一種基於網格編碼的中繼通信方法與流程
2023-10-28 06:09:42 2
本發明屬於無線通信技術領域，涉及一種基於網格編碼的中繼通信方法。
背景技術：
在過去十年間物理層網絡編碼(physical-layernetworkcoding,pnc)已經被證實能夠極大程度提高無線中繼網絡的網絡容量，其突破性的核心思想在於允許中繼節點對數據進行有效處理。物理層網絡編碼最早應用於雙向中繼網絡(twowayrelaychannel,twrc)中，並且在採用網格編碼(latticecoding)作為編碼方案時所達到的系統容量只比twrc的香農容量小0.5比特。隨著多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output,mimo)技術在傳統無線通信中的廣泛應用，mimo-twrc也成為科研工作者研究的重點。
隨著pnc在twrc上的成功，更多的研究工作開始研究更一般化的中繼網絡，比如mimo多端中繼信道(multiwayrelaychannel,mrc)，即多個多天線用戶通過中繼節點交換信息。不同的信息交換模式也會帶來不同的傳輸方案的設計。在本專利中，我們考慮全數據交換(fulldataexchange)，即網絡中的每個用戶需要獲取其他所有用戶的數據。針對mimo-mrc並且採用全數據交換模型的系統，現有的文獻多致力於網絡自由度(degreesoffreedom,dof)的分析，並且指出採用嵌套網格編碼(nested-latticecoding)技術可以在某些系統模型下在信噪比趨於無窮的情況下漸近達到系統容量。
大部分現有的mimo-mrc的工作只考慮一個中繼節點的情況。由於所有的數據流都需要經過這個中繼節點，使得中繼節點經常成為制約系統性能進一步提高的瓶頸。因此，採用多個分布式的中繼節點成為打破瓶頸進一步提升系統性能的一個有效手段。對於mimo多端分布式中繼信道(multiwaydistributedrelaychannel,mdrc)的研究還停留在dof的研究方面，還缺少對於實際信噪比區域的傳輸方案設計。
技術實現要素：
本發明的目的是針對mimo-mdrc系統在採用全數據交換模式情況下，提出一套有效的傳輸方案。
為了達到上述目的，本發明的技術方案創新性的整合了線性預編碼技術、嵌套網格編碼、以及網格預編碼技術，能夠有效地進行信道對齊、物理層網絡編碼、和幹擾消除。該方案的最大特徵就在於將上述多種技術融合起來，為mimo-mdrc在有限信噪比下提供逼近信道容量的性能。
本發明的傳輸方案包括三個部分分別是：用戶端發送策略，中繼端收發策略，以及用戶端接收策略，具體如下：
用戶端發送策略：
1.根據用戶在各個子信道上的碼率構建嵌套網格編碼。
2.將上行(即從用戶到中繼端)傳輸時間分成k-1個時隙，其中k表示系統中的總用戶數。
3.用戶根據嵌套網格編碼進行編碼，即根據網格編碼的星座點進行映射得到編碼序列{ck,n}。
4.用戶k對自己到所有中繼節點的信道矩陣hk進行rq分解得到：hk＝rkuk，其中rk的對角元素記為{rk(n,n)}。
5.用戶計算碼流間幹擾{vk,n}，並在從發送碼序列中減去碼流間幹擾項，即計算{ck,n-vk,n}。
6.用戶從步驟5的結果中減去隨機擾動信號(dithering){dk,n}得到{ck,n-vk,n-dk,n}，並對這個信號進行取模處理使得信號的發送信號滿足功率約束。
7.用戶將步驟6中的信號除以{rk(n,n)}。
8.用戶將步驟7中的信號乘以矩陣ukt得到發送信號
9.用戶1在時隙1發送信號用戶k在時隙k-1發送信號其他用戶k在時隙k-1,k兩個時隙發送信號
用戶端的發送操作如圖1所示。上行時隙劃分及時隙對用戶的分配方案如圖2所示。在用戶端操作中我們假設所有用戶知道所有信道的信道狀態信息。
中繼端收發策略：
1.從接收信號中加上擾動信號，並在網格碼星座圖上進行取模操作。
2.中繼節點進行網格碼解碼得到不同用戶信息流的線性組合
3.中繼節點對進行重新編碼並將編碼序列廣播到所有用戶。用戶端接收策略：
1.用戶在接收到多個中繼節點的信號後進行串型幹擾消除(successiveinterferencecancelation)解碼得到中繼端的發送信號，即
2.用戶根據自己的發送信號以及中繼的發送信號得到其他所有用戶的信號。
本發明的有益效果為，本發明的方法利用線性預編碼進行碼流間的幹擾消除，基於網格編碼調製以及物理層網絡編碼充分利用多個用戶之間的幹擾，顯著提高了系統的可達速率。同時，本發明的方案不需要多個分布式中繼節點進行合作，而且可達速率逼近集中式中繼網絡的性能，這使得該方案可以更容易向實際通信系統中移植，具有顯著的實用價值。
附圖說明
圖1是用戶端發送策略流程示意圖；
圖2是上行時隙劃分及時隙對用戶的分配方案示意圖；
圖3是9qam與81qam嵌套網格碼示意圖；
圖4是用戶1編碼示意圖；
圖5是用戶2編碼示意圖；
圖6是中繼節點發送碼字示意圖；
圖7是用戶1解碼示意圖；
圖8是用戶2解碼示意圖。
圖9是所提方案與其他參考方案在系統吞吐量上的比較圖，系統中用戶個數3，用戶端天線數4，中繼個數4，用戶採用等功率約束。
具體實施方式
為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。
本發明主要解決mimo多端分布式中繼信道在採用全數據交換模式下的傳輸方案設計問題。
首先簡要介紹mimo多端分布式中繼信道的信道模型。假設在系統中存在k個用戶，每個用戶配備m根天線，以及n個單天線中繼節點。用戶必須通過n個中繼進行信息交換。每一次信息傳遞周期包含兩個階段：用戶到中繼的上行傳輸及中繼到用戶的下行傳輸。令t為一次信息交換的時隙總數，αt為上行傳輸時隙數，(1-α)t為下行傳輸時隙數，其中α∈(0,1)。
我們首先考慮上行傳輸階段。將上行傳輸時間αt均勻分成k-1個時隙，每個時隙的長度為第1個用戶只在第1個時隙發送數據，第k個用戶只在第k-1個時隙發送數據，其他用戶k在第k-1,k兩個時隙發送數據，具體的時隙分配如圖2所示。下面我們將詳細描述用戶k的發送策略，其他用戶的發送策略是類似的，將不再贅述。由於系統中存在n個中繼節點，我們將信道分成n個子信道。令表示用戶k在第n個子信道的信息，其中rk,n表示相應地發送碼率。則在第n個子信道上的所有發送數據為{w1,n,…,wk,n}。現在我們要構造適合第n個子信道的嵌套網格碼。根據碼率的大小可以對用戶進行排序，並用{π(1),…,π(k)}表示，即rπ(1),n≥rπ(2),n≥…≥rπ(k),n。構造一系列嵌套網格星座集合使滿足用戶k在第n個子信道上的碼集ck,n則由星座集λk,n與λc,n共同定義。根據ck,n，我們得到發送數據wk,n的編碼序列為ck,n。
令表示從第k個用戶到所有中繼節點的信道矩陣，其中表示從用戶k到中繼n的信道向量。對信道矩陣hk進行rq分解得到
hk＝rkuk
其中rk是一個上三角矩陣其對角元素用rk(n,n)表示，uk由酉陣的n行構成且滿足用戶k在第n個子信道第l個時隙的碼流間幹擾項則可以根據下式計算：
其中xk,n′表示其他碼流的發送信號，注意如果按照從第一個碼流開始串行設計發送信號，上式中{xk,n′}是知道的。用戶k按照下式構造時隙l的發送信號：
其中dk,n表示擾動信號。令則用戶k在時隙l的發送信號為：
上行用戶的發送策略如圖1所示。
我們現在考慮中繼節點的接收和發送策略。不失一般性的，我們考慮第n個中繼的操作。第n個中繼在第l個時隙接收到的信號可以表示如下
中繼在接收到後加上擾動信號dk,n並在網格λl,n上進行取模操作可得：
其中是不同用戶的編碼序列在第n個子信道上的線性組合，表示等效噪聲。根據網格碼解碼算法我們可以從中恢復接著中繼節點對重新編碼得到中繼節點的發送信號xr,n並發送給所有用戶。
最後我們考慮下行用戶端的接收策略。用戶k的接收信號可以建模如下：
其中gn,k表示從中繼n到用戶k的下行信道向量。上述信道模型類似於多址接入信道，因此串行幹擾消除信號檢測算法可以用來從yk中恢復中繼的發送信號注意到並且用戶k知道自己的發送信號，則用戶可以恢復出其他用戶的碼序列{cl,n}，從而完成整個信息交換的過程。
下面我們用具體參數情況下的一個例子詳細講述方案中最複雜的嵌套網格碼編碼過程。假設系統中有3個用戶，每個用戶的天線數量為2，系統工作在半雙工模式下，並且上下行的時間相等，分布式中繼的個數為2，每個用戶和中繼的最大功率限制相同。本例中上行鏈路分成兩個相等的時隙，每個時隙發送兩個用戶的信息，即在時隙1中用戶1和用戶2發送信息，時隙2中用戶2和用戶3發送信息。由於每個時隙只有兩個用戶發送信息，每個時隙的操作過程完全一致，每個子信道的操作方式也完全一致。不失一般性地，我們將只詳述第一個時隙中用戶1和用戶2的第一個子信道的編碼以及解碼操作。本例的具體方法為：
假設用戶1採用9qam調製，用戶2採用81qam調製。在子信道1中，兩個用戶的星座點之間的關係如圖3所示。顯然用戶2的星座點是用戶1星座點的一個子集。令w1,1是用戶1在子信道1上的編碼序列，碼流間幹擾為z1,1，則用戶1的發送信號x1,1由下式給出：
x1,1＝(w1,1-z1,1)modλ1
用戶1的編碼過程如圖4所示。同理令w2,1表示用戶2在子信道1上的編碼序列，碼流間幹擾為z2,1，用戶2的發送信號x2,1為
x2,1＝(w2,1-z2,1)modλ2
用戶2的編碼過程如圖5所示。
中繼節點在收到信號後進行網格碼解碼得到x1,1及x2,1的線性組合xr,1，即
xr,1＝(x1,1+x2,1)modλ2
由於x1,1及x2,1都是λ2的星座點，因此xr,1也是λ2上的星座點。中繼節點的發送碼字如圖6所示。中繼節點將xr,1廣播給所有用戶。
用戶收到中繼的發送信號後首先進行解碼操作得到xr,1。接著用戶1從接收信號中去除自己的信號x1,1得到對於用戶2信息w2,1的估計。在無噪聲情況下的解碼過程如下：
從上式可以看到在無噪聲情況下，在用戶1端可以無誤收到用戶2的數據。用戶1的解碼過程如圖7所示。
同理，用戶2從接收信號中去除自己的信號x2,1得到對於用戶1信息w1,1的估計。在無噪聲情況下的解碼過程如下：
在用戶2端同樣可以無誤收到用戶1的數據。用戶2的解碼過程如圖8所示。
最後我們用一個仿真實例說明我們方案的性能。系統中存在k＝3個用戶，每個用戶的天線數m＝4,分布式中繼個數n＝4，上下行傳輸佔用相同的時長，即α＝0.5，每個用戶等功率約束。本發明方案與其他方案的性能比較如圖9所示。從圖中可以看出我們的方案與最大流最小割性能上界只有0.5db的性能差異並且與集中式中繼的情況性能差別不大，同時我們的方案要明顯優於放大轉發(amplify-and-forward,af)方案和解碼轉發(decode-and-forward,df)方案。