其中ω_m，m＝1，2为起始相位，τ_mn为相位变化步长，τ_mn可以配置成一个固定的相位值，也可配置成一个[0，2π]范围内任意选取的相位

步骤4：

信源节点S_m，m＝1，2将各自待发送序列Z_m，m＝1，2在同一个时隙发送到信道。

对于信源节点间数据交互的过程(如下步骤1～4)中，本发明方法应用于其中的第一步中，

1)两个信源节点S₁和S₂通过中继节点R无线传输交互信息，S₁和S₂节点在同一个时隙向R节点发送数据，数据映射的调制星座符号采用预定的规则做相位预旋转发送；

2)中继节点R接收到经信道造成随机相位偏差的两路信号，并对两路直接叠加的物理信号做合并解码；

3)中继节点在第二个时隙同时将解码数据广播发送给源节点S₁和S₂；

4)源节点S₁(S₂)再利用各自原有的发送数据，从R节点广播的信号中解出源节点S₂(S₁)发送的数据，完成信源节点间的数据交互。

使用本方法，源节点对初始发送信号的相位预旋转可以有效地克服信道造成的随机相位偏差，使得中继节点R完成高效的合并解码接收。该方法适用于无线双向中继***的各种解码处理方案，有效解决信道随机相位偏差和信号间相互干扰问题，工作鲁棒性高。

有益效果：本发明的增益效果主要体现在以下几个方面：

1)两个信源节点发送信号前预选对各个已调符号做相位预选转，可以有效避免两路信号在中继节点接收时，由信道随机相位偏差造成的两路信号互为强干扰影响，可以有效地提高平均相位偏差条件下，整体的中继解码接收性能。

2)无论中继节点采用直接解码，干扰抵消接收，按物理层网络编码联合信道解码或按广义联合信道和网络编码接收等方案，两个信源节点发送符号前的相位预选转操作，都可以有效地提高各种接收算法的处理性能。

附图说明

图1(a)～图1(c)为无线双向中继***，常规四时隙传输和采用网络编码技术后改进的三时隙，两时隙传输方案比较，

图1(a)传统四时隙的双向中继工作模式，

图1(b)采用网络编码，三时隙传输的双向中继工作模式，

图1(c)采用物理层网络编码，两时隙传输的双向中继工作模式，

图2为无线双向中继***，两个信源节点做预旋转相位发送信号的流程图。

图3为采用了预选转相位发送信号之后，直接解码，联合信道和网络编码接收两种方案，在固定信噪比，不同的信道相位偏差下中继节点接收性能比较。

图4为采用了预选转相位发送信号之后，直接解码，联合信道和网络编码接收两种方案，在平均相位偏差下的中继节点接收性能比较。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，对于两个信源节点S_m，m＝1，2，的信号发送方案，步骤如下：

步骤1：

信源节点S_m，m＝1，2，对各自待发送的长度为K的信息数据序列B_m＝{b_m1，b_m2，...，b_mK}，m＝1，2做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列C_m＝{c_m1，c_m2，...，c_mN}，m＝1，2；

步骤2：

编码序列C_m，m＝1，2再分别经过Q阶的调制，即每Q个编码比特映射成一个复数域的符号，得到长度为T＝N/Q的已调符号序列X_m＝{x_m1，x_m2，...，x_mT}，x_mn＝a_mnexp(θ_mn)，n∈[1，T]，m＝1，2，其中a_mn为X_m序列中第n个符号的调制幅度，θ_mn为对应的调制相位；

步骤3：

已调符号序列X_m再经过相位预选转得到相同长度T的待发送符号序列Z_m＝{z_m1，z_m2，...，z_mT}，

其中各符号的预旋转相位值根据信源节点S_m，m＝1，2预先设定的长度为T的相位序列

配置，信源节点S_m，m＝1，2的第n个预旋转相位为

其中ω_m，m＝1，2为起始相位，τ_mn为相位变化步长，τ_mn可以配置成一个固定的相位值，也可配置成一个[0，2π]范围内任意选取的相位

步骤4：

信源节点S_m，m＝1，2将各自待发送序列Z_m，m＝1，2在同一个时隙发送到信道。

具体到本例中，仿真条件说明：

预设旋转相位：ω₁＝ω₂＝0，τ_1n＝0，τ_2n＝0.25π，n∈[1，T]；

信道模型：零均值，单位方差的高斯白噪声(AWGN)信道；

信道相位偏转：接收信号相位偏转φ₁＝0，φ₂取值在[0，2π]均匀分布；

编码方案：码率R＝0.4，K＝400，N＝1000，非规则低密度奇偶校验(LDPC)码；

解码算法：基于迭代的LDPC码标准和积译码算法；

调制方案：二进制相移键控(BPSK)。

图3给出了基于P-SCD方案和JCNC方案的中继节点R解码误比特率于信道相位偏差间的关系，信噪比固定为3dB。假定节点R接收S₁的信号无相差，φ₁＝0。将相对的相差等效到S₂信号的接收相差，φ₂∈[0，2π]。P-SCD方案由于对两路接收信号Z₁和Z₂要分别解码，且在相位完全正交时误比特率很低，因此我们对P-SCD方案，两路信号固定各做10次迭代译码处理，记为P-SCD-IT10，而JCNC接收方案做一次联合译码，做100次迭代，记为JCNC-IT100。

图3的仿真结果显示，P-SCD-IT10性能波动很大，在相位偏差接近两路信号正交时，误比特率率非常低，但接近同相或反相时，误比特率接近0.5，完全无法正确接收。JCNC-IT100的性能正好相反，在同相或反相时性能较好，在正交相位时性能较差，但也只有0.1的误比特率，总体上要优于P-SCD-IT10。

针对预旋转相位(PR)的信号发送方案，中继节点R的P-SCD接收，对两路信号各做50次迭代译码处理，记为P-SCD-PR-IT50。这样总体的迭代次数和JCNC-IT100相当。预旋转初始相位ω₁＝ω₁＝0，相位步长，对两个节点分别设置为τ_1n＝0，τ_2n＝0.25π，n∈[1，T]。图3的仿真结果显示，P-SCD-PR-IT50的性能几乎不随相差φ₂∈[0，2π]变化，稳定在0.03的误比特率，和JCNC-IT100最低的误比特率相当。

图4给出了φ₁＝0，φ₂在[0，2π]均匀变化条件下，P-SCD-IT50，P-SCD-PR-IT50和JCNC-IT100的误帧率性能比较，其中常规的P-SCD两次译码各采用50次迭代，所以记为P-SCD-IT50。从仿真结果中可以看出，P-SCD-IT50的误帧率性能无法随信噪比的升高而迅速下降，主要原因在于两路信号的相互干扰无法有效去除。JCNC-IT100的误帧率性能虽然较P-SCD-IT50有非常明显的改进，但只需要对发送信号做相位预旋转，P-SCD-PR-IT50的译码性能相比JCNC-IT100就可获得接近0.5dB的性能增益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，其特征在于包括如下步骤：

1)无线双向中继***中两个信源节点S_m，对各自待发送的长度为K的信息数据序列B_m＝{b_m1，b_m2，...，b_mK}做编码率为R的信道编码，得到长度为N＝K/R的编码序列C_m＝{c_m1，c_m2，...，c_mN}；

2)所述编码序列C_m，再分别经过Q阶的调制，即每Q个编码比特映射成一个复数域的符号，得到长度为T＝N/Q的已调符号序列X_m＝{x_m1，x_m2，...，x_mT}，x_mn＝a_mnexp(θ_mn)，n∈[1，T]，其中a_mn为X_m序列中第n个符号的调制幅度，θ_mn为X_m序列中第n个符号的调制相位；

3)已调符号序列X_m再经过相位预选转得到相同长度T的待发送符号序列Z_m＝{z_m1，z_m2，...，z_mT}，

4)最后信源节点S_m将各自待发送序列Z_m在同一个时隙发送到信道；

上述步骤1)～4)中，m＝1，2。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线双向中继***预旋转相位的信号发送方法，其特征在于，所述步骤3)中，

对X_m序列中的各个已调符号做相位预旋转，其中各符号的预旋转相位值根据信源节点S_m预先设定的长度为T的相位序列

配置；

信源节点S_m的第n个预旋转相位为

其中ω_m为起始相位，τ_mn为相位变化步长，τ_mn配置成一个固定的相位值，或者配置成一个[0，2π]范围内任意选取的相位。

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