CN105490721B - 一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法，其包括以下步骤：步骤一、建立由多节点构成的交通协作通信网络，各节点都可作为中继节点协助源节点传递信号到目的节点；步骤二、中继节点接收到发送信号之后，中继节点采用Unconstrained最小均方误差算法来获取发送信号的估计软信息；步骤三、对中继节点上的发送功率进行归一化处理；步骤四、中继节点将步骤二中得到的软信息发送到目的节点；步骤五、目的节点接收到转发信息后，采用Generalized球形检测算法检测信号。本发明的估计转发方法，中继节点通过转发接收信号的一个简单估计值给目的节点，从而得到优于放大转发和译码转发方法的性能，使接收端误码率大大降低。

Description

一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域的信号处理技术领域，具体地，涉及一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法。

背景技术

协作通信网络是目前广泛研究应用的无线通信网络，协作通信具有提高吞吐量，加强传输可靠性以及扩大传输范围的优点。协作通信网络已经列入相关通信标准，例如LTE-A以及IEEE 802.16j标准。在智能交通通信网络中引入协作通信关键技术来增加无线网络覆盖范围以及提高信息传输效率及可靠性，从而实现智能交通通信网络中交通信号的高速可靠传递，保障交通安全，提高交通运输效率，缓解交通拥堵，提高路网通行能力，降低能源消耗。

协作网络传输方式有半双工传输和全双工传输两种方式。在半双工传输方式中，第一个阶段，源节点发送信号到中继节点；第二个阶段，中继节点处理并转发接收到的信号给目的节点；该过程只是单向通信。若要完成目的节点到源节点的信号传输，则需额外的两个阶段才能完成。而全双工传输方式中，只需要两个阶段就可以完成源节点和目的节点之前的信息交互。两个终端节点同时发送信号到中继节点，中继节点通过对接收到的信号进行一定的处理之后发送给对方节点；每个接收节点可以从接收信号中去除本身的发送信息，从而译码得出来自对方节点的信息。全双工传输有效地提高了频谱的有效性，通信速率大约为半双工通信的两倍。

中继网络(半双工或全双工)有两种传统的转发方法：放大转发(Amplify-and-Forward，AF)和译码转发(Decode-and-Forward，DF)。

放大转发是实现最为简单的一种协作协议。在该协议下，中继节点只是简单放大并转发接收到的来自源节点的信号。在放大转发过程中，接收信号中包含的噪声也被放大。

译码转发是比放大转发复杂的协作协议，目的是在中继节点上先去除噪声译码后再转发，从而抑制放大转发协议中的噪声放大效应。然而，译码转发方法的缺点是一旦中继节点译码错误，会导致错误传播到目的节点。

发明内容

为了解决放大转发和译码转发存在的上述问题，本发明提供一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法，其具体的技术方案如下：一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法，其包括以下步骤：

步骤一、建立由多节点构成交通协作通信网络，各节点都可作为中继节点协作源节点传递信号到目的节点；

步骤二、中继节点接收到发送信号之后，中继节点采用Unconstrained最小均方误差算法来获取发送信号的估计软信息；

步骤三、对中继节点上的发送功率进行归一化处理；

步骤四、中继节点将步骤二中得到的软信息发送到目的节点；

步骤五、目的节点接收到转发信息后，采用Generalized球形检测算法检测信号。在多天线检测技术中，球形检测算法因其高性能低复杂度的特点而被广泛研究和应用。球形检测方法在进行信号检测过程中，首先根据接收天线数目(假设为M)将其建模为树形结构，根节点为需要检测的信号向量中的第M个元素，每一层的叶子节点为调制集合中的星座点，每层表示每根天线上发送信号所有可能的元素。球形检测方法是从所述树形结构的根节点开始展开每一层并对相应的节点进行检验，如果该节点的权重函数大于预先定义的阈值，则删除该节点以及该节点产生的所有分支及其子节点，直到发现叶子节点并更新所述预先定义的阈值后，再返回上一层继续搜索，最终得到具有最小权重函数的检测信号。

当接收天线数大于等于发送天线数时，可以直接采用传统的球形检测算法。然而本发明介绍的***接收端类似于接收天线数小于发送天线数的多天线***，需要通过一定的数学运算转换才能使用传统的球形检测算法，即Generalized球形检测算法。具体算法过程在本发明中不再赘述。

进一步，步骤一中所述的交通协作通信网络为单天线交通协作通信网络或多天线交通协作通信网络。

其中，步骤二中，获取发送信号的估计软信息的具体过程为：

某中继节点R对应两个终端节点T₁和T₂；第一个时隙，两个终端节点T₁和T₂同时发出信号x₁和x₂到中继节点，中继节点接收到的信号r表示为：

r＝H₁x₁+G₁x₂+n (1)

这里，H₁和G₁分别代表T₁和以及T₂和之间的多天线或单天线信道，n为信道噪声。

第二个时隙，中继节点对接收到来自两个终端节点的信号进行处理并发送处理后的信号到对方节点；中继节点信号处理函数用G(r)表示，目的节点T₁和T₂接收到的信号可以分别表示为：

y₁＝H₂G(r)+n₁ (2)

y₂＝G₂G(r)+n₂

这里，H₂和G₂分别代表R和T₁以及R和T₂之间的多天线或单天线信道，n₁和n₂为对应信道的噪声；

中继节点采用Unconstrained最小均方误差估计，获取发送信号的估计软信息：

其中σ²为噪声方差。

本发明所提供的一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法，具有以下优点：

本发明提出了一种不同于放大转发与译码转发的转发方法。

在放大转发中，中继节点接收到信号后经过放大直接转发给目的节点，但是在放大信号的同时也放大了噪声，导致性能损失；

而使用译码转发方式时，中继节点首先译码检测得到信号，再转发给目的节点，该方法性能优于前者，但是一旦译码错误，则会导致错误传播。

本发明克服了放大转发与译码转发的弊端，中继节点通过转发接收信号的一个简单估计值给目的节点，从而得到优于放大转发和译码转发方法的性能，接收端误码率大大降低。

附图说明

图1是全双工交通协作通信网络***图。

图2是全双工交通协作通信网络的转发方式比较示意图。

图3是具有一个中继节点的全双工交通协作通信网络模型。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法作进一步详细的说明。

一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法包括以下的步骤：

步骤一、建立由多节点构成交通协作通信网络，各节点都可作为中继节点协作源节点传递信号到目的节点；

步骤二、中继节点接收到发送信号之后，中继节点采用Unconstrained最小均方误差算法来获取发送信号的估计软信息；

步骤三、对中继节点上的发送功率进行归一化处理；

步骤四、中继节点将步骤二中得到的软信息发送到目的节点；

步骤五、目的节点接收到转发信息后，采用Generalized球形检测算法检测信号。

在多天线检测技术中，球形检测算法因其高性能低复杂度的特点而被广泛研究和应用。球形检测方法在进行信号检测过程中，首先根据接收天线数目(假设为M)将其建模为树形结构，根节点为需要检测的信号向量中的第M个元素，每一层的叶子节点为调制集合中的星座点，每层表示每根天线上发送信号所有可能的元素。球形检测方法是从所述树形结构的根节点开始展开每一层并对相应的节点进行检验，如果该节点的权重函数大于预先定义的阈值，则删除该节点以及该节点产生的所有分支及其子节点，直到发现叶子节点并更新所述预先定义的阈值后，再返回上一层继续搜索，最终得到具有最小权重函数的检测信号。

当接收天线数大于等于发送天线数时，可以直接采用传统的球形检测算法。然而本发明介绍的***接收端类似于接收天线数小于发送天线数的多天线***，需要通过一定的数学运算转换才能使用传统的球形检测算法，即Generalized球形检测算法。具体算法过程在本发明中不再赘述。

实施例1：

如图1所示，全双工交通协作通信网络***中，假设有两个终端车载节点、多个中继节点。两个终端节点通过这些中继节点交换信息。

下面以网络中只有一个中继节点的情况为例进行说明，如图2所示。假设有两个终端节点(T₁和T₂)，分别具有N_T1≥1和根N_T2≥1天线；中继节点用R表示，具有N_r≥1根天线。两个终端节点通过中继节点交换信息。第一个时隙，两个终端节点T₁和T₂同时发出信号x₁和x₂到中继节点，则中继节点接收到的信号r可以表示为：

r＝H₁x₁+G₁x₂+n ⑴

这里，H₁和G₁分别代表T₁和R以及T₂和R之间的多天线或单天线信道，n为信道噪声。

第二个时隙，中继节点接收到来自两个终端节点的信号，对信号进行处理并发送处理后的信号到对方节点。中继节点信号处理函数用G(r)表示，并且假设中继节点的发射功率为P_r，则发出信号功率需满足功率限制条件E[||G(r)||²]＝P_r。因此，目的节点T₁和T₂接收到的信号可以分别表示为：

y₁＝H₂G(r)+n₁ (2)

y₂＝G₂G(r)+n₂

这里，H₂和G₂分别代表R和T₁以及R和T₂之间的多天线或单天线信道，n₁和n₂为对应信道的噪声。

参照图3，下面对不同的转发方式进行说明。

1.放大转发

放大转发是协作通信网络中最基本的转发方法之一，中继节点只需简单放大接收到的信号之后转发给目的节点。中继处理函数可表示为：

该方法中，中继节点不需要检测译码处理，复杂度低，易于实现。但是主要缺点是由于在放大转发信号的同时也放大了噪声，从而导致性能损失。

2.译码转发

译码转发协议在高信噪比情况下的性能明显优于放大转发。该方法首先对接收到的信号进行检测，之后将检测信号转发给目的节点。中继节点可以采用最大似然检测方法对信号进行检测，但是，为了降低处理复杂度，本发明采用Generalized球形检测方法得到(此处将T₂看作目的节点)。因此，中继处理函数表示为：

然而，译码转发的缺点是一旦检测译码错误，尤其是通信环境信噪比低的情况，就会导致错误传播给目的节点。

3.估计转发

本发明提出一种估计转发(EF)协议，可以综合利用AF和DF的优点，从而得到整体优于以上两种协议转发方案的性能。

EF通过转发含有不确定信息的软信息给目的节点，从而提高转发信息的可靠性。该软信息通过对接收信号做MMSE估计得到，即：

这里，σ²为噪声方差。

总的来说，由于交通协作网络中继节点的作用非常关键，尤其针对无视距通信的收发节点。中继节点的信号处理技术尤为重要，转发信号的可靠性直接影响交通信号的传输质量。另外，由于交通信道的复杂多变性和移动性，使得信号受干扰和信道衰落影响严重，更加突出了交通协作通信网络中中继节点转发信号的重要性。

考虑到传统的放大转发和译码转发协议各自的缺点，本发明提出采用估计转发技术来获得优于以上两种转发方法的***性能。中继节点接收到来自源节点的信息，对其进行Unconstrained最小均方误差估计，之后调整发射功率系数转发给目的节点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种全双工交通协作通信网络的估计转发方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一、建立由多节点构成交通协作通信网络，各节点都可作为中继节点协助源节点传递信号到目的节点；

步骤二、中继节点接收到发送信号之后，中继节点采用Unconstrained最小均方误差算法来获取发送信号的估计软信息；

步骤三、对中继节点上的发送功率进行归一化处理；

步骤四、中继节点将步骤二中得到的软信息发送到目的节点；

步骤五、目的节点接收到转发信息后，采用Generalized球形检测算法检测信号；

步骤一中所述的交通协作通信网络为单天线交通协作通信网络或多天线交通协作通信网络；

步骤二中，获取发送信号的估计软信息的具体过程为：

某中继节点R对应两个终端节点T₁和T₂；第一个时隙，两个终端节点T₁和T₂同时发出信号x₁和x₂到中继节点，中继节点接收到的信号r表示为：

r＝H₁x₁+G₁x₂+n (1)

这里，H₁和G₁分别代表T₁和R以及T₂和R之间的多天线或单天线信道，n为信道噪声；

第二个时隙，中继节点对接收到来自两个终端节点的信号进行处理并发送处理后的信号到对方节点，此时T₁和T₂作为目的节点，以接收中继节点发送的信号；中继节点信号处理函数用G(r)表示，目的节点T₁和T₂接收到的信号可以分别表示为：

这里，H₂和G₂分别代表R和T₁以及R和T₂之间的多天线或单天线信道，n₁和n₂为对应信道的噪声；

中继节点采用Unconstrained最小均方误差估计，获取发送信号的估计软信息：

其中σ₂为噪声方差。