基于mimo和pnc融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，屬于無線中繼通信【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明在單中繼多向信道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，全面考慮了用戶節(jié)點和中繼節(jié)點天線數(shù)目是否滿足約束條件的兩種情況，然后進行了MIMO和PNC的融合，利用MIMO技術(shù)把多徑傳播環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ脩粲辛Φ囊蛩兀肕IMO信道提供的空間復(fù)用增益來提高信道容量，同時又利用MIMO信道提供的分集增益來改善傳輸可靠性；同時利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼進一步縮減信號傳輸?shù)臅r隙，從而提高系統(tǒng)的吞吐量?；趦煞N技術(shù)的融合，使得系統(tǒng)的吞吐量和可靠性得到了較大地提升了。
【專利說明】 基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線中繼通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線多跳網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)容量和通信可靠性問題越來越凸顯出來。無線頻譜資源的匱乏嚴重制約了傳輸速率和通信可靠性的提高，所以，改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和通信質(zhì)量的關(guān)鍵就是提高頻譜的有效利用率。其中，多輸入多輸出(Multiple-1nputMultiple-Output,ΜΙΜΟ)技術(shù)因為在提升數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸可靠性方面的巨大潛力而被看作是提高頻率利用率的有效手段。另外，利用中繼幫助源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息的協(xié)同通信技術(shù)也是一種可以有效提升頻譜利用率的措施。
[0003]MIMO技術(shù)是使用多根發(fā)射天線和多根接收天線進行無線傳輸?shù)募夹g(shù)。其主要特征是把多徑傳播環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ脩粲辛Φ囊蛩?利用MMO信道提供的空間復(fù)用增益來提高信道容量，同時又利用MIMO信道提供的分集增益來改善傳輸可靠性。這種能極大地提高無線通信性能，又不需要以頻譜為代價的技術(shù)以被3GPP LTE(Long Term Evolution, LTE),(LTE-Advanced)、IEEE802.16m等眾多無線通信標準所采納。
[0004]網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding, NC)是一種融合編碼和路由的信息交換技術(shù),在傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由方法基礎(chǔ)上，通過允許對接收的多個數(shù)據(jù)包進行編碼信息融合，增加單次傳輸?shù)男畔⒘?，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。其中，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer networkcoding, PNC)更進一步地提高了吞吐量。它的原理是在物理層根據(jù)電磁波的疊加原理使中繼節(jié)點接收到的是兩個源節(jié)點數(shù)據(jù)包疊加的結(jié)果，然后中繼節(jié)點對疊加的數(shù)據(jù)包進行解碼去掉噪聲，調(diào)制，廣播給兩個源節(jié)點，這樣能夠進一步降低中繼通信所需時間，因此更進一步提聞吞吐量。
[0005]PNC和MMO技術(shù)都能夠有效地提高系統(tǒng)吞吐量。前者在存在信息交換的通信過程中通過減少傳輸時隙提高系統(tǒng)吞吐量；后者通過增加收發(fā)端的天線數(shù)，利用無線空間的多樣性構(gòu)建并行傳輸?shù)耐ㄐ判诺?，有效地提高系統(tǒng)總的吞吐量。但這兩種技術(shù)又存在明顯的差別，如何將兩種技術(shù)進行融合，使得系統(tǒng)的性能有大幅度的提升，是最關(guān)鍵的問題，但目前有關(guān)這方面的研究還比較欠缺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，以達到提升系統(tǒng)的吞吐量和可靠性的目的。
[0007]一種基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1、搭建系統(tǒng)環(huán)境；
[0009]所述的系統(tǒng)環(huán)境包括兩種，選擇其中一種進行搭建，其中，
[0010]搭建第一種系統(tǒng)環(huán)境，具體如下:[0011] 將一個路由器作為中繼節(jié)點，確定該路由器的天線數(shù)目；并且使網(wǎng)絡(luò)中每個用戶通過路由器均能與其他用戶進行通信，同時確定用戶的個數(shù)和每個用戶的天線個數(shù)，其中，每個用戶的天線個數(shù)應(yīng)大于用戶的個數(shù)減一，再根據(jù)用戶個數(shù)獲得網(wǎng)絡(luò)中用戶對個數(shù)；
[0012]搭建第二種系統(tǒng)環(huán)境，具體如下:
[0013]將一個路由器作為中繼節(jié)點，確定該路由器的天線數(shù)目；并且將網(wǎng)絡(luò)中所有用戶平均分為丙組，一組中的一個用戶與另一組中的一個對應(yīng)用戶進行通信，同時確定用戶的個數(shù)和每個用戶的天線個數(shù)，根據(jù)用戶個數(shù)獲得網(wǎng)絡(luò)中用戶對個數(shù)；
[0014]步驟2、對用戶要發(fā)送的信息進行預(yù)編碼，具體如下:
[0015]步驟2-1、判斷路由器天線數(shù)Nk是否小于每個用戶天線數(shù)Nt的2倍并大于用戶對數(shù)M,若是，則執(zhí)行步驟2-2，否則執(zhí)行步驟2-5 ；
[0016]其中，R表示中繼天線；T表示用戶天線；
[0017]步驟2-2、計算每個用戶對的信道矩陣Hfci]和信道矩陣HfcU，將獲得的信道矩陣H[r；i]與信道矩陣相結(jié)合，獲得矩陣Am，其中-H[r；J]]；
[0018]其中，i表示用戶i，j表示用戶j ;m表示任意一個用戶對；r表示任意用戶對用到的中繼天線；
[0019]步驟2-3、計算矩陣Am的正交投影矩陣，對上述正交投影矩陣進行特征值分解，獲得Nt個特征值為O的特征向量和2NT-NK個特征值為I的特征向量，所述2NT-NK個特征值為I的特征向量即為該用戶對可選擇的預(yù)編碼向量；
[0020]步驟2-4、獲得M個用戶對的(2NT-NK)M種編碼組合，計算每種編碼組合情況下，所有用戶對在中繼節(jié)點的M個接收信噪比，并在上述M個信噪比中選擇其最小信噪比，進一步獲得所有編碼組合的(2NT-NK)M個最小信噪比，再從該(2NT-NK)M個最小信噪比中選擇其最大信噪比，則該最大信噪比所對應(yīng)的編碼向量即為選擇的預(yù)編碼向量；
[0021]步驟2-5、確定路由器需要使用的天線個數(shù)，具體為:
[0022]步驟2-5-1、計算獲得分集增益，確定分集增益最大時對應(yīng)的路由器天線個數(shù)即為路由器需要使用的天線個數(shù)隊;
[0023]分集增益計算公式如下:
[0024]d = {2NT-Nr\Nr-M + \)(I)
[0025]步驟2-5-2、從路由器天線中選擇出隊個天線，即產(chǎn)4 C種選擇組合，在每種組合情況下，根據(jù)步驟2-4，從(2NT-NK)M個最小信噪比中選擇最大信噪比，即C種天線選擇
組合獲得個最大信噪比，再從該(完個最大信噪比中選擇其最大信噪比，則該最大信噪比所對應(yīng)的編碼向量即為選擇的預(yù)編碼向量；
[0026]步驟2-6、將M個用戶對的信號分別與獲得的預(yù)編碼向量相乘，即完成對用戶對的預(yù)編碼；
[0027]步驟3、所有用戶同時向路由器發(fā)送已經(jīng)預(yù)編碼后的信號；
[0028]步驟4、路由器通過正交投影檢測的方式從接收的疊加信號中檢測出每個用戶對所發(fā)送的信號，具體為:
[0029]步驟4-1、根據(jù)獲得的每個用戶對的預(yù)編碼向量，獲得每個用戶對的對齊向量，進而獲得所有用戶對的對齊向量；
[0030]每個用戶對的對齊向量Um，公式如下:
[0031]um=H[r； JjVtjj ^ (2)
[0032]其中，1≤m≤M，v[J；i]表示用戶i發(fā)送信號至用戶j的預(yù)編碼向量；
[0033]步驟4-2、獲得全部用戶對的對齊向量矩陣，公式如下:
[0034]U=Lu1, u2,..., um,..., uM] (3)
[0035]其中，U表示全部用戶對的對齊向量矩陣:
[0036]步驟4-3、在對齊向量矩陣中刪除第m列向量，并對刪除后的矩陣求解正交投影矩陣，根據(jù)獲得的正交投影矩陣和被刪除的向量，獲得檢測向量，具體如下:
[0037]Clffl=ZfflUffl ⑷
[0038]其中，dm表示檢測向量，Zffl表示刪除后的矩陣所求解的正交投影矩陣；
[0039]步驟4-4、將獲得的檢測向量矩陣與路由器接收的疊加信號相乘，即檢測到每個用戶對的發(fā)送信號；
[0040]步驟5、利用任意一個用戶對向路由器發(fā)送的兩個信號的原始星座圖進行疊加，獲得接收映射星座圖，利用該星座圖對每個用戶對的疊加信號進行映射，得到映射后的編碼，即完成對每個用戶對的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼；
[0041]步驟6、根據(jù)全部用戶對的對齊向量矩陣和一個對角矩陣，獲得新的預(yù)編碼向量，將完成物理層網(wǎng)絡(luò)編碼后的信號與新的預(yù)編碼向量相乘，即完成物理層網(wǎng)絡(luò)編碼后的信號重新進行預(yù)編碼；
[0042]新的預(yù)編碼矩陣P公式如下:
[0043]P=(Uh)-1T (5)
[0044]其中，T表示一個對角矩陣，
【權(quán)利要求】
1.一種基于MIMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、搭建系統(tǒng)環(huán)境； 所述的系統(tǒng)環(huán)境包括兩種，選擇其中一種進行搭建，其中， 搭建第一種系統(tǒng)環(huán)境，具體如下: 將一個路由器作為中繼節(jié)點，確定該路由器的天線數(shù)目；并且使網(wǎng)絡(luò)中每個用戶通過路由器均能與其他用戶進行通信，同時確定用戶的個數(shù)和每個用戶的天線個數(shù)，其中，每個用戶的天線個數(shù)應(yīng)大于用戶的個數(shù)減一，再根據(jù)用戶個數(shù)獲得網(wǎng)絡(luò)中用戶對個數(shù)； 搭建第二種系統(tǒng)環(huán)境，具體如下: 將一個路由器作為中繼節(jié)點，確定該路由器的天線數(shù)目；并且將網(wǎng)絡(luò)中所有用戶平均分為兩組，一組中的一個用戶與另一組中的一個對應(yīng)用戶進行通信，同時確定用戶的個數(shù)和每個用戶的天線個數(shù)，根據(jù)用戶個數(shù)獲得網(wǎng)絡(luò)中用戶對個數(shù)； 步驟2、對用戶要發(fā)送的信息進行預(yù)編碼，具體如下: 步驟2-1、判斷路由器天線數(shù)Nk是否小于每個用戶天線數(shù)Nt的2倍并大于用戶對數(shù)Μ，若是，則執(zhí)行步驟2-2，否則執(zhí)行步驟2-5 ； 其中，R表示中繼天線；Τ表示用戶天線； 步驟2-2、計算每個用戶對的信道矩陣％』和信道矩陣將獲得的信道矩陣Hfci]與信道矩陣Hfcj]相結(jié)合，獲得矩陣Am，其中Am= [%』，_%』]； 其中，i表示用戶i，j表示用戶j ;m表示任意一個用戶對；r表示任意用戶對用到的中繼天線； 步驟2-3、計算矩陣Am的正交投影矩陣，對上述正交投影矩陣進行特征值分解，獲得Nt個特征值為O的特征向量和2NT-NK個特征值為I的特征向量，所述2NT-NK個特征值為I的特征向量即為該用戶對可選擇的預(yù)編碼向量； 步驟2-4、獲得M個用戶對的(2NT-NK)M種編碼組合，計算每種編碼組合情況下，所有用戶對在中繼節(jié)點的M個接收信噪比，并在上述M個信噪比中選擇其最小信噪比，進一步獲得所有編碼組合的(2NT-NK)M個最小信噪比，再從該(2NT-NK)M個最小信噪比中選擇其最大信噪比，則該最大信噪比所對應(yīng)的編碼向量即為選擇的預(yù)編碼向量； 步驟2-5、確定路由器需要使用的天線個數(shù)，具體為: 步驟2-5-1、計算獲得分集增益，確定分集增益最大時對應(yīng)的路由器天線個數(shù)即為路由器需要使用的天線個數(shù)隊； 分集增益計算公式如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MMO和PNC融合的無線多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，其特征在于:步驟I所述的獲得用戶對個數(shù)，具體如下: 第一種系統(tǒng)環(huán)境中，獲得用戶對個數(shù)M公式如下:
【文檔編號】H04W40/02GK103648140SQ201310682618
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】宋清洋, 周厲寧, 李勛, 叢笑竹 申請人:東北大學(xué)