專利名稱：基于mqam調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線通信區(qū)別于有線通信的一個(gè)重要特點(diǎn)在于其物理層的廣播特性，在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中，為了盡量減少不同信號(hào)間的相互干擾，在任何時(shí)間往往只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)來傳輸或者接收信息，這種方式在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中效率很低。為了改善多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率不高的問題，Cai和Li等人提出了網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding,NC)的概念，旨在利用中間節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行混合計(jì)算，以此獲得更高的的信息傳輸能力。隨著研究的進(jìn)一步深入，網(wǎng)絡(luò)編碼在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善負(fù)載均衡、減少傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗等方面較傳統(tǒng)通信顯示出其優(yōu)越性。網(wǎng)絡(luò)編碼得到了廣泛的重視，目前越來越多的技術(shù)圍繞著網(wǎng)絡(luò)編碼展開，其中最具吸引力的是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-Layer network coding, PNC),物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的概念由Liew等人在2006年提出的，其基本思想是基于網(wǎng)絡(luò)編碼理論在物理層的實(shí)現(xiàn)，即通過正確的調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的電磁波信號(hào)的疊加向數(shù)據(jù)比特流的邏輯運(yùn)算的轉(zhuǎn)換，從而得到更好的傳輸性能。理論上，相比于傳統(tǒng)的時(shí)分傳輸方式和直接網(wǎng)絡(luò)編碼方式，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方式可以將系統(tǒng)吞吐量分別提高100%和50%。正是由于較傳統(tǒng)的時(shí)分傳輸方式和現(xiàn)已成熟的網(wǎng)絡(luò)編碼，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的優(yōu)越性，即獲得更大的系統(tǒng)吞吐增益，減少傳輸延遲，同時(shí)由于物理層傳輸?shù)氖呛铣尚盘?hào)，所以也提高了物理層面的機(jī)密性。這些以往技術(shù)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)使得物理層網(wǎng)絡(luò)編碼具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在雙向中繼信道(Two-Way Relaying Channel,TWRC)中的兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，傳統(tǒng)的時(shí)分傳輸方式需要四個(gè)時(shí)隙，直接網(wǎng)絡(luò)編碼方式需要三個(gè)時(shí)隙，系統(tǒng)的整體性能低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的傳輸方式在雙向中繼信道中需要的三個(gè)時(shí)隙、四個(gè)時(shí)隙導(dǎo)致系統(tǒng)性能低的問題，提出了基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法?；贛QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，所述無線通信方法適用于含有兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)且只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，所述無線通信方法由以下步驟實(shí)現(xiàn):步驟一:產(chǎn)生兩個(gè)用戶％、N2的編碼比特信息Sp S2 ；步驟二:對(duì)比特信息Sp S2分別進(jìn)行MQAM調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2⑴；步驟三:將步驟二中獲得的調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2 (t)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)Nk發(fā)送；步驟四:中繼節(jié)點(diǎn) 乂將收到的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)81(0、s2(t)直接相加，獲得和信號(hào)rE(t)；步驟五:中繼節(jié)點(diǎn)乂根據(jù)判決規(guī)則對(duì)步驟四中獲得的和信號(hào)rK(t)進(jìn)行判決，獲得判決后的信號(hào)^(0;
步驟六:中繼節(jié)點(diǎn)乂根據(jù)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射準(zhǔn)則將步驟五中獲得的判決后的 目號(hào)/ (/>映射為網(wǎng)絡(luò)編碼 目息Sr ;步驟七:中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)步驟六中獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk重新進(jìn)行MQAM調(diào)制，獲得調(diào)制后的信號(hào)SK (t);步驟八:中繼節(jié)點(diǎn)Nk向兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)N1和N2廣播調(diào)制后的信號(hào)sK(t)；步驟九:兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)％、N2分別對(duì)接收到的sK(t)進(jìn)行解調(diào)，獲得網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sr；步驟十:每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)將其獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk與保存在該用戶本地緩存中的發(fā)送信息進(jìn)行按位比特異或運(yùn)算，獲得另一用戶的比特信息，從而完成雙向中繼信道的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的整個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)在雙向中繼信道中實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信。本發(fā)明中采用的是多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(M-ary Quadrature AmplitudeModulation, MQAM)技術(shù),該技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，頻譜利用率高,在相同碼元傳輸速率下，MQAM調(diào)制技術(shù)的比特速率比二進(jìn)制系統(tǒng)的比特速率更高。本發(fā)明所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法僅需兩個(gè)時(shí)隙就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，通過壓縮所需時(shí)隙的數(shù)目，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼可以提高系統(tǒng)的整體性能。


·圖1表示一般網(wǎng)絡(luò)分解為三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)的示意圖，其中I表示鏈路1，2表示鏈路2 ；圖2表示物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)中的工作流程，3表示時(shí)隙1，4表示時(shí)隙2;圖3表不基于4QAM的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的原理框圖，其中4QAM表不4符號(hào)正交幅度調(diào)制；圖4表示基于4QAM的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的星座映射圖，“〇”表示4QAM的星座點(diǎn)，“.”表示PNC的星座點(diǎn)；圖5表示基于MQAM的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量取上確界時(shí)L路的映射過程；圖6表示基于MQAM的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量取下確界時(shí)L路的映射過程；圖7表示基于MQAM的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射框圖；圖8表示用戶節(jié)點(diǎn)％、N2完全同步時(shí)基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率，曲線5表示基于16QAM調(diào)制方式的直接網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，曲線6是理論得出的基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，曲線7表示16QAM調(diào)制方式的平均誤比特率曲線，曲線8是仿真得到的基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，其中16QAM表示16種符號(hào)的正交幅度調(diào)制；圖9表示用戶節(jié)點(diǎn)％、N2不同步時(shí)基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率，曲線9表示基于16QAM調(diào)制方式的直接網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，曲線10是當(dāng)Te/Ts = 0.1時(shí)基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，曲線11是理論得出的基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線，曲線12表示16QAM調(diào)制方式的平均誤比特率曲線，曲線13是仿真得到的基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率曲線；
圖10表示傳統(tǒng)時(shí)分傳輸方式，直接網(wǎng)絡(luò)編碼方式和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方式三種傳輸方式下的信道容量的比較，曲線14表示基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的上確界，曲線15表示基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的的下確界，曲線16表示基于16QAM調(diào)制方式的直接網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量，曲線17表示傳統(tǒng)時(shí)分傳輸方式的信道容量；圖11表示因兩個(gè)已調(diào)信號(hào)頻率的差異引起中繼節(jié)點(diǎn)得到的和信號(hào)的功率損耗；圖12表示因兩節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間異步引起中繼節(jié)點(diǎn)得到的和信號(hào)的功率損耗。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:本實(shí)施方式所述基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，所述無線通信方法適用于含有兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)且只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，所述無線通信方法由以下步驟實(shí)現(xiàn):步驟一:產(chǎn)生兩個(gè)用戶％、N2的編碼比特信息Sp S2 ；步驟二:對(duì)比特信息Sp S2分別進(jìn)行MQAM調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2⑴；步驟三:將步驟二中獲得的調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2 (t)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)Nk發(fā)送；步驟四:中繼節(jié)點(diǎn)乂將收到的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)81(0、s2(t)直接相加，獲得和信號(hào)rE(t)；步驟五:中繼節(jié)點(diǎn)Nk根據(jù)判決規(guī)則對(duì)步驟四中獲得的和信號(hào)rK(t)進(jìn)行判決，獲得判決后的信步驟六:中繼節(jié)點(diǎn) 乂根據(jù)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射準(zhǔn)則將步驟五中獲得的判決后的 目號(hào)/ (/>映射為網(wǎng)絡(luò)編碼 目息Sr ;步驟七:中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)步驟六中獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk重新進(jìn)行MQAM調(diào)制，獲得調(diào)制后的信號(hào)SK (t);步驟八:中繼節(jié)點(diǎn)Nk向兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)N1和N2廣播調(diào)制后的信號(hào)sK(t)；步驟九:兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)％、N2分別對(duì)接收到的sK(t)進(jìn)行解調(diào)，獲得網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sr；步驟十:每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)將其獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk與保存在該用戶本地緩存中的發(fā)送信息進(jìn)行按位比特異或運(yùn)算，獲得另一用戶的比特信息，從而完成雙向中繼信道的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的整個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)在雙向中繼信道中實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法的進(jìn)一步限定，所述步驟五中的判決規(guī)則為:由于中繼節(jié)點(diǎn)Nk要同時(shí)接收兩路信息SpS2，對(duì)于Nk來說，此時(shí)的信道已不再滿足“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接入的條件，因此，要準(zhǔn)確計(jì)算多接入信道的信道容量是不可能的，為此，步驟五中給出獲得Sk的兩種判決方法，分別對(duì)應(yīng)基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的上確界和下確界，所述第一種判決方法為:接收機(jī)先將rK(t)進(jìn)行硬判決得到判決后的信號(hào)5的，然后再根據(jù)映射準(zhǔn)則將映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk，這種判決方式對(duì)應(yīng)多接入信道信道容量的上確界；
所述第二種判決方法為:假設(shè)存在一個(gè)虛擬信道C，C能將兩個(gè)用戶發(fā)送的比特信息SpS2直接映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK，即C(SnS2) = Sk，這種判決方式對(duì)應(yīng)多接入信道信道容量的下確界。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法的進(jìn)一步限定，在無線通信方法中:兩個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度相等。本實(shí)施方式是為了提高系統(tǒng)的工作效率，在進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)兩個(gè)用戶應(yīng)盡量使用數(shù)據(jù)量基本相同的數(shù)據(jù)幀。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法的進(jìn)一步限定，采用功率控制技術(shù)對(duì)兩個(gè)用戶和中繼節(jié)點(diǎn)Ne的功率進(jìn)行控制，以使兩個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，所述信號(hào)的功率符合中繼節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)的處理門限；同樣地，從中繼節(jié)點(diǎn)廣播的信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用功率控制技術(shù)使該信號(hào)被用戶節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)正確接收。本實(shí)施方式為了使這個(gè)三節(jié)點(diǎn)線性PNC系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地工作，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)N1, N2和中繼節(jié)點(diǎn)Nk處均應(yīng)進(jìn)行功率控制，通過采用功率控制技術(shù)，避免了兩個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)不會(huì)因?yàn)樘』蛘咛?，以至于超過中繼節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)的處理門限而不能被處理的情況。同時(shí)，對(duì)兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行功率控制，還可以保證在它們到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)都可以被檢測(cè)到，而不會(huì)出現(xiàn)其中一個(gè)因?yàn)楣β侍投耆螞]在另一個(gè)信號(hào)中的情況。對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行功率控制的原因與對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率控制的想法相同，同樣是為了防止因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)發(fā)送的已調(diào)信號(hào)超出了用戶節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)的判決門限而不能被正確接收的情況發(fā)生。
具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法的進(jìn)一步限定，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)&、N2和中繼節(jié)點(diǎn)Nk均采用半雙工的工作方式。本實(shí)施方式為了使節(jié)點(diǎn)的發(fā)送過程與接收過程能在不同的時(shí)隙進(jìn)行，所有節(jié)點(diǎn)均應(yīng)采用半雙工的工作方式，即在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)，無論是用戶節(jié)點(diǎn)還是中繼節(jié)點(diǎn)只能處于發(fā)送狀態(tài)或者接收狀態(tài)中的一種。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法的進(jìn)一步限定，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)&、N2和中繼節(jié)點(diǎn)Nk均采用全雙工的工作方式。本實(shí)施方式應(yīng)用在全雙工方式，系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)過程可在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成，與半雙工方式不同的是，此時(shí)接收和發(fā)送過程不能共用同一個(gè)信道(或者共用同一個(gè)信道但使用不同的編碼來區(qū)分)，用戶節(jié)點(diǎn)N1;N2接收上一時(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)編碼信息同時(shí)發(fā)送本時(shí)隙的信息，中繼節(jié)點(diǎn)Nk接收本時(shí)隙的用戶信息同時(shí)廣播上一個(gè)時(shí)隙的網(wǎng)絡(luò)編碼息。原理:無論一個(gè)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)有多么復(fù)雜，均可以按照?qǐng)D1中所示的方法將之分解為多個(gè)三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)形式，因此對(duì)三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理論研究，有助于我們對(duì)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。本專利發(fā)明了一種在三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的新方法，即基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法，雖然我們研究的對(duì)象僅限于含有三個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的情形，但基于正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方法對(duì)于包含更多節(jié)點(diǎn)的情況也是可行的。N1和N2表示接入網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，S1和S2分別表示N1和N2要發(fā)送的比特信息，在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)該以數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的形式來傳輸它們信息，本專利為分析方便，特將一幀或者一個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)分解為一個(gè)個(gè)的信息比特，并且按照比特進(jìn)行傳輸；NK是該網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)由兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)中，正是由于Nk的存在，才使得基于正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼成為可能，Se表示經(jīng)由Nk映射得到的網(wǎng)絡(luò)編碼信息。在這個(gè)僅由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的線性網(wǎng)絡(luò)(也可以看成是雙向?qū)ΨQ信道)中，基于正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼過程包含兩個(gè)傳輸時(shí)隙:時(shí)隙一和時(shí)隙二。為了盡可能詳盡地說明的整個(gè)編碼的流程，如圖3所示，本專利給出了基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在三節(jié)點(diǎn)線性網(wǎng)絡(luò)中的編碼原理框圖。接下來，本專利將按時(shí)隙來分別對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的工作過程予以詳細(xì)說明?；谡环日{(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在時(shí)隙一內(nèi)的工作過程主要包含以下六個(gè)關(guān)鍵步驟。步驟一:產(chǎn)生兩個(gè)用戶％、N2的編碼比特信息Sp S2。為了使用戶％、N2發(fā)送的消息和它們傳輸?shù)男诺辣M可能的匹配，使信道中傳輸?shù)男畔⒘窟_(dá)到最大，也即為了提高信息傳輸?shù)挠行?，我們通常的做法是?duì)信源進(jìn)行有效性編碼(比如說PCM編碼、偽噪聲編碼等)，使信源的分布更加接近高斯白噪聲的分布，從而達(dá)到增加信源熵的目的。另一方面，為了能夠在接收端對(duì)傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼進(jìn)行可能的糾錯(cuò)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還會(huì)對(duì)信源加入糾錯(cuò)編碼(例如分組碼、卷積碼等)，這樣做雖然降低了信源的編碼效率，使系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，但由于在接收端可以對(duì)收到的碼元進(jìn)行檢錯(cuò)和糾正，可以帶來一定編碼增益，因此，糾錯(cuò)編碼非常適用于那些對(duì)誤碼率有一定要求的場(chǎng)合。 兩個(gè)用戶N1和N2既可以進(jìn)行信源編碼也可以進(jìn)行信道編碼，還可以將二者結(jié)合起來使用，本專利在對(duì)基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行仿真時(shí)沒有考慮糾錯(cuò)編碼，因此，仿真得出的抗噪聲性能還可以得到改善。對(duì)于陸地移動(dòng)通信這樣的可變參數(shù)信道，由于可能存在的持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的深衰落的影響，比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的，然而信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才有效。交織技術(shù)可以很好的解決這樣一類問題，通過比特交織，可以把一條消息中的相繼比特分散開，即將一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送，這樣在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，成串差錯(cuò)就變成了單個(gè)差錯(cuò)，這時(shí)再用利糾錯(cuò)編碼的糾錯(cuò)功能來糾正差錯(cuò)，就可以恢復(fù)出原來的發(fā)送信息。對(duì)于用戶N1J2發(fā)送的消息，也可以采用交織的思想，來進(jìn)一步提高物理層網(wǎng)絡(luò)編碼抗深度衰落的能力。步驟二:對(duì)比特信息Sp S2分別進(jìn)行MQAM調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2⑴。正交幅度調(diào)制是當(dāng)前使用最廣泛的調(diào)制技術(shù)之一，它是用載波的幅度和相位共同表示調(diào)制信息的一種更高效的調(diào)制技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的調(diào)制方式(幅度調(diào)制ASK，頻率調(diào)制FSK，相位調(diào)制PSK等)，正交幅度調(diào)制的頻帶利用率更高。而且由于多進(jìn)制調(diào)制具有更多的狀態(tài)數(shù)，可以表示的信息量更大，因此更高階數(shù)調(diào)制技術(shù)必將成為未來高速通信系統(tǒng)中調(diào)制方式的首選。為此，發(fā)明一種能將多進(jìn)制正交幅度調(diào)制與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。步驟三:將步驟二中獲得的調(diào)制后的信號(hào)S1 (t)、S2 (t)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)Nk發(fā)送；為了使sjt)、S2 (t)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)Nk的時(shí)刻盡可能相同，當(dāng)sjt)、S2⑴同相時(shí)，它們相加后才能獲得最大的和信號(hào)，除了它們所經(jīng)歷的鏈路條件要盡可能相同外，用戶K、N2發(fā)送信號(hào)的時(shí)刻也要盡可能的相同。本專利只考慮了兩個(gè)用戶N1, N2各自只有一根發(fā)送天線的情形，實(shí)際上為了改善系統(tǒng)的性能，可以給兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)分別配備多根發(fā)射和接收天線，同時(shí)也給中繼節(jié)點(diǎn)分配多根接收和發(fā)射天線，利用最新提出的多天線技術(shù)(Multiple-1nput Multiple-Output,ΜΙΜΟ)提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率，前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。步驟四:中繼節(jié)點(diǎn)乂將收到的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)81(0、s2(t)直接相加，獲得和信號(hào)rE(t)；發(fā)自兩個(gè)用戶Np N2的已調(diào)信號(hào)S1 (t)、S2 (t)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)Nk后，無需進(jìn)行MQAM解調(diào)，而是直接相加得到由81(0、82(0組成的混合信號(hào)(和信號(hào))。這是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼有別于網(wǎng)絡(luò)編碼之處，網(wǎng)絡(luò)編碼是中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的來自每一個(gè)用戶的信息分別進(jìn)行解調(diào)和判決，得出每一個(gè)用戶所對(duì)應(yīng)的比特信息，然后對(duì)得到的所有用戶的比特信息進(jìn)行異或運(yùn)算，并將這個(gè)結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)編碼的信息再向各個(gè)用戶廣播。 為了更加直觀的說明基于正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的工作過程，本專利引入了信號(hào)的星座圖的概念，即用一個(gè)個(gè)星座點(diǎn)來區(qū)分不同的信號(hào)。以4QAM為例，如圖4所示，I和Q分別代表4QAM的兩條支路，星座圖上的空心點(diǎn)表示用戶N1, N2發(fā)送的已調(diào)信號(hào)S1 (t)、s2(t),實(shí)心點(diǎn)表示中繼節(jié)點(diǎn)Nk接收到和信號(hào)!^!:)。正是由于!^!:)是81(1:)和s2(t)直接相加得到的，因此反映在星座圖上就是兩個(gè)空心星座點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)直接相加得到一個(gè)實(shí)心星座點(diǎn)的過程。圖中數(shù)字是該星座點(diǎn)表示的比特信息，從圖中可以看出網(wǎng)絡(luò)編碼信息(用實(shí)心星座點(diǎn)表示)就是兩個(gè)用戶信息(用空心星座點(diǎn)表示)按位進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的異或運(yùn)算。步驟五:中繼節(jié)點(diǎn)Nk根據(jù)判決規(guī)則對(duì)步驟四中獲得的和信號(hào)rK(t)進(jìn)行判決，獲得判決后的信號(hào)冗(/);中繼節(jié)點(diǎn)要同時(shí)接收發(fā)自兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的信息，因此中繼節(jié)點(diǎn)要同時(shí)接入兩條信道，此時(shí)從用戶節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)已不再滿足“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接入的條件，要準(zhǔn)確計(jì)算這樣一類信道的信道容量是不可能的，為此，本專利只給出了基于正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的上確界和下確界。中繼節(jié)點(diǎn)Nk直接將和信號(hào)rK(t)判決為i(7),即與“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”系統(tǒng)的判決方式類似，這一判決過程是可以在實(shí)際系統(tǒng)中存在的，是對(duì)rK(t)真實(shí)的判決過程。即通過設(shè)置合適的判決門限，對(duì)rK(t)的不同種情況進(jìn)行區(qū)分，以便得出網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK。在用戶N1;N2發(fā)送信息的先驗(yàn)概率相等的情況下，為了使基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼具有最好的抗噪聲性能，本專利采用最大似然譯碼準(zhǔn)則(Maximum Likelihood, ML)對(duì)!^!:)進(jìn)行譯碼。對(duì)1^(0可能映射的比特信息進(jìn)行判決，這只是一個(gè)虛擬的判決過程，實(shí)際上是不存在的，只是用來計(jì)算基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的下確界，同樣適用ML譯碼準(zhǔn)則。步驟六:中繼節(jié)點(diǎn)乂根據(jù)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射準(zhǔn)則將步驟五中獲得的判決后的 目號(hào)/ (/)映射為網(wǎng)絡(luò)編碼 目息Sr ;圖5是中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)接收的和信號(hào)rK(t) = B^a2的判決過程,其中/^的二巧+Ci2表示判決后的信號(hào)；圖6是中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)SpS2可能映射的比特信息進(jìn)行判決的過程，M表示MQAM調(diào)制過程，& 是^的經(jīng)過PNC映射后得到的信息比特，i = #。根據(jù)圖5給出的判決過程判決出兩個(gè)用戶N1, N2發(fā)送的和信號(hào)G(Z)以后(f (/)可能等于rK(t)，也可能不等)，需要將進(jìn)一步映射為信息比特，以完成整個(gè)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射過程。如圖7所示，本專利給出了基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射原理框圖。這需要設(shè)計(jì)合適的映射準(zhǔn)則，以便將廠(M映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK。具體來說就是:根據(jù)對(duì)和信號(hào)rK(t)的判決結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以反向推知兩個(gè)用戶N1, N2發(fā)送的已調(diào)信號(hào)，進(jìn)而可以知道N1, N2發(fā)送的比特信息設(shè)為“i”和“j”(均為二進(jìn)制數(shù))，再對(duì)“i”和“j”按位進(jìn)行異或運(yùn)算，此時(shí)可以得到一個(gè)新的二進(jìn)制數(shù)“k”，“k”就是我們要得到的網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK。至此，基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在時(shí)隙一內(nèi)的六個(gè)過程已經(jīng)敘述完畢，接著，我們要對(duì)基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的時(shí)隙二的四個(gè)子過程進(jìn)行說明。步驟七:中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)步驟六中獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk重新進(jìn)行MQAM調(diào)制，獲得調(diào)制后的信號(hào)SK (t)。為了將在時(shí)隙一中得到的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk發(fā)送給用戶N1和N2,需對(duì)Sk重新進(jìn)行調(diào)制，為了保證系統(tǒng)制式的統(tǒng)一，減少系統(tǒng)開銷，本專利仍然選用多進(jìn)制正交幅度調(diào)制。其它的調(diào)制方式(例如MFSK調(diào)制，MPSK調(diào)制等)，也可以實(shí)現(xiàn)這一過程，前提是只要用戶知道中繼節(jié)點(diǎn)具體選用的是何種調(diào)制方式，這種上行(從用戶節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn))和下行(從中繼節(jié)點(diǎn)到用戶節(jié)點(diǎn))鏈路選用不同調(diào)制方式的情形在實(shí)際系統(tǒng)中也是很常見的，因此研究這種特殊的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)或者同一類型的網(wǎng)絡(luò)不同調(diào)制方式的鏈路進(jìn)行互聯(lián)等情形具有非常重要的實(shí)際意義。步驟八:中繼節(jié)點(diǎn)Nk向兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)N1和N2廣播調(diào)制后的信號(hào)sK(t)。為了盡可能減少信息傳輸所需的時(shí)隙數(shù)目，從而達(dá)到提高傳輸效率的目的，中繼節(jié)點(diǎn)Nk在向N1, N2發(fā)送消息時(shí)選用廣播的方式，即中繼節(jié)點(diǎn)Nk同時(shí)向兩個(gè)(對(duì)于多個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)也一樣)用戶發(fā)送網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk經(jīng)過MQAM調(diào)制后的信號(hào)sK (t)。步驟九:兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)％、N2分別對(duì)接收到的sK(t)進(jìn)行解調(diào)，獲得網(wǎng)絡(luò)編碼信息V
用戶％、N2接收到廣播信號(hào)^⑴以后，各自分別對(duì)sK(t)進(jìn)行解調(diào)，以便得到網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK。sK(t)選用何種類型的調(diào)制方式，解調(diào)時(shí)仍需選用同樣的調(diào)制方式，否則不能很好的解調(diào)出調(diào)制信息。本專利中^⑴是經(jīng)由MQAM得到的，因此解調(diào)時(shí)仍需選用MQAM方式對(duì)SK (t)進(jìn)行解調(diào)。步驟十:每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)將其獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk與保存在該用戶本地緩存中的發(fā)送信息進(jìn)行按位比特異或運(yùn)算，獲得另一用戶的比特信息，從而完成雙向中繼信道的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的整個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)在雙向中繼信道中實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信。對(duì)于用戶NpN2來說，它們?cè)谙蛑欣^節(jié)點(diǎn)Nk發(fā)送自己信息的同時(shí)，在它們的本地緩存中要復(fù)制保留一份同樣地發(fā)送信息，這樣既可保證當(dāng)傳輸過程出現(xiàn)不可糾正的誤碼時(shí)，能夠快速重發(fā)，同時(shí)這對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的譯碼過程也具有非常重要的作用。對(duì)于用戶N1,當(dāng)它通過對(duì)sK(t)進(jìn)行解調(diào)得到網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk以后，將Sk與儲(chǔ)存在本地緩存中的它的發(fā)送信息S1進(jìn)行按位比特異或操作，即可得到用戶N2發(fā)送的信息，這里是比特級(jí)的，對(duì)于更高級(jí)別的情況(幀，包等)也是一樣的。用戶N2的情況與N1類似，即通過將Sk與S2進(jìn)行按位比特異或得到發(fā)自用戶N1的比特信息S1，可以用下面兩個(gè)式子分別表示用戶NpN2獲取它們所需目標(biāo)信息的過程。對(duì)于用戶N1 =S1 Se = S1 S1 S2 = S2。對(duì)于用戶N2 =S2 Se = S2 S1 S2 = S10至此，經(jīng)過時(shí)隙一和時(shí)隙二共計(jì)十個(gè)子過程之后，用戶％、N2就可以完成一次信息的交換過程。為了檢驗(yàn)發(fā)明的效果，以M = 16為例，我們使用MATLAB對(duì)基于16QAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的平均誤比特率進(jìn)行了仿真，并與它的理論曲線作對(duì)比。仿真參數(shù)的設(shè)置如表I所示，仿真結(jié)果在圖8中給出。表1仿真參數(shù)的設(shè)置
權(quán)利要求
1.基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，所述無線通信方法適用于含有兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)且只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，所述無線通信方法由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一:產(chǎn)生兩個(gè)用戶NpN2的編碼比特信息Sp S2 ；步驟二:對(duì)比特信息S1J2分別進(jìn)行MQAM調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)si(t)、s2(t)；步驟三:將步驟二中獲得的調(diào)制后的信號(hào)Sl(t)、s2(t)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)Nk發(fā)送；步驟四:中繼節(jié)點(diǎn)乂將收到的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)81(0、82(0直接相加，獲得和信號(hào)rK(t)；步驟五:中繼節(jié)點(diǎn)乂根據(jù)判決規(guī)則對(duì)步驟四中獲得的和信號(hào)rK(t)進(jìn)行判決，獲得判決后的信號(hào)/;、,(/); 步驟六:中繼節(jié)點(diǎn)Nk根據(jù)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射準(zhǔn)則將步驟五中獲得的判決后的信號(hào) 映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk ; 步驟七:中繼節(jié)點(diǎn)Nk對(duì)步驟六中獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk重新進(jìn)行MQAM調(diào)制，獲得調(diào)制后的信號(hào)sK (t)； 步驟八:中繼節(jié)點(diǎn)Nk向兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)N1和N2廣播調(diào)制后的信號(hào)sK(t)； 步驟九:兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)NpN2分別對(duì)接收到的sK(t)進(jìn)行解調(diào)，獲得網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk ；步驟十:每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)將其獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk與保存在該用戶本地緩存中的發(fā)送信息進(jìn)行按位比特異或運(yùn)算，獲得另一用戶的比特信息，從而完成雙向中繼信道的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的整個(gè)過程，從而實(shí)現(xiàn)在雙向中繼信道中實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，所述步驟五中的判決規(guī)則為: 由于中繼節(jié)點(diǎn)Nk要同時(shí)接收兩路信息Sp S2，對(duì)于Nk來說，此時(shí)的信道已不再滿足“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”接入的條件，因此，要準(zhǔn)確計(jì)算多接入信道的信道容量是不可能的，為此，步驟五中給出獲得Sk的兩種判決方法，分別對(duì)應(yīng)基于多進(jìn)制正交幅度調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量的上確界和下確界， 所述第一種判決方法為:接收機(jī)先將rK(t)進(jìn)行硬判決得到判決后的信號(hào)&⑴，然后再根據(jù)映射準(zhǔn)則將廠(O映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息Sk，這種判決方式對(duì)應(yīng)多接入信道信道容量的上確界； 所述第二種判決方法為:假設(shè)存在一個(gè)虛擬信道C，C能將兩個(gè)用戶發(fā)送的比特信息S1^ S2直接映射為網(wǎng)絡(luò)編碼信息SK，即C (S1, S2) = Sk，這種判決方式對(duì)應(yīng)多接入信道信道容量的下確界。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，在無線通信方法中:兩個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，采用功率控制技術(shù)對(duì)兩個(gè)用戶和中繼節(jié)點(diǎn)Nk的功率進(jìn)行控制，以使兩個(gè)用戶發(fā)送的信號(hào)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，所述信號(hào)的功率符合中繼節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)的處理門限；同樣地，從中繼節(jié)點(diǎn)廣播的信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用功率控制技術(shù)使該信號(hào)被用戶節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)正確接收。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)NpN2和中繼節(jié)點(diǎn)Nk均采用半雙工的工作方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，其特征在于，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn) NpN2和中繼節(jié)點(diǎn)Nk均采用全雙工的工作方式。
全文摘要
基于MQAM調(diào)制方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線通信方法，涉及一種無線通信領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的傳輸方式在雙向中繼信道中需要的三個(gè)時(shí)隙、四個(gè)時(shí)隙導(dǎo)致系統(tǒng)性能低的問題。具體方法為，對(duì)用戶N1、N2的編碼比特信息S1、S2進(jìn)行MQAM調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)s1(t)、s2(t)并同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)NR發(fā)送，中繼節(jié)點(diǎn)NR將其直接相加得到和信號(hào)rR(t)并對(duì)rR(t)進(jìn)行判決，將判決結(jié)果進(jìn)一步映射為S1和S2的網(wǎng)絡(luò)編碼信息SR；之后中繼節(jié)點(diǎn)NR對(duì)SR重新進(jìn)行MQAM調(diào)制，并將已調(diào)信號(hào)sR(t)向用戶節(jié)點(diǎn)N1和N2廣播，N1、N2分別對(duì)接收到的sR(t)進(jìn)行解調(diào)，將得到網(wǎng)絡(luò)編碼信息SR與保存在該用戶的本地緩存中的發(fā)送信息進(jìn)行按位比特異或運(yùn)算，以獲得另一用戶的比特信息，從而實(shí)現(xiàn)一次信息交換過程。本發(fā)明適用于無線通信。
文檔編號(hào)H04L1/00GK103078705SQ201210590028
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者于啟月, 張德有, 韓露, 劉濤, 孟維曉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)