專利名稱：基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于網(wǎng)絡(luò)編碼與IEEE 802. 16j標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體地說， 是涉及一種基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法。
背景技術(shù)：
為實現(xiàn)未來無線通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)速率、高頻譜效率以及無縫覆蓋等目標(biāo)， IEEE 802. 16j移動多跳中繼標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)中引入了 RS(Relay Station，中繼站)以強(qiáng)化 WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access，ii求-MLft入)胃■個生 能。在移動終端不能應(yīng)用多天線的情況下，中繼協(xié)作可作為實現(xiàn)空間分集的一種途徑來提 高系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的中繼協(xié)作中，不允許在RS處有信號碰撞，RS只能簡單地轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信 號，因此頻譜效率較低。PNC(physical layer network coding，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼)是一種 新的可以顯著提高中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量的方法。它是一種處理電磁波信號接收和調(diào)制的物理層 的網(wǎng)絡(luò)編碼，通過RS處采用一種恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)，使得電磁波信號的疊加能被映射到 數(shù)據(jù)比特流疊加的高斯域中，即它允許中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)生信號碰撞，這樣進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)吞 吐量，減少了信息傳輸時間。但是，關(guān)于PNC之前的研究都假設(shè)在理想信道中，并且具有嚴(yán) 格的時間同步，而實際環(huán)境中信道存在明顯的頻率選擇性衰落，同時由于節(jié)點(diǎn)的分布性以 及多徑信道的路徑延遲，系統(tǒng)還存在著時間誤差，上述信道衰落和時間誤差會導(dǎo)致明顯的 系統(tǒng)性能衰退，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方 法，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法，按 如下步驟進(jìn)行第一步、MS (Mobile Station，移動站)將二進(jìn)制信號比特d(k)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換 變成N路并行信息比特流，各支路上的信息比特流分別進(jìn)行星座映射得到信號空間中的復(fù) 數(shù)坐標(biāo){xk}，復(fù)數(shù)坐標(biāo){xj進(jìn)行N點(diǎn)IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里葉 逆變換)變換以進(jìn)行 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù) 用)調(diào)制之后得到OFDM符號，每個OFDM符號加上長度為Tw的第一循環(huán)前綴CPl (Cyclic Prefix，循環(huán)前綴)后得到第一發(fā)送信號；然后MS根據(jù)信道SNR(Signal to Noise Ratio, 信噪比)選擇兩個參與協(xié)作傳輸?shù)腞S，并向RS發(fā)送第一發(fā)送信號；第二步、RS將接收到的第一發(fā)送信號去掉第一循環(huán)前綴CPl得到第一接收信號， 提取三路第一接收信號進(jìn)行異或操作以進(jìn)行PNC編碼，得到PNC合并信號，對PNC合并信 號添加長度為Teb的第二前綴CP2得到第二發(fā)送信號，將第二發(fā)送信號發(fā)送給BS (Basic Station，基站)；
第三步、BS接收到的第二發(fā)送信號去掉第二循環(huán)前綴CP2得到第二接收信號，對 第二接收信號進(jìn)行N點(diǎn)FFT (Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換)變換、PNC譯碼和 解調(diào)后恢復(fù)出復(fù)數(shù)坐標(biāo)Ix1J。進(jìn)一步，第一步中，所述第一循環(huán)前綴CPl的長度Tmk大于{τ^,,τ^}的最大值， 其中，τ。,」是MSi到RSj之間的信道中第d條獨(dú)立路徑對應(yīng)的路徑延遲，Tme是來自MSiW 信號到達(dá)RSj的時間相比來自其他MS的信號的延遲。進(jìn)一步，第二步中，所述第二循環(huán)前綴CP2的長度Tkb大于‘ EB}的最大 值，其中，τ d,j是RS^jIjBS之間的信道中第d條獨(dú)立路徑對應(yīng)的路徑延遲，τ' ΚΒ是來自 RSj的信號到達(dá)BS的時間相比來自其他RS的信號延遲。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果該方法應(yīng)用于ΙΕΕΕ802. 16j標(biāo)準(zhǔn)定義的兩 跳協(xié)作傳輸場景，在具有頻率選擇性衰落信道的無線環(huán)境中，利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，有效地 提高信息傳輸速率和分集增益。本發(fā)明的方法還利用OFDM符號的循環(huán)前綴CP，對抗頻率選 擇性衰落和時間誤差，以使得PNC可以順利實施。針對更加實際的具有頻率選擇性衰落的 無線信道環(huán)境，本方法將PNC應(yīng)用在兩跳中繼協(xié)作系統(tǒng)中，允許RS對來自不同信源的數(shù)據(jù) 進(jìn)行編碼合并以此提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善負(fù)載均衡、減小傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗，并且考 慮了系統(tǒng)存在的兩種時間誤差，即使一個MS到BS的上行鏈路中斷，BS也可以獲得其發(fā)送 的信息，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量和魯棒性。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述圖1是根據(jù)本發(fā)明的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法的時分雙工上行 子幀幀結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法的系統(tǒng)架構(gòu)圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。圖1示出的是本發(fā)明的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠?型，該模型包含多個源節(jié)點(diǎn)U，多個中繼節(jié)點(diǎn)R和一個目的節(jié)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個實施例中 源節(jié)點(diǎn)U為MS,中繼節(jié)點(diǎn)R為RS，目的節(jié)點(diǎn)可以為BS或者RS，每個節(jié)點(diǎn)處于半雙工模式。 MS和RS采用TDM(Time Division Multiplex，時分復(fù)用)的工作方式。RS可以利用PNC技 術(shù)同時來協(xié)助多個用戶進(jìn)行兩跳傳輸。為進(jìn)一步提高頻譜效率和降低傳輸延遲，該網(wǎng)絡(luò)采用同頻發(fā)送信息的方式。這就 要求信息同步，且RS和BS能夠正確地估計出信道狀態(tài)信息。本方法的上行鏈路子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個幀分為兩個等長的時隙，在第一時隙中MS將信號發(fā)送給RS，在第二時隙中 RS將信號發(fā)送給BS，MS也可以直接將信號發(fā)送給BS。采用這種幀結(jié)構(gòu)時RS不用同時收發(fā) 數(shù)據(jù)，相對于全雙工模式的RS，這種半雙工模式的RS對硬件的要求大大降低，實現(xiàn)起來比
較簡單。IEEE802. 16j標(biāo)準(zhǔn)定義的兩跳協(xié)作傳輸場景中，第一跳傳輸為MS將信號發(fā)送給 RS，第一跳傳輸為RS將信號發(fā)送給BS，第一跳傳輸與第二跳傳輸可以通過時間來進(jìn)行區(qū) 分。該網(wǎng)絡(luò)中存在三種鏈路“BS-RS，，鏈路、“BS-MS，，鏈路和“ RS-MS，，鏈路，其中，“BS-RS，， 鏈路為第一跳傳輸，“BS-MS”鏈路和“RS-MS”鏈路為第二跳傳輸。假定這三種鏈路都是頻 率選擇性瑞利衰落信道，且是準(zhǔn)靜態(tài)的也就是慢衰落的，從MS1到RSj的信道有著D條獨(dú)立 傳播路徑，信道脈沖響應(yīng)表示為
D-I
kMSlRSj (0 = Σ aMSlRSj (d)S(t - Td l j )(1)
d=0其中，aMSiRSj (…表示MSi到κ。之間的信道中，第d條獨(dú)立路徑的信道系數(shù)。假設(shè) 是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，τ d, i, j是對應(yīng)的路徑延遲，每個信道系數(shù)《mv^.^O都是
零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量，方差為句。其他兩種信道類似。OFDM技術(shù)通過在每個符號的起始位置增加CP來增加符號時間的長度以進(jìn)一步抵 制ISI (Intersymbol Interference，符號間干擾)，并減少在接收端的定時偏移錯誤。本發(fā) 明中正是利用OFDM符號的CP來抵抗頻率選擇性衰落和時間誤差。在每個MS采用OFDM調(diào) 制，在RS不需要IFFT/FFT或者PNC譯碼，只需要對接收到的混合信號進(jìn)行簡單操作即可。圖3示出的是根據(jù)本發(fā)明的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法的實施流 程，具體為第一步、MS將二進(jìn)制信號比特d(k)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換變成N路并行信息比特流，各 支路上的信息比特流分別進(jìn)行星座映射得到信號空間中的復(fù)數(shù)坐標(biāo)lxk}，復(fù)數(shù)坐標(biāo)lxk}進(jìn) 行OFDM調(diào)制(即N點(diǎn)IFFT變換)之后得到OFDM符號，每個OFDM符號加上長度為Tme的第 一循環(huán)前綴CPl后得到第一發(fā)送信號；然后MS根據(jù)信道SNR選擇兩個參與協(xié)作傳輸?shù)腞S， 并向RS發(fā)送第一發(fā)送信號。第一步中，MSl將二進(jìn)制信號比特d(k)首先經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換變成N路并行比特 流，各支路上的信息比特分別進(jìn)行星座映射，得到信號空間中的復(fù)數(shù)坐標(biāo){xk}，然后被送入 OFDM調(diào)制器，通過N點(diǎn)IFFT運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號Xk變換為時域數(shù)據(jù)符號sk。IFFT之后，每個OFDM符號加上長度為Tmk的CPl得到第一發(fā)送信號。如果來自MSl 的信號到達(dá)中繼RSj的時間比來自其他MS的信號延遲τ ^個樣點(diǎn)，即存在第一種時間誤差。 為了對抗頻率選擇性衰落信道和RS接收第一發(fā)送信號的時間誤差，CPl長度Tme應(yīng)該大于 Ι>^,」+τΜΚ}的最大值。MSl根據(jù)收集到的信道SNR信息，決定是否進(jìn)行協(xié)作發(fā)送，以及哪些中繼節(jié)點(diǎn)參與 協(xié)作發(fā)送。初始選擇階段中選擇參與協(xié)作發(fā)送的RS，并且保證協(xié)作的RS之間的信道質(zhì)量差 距不是很大，也就是接收功率差距不是很大。IEEE 802. 16j標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可以根據(jù)實際環(huán)境 設(shè)定門限值，MSl可以選擇多個信道SNR大于門限值的RS進(jìn)行協(xié)作傳輸，IEEE 802. 16 j標(biāo) 準(zhǔn)還建議選取兩個RS進(jìn)行協(xié)作傳輸。最后，第一發(fā)送信號被發(fā)送給選定的兩個RS。其他MS向RS發(fā)送自己的信號的方式與MSl相同。第二步、RS將接收到的第一發(fā)送信號去掉第一循環(huán)前綴CPl得到第一接收信號， 提取三路第一接收信號進(jìn)行異或操作以進(jìn)行PNC編碼，得到PNC合并信號，對PNC合并信號 添加長度為Tkb的第二循環(huán)前綴CP2得到第二發(fā)送信號，將第二發(fā)送信號發(fā)送給BS。假設(shè)每個RS能可靠地獲得來自三個MS的信號，BS也可能收到MS通過直接鏈路 發(fā)送的信號。RS對每個接收到的第一發(fā)送信號首先去掉CPl得到第一接收信號。這樣，就 消除了第一發(fā)送信號頻率選擇性衰落引起的ISI以及三個MS與任一 RS之間的時間誤差。 然后，對三路去掉CP的信號在不解調(diào)的情況下直接進(jìn)行異或操作以進(jìn)行PNC編碼，得到PNC 合并信號。RSl，RS2處的信號處理如式(2)，其他RS處的類似
Xm = χ, X2 Θ X3
A2=X^X4I5(2)其中，χΕ1, χΕ2為三路第一接收信號Xl、X2> X3或者Xl、x4、X5的PNC編碼結(jié)果。PNC之后，為了保證任一 RS發(fā)送信號的平均功率維持在一個固定的水平，RS需要 采用特定功率的放大信號。然后，給PNC合并信號添加新的長度為Teb的第二循環(huán)前綴CP2。 如果在三個MS向RS發(fā)送信號或者M(jìn)S通過直接鏈路向BS發(fā)送信號過程中，來自RSj的信號 到達(dá)BS的時間比來自其他RS的信號延遲τ ‘ ΚΒ個樣點(diǎn)，即存在第二種時間誤差。為了對 抗頻率選擇性衰落信道和第二發(fā)送信號的時間誤差，CP2長度Teb應(yīng)該大于的最大值{ τ j+τ ‘ J。最后，處理過的第二發(fā)送信號被發(fā)送給BS。第三步、BS接收到的第二發(fā)送信號去掉第二循環(huán)前綴CP2得到第二接收信號，對 第二接收信號進(jìn)行N點(diǎn)FFT變換、PNC譯碼和解調(diào)后恢復(fù)出復(fù)數(shù)坐標(biāo){xk}。在BS處，首先從接收到的混合信號中去掉CP2，這樣，第二發(fā)送信號中頻率選擇性 衰落引起的ISI以及RS與BS之間的時間誤差被消除。CP2去除掉之后，接收到的第二接收 信號經(jīng)過N點(diǎn)FFT轉(zhuǎn)換，然后BS根據(jù)接收到的信號進(jìn)行PNC譯碼，再經(jīng)過解調(diào)即可得到所 需fe息。例如，如果BS不能通過直接鏈路得到Ul發(fā)送的信息X1，而正確得到xK1以及直接 路徑得到或者對合并信號譯碼得到X2和X3或者xK2，X4和χ5，就能通過異或操作進(jìn)行PNC譯 碼和解調(diào)
X1 = xR1 Θ X2 Θ X3( 3 )或者
X1 = xR2 θ X4 θ X5(4)恢復(fù)出X1，移動站MSl到基站BS —次兩跳協(xié)作傳輸過程結(jié)束。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行第一步、MS將二進(jìn)制信號比特d(k)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換變成N路并行信息比特流，各支路上的信息比特流分別進(jìn)行星座映射得到信號空間中的復(fù)數(shù)坐標(biāo){xk}，所述復(fù)數(shù)坐標(biāo){xk}進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換以進(jìn)行OFDM調(diào)制之后得到OFDM符號，每個所述OFDM符號加上長度為TMR的第一循環(huán)前綴CP1后得到第一發(fā)送信號；然后MS根據(jù)信道SNR選擇兩個參與協(xié)作傳輸?shù)腞S，并向所述RS發(fā)送所述第一發(fā)送信號；第二步、所述RS將接收到的所述第一發(fā)送信號去掉所述第一循環(huán)前綴CP1得到第一接收信號，提取三路所述第一接收信號進(jìn)行異或操作以進(jìn)行PNC編碼，得到PNC合并信號，對所述PNC合并信號添加長度為TRB的第二循環(huán)前綴CP2得到第二發(fā)送信號，將所述第二發(fā)送信號發(fā)送給BS；第三步、所述BS接收到的所述第二發(fā)送信號去掉所述第二循環(huán)前綴CP2得到第二接收信號，對所述第二接收信號進(jìn)行N點(diǎn)FFT變換、PNC譯碼和解調(diào)后恢復(fù)出所述復(fù)數(shù)坐標(biāo){xk}。
2.如權(quán)利要求1所述的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法，其特征在于第一 步中，所述第一循環(huán)前綴CPl的長度Tmk大于的最大值，其中，、μ是MSjJ RSj之間的信道中第d條獨(dú)立路徑對應(yīng)的路徑延遲，τ ^是來自MS1的信號到達(dá)RSj的時間 相比來自其他MS的信號的延遲。
3.如權(quán)利要求1所述的基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法，其特征在于第二 步中，所述第二循環(huán)前綴CP2的長度Tkb大于{ τ d,J+ τ ‘ RB}的最大值，其中，τ 是RSj到 BS之間的信道中第d條獨(dú)立路徑對應(yīng)的路徑延遲，τ ‘ 是來自RSj的信號到達(dá)BS的時間 相比來自其他RS的信號的延遲。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的兩跳協(xié)作傳輸方法，按如下步驟進(jìn)行在各個MS向選定的RS發(fā)送第一發(fā)送信號過程中，MS對要發(fā)送的OFDM信號添加上合適長度的CP1，然后分別同時發(fā)送給RS；RS對接收到的多路OFDM信號首先除CP1以此來消除系統(tǒng)中存在的第一種時間誤差，然后進(jìn)行PNC合并，在RS向BS發(fā)送第二發(fā)送信號過程中，將合并信號添加上合適長度的CP2，然后發(fā)送給BS協(xié)助MS傳輸信息。BS將接收到的合并信號除其CP2以此來消除系統(tǒng)中存在的第二種時間誤差，然后通過PNC譯碼間接得到自己所需信息。這樣，即使一個MS到BS的上行鏈路中斷，BS也可以獲得其發(fā)送的信息，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。
文檔編號H04L29/08GK101924605SQ201010255868
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者吳玉成, 李妮, 祈美娟, 譚進(jìn), 鄧慧平 申請人:重慶大學(xué)