在第一信號源與第二信號源之間傳輸信號的方法、中繼站和系統的製作方法

2023-06-13 07:26:31

專利名稱：在第一信號源與第二信號源之間傳輸信號的方法、中繼站和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線網絡中的信號通信領域，具體地，涉及移動通信系統領域。更具體地，本發明涉及用於在第一信號源與第二信號源之間中繼信號的方法和中繼站、用於在第一信號源與第二信號源之間傳輸信號的方法和系統、以及在信號源處從遠程信號源接收多個信號的方法和信號源。
背景技術：
網絡編碼(見例如 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)是基於存儲、編碼和轉發的數據分發方法。核心概念在於允許和鼓勵在中間網絡節點處混合數據。這有助於利用無線電的廣播性質的潛力來改進無線通信系統的吞吐量。近來，包括傳輸中繼的無線協作網絡(見例如Fitzek，F.H.P. ；Katz,Μ. D. (Eds.) Cooperation in wireless networks :Principles and applications. Berlin :Springer, 2006)由於系統容量和吞吐量的潛在改進而引起了注意。在這種網絡中，已經釆用了不同技術，如傳統信號轉發、PHY層(PHY=物理)星座相加和網絡編碼，例如以下文獻所描述· 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，· Zhang，S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic :Physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing 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 on Data Communication Conference(SIGCOMM* 07)， August 27-31，2007， Kyoto, Japan， pp.397-408，· Shengli Fu ；Kejie Lu ；Yi Qian ；Varanasi,M. . -Cooperative network coding for wireless ad-hoc networks. Proceedings of the IEEE GL0BEC0M 2007，pp.812—816，在例如Tse，D· ；Viswanath,P. -Fundamentals of wireless communications. New York :Cambridge University Press，2005 中描述了空間分集。儘管無線網絡中的網絡編碼可以受益於廣播，但是也要面對信道衰落的挑戰。 ΜΙΜ0(ΜΙΜ0=多輸入多輸出)技術可以通過空間分集來提高衰落環境中的性能(見例如 Fasolo，Ε. ；Rossetto，F. ；Zorzi，Μ. ；Network Coding meets ΜΙΜΟ, Network Coding， Theory and Applications,2008. NetCod 2008.Fourth Workshop on 3-4 Jan.2008 pp. 1-6) ο 例如，Alamouti 方案(見 Alamouti, S. Μ. :A simple transmit diversitytechnique for wireless communication. IEEE Journal on Select Areas in Communications, vol. 16 (1998)，pp. 1451-1458)可以利用 STBC (空時塊編碼)來實現完全分集。MIMO系統還通過使用空間復用方案來提高數據速率。存在改進兩步驟中繼網絡的性能的一些研究。例如，PHY層網絡編碼(見例 如 Zhang，S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic :Physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing md Networking(MobiCom，06)，2006，pp. 358-365)的主要思想是在處理信號接收和調製的物理層進行網絡編碼。這使得規範的雙向網絡的吞吐量加倍，但是需要符號-相位同步和載波-頻率同步的嚴格條件。Katti, S. ；Gollakota, S. ；Katabi, D. !Embracing wireless interference Analog network coding. Proceedings of the Special Interest Group on Data Communication Conference(SIGCOMM* 07)， August 27-31,2007, Kyoto, Japan， PP. 397-408描述了一種改進，通過根據兩個發送方的兩個不對齊信號來估計無線信道，從而處理這些同步約束。

發明內容
本發明的目的是提供一種實現協作網絡中的改進吞吐量的方法。該目的是通過權利要求1、5或7的方法、權利要求9的中繼站、權利要求13的系統和權利要求15的信號源來實現的。本發明提供了一種用於由中繼站在第一信號源與第二信號源之間中繼信號的方法，所述中繼站包括至少兩個天線，用於從第一和第二信號源接收/向第一和第二信號源發送信號，所述方法包括(a)在中繼站處，對從第一和第二信號源接收的第一和第二信號進行網絡編碼，從而產生第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號；以及(b)使用不同天線從中繼站向第一和第二信號源多重發送第一和第二網絡編碼信號。此外，本發明提供了一種用於在第一信號源與第二信號源之間中繼信號的中繼站，包括至少兩個天線，用於接收/發送信號；以及處理器，被配置為促使對從第一和第二信號源接收的第一和第二信號進行網絡編碼，從而產生第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號；以及使用不同天線從中繼站向第一和第二信號源多重發送第一和第二網絡編碼信號。本發明還提供了一種用於在第一信號源與第二信號源之間傳輸信號的方法，所述第一和第二信號源經由中繼站互相通信，所述中繼站包括至少兩個天線，用於從第一和第二信號源接收/向第一和第二信號源發送信號，所述方法包括(a)從第一信號源連續發送第一信號和第二信號並從第二信號源連續發送第一信號和第二信號；(b)根據該發明性的方法，對來自第一和第二信號源的第一和第二信號進行中繼； 以及
(c)在第一和第二信號源中的每個信號源處，基於在該信號源處接收到的第一和第二網絡編碼信號，並基於該信號源的第一和第二信號，確定源自第一和第二信號源中的另一信號源的第一和第二信號。此外，本發明提供了一種系統，包括第一信號源；第二信號源；以及根據本發明的中繼站；其中，相應信號源被配置為促使從第一信號源連續發送第一信號和第二信號並從第二信號源連續發送第一信號和第二信號；基於在該信號源處接收的第一和第二網絡編碼信號，並基於該信號源的第一和第二信號，確定源自第一和第二信號源中的另一信號源的第一和第二信號。此外，本發明提供了一種用於在信號源處從遠程信號源接收多個信號的方法，所述方法包括(a)在所述信號源處接收第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號，所述第一網絡編碼信號是通過對所述信號源和所述遠程信號源的第一信號進行網絡編碼而獲得的，且所述第二網絡編碼信號是通過在所述遠程信號源處對所述信號源的第二信號進行網絡編碼而獲得的；以及(b)基於第一和第二網絡編碼信號以及所述信號源的第一和第二信號來確定源自所述遠程信號源的第一和第二信號。本發明提供一種用於從遠程信號源接收多個信號的信號源，包括天線，被配置為接收第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號，所述第一網絡編碼信號是通過在所述遠程信號源處對所述信號源的第一信號進行網絡編碼而獲得的，所述第二網絡編碼信號是通過對所述信號源和所述遠程信號源的第二信號進行網絡編碼而獲得的；以及處理器，被配置為基於第一和第二網絡編碼信號以及基於信號源的第一和第二信號來確定源自所述遠程信號源的第一和第二信號。本發明的實施例提供了與ΜΙΜ0(多輸入多輸出)技術相結合的新的兩步驟通信協議，允許提高協作網絡中的系統吞吐量。該協議被稱為MINEC(ΜΙΜΟ網絡編碼)。根據實施例，描述了在中繼節點上具有多天線的3節點網絡，作為MINEC的示意性示例。在MINEC的步驟1，兩個源節點同時發送消息；在步驟2，中繼節點利用網絡和空時編碼來廣播編碼數據。可以使用二進位對稱中繼信道模型來執行對MINEC的理論性能分析。通過Monte-Carlo 仿真來驗證理論發現。發現MINEC在傳輸階段和轉發階段分別實現了與2X2V-BLAST MIMO 和兩個2 X IAlamouti MIMO等效的性能。現有技術方法(例如 Zhang， S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom』 06),2006, pp. 358-365 或 Katti, S. ；Gollakota, S. ；Katabi, D. !Embracing wireless interference Analog network coding. Proceedings of the Special Interest Group on Data CommunicationConference (SIGCOMM，07) ,August 27-31, 2007,Kyoto, Japan,pp. 397-408 中描述的方法) 未考慮衰落信道效應或ΜΙΜΟ。本發明性方法的優點在於基於本發明性的兩步驟協議的網絡編碼與MIMO的組合將改進衰落信道的網絡編碼。通過將網絡編碼和MIMO技術組合到中繼網絡中，實現了來自網絡編碼以及空間復用的吞吐量改進和來自空間分集的更可靠傳輸。


以下，將基於附圖進一步詳細描述本發明的實施例，在附圖中圖1示出了根據本發明實施例的具有兩步驟傳輸的3節點中繼網絡；圖2示出了根據本發明實施例的用於在圖1的3節點中繼網絡中的信號節點之間傳輸信號的方法的流程圖。圖3示出了圖1的3節點中繼網絡中的無記憶二進位對稱中繼網絡信道；圖4示出了在圖1的3節點中繼網絡中獲得的總比特差錯性能的比較的圖；以及圖5示出了信道容量作為圖1的3節點中繼網絡中的SNR的函數的圖。
具體實施例方式以下將基於如圖1所示的3節點中繼網絡來描述提供新穎的兩步驟通信協議的本發明性方法的優選實施例。注意，本發明自然不限於如圖1所示的3節點中繼網絡，而是，本發明性方法(即以下進一步詳細描述的新穎的兩步驟通信協議)可以應用於要在不能直接互相通信而經由中繼站通信的多個信號節點之間交換多個消息或信號的任何網絡。此外， 網絡本身可以包括多個中繼節點或中繼站，以及包括互相通信的多個信號節點或信號源， 在經由中繼節點來進行這種通信的情況下，可以用以下描述的方式來使用本發明性的兩步驟通信協議。圖1示出了包括第一信號節點S1的3節點中繼網絡的示例。注意，圖1是網絡的示意表示，信號節點S1包括天線ANT1和信號處理單元100。網絡還包括第二信號節點&， 第二信號節點&包括天線ANT2和中央處理單元200。此外，網絡包括中繼節點R。中繼節點R包括第一天線ANTki和第二天線ΑΝΤΚ2。此外，中繼節點R包括中央處理單元或數據處理單元300。在向中繼節點R發送時，第一信號節點S1具有虛線102所示的範圍。在向中繼節點R發送時，第二信號節點&具有虛線202所示的範圍。儘管信號節點S1和&的範圍在提供中繼節點的區域中重疊，第二信號源&在第一信號節AS1的範圍之外，反之亦然。因此，經由中繼節點R來進行信號節點S1與&之間的通信。實線箭頭指示在第一和第二時隙期間，更具體地在兩個連續時隙i、i+1期間，從第一和第二信號節點S1和&向中繼節點的通信。虛線箭頭指示在第三和第四時刻，例如在時隙i+2和i+3期間，從中繼節點R至信號節點S1和S2的通信。以下將參照圖2更詳細地描述使用兩步驟通信協議的本發明的實施例。圖2是流程圖，將基於圖2的流程圖來描述本發明性系統及其功能，為了描述，假定在步驟S100，傳輸從第一時隙i開始。在時隙i中，第一信號節點或信號源S1還有第二信號源或第二信號節點&向中繼站R發送第一信號Si,如圖1中的實線箭頭所示。在中繼站或中繼節點R處接收這些信號。
在下一時隙i+1中，從信號節點S1*^向中繼節點R發送第二信號Si+1，再次如圖 1中的實線箭頭所示以及如圖2的步驟S102所示。在步驟S104，在中繼節點處接收這些信號。在中繼節點R的CPU 300處，對在連續時隙i和i+Ι期間從信號節點S1和&接收的信號進行網絡編碼，更具體地，基於從信號節點S1和&接收的第一信號來產生第一網絡編碼信號，基於在中繼節點R處接收的第二信號來產生第二網絡編碼信號，以下將進一步詳細描述。在完成網絡編碼信號的產生之後，在時隙i+2，中繼站R發送第一和第二網絡編碼信號，如步驟S106所示。更具體地，中繼節點R經由其第一天線ANTki發送第一網絡編碼信號，並經由其第二天線ANTk2發送第二網絡編碼信號。在信號節點S1和&處接收這些信號。 在下一時隙中，優選地在時隙i+3中，如步驟S108所示，中繼節點R再次發送第一和第二編碼信號，然而在該時隙中，中繼節點經由其第二天線ANTk2發送第一網絡編碼信號，並經由其第一天線ANTki發送第二網絡編碼信號。同樣地，信號節點S1和&接收所發送的網絡編碼信號。在步驟S110，在第一和第二信號節點S1和&處，基於所接收的第一和第二網絡編碼信號，並基於從相應信號節點向中繼站R原始發出的第一和第二信號，來確定源自另一信號源的相應信號。如上所述，儘管圖1和2以及優選實施例的後續描述涉及僅包括兩個信號節點和一個中繼節點的網絡，但是本發明不限於這種網絡，而是可以採用各種網絡配置，網絡可以包括多個中繼節點和多於兩個信號節點。此外，中繼節點可以包括多於兩個天線，從而允許根據本發明的教導將兩步驟通信協議擴展至在使用中繼節點來互相通信的網絡內的多於兩個信號節點之間的通信。以下將基於圖1所示的網絡來描述本發明性的兩步驟通信協議的進一步細節。在圖1的規範的雙向網絡中，信號節點S1和&在彼此的通信範圍之外，並且要交換消息。它們通過在源節點S1和&的範圍內的中繼節點R來通信。假定在通過i，/e 2所枚舉的連續時隙中組織傳輸。源節點S1*^均包括單一收發信機天線αν \*ΑΝΤ2。與傳統系統不同，本發明性系統包括中繼節點R，中繼節點R具有兩個收發信機天線ANTki和ANTk2,而不是僅具有單一收發信機天線。由於源自源節點S1和&的信號互相獨立並且在本地移動 (locally displaced)，並且由於中繼節點R具有兩個收發信機天線ANTki和ANTK2，系統可以被視為2X2空間復用MIMO系統。在中繼節點R發送信息並且源節點S1和&接收信息的情況下，系統可以被視為兩個2X 1MIS0系統。因此，圖1的中繼網絡受益於虛擬MIMO概念，利用所有節點的所有天線的同時操作。根據本發明的實施例，通過針對圖1所示的MIMO中繼系統的兩步驟協議，獲得與 MIMO相結合的網絡編碼能力的益處。該協議被稱為MINEC (ΜΙΜΟ網絡編碼)。以下將給出的數學描述涉及傳輸系統的基帶模型。MINEC步驟1.信號節點發送在第一 MINEC步驟中，圖1中的源節點S1和&同時發送數據。源節點S1在第i時隙發送的信號表示為#⑷，源節點&在第i+i時隙發送的信號表示為力,(O。類似地，源節點 S2在第i和第i+Ι時隙發送的信號分別表示為#⑴和憑(O。發送信號斤(O, (O, #⑴和巧力)是二進位相移鍵控(BPSK)調製信號，每個信號包括連續發送的N個比特(假定單載波傳輸)。&表示比特能量，Tb表示比特持續時間。表示源節點S1在時隙i發送的數據序列的數據向量為
/ ⑴一「⑴ h的V
權利要求
1.一種用於由中繼站(R)在第一信號源(S1)與第二信號源(S2)之間中繼信號(Si， si+1)的方法，所述中繼站(R)包括至少兩個天線(ANTK1，ANTk2)，用於從第一和第二信號源 (S1, S2)接收信號/向第一和第二信號源(S1, S2)發送信號，所述方法包括(a)在中繼站(R)處，對從第一和第二信號源(S1)接收的第一和第二信號進行網絡編碼(S104)，從而產生第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號；以及(b)使用不同天線(ANTK1，ANTk2)從中繼站(R)向第一和第二信號源(S1;S2)多重發送 (S106, S108)第一和第二網絡編碼信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)包括在中繼站(R)處，從第一信號源(S1)連續接收(S102，S104)第一信號和第二信號，並從第二信號源(S2)連續接收第一信號和第二信號。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，步驟(b)包括在第一時刻，通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送(S106)第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第二網絡編碼信號；以及在第一時刻之後的第二時刻，通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送(S108)第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第二網絡編碼信號。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其中在第一時隙，在中繼站(R)處從第一和第二信號源(S1, S2)接收第一信號；在第二時隙，在中繼站(R)處從第一和第二信號源(S1, S2)接收第二信號；在第三時隙，通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第二網絡編碼信號；以及在第四時隙，通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第二網絡編碼信號。
5.一種用於在第一信號源(S1)與第二信號源(S2)之間傳輸信號的方法，第一和第二信號源(SpS2)經由中繼站(R)互相通信，所述中繼站(R)包括至少兩個天線(ANTki，ANTk2)， 用於從第一和第二信號源(SnS2)接收信號/向第一和第二信號源(S1, S2)發送信號，所述方法包括(a)從第一信號源(S1)連續發送(S100，S102)第一信號和第二信號，並從第二信號源 (S2)連續發送第一信號和第二信號；(b)根據權利要求1至4之一所述的方法，對來自第一和第二信號源(S1A2)的第一和第二信號進行中繼(S104-S108)；以及(c)在第一和第二信號源(SnS2)中的每個信號源處，基於在該信號源處接收到的第一和第二網絡編碼信號，並基於該信號源的第一和第二信號，確定(SllO)源自第一和第二信號源(S1, 中的另一信號源的第一和第二信號。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，步驟(c)包括在第一信號源(S1)處，基於第一和第二網絡編碼信號以及第一信號源(S1)的第一和第二信號，獲得源自第二信號源(S2)的第一和第二信號；以及在第二信號源(S2)處，基於第一和第二網絡編碼信號以及第二信號源(S2)的第一和第二信號，獲得源自第一信號源(S1)的第一和第二信號。
7.一種用於在信號源(S1A2)處從遠程信號源(S2A1)接收多個信號的方法，所述方法包括(a)在所述信號源(S1,S2)處接收第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號，所述第一網絡編碼信號是通過對所述信號源(Si，S2)和所述遠程信號源的第一信號進行網絡編碼而獲得的，且所述第二網絡編碼信號是通過在所述遠程信號源處對所述信號源(S1, S2)的第二信號進行網絡編碼而獲得的；以及(b)基於第一和第二網絡編碼信號以及所述信號源(S1,S2)的第一和第二信號來確定源自所述遠程信號源(SyS1)的第一和第二信號。
8.一種計算機可讀介質，包括多個指令，用於執行權利要求1至7之一所述的方法，其中，指令由計算機執行。
9.一種用於在第一信號源(S1)與第二信號源(S2)之間中繼信號的中繼站，包括 至少兩個天線(ANTki，ANTe2)，用於接收/發送信號；以及處理器(300)，被配置為促使對從第一和第二信號源(S1, S2)接收的第一和第二信號進行網絡編碼，從而產生第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號；以及使用不同天線(ANTK1，ANTk2)從中繼站向第一和第二信號源(S1, S2)多重發送第一和第二網絡編碼信號。
10.根據權利要求9所述的中繼站，被配置為在天線(ANTK1，ANTK2)處從第一信號源(S1) 連續接收第一信號和第二信號，以及從第二信號源(S2)連續接收第一信號和第二信號。
11.根據權利要求9或10所述的中繼站，其中，處理器(300)還被配置為促使在第一時刻，通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第二網絡編碼信號；以及在第一時刻之後的第二時刻，通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第二網絡編碼信號。
12.根據權利要求9至11之一所述的中繼站，其中在第一時隙，從第一和第二信號源(S1, S2)接收第一信號； 在第二時隙，從第一和第二信號源(S1, S2)接收第二信號；在第三時隙，通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站的第二天線(ANTk2)發送第二網絡編碼信號；以及在第四時隙，通過中繼站(R)的第二天線(ANTk2)發送第一網絡編碼信號，並通過中繼站(R)的第一天線(ANTki)發送第二網絡編碼信號。
13.一種系統，包括 第一信號源(S1)； 第二信號源(S2)；以及根據權利要求8至11之一所述的中繼站(R)； 其中，各個信號源(S1, S2)被配置為促使從第一信號源(S1)連續發送第一信號和第二信號，並從第二信號源(S2)連續發送第一信號和第二信號；以及基於在該信號源處接收的第一和第二網絡編碼信號，並基於該信號源的第一和第二信號，確定源自第一和第二信號源(S1, 中的另一信號源的第一和第二信號。
14.根據權利要求13所述的系統，其中第一信號源(S1)被配置為，基於第一和第二網絡編碼信號以及第一信號源(S1)的第一和第二信號，獲得源自第二信號源(S2)的第一和第二信號；以及第二信號源(S2)被配置為，基於第一和第二網絡編碼信號以及第二信號源(S2)的第一和第二信號，獲得源自第一信號源(S1)的第一和第二信號。
15.一種用於從遠程信號源(S1, S2)接收多個信號的信號源，包括天線(ANTK1，ANTk2)，被配置為接收第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號，所述第一網絡編碼信號是通過在所述遠程信號源(S1, S2)處對所述信號源的第一信號進行網絡編碼而獲得的，所述第二網絡編碼信號是通過對所述信號源和所述遠程信號源(Si，S2)的第二信號進行網絡編碼而獲得的；以及處理器(100，200)，被配置為基於第一和第二網絡編碼信號以及基於信號源的第一和第二信號，來確定源自所述遠程信號源(S1, 的第一和第二信號。
全文摘要
本發明描述了一種用於在第一信號源(S1)與第二信號源(S2)之間中繼信號的中繼站和方法。中繼站(R)包括至少兩個天線(ANTR1，ANTR2)，用於從第一和第二信號源(S1，S2)接收/向第一和第二信號源(S1，S2)發送信號。在中繼站(R)處，對從第一和第二信號源(S1，S2)接收的第一和第二信號進行網絡編碼，從而產生第一網絡編碼信號和第二網絡編碼信號。使用不同天線(ANTR1，ANTR2)從中繼站(R)向第一和第二信號源(S1，S2)發送第一和第二網絡編碼信號。
文檔編號H04B7/26GK102549935SQ200980161580
公開日2012年7月4日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者亞歷山大·菲斯曼, 吉多·布魯克, 安德魯斯·沃德特, 彼得·雲格 申請人:杜伊斯堡-埃森大學