CN106899376B

CN106899376B - 物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法

Info

Publication number: CN106899376B
Application number: CN201510953742.0A
Authority: CN
Inventors: 苏抗; 刘兆彤; 宁勇; 钱太阳; 王芳
Original assignee: 8511 Research Institute of CASIC
Current assignee: 8511 Research Institute of CASIC
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: CN106899376A

Abstract

本发明公开了一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，利用连续相位调制信号的记忆特性，解决中继节点接收存在未知载波相位差的两路叠加信号的问题，步骤如下：首先根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的非相干检测判决量；然后计算多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，设计出前端滤波器；最后将基带接收信号通过匹配滤波器，选取使判决量大的信息作为输出结果。该方法可以有效地消除载波随机相位差对中继检测性能的影响且检测性能优越，同时随着观察窗口长度的增加，性能也得到显著提升并逐渐趋近最优相干检测性能。

Description

物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法

技术领域

本发明属于数字通信领域，具体涉及一种应用于CPM-PNC***的物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法。

背景技术

物理层网络编码(Physical-layer Network Coding,简称PNC)由于能极大地提高***的吞吐量而成为现代无线通信的研究热点。它充分利用电磁波在无线环境中自然叠加特性，中继节点对两个通信节点发射的信号之和直接进行解调和映射，再将映射后的信息发送给两个端节点，两个端节点比较自身发送信息和接收的PNC编码信息，来获得对方节点的发送信息。

目前关于PNC的公开资料，如PNC***在MIMO信道下的空时编码技术、PNC符号时钟估计算法、衰落信道中PNC***的检测性能研究及优化，多集中在BPSK、QPSK、QAM等线性调制信号波形上。但由于其相位不连续，线性功放效率不高，难以高效地应用在一些功率严格受限的无线通信场合。而连续相位调制(Continuous Phase Modulation,简称CPM)信号波形由于其功率、频谱高效，包络恒定以及相位连续等诸多优点，将CPM与PNC结合(简称CPM-PNC)不仅可以有效提高信息传输速率还可以提高频谱利用率。

现阶段已有CPM-PNC的技术都建立在两个发送信号到达中继节点时载波相位差为零或已知的理想基础上。而实际应用中，两个发送信号到达中继节点的载波相位差难以避免，而且对其准确估计相当困难。目前关于单信道CPM非相干检测算法的研究，主要有逐符号检测和多符号检测两种。逐符号检测是对每个检测码元单独观察单独检测，未利用到CPM信号的相位记忆特性，检测性能相对较差。多符号检测则是通过观察多个码元来实现一个或多个码元的检测，检测性能相比于逐符号检测性能大大提高。但是未有关于PNC***中CPM非相干检测算法的研究和报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，解决物理层网络编码下，中继节点存在未知载波相位差，CPM相干检测难以实现的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括通信节点和中继节点，包括以下步骤：

步骤1：根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的对数似然比，中继节点接收信号为两个通信节点的发送信号之和，即根据物理层网络编码的原理，待检测码元是两发送节点观察序列中间码元的异或值，用条件概率定义出待检测码元非相干检测的对数似然比。

步骤2：根据最大似然估计准则，计算中继节点在多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，消除未知参量对判决的影响，输出待检测码元的判决量Λ₁和Λ_-1。

步骤3：判断待检测码元的判决量Λ₁和Λ_-1，选取使判决量大的信息作为输出。

进一步地，步骤1中，具体步骤如下：

中继节点的接收信号下变频后在nT≤t≤(n+1)T的表达式如下：

其中s_k(t；α_k)，k＝1,2，表示第k个通信节点，观察窗口长度为N＝2m+1内码元序列α_k＝{α_k,n-2m…α_k,n-m…α_k,n}调制后的CPM基带信号，α_k,i∈{-1,1}为二进制基带调制码元，φ(t；α_k)为第k个通信节点对应的相位，φ₀为CPM信号的初始相位，设为0，E为CPM信号码元能量，T为码元周期，h为调制指数，q(t)为相位平滑函数，g(t)为成形函数，t为通信节点的时间，n为当前接收时间点的码元序号，i为任意时间点的码元序号，τ为成形函数的时间，为两通信节点发送信号达到中继节点的未知载波相位差，在(-π,π)内服从均匀分布，n(t)是均值为0，单边功率谱密度为N₀的复高斯白噪声。

中继节点待检测码元为：

式中，x，y分别是N个观察码元内第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列α_k的中间位。

中继节点待检测码元的对数似然比表达式如下：

式中r(t)表示接收信号，Λ₁表示判决为“1”时的判决量，Λ_-1表示判决为“-1”时的判决量，E_1,1表示x，y分别为“1”和“1”的事件，E_-1,-1表示x，y分别为“-1”和“-1”的事件，E_1,-1表示x，y分别为“1”和“-1”的事件，E_-1,1表示x，y分别为“-1”和“1”的事件。

进一步地，步骤2的具体步骤如下：

在观察区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内，中继节点接收信号r(t)的条件概率表达式如下：

式中，F为常数，A_k＝{α_k,n-2m…α_k,n-m-1,α_k,n-m+1…α_k,n}为第k(k＝1,2)个通信节点除去中间码元的其他码元序列组合，x，y分别为第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列α_k的中间位。θ_k,n-N+1为s_k(t；α_k)在码元区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内的相位状态，k＝1,2。对p(r(t)|s₁(t,x,A₁,θ_1,n-N+1),s₂(t,y,A₂,θ_2,n-N+1))中的A₁,A₂,θ_1,n-N+1,θ_2,n-N+1各变量和载波随机相位差进行取平均，最终得到任意一种事件的条件概率p(r(t)|E_x,y)表达式如下：

式中，C为常数，I₀(·)为第一类零阶修正贝塞尔函数，定义为Re[·]表示取实部运算。D＝2^2m为发送信号码元序列组合A₁,A₂除去中间码元各种可能的状态数，m是与观察窗口长度N相关的一个变量，即N＝2m+1。A_k,p(1≤p≤D)为第k通信节点除去中间码元的各种可能的比特序列，其中Δ_k,0＝1,Δ_k,1＝-1，i₁,i₂,...,i_N-1为将A_k,i中的i表示成二进制时的加权系数，即M_r(1≤r≤Q)为匹配滤波器s₁(t)相位状态集Θ＝{M₁,M₂...M_Q}的元素，Q为状态数，Θ和Q随调制指数h的变化而变化。传统的单信道CPM非相干检测时，通过相位平均，条件概率是一个与匹配滤波器相位状态无关的量。而在CPM-PNC非相干检测中，判决量中s₁(t)的相位状态无法平均掉，需要对其单独进行积分和平均。

将式(16)代入式(14)得到判决为“1”时的判决量Λ₁，表达式如下：

判决为“-1”时的判决量Λ_-1，表达式如下：

其中式(18)和式(21)变量与式(16)和式(17)中定义的变量一致。

进一步地，两个通信节点发送的信号为连续相位调制信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)非相干检测，两个通信节点间允许存在载波相位差，即检测性能与载波相位差无关。

(2)检测性能优越，利用信号间的记忆性，本发明一次观察多个码元时间内的接收信号，提高判决的正确性。

(3)吞吐量高，将单信道CPM非相干多符号检测算法应用到PNC中，将信息交互的时间从4个时隙缩短到了2个时隙，大大提高了通信***的吞吐量。

附图说明

图1为本发明应用于CPM-PNC***的原理图。

图2为本发明应用于CPM-PNC***中继端非相干检测基带接收机的原理图。

图3为本发明的不同观察窗口长度下，调制指数，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。

图4为本发明的不同调制指数下，观察窗口长度，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明应用于CPM-PNC***的原理图，图2给出了本发明应用于CPM-PNC非相干检测基带接收机的原理图，图3给出了不同观察窗口长度N下，调制指数h＝0.5，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较，图4给出了不同调制指数下，观察窗口长度N＝3，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

本发明方法中涉及到的硬件装置包括通信节点、中继节点以及连接通信节点和中继节点的通信信道。在本实施方式中，如图1所示，所述的通信节点包括第一通信结点1、第二通信结点2，中继节点包括中继节点3，连接第一通信结点1和中继节点3的第一通信信道11，连接第二通信结点2和中继节点3的第二通信信道12。图1中的“R”代表中继节点，“α₁”、“α₂”分别代表第一个通信节点和第二个通信节点的基带调制序列。

结合图5，本发明的一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括以下步骤：

步骤1中，具体步骤如下：

中继节点的接收信号下变频后在nT≤t≤(n+1)T的表达式如下：

其中s_k(t；α_k)，k＝1,2，表示第k个通信节点，观察窗口长度为N＝2m+1内码元序列α_k＝{α_k,n-2m…α_k,n-m…α_k,n}调制后的CPM基带信号，α_k,i∈{-1,1}为二进制基带调制码元，φ(t；α_k)为第k个通信节点对应的相位，φ₀为CPM信号的初始相位，设为0，E为CPM信号码元能量，T为码元周期，h为调制指数，q(t)为相位平滑函数，g(t)为成形函数，t为通信节点的时间，n为当前接收时间点的码元序号，i为任意时间点的码元序号，τ为成形函数的时间，为两通信节点发送信号达到中继节点的未知载波相位差，在(-π,π)内服从均匀分布，n(t)是均值为0，单边功率谱密度为N₀的复高斯白噪声；

中继节点待检测码元为：

中继节点待检测码元的对数似然比表达式如下：

步骤2的具体步骤如下：

判决为“-1”时的判决量Λ_-1，表达式如下：

其中式(18)和式(21)变量与式(16)和式(17)中定义的变量一致。

将基带接收信号r(t)通过匹配滤波器，分别得到Λ₁和Λ_-1，通过比较Λ₁和Λ_-1的大小来实现对接收信号观察窗口内中间码元的判决。

图3给出了不同观察窗口长度N下，调制指数h＝0.5，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。可以看出，随着观察窗口长度的增加，CPM-PNC的非相干检测性能显著提升。观察窗口长度为5的非相干检测性能与最优相干检测性能接近。随着观察窗口的继续增大，这一差异会继续减小。

图4仿真了不同调制指数下，观察窗口长度N＝3，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。可以看出h＝2/3时的检测性能最好，h＝1/2其次，h＝1/3时的检测性能最差。

本发明针对PNC***在双向中继信道下两个发送节点的CPM信号到达中继存在未知载波相位差，相干检测难以实现的问题，提出了一种CPM-PNC非相干检测算法。该算法充分利用CPM独特的记忆特性，通过观察一组码元序列来实现中间码元的判决。本发明可以有效消除载波随机相位差对检测性能的影响且检测性能优越。同时，随着观察窗口长度的增加，性能也得到显著提升并逐渐趋近CPM-PNC最优相干检测性能。

实施例1

一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括以下步骤：

步骤1、假设两通信节点发送的CPM信号均为MSK信号，即s₁(t；α₁)，s₂(t；α₂)的调制指数h＝1/2，成形函数g(t)＝1/2T,0≤t≤T,t为信号时间，T为码元周期，初始相位φ₀＝0，基带调制码元序列α_k＝{α_k,n-2m…α_k,n-m…α_k,n},k＝1,2，k表示通信节点序号，α_k,i∈{-1,1}为第k个通信节点基带码元序列中的二进制码元，i为任意时刻基带码元序号，n为接收信号时刻码元序号，m为与观察窗口N相关的一个量，满足N＝2m+1。

同时，假设两通信节点信号码元能量设为1，码元周期设为1s，接收时刻码元序号n设为100，两通信节点MSK信号在第100s时刻开始的连续的3个码元{α_1,100,α_1,101,α_1,102}，{α_2,100,α_2,101,α_2,102}分别设为{1,1,1}，{1,-1,1}，在第100s时刻相位状态θ_1,100、θ_2,100分别设为0、0，那么两通信节点的在[102s,103s]区间内的MSK信号可以表示为s₁(t；α₁)＝exp{j(πt/2+π)}

s₂(t；α₂)＝exp{j(πt/2)}

在采样点t＝103s时

s₁(t；α₁)＝exp{j(103π/2+π)}＝exp{j52.5π}

s₂(t；α₂)＝exp{j(103π/2)}＝exp{j(51.5π)}

假设对接收信号的采样频率设为N_b＝1kHz，中继接收端的噪声在区间[102.999s,103s]内假设为n(t)＝(-0.4230j+0.3921)*103＝-43.5686j+40.386，相位偏移假设为π/8，那么中继接收信号在第103s采样点的值为r(103)＝exp{j(52.5π)}+exp{j(51.5π)}-43.5686j+40.386

步骤2、那么中继接收端的匹配滤波器对表示如下

步骤3、将上述公式带入权利要求书中的式(10)和式(13)可得，Λ₁＜Λ_-1，即由此可以判决出中间码元为-1，而两通信节点发送的中间码元分别为1和-1，异或结果同样为-1，由此证明该算法的正确性。

Claims

1.一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的对数似然比，中继节点接收信号为两个通信节点的发送信号之和，根据物理层网络编码的原理，待检测码元是两发送节点观察序列中间码元的异或值，用条件概率定义出待检测码元非相干检测的对数似然比，具体步骤如下：

中继节点的接收信号下变频后在nT≤t≤(n+1)T的表达式如下：

中继节点待检测码元为：

式中，x，y分别是N个观察码元内第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列α_k的中间位；

中继节点待检测码元的对数似然比表达式如下：

式中r(t)表示接收信号，Λ₁表示判决为“1”时的判决量，Λ_-1表示判决为“-1”时的判决量，E_1,1表示x，y分别为“1”和“1”的事件，E_-1,-1表示x，y分别为“-1”和“-1”的事件，E_1,-1表示x，y分别为“1”和“-1”的事件，E_-1,1表示x，y分别为“-1”和“1”的事件；

步骤2：根据最大似然估计准则，计算中继节点在多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，消除未知参量对判决的影响，输出待检测码元的判决量Λ₁和Λ_-1，具体步骤如下：

式中，F为常数，A_k＝{α_k,n-2m…α_k,n-m-1,α_k,n-m+1…α_k,n}为第k(k＝1,2)个通信节点除去中间码元的其他码元序列组合，x，y分别为第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列α_k的中间位；θ_k,n-N+1为s_k(t；α_k)在码元区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内的相位状态，k＝1,2；对p(r(t)|s₁(t,x,A₁,θ_1,n-N+1),s₂(t,y,A₂,θ_2,n-N+1))中的A₁,A₂,θ_1,n-N+1,θ_2,n-N+1各变量和载波随机相位差进行取平均，最终得到任意一种事件的条件概率p(r(t)|E_x,y)表达式如下：

式中，C为常数，I₀(·)为第一类零阶修正贝塞尔函数，定义为Re[·]表示取实部运算；D＝2^2m为发送信号码元序列组合A₁,A₂除去中间码元各种可能的状态数，m是与观察窗口长度N相关的一个变量，即N＝2m+1；A_k,p(1≤p≤D)为第k通信节点除去中间码元的各种可能的比特序列，其中Δ_k,0＝1,Δ_k,1＝-1，i₁,i₂,...,i_N-1为将A_k,i中的i表示成二进制时的加权系数，即M_r(1≤r≤Q)为匹配滤波器s₁(t)相位状态集Θ＝{M₁,M₂...M_Q}的元素，Q为状态数，Θ和Q随调制指数h的变化而变化；传统的单信道CPM非相干检测时，通过相位平均，条件概率是一个与匹配滤波器相位状态无关的量；而在CPM-PNC非相干检测中，判决量中s₁(t)的相位状态无法平均掉，需要对其单独进行积分和平均；

判决为“-1”时的判决量Λ_-1，表达式如下：

其中式(18)和式(21)变量与式(16)和式(17)中定义的变量一致；

步骤3：判断待检测码元的判决量Λ₁和Λ_-1，选取使判决量大的信息作为输出：

2.根据权利要求1所述的物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，其特征在于：两个通信节点发送的信号为连续相位调制信号。