CN108306663B - 一个基于mimo y信道物理层简易网络编码***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***及方法，在一个两跳、多用户、多天线MIMO Y信道中，有且仅有一个N天线的中继结点Relay，有K个有M_i天线的互信息用户节点User_i，i＝1，...，K；所有通信经由Relay实现，通信表现在两种信道中，多用户接入信道记为MAC，广播信道记为BC；在MAC中，所有用户节点User_i将信息传送给Relay；在BC中，Relay将重编码信息发送到User_i；在MAC向BC转发过程中，Relay基于互信息关系矩阵、全局信道信息矩阵、***约定的用户节点预编码及解码规则，通过网络编码转换，实现通信。本发明为用户提供一个简易的物理层预编码矩阵V_i生成规则、一个简易的物理层解码矩阵W_i生成规则、一个从MAC阶段到BC阶段的简易的转换编码矩阵F规则。

Description

一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多用户、多天线、两跳无线通信中MIMO Y信道物理层简易网络编码***与方法。

技术背景

多天线、多跳、多用户无线网络，是对当前商用有组织网络的一种重要补充，也是物联网，传感器网络，家庭异构网络等下一代无线接入网络的重要部署形式之一。多用户无线网络，是当前商用网络部署的一种基本形式；多天线属性，源于提高用户节点抗干扰能力的一种重要手段。因此基于多用户，多天线的多跳网络，也是下一代无线网络部署形式的研究重点。不过仍然存在许多技术困难。其中主要困难在于，多用户无线通信网络中，通信自由度的实现。当前多用户无线通信***仍然是干扰受限的。而且在无组织网络中，没有中心节点的协调，其通信资源的利用效率也会大大降低。其困难点在于，如何以较低通信代价，快速简易的获取尽量多用户通信自由度。虽然当前一些研究表明，理论上MIMO Y信道，可以实现最大化自由度。基于MIMO Y信道中的Relay节点，兼有组织网络特点，与元组织网络中中继节点灵活，有充分利用所获取所有的信道信息的能力。实现干扰对齐思想，即消除用户间的干扰。

MIMO Y信道***中有两类节点，中继节点一个，记为Relay，以及用户节点K个，记为User_i，i＝1,…,K。MIMO Y信道有两个基本状态，多址接入状态，记为MAC，以及广播状态，记为BC。所有通信经由惟一Relay实现，在MAC中，所有用户节点User_i，i＝1,…,K将信息传送给Relay；在BC中，Relay将重编码信息发送到User_i，i＝1,…,K。

但是，当前基于MIMO Y信道的研究，虽然提出了最大通信自由度获取的可能性，但是并没有能够提出一种有实际操作性方法。而且研究结论是基于局部干扰对齐思想实现，忽略了对全局***的(操作)特性考虑，并没有考虑到全局信道信息条件下，这些假设可能根本是无法实现的，并不完善。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多用户、多天线、多跳无线通信中基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***与方法。

本发明的***所采用的技术方案是：一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***，其特征在于：在一个两跳、多用户、多天线MIMO Y信道中，有且仅有一个N天线的中继结点Relay，有K个有M_i天线的互信息用户节点User_i，i＝1,…,K；所有通信经由Relay实现，通信表现在两种信道中，一是多用户接入信道，记为MAC，一是广播信道，记为BC；在MAC中，所有用户节点User_i将信息传送给Relay；在BC中，Relay将重编码信息发送到User_i；在MAC向BC转发过程中，Relay基于互信息关系矩阵、全局信道信息、全局编预编码生成规则，通过网络编码转换，实现通信。

本发明的方法所采用的技术方案是：一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码方法，在一个两跳、多用户、多天线MIMO Y信道中，有且仅有一个N天线的中继结点Relay，有K个有M_i根天线的互信息用户节点User_i，i＝1,…,K；所有通信经由Relay实现，通信表现在两种信道中，一是多用户接入信道，记为MAC，一是广播信道，记为BC；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：在MAC阶段，用户进行网络预编码；

具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：通过训练序列，Relay获得所有信道信息估计，获得***物理层互信息关系矩阵A，以及优选预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1；并且分发A及优选编解码规则f_1.2、f_3.1给所有用户；当网络拓扑不变，预编码及解码规则不变时，初始化步骤1.1只用在第一次运行；User_i信道估计训练序列可以选择在MAC，BC阶段携带完成；

步骤1.2：用户User_i根据Relay发布的物理层互信息关系矩阵A，利用事先约定的优化编码规则函数f_1.2，A以及User_i在A中对应的惟一节点位置编号m_i作为参数，得到其全局预编码矩阵V_i，V_i←f_1.2(A,m_i)；

步骤1.3：用户User_i根据其预编码矩阵V_i，及User_i准备给其他所有用户发送的信息

生成预编码后的全局信息矩阵X_i＝V_iS_i；其中

指第i个用户User_i准备给其他除i以外的所有用户Σ_i发送的信息；

步骤1.4：在MAC信道，所有用户User_i，i＝1,…,K，按统一时间节拍将各自的X_i发送到Relay；

步骤2：在MAC阶段向BC阶段转化中，Relay进行全局网络重编码；

具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：Relay接收所有用户发送的X_i经信道变换后的叠加输出Y_R，即

其中H_i,R指从第i个用户User_i到中继节点的Relay的信道增益。

步骤2.2：Relay根据获得所有信道信息估计，包括MAC全局信道信息H_Σ,R、BC信道的全局信道信息H_R,Σ、***物理层互信息关系矩阵A，以及优选预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1，生成V_i←f_1.2(A,m_i),i＝1,…,K，计算Relay互信息编码转换矩阵F←f_2.1(A,f_1.2,H_Σ,R,H_R,Σ)；

步骤2.3：基于Relay互信息编码转换矩阵F，通过从MA信道接收到的信息V_R，生成广播信息X_R＝FY_R，并在BC信道广播信息X_R；

步骤3：在BC阶段，用户按网络编码解码矩阵生成规则生成全局接收解码矩阵，并得到所有节点发往用户User_i的信息估计

具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用户User_i根据Relay发布的***物理层互信息关系矩阵A、解码规则f_3.1，形成全局接收解码矩阵W_i←f_3.1(A,m_i)；其中，m_i是User_i在A中对应的惟一节点位置编号；

步骤3.2：用户User_i基于W_i解码接收到的X_R样本，得到所用其他用户给用户User_i信息估计

所述方法存在准则是：

及

存在；其中P⁺表示是矩阵P的广义逆；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局接收解码矩阵W_i序列形成的对角阵；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局预编码矩阵V_i序列形成的对角阵；H_R,Σ，H_Σ,R分别是BC及MAC全局信道信息矩阵。

作为优选，F←f_2.1(A,f_1.2,H_∑,R,H_R,∑)计算规则为：

本发明方法与现有技术相比有如下的优点与有益效果：

(1)本发明是基于全局的互信息关系矩阵A，以及全局信道信息进行的编解码设计，因此可操作非常强，且不存在因基于局部设计，造成在数学计算上不可操作问题；

(2)本发明在用户侧，无须了解信道信息特征，只需要基于全局的互信息关系矩阵A进行预编码，与***优选的编解码设计规则进行，操作简易，对节点能力要求也会降低；

(3)本发明在Relay侧，可以通过训练序列得到信道矩阵，基于全局的互信息关系矩阵A进行，及与统优选的编解码设计规则进行，即可得到信息转换矩阵编码，简化操作步骤；

(4)本发明基于现实条件，实现简易物理层网络编码；

(5)明确给出编码存在条件，及编码规则，包括F，V_i，W_i；

(6)编解码规则给***优化充分的优化空间，向其他编码方法兼容，只需要满足基本规则即可。

附图说明

图1为本发明实施例的***架构图；

图2为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***，假设信道通过完善利用MAC、BC信道以及训练序列信息进行估计，且有(较)理想的信道估计，例如在SNR条件比较好的情况下；整个编码分为三个阶段，MAC预编码阶段，Relay的网络编码阶段，以及BC解码阶段，分别简记为MAC，NC，BC阶段。三阶段通信按MAC，NC，BC时序交替进行；***允许全双工通信，允许在不同时分、频分、空分等不同信道独立或混合划分中，有多个通信循环MAC、NC、BC按相同或不同时间节拍并存，本实施例的***主要是针对其中一个信道的MAC、NC、BC过程；在***的MAC阶段，所有用户节点，User_i(i＝1,…,K)对发送信息

用预编码矩阵V_i进行预编码，得到X_i，并按相同时间节拍，将编码后信息X_i发送到中继节点Relay汇聚为Y_R；在MAC阶段向BC阶段转换中，由***所述Relay节点对接收信息Y_R，依据全局信道信息，以及预设的所有预编码矩阵V_i，生成重编码矩阵F，以F对Y_R进行网络编码重编码生成X_R；在NC阶段之后，即进入***所述BC阶段，此阶段，Relay广播数据Y_R，各用户节点User_i收到自己的信息，用户依据预编码矩阵V_i信息，生成对接收解码矩阵W_i，对接收信息进行解码完成一次完整的独立通信。本发明主要在于，基于本***信道模型下，即通常称为MIMO Y信道模型，对F，V_i，W_i的构造理论与实践的创新。

为详细说明实例，本实施例用更细化的***符号体系如下：Relay有N根天线，K个用户，每个用户有K-1根天线；V_i中的细化预编码子矩阵，表示为V^[i,j]，表示从用户User_i，指向用户User_j的预编码矩阵；s^[i,j]表示

中从用户User_i指向用户User_j的信息；Y^[Σ,R]表示所有K用户发给Relay，被Relay接收到的信息；即上标[A,B]表示从A发出，目标是B的参数，Σ表示所有用户，Σ_i表示除User_i以外的所有用户，R表示Relay；其他H表示信道信息，同理H^[Σ,R]表示K用户发给Relay全局信道信息，即前述H_Σ,R；F表示Relay执行的从Y^[Σ,R]到X^[R,Σ]的转换矩阵；M表示解码矩阵，W^[i,j]表示解码从用户User_i，指向用户User_j的信息的解码矩阵。A为全局互信息关系矩阵。

请见图2，本发明提供的一种基于MIMO Y信道物理层实现干扰对齐的简易网络编码方法，包括三个大步骤，9个小步骤。

步骤1：在MAC阶段，用户进行网络预编码；

步骤1.1：通过训练序列，Relay获得所有信道信息估计，获得***物理层互信息关系矩阵A，并且分发A给所有用户；同时分发的是满足条件的有优选预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1。当网络拓扑不变，预编码及解码规则不变时，初始化步骤1.1只用在第一次运行；User_i信道估计训练序列可以选择在MAC，BC阶段携带完成；因为信道估计是成熟方法在这里不再赘述，只假设已经通过相应方法得到相应信道信息矩阵。例如，当信息条件理想时，例如高SNR，K用与其他K-1用户经MIMO Y信道互信时，

这时信道变换操作

等价于从

变换到

的直接操作；即等价于操作

其中0_1×(K-1)表示1行(K-1)列零矩阵。这一造价操作即为***物理层互信息关系矩阵，即：

这是在理想条件下的假设，当信道较理想时，天线M_i不是惟一确定，需要根据实际映射关系，仍然有从

到

的等效映射关系A，只是形式有差别。

步骤1.2：用户User_i根据Relay发布的物理层互信息关系矩阵A，利用事先约定的优化编码规则函数f_1.2，A以及User_i在A中对应的惟一节点位置编号m_i作为参数，得到其全局预编码矩阵V_i，V_i←f_1.2(A,m_i)；这里为作为范例，设m_i＝i；设

因此，只须设定满足条件的

即可。具体形式要求

即不放大原始信号功率。例如，可以设定

当理想假设条件下，即每用户有K-1根天线，每根天线对应一个用户发射，且不考虑空时编码时。当***有其他空时编码要求时，只需要结合空时码要求与设定要求即可。较理想假设类似，只是结构需要根据天线关系设定，而不是理想方阵结构。

步骤1.3：用户User_i根据每一用信息的预编码矩阵V_i，即

生成对每一单独互信息的预编码矢量，根据发送信息，

s^[i,j]中i≠j，生成预编码后的全局信息矩阵X_i，即

步骤1.4：在MAC信道，所有用户User_i按统一时间节拍发送编码后全局信息

到Relay；

步骤2：在MAC阶段向BC阶段转化中，Relay进行全局网络重编码；

步骤2.1：Relay接收所有用户发送的X_i，i＝1,…,K，其中

得到

步骤2.2：Relay根据获得所有信道信息估计，包括MAC全局信道信息H_Σ,R、BC信道的全局信道信息H_R,Σ、***物理层互信息关系矩阵A，以及优选预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1，生成V_i←f_1.2(A,m_i),i＝1,…,K，计算Relay互信息编码转换矩阵F←f_2.1(A,f_1.2,H_Σ,R,H_R,Σ)；

令

根据假设，令

有F＝(BH^[R,Σ])⁺(H^[Σ,R]B^T)⁺，其中(BH^[R,Σ])⁺表示求BH^[R,Σ]广义逆矩阵，当广义逆矩阵不存在时，编码不成立；

步骤2.3：基于Relay互信息编码转换矩阵F＝(BH^[R,Σ])⁺(H^[Σ,R]B^T)⁺，通过从MA信道接收到的信息即

生成BC阶段的广播信息即X^[R,Σ]＝FY^[Σ,R]并发送；

步骤3：在BC阶段，用户进行网络编码解码矩阵生成规则与生成方法，并得到所有节点发往用户User_i的信息估计

步骤3.1：用户根据Relay发布的物理层信息A，解码规则f_3.1，形成***全局接收解码矩阵，本例即

步骤3.2：用户User_i基于W_i解码和接收到的X_R样本，即码Y^[R,i]＝H^[R,i]X^[R,Σ]+N，然后解码得到

本发明方法的存在准则是：：

及

存在。其中P⁺表示是矩阵P的广义逆；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局接收解码矩阵W_i序列形成的对角阵；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局预编码矩阵V_i序列形成的对角阵；H_R,Σ，H_Σ,R分别是BC及MAC全局信道信息矩阵。

以上所有编码均在下述准则下进行：

User_i的预编码矩阵与接收解码准则是：

其中，A即***物理层互信息关系矩阵，

是与A描述次序相同的用户全局接收解码矩阵W_i序列形成的对角阵；

是与A描述次序相同的用户全局接收预编码矩阵V_i序列形成的对角阵；函数V_i←f_1.2(A,i)，W_i←f_3.1(A,i)必须满足以上规则。

F←f_2.1(A,f_1.2,H_∑,R,H_R,∑)的计算规则是：

本发明基于MIMO Y信道***，要可实现假设条件：有(较)理想的信道估计，例如在SNR条件比较好的情况下；所有用户有相同的天线数与互信息关系协议(步骤1.1)。通过全局性信道信息的充分利用，提出可操作的MIMO Y信道网络编码方法。即本发明主要特征在于设计基于可实现假设，基于全局互信息关系矩阵，在MAC阶段为用户提供一个简易的物理层预编码矩阵生成规则，在BC阶段为用户提供一个简易的物理层解码矩阵生成规则，以及为Relay提供一个从MAC阶段到BC阶段的简易的转换编码矩阵F规则，以及相应***运行规则。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一个基于MIMO Y信道物理层简易网络编码方法，采用基于MIMO Y信道物理层简易网络编码***；

其特征在于：所述***在一个两跳、多用户、多天线MIMO Y信道中，有且仅有一个N天线的中继结点Relay，有K个有M_i天线的互信息用户节点User_i，i＝1，...，K；所有通信经由Relay实现，通信表现在两种信道中，一是多用户接入信道，记为MAC，一是广播信道，记为BC；在MAC中，所有用户节点User_i将信息传送给Relay；在BC中，Relay将重编码信息发送到User_i；在MAC向BC转发过程中，Relay基于互信息关系矩阵、全局信道信息矩阵、***约定的用户节点预编码及解码规则，通过网络编码转换，实现通信；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：在MAC阶段，用户进行网络预编码；

具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：通过训练序列，Relay获得所有信道信息估计，获得***物理层互信息关系矩阵A，以及预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1；并且分发A及编解码规则f_1.2、f_3.1给所有用户；当网络拓扑不变，预编码及解码规则不变时，初始化步骤1.1只用在第一次运行；User_i信道估计训练序列选择在MAC，BC阶段携带完成；

步骤1.2：用户User_i根据Relay发布的物理层互信息关系矩阵A，利用事先约定的优化编码规则函数f_1.2，A以及User_i在A中对应的惟一节点位置编号m_i作为参数，得到其全局预编码矩阵V_i，V_i←f_1.2(A，m_i)；

步骤1.3：用户User_i根据其预编码矩阵V_i，及User_i准备给其他所有用户发送的信息

生成预编码后的全局信息矩阵X_i＝V_iS_i；其中

指第i个用户User_i准备给其他除i以外的所有用户∑_i发送的信息；

步骤1.4：在MAC信道，所有用户User_i，i＝1，...，K，按统一时间节拍将各自的x_i发送到Relay；

步骤2：在MAC阶段向BC阶段转化中，Relay进行全局网络重编码；

具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：Relay接收所有用户发送的X_i经信道变换后的叠加输出Y_R，即

其中H_i，R指从第i个用户User_i到中继节点的Relay的信道增益；

步骤2.2：Relay根据获得所有信道信息估计，包括MAC全局信道信息H_∑，R、BC信道的全局信道信息H_R，∑、***物理层互信息关系矩阵A，以及预编解码及解码规则f_1.2及f_3.1，生成V_i←f_1.2(A，m_i)，i＝1，…，K，计算Relay互信息编码转换矩阵F←f_2.1(A，f_1.2，H_∑，R，H_R，∑)；

步骤2.3：基于Relay互信息编码转换矩阵F，通过从MA信道接收到的信息Y_R，生成广播信息X_R＝FY_R，并在BC信道广播信息X_R；

步骤3：在BC阶段，用户按网络编码解码矩阵生成规则生成全局接收解码矩阵，并得到所有节点发往用户User_i的信息估计

具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用户User_i根据Relay发布的***物理层互信息关系矩阵A、解码规则f_3.1，形成全局接收解码矩阵W_i←f_3.1(A，m_i)；其中，m_i是User_i在A中对应的惟一节点位置编号；

步骤3.2：用户User_i基于W_i解码接收到的X_R样本，得到所用其他用户给用户User_i信息估计

2.根据权利要求1所述的基于MIMO Y信道物理层简易网络编码方法，其特征在于，F←f_2.1(A，f_1.2，H_∑，R，H_R，∑)计算规则为：

所述方法存在准则是：

及

存在；其中P⁺表示是矩阵P的广义逆；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局接收解码矩阵W_i序列形成的对角阵；

是由与***物理层互信息关系矩阵A描述次序相同的用户对应的，全局预编码矩阵V_i序列形成的对角阵；H_R,Σ，H_Σ,R分别是BC及MAC全局信道信息矩阵。

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