正交网络空时编码方法

专利名称：正交网络空时编码方法
技术领域：
本发明属于无线通信网络领域，涉及网络编码技术和空时编码技术，具体地说是针 对源节点有一根发送天线，中继节点有两根天线的无线通信网络，设计一种能改善网络 吞吐量和误比特性能的网络空时编码方法。
背景技术：
利用中继帮助移动用户转发数据，可获得额外的分集增益，改善接收端的误比特BER 性能，是提高移动用户在小区边缘通话质量的有效手段之一。但在大规模的无线中继通 信网络中，通常是多个源节点和多个中继节点并存，传统中继方案，包括单天线中继和 多输入多输出MIMO中继，需要为每个源节点逐个转发数据，使传输效率随着网络规模 的增加而大幅度下降。在有N个移动用户，M个中继节点和一个基站的无线中继网络中， 如何解决传统中继方案的容量瓶颈，在不损失分集的前提下提高转发效率，是目前通信 领域的一个研究热点。
网络编码通过对多条输入链路上收到的数据信息进行一定的线性或非线性编码， 可提高网络吞吐量、减少数据包的传输次数、增强网络的容错性和鲁棒性，在无通信 网络中有非常好的应用前景。美国学者T. Wang和GB.Giannakis在2008年第三期的《通 信选题》上发表的"多用户协作通信系统中的复数域网络编码"的文章中提出一种复 数域网络编码方法，是在中继节点上利用一个复数向量对移动用户的数据进行线性变 换，并将该线性变换结果转发至目的节点，使传输效率固定为l/2符号/用户/时隙，不 再随着网络规模的增加而下降，这种方法更适合无线网络通信领域。
上述文献里所给出的方法，仅考虑了中继节点有一根天线的情况，不适用于如图l所 示的无线通信网络，其中该通信网络中有N个移动用户， 一个中继节点和一个目的节点D， 且中继节点安装有多根天线，而多天线传输技术在点对点通信系统中得到了广泛应用， 可有效提高点对点通信系统的信道容量，改善系统性能。因此，如何将多天线传输技术 应用于无线中继通信系统，以提高中继节点的转发效率，改善目的节点的性能，是目前 迫切需要解决的一个问题。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，针对中继节点有多根天线的情况，提 出一种正交网络空时编码方法，以提高网络吞吐量和中继节点的转发效率，改善目的节 点的性能。
为实现上述目的，本发明提供的正交网络空时编码方法，包括步骤l， iV个移动用户以Z个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息，其中z
为大于等于1的正整数，W为大于1的正整数；
步骤2，中继节点对接收的数据信息进行解调；
步骤3，对解调得到的iV个移动用户在丄个符号周期内的数据i，利用两个不同的 复数向量"和尸2分别进行压縮，得到第一压縮符号n和第二压縮符号^，并利用这两个 压縮符号构造正交空时编码矩阵C 。
上述正交网络空时编码方法，其中步骤3所述的"利用两个不同的复数向量^和/ 2分
别进行压縮，得到第一压縮符号q和第二压縮符号^"，按如下步骤进行
步骤2a，将解调得到的iV个移动用户在丄个符号周期内的数据i构成一个列向量形 式i—^l)，… (l),^2)，… (2),…，jc,(L)，… (丄)f ，其中上标"r，表示向量的转置 运算，A(/)表示中继节点解调得到的第i个移动用户在第/个符号周期发送的数据， z. = l，2，...,JV， / = l,2,"、i ;
步骤2b，将两个不同的复数向量尸,和A分别左乘解调数据i，得到第一压縮符号 r, = 和第二压縮符号r2 = J>2i 。
上述正交网络空时编码方法，其中步骤3所述的"利用这两个压縮符号构造正交空 时编码矩阵C"，按如下步骤进行
步骤3a:将第一压縮符号。-i^i置于第一行的第一列，将第二压缩符号〃2=户2义置 于第一行的第二列；
步骤3b:取第二压縮符号〃2=/^的负共轭值-(Ai)'，并将-(尸2巧'置于第二行第 一列；
步骤3C:取第一压縮符号。=尸^的共轭值(/^)'，并将(i^)'置于第二行第二列， 完成正交空时编码矩阵C的构造，即
「 i 2JC 、
其中，正交空时编码矩阵C的第一列对应于中继节点第一根天线在两个符号周期内的发 送信号，正交空时编码矩阵C的第二列对应于中继节点第二根天线在两个符号周期内的 发送信号。
本发明由于对中继节点利用两个不同的复数向量对解调数据分别进行压縮，并将压 缩的符号进行正交网络空时编码，使得系统吞吐量可以达到i/(丄+ 2)符号/用户/符号周 期，该吞吐量不仅可随L的增加而提高，还能够大于复数域网络编码l/2符号/用户/符号 周期的吞吐量；同时由于本发明正交网络空时编码矩阵中的每个符号都包含了所有用户 的解调数据信息，相当于将所有用户的解调数据通过中继节点的两根天线在两个符号周
4期内同时传输，因此采用本发明的方法可以获得比复数域网络编码更大的编码增益和分
集增益。


图l是本发明的(N， 1， l)无线通信网络模型； 图2是本发明的技术方案实施原理框图； 图3是本发明实施例1的原理结构图； 图4是本发明实施例2的原理结构图； 图5是本发明实施例1的性能仿真图； 图6是本发明实施例2的性能仿真图。
具体实施例方式
参照图2，本发明的正交网络空时编码方法按照以下步骤进行 步骤l，移动用户向中继节点和目的节点广播数据信息。
W个移动用户以丄个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息 ;c-(Jc,(l)，…,^(l)，A(2)，…，^(2)，…,;c,(4…， (i)f，其中丄为大于等于1的正整数，W 为大于1的正整数，x,(/)表示第i个移动用户在第/个符号周期向中继节点和目的节点 广播的数据，上标"T"表示向量的转置运算，hl,2，…,W, "1，2，…，丄。
步骤2，中继节点解调。
对接收的数据信息，中继节点按照最大似然方法进行解调，得到解调数据 i";(l),…，^(l),;^(2X…，;^(2)，…，:^(丄)，…，^(i))7 ,艮卩
x";)c,(lV.'^似…A(4…,X;v(4,xefl嵐
其中^表示第/个移动用户与中继节点第j根天线之间的信道衰落系数，力(/)表示中继
节点的第J根天线在第/个符号周期接收到的信号，M为中继节点的天线数，fl为信号;c刺 所采用的调制符号级，！2M是调制符号集"的笛卡儿积，"1，2,…,JV, y'-l,2,…,Jl/， / = 1,2,-.,1。
步骤3,中继节点进行正交网络空时编码。
对解调得到的iV个移动用户在丄个符号周期内的数据 j^&(l乂…,^(lU(2乂…，^(2)，…,A(4…，^(Z)f ，首先利用两个不同的复数向量月和 尸2分别进行压縮，即利用复数向量A和g分别左乘解调数据i，得到第一压縮符号 "二i^和第二压縮符号^-P^;然后，将第一压缩符号/"1=/^置于第一行的第一列， 将第二压縮符号^-iVi:置于第一行的第二列；取第二压缩符号^=尸^的负共轭值 -A勾'，并将-(/ '置于第二行第一列；取第一压縮符号^i^的共轭值"jty，并将(/^)'置于第二行第二列，完成正交空时编码矩阵c的构造，即
(/ 2jc 、
其中，正交空时编码矩阵c的第一列对应于中继节点第一根天线在两个符号周期内的发 送信号，正交空时编码矩阵c的第二列对应于中继节点第二根天线在两个符号周期内的
发送信号。
实施例l:
参照图2和图3，在两个移动用户，且L=2情况下的正交网络空时编码方法，按以 下步骤进行。
第1步，^ = 2个移动用户以丄=2个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息 jc-(jc,(1),X2(1)，jc,(2)，^2))、其中上标"r"表示向量的转置运算，jc,(/)表示第个移动 用户在第/个符号周期向中继节点和目的节点广播的数据，/=1，2，/=1，2。
第2步，中继节点对在2个符号周期内接收的数据信息j^，按照最大似然方法进行 解调，得到解调数据i-(A(l),:f2(lH(2)，;f2(2)y"，艮P-
/=1
jc = (a (1、 jc2 (1)， (2)， jc2 (2))， a: e i2Wxi = i24
其中^.表示第/个移动用户与中继节点第y根天线之间的信道衰落系数，^W表示中继 节点的第_/根天线在第/个符号周期接收到的信号，"为信号、(0所采用的调制符号级，
="4是调制符号集"的笛卡儿积，/=1,2，产1，2，/=1,2。
第3步，对解调得到的2个移动用户在2个符号周期内的数据 ;t-ft(l)，^(l),J^(2)，^(2F ，利用两个不同的复数向量
<formula>formula see original document page 6</formula>
分别进行压縮，即利用复数向量A左乘解调数据:t，得到第一压縮符号^=/^,将复数 向量g左乘解调数据i，得到第二压缩符号,2=/ >。
第四步，将第一压縮符号〃1=/^置于第一行的第一列，将第二压縮符号,2=/ ^置 于第一行的第二列；取第二压缩符号^-7^的负共轭值-(尸 '，并将-(i^)'置于第二 行第一列；取第一压缩符号。=/^的共轭值(/^)'，并将(/^)'置于第二行第二列，完 成正交空时编码矩阵C的构造，即其中，正交空时编码矩阵c的第一行第一列对应于中继节点第一根天线在两个符号周期 内的发送信号，正交空时编码矩阵c的第二列对应于中继节点第二根天线在两个符号周
期内的发送信号。
本实施例中，中继节点在i-2个符号周期内的估计信号，分别由两组不同的向量进 行网络空时编码，并在2个符号周期内发送完成，吞吐量能够达到￡/^ + 2)=1/2符号/ 用户/符号周期。
实施例2:
参照图、2和图4，在2个移动用户，且L-4情况下的正交网络空时编码方法，按以 下步骤进行。
第1步，7^ = 2个移动用户以￡ = 4个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息 x"jc"l)，"l乂…,"4)^(4)f ，其中上标"r"表示向量的转置运算，x,切表示移动用户 z'在第/个符号周期向中继节点和目的节点广播的数据，z'=l，2， /=1，2，3，4。
第2步，中继节点对在4个符号周期内接收的数据信息^，按照最大似然方法进行 解调，得到解调数据i-(A(l),^(l),…，A(4)^(4))、即:
;=arg min j力t乃(/)-力~ & (/
/=1 y:i
x = (x,(1)^(1)^(2),X2(2)),a: e fi嵐=
其中/V表示第z'个移动用户与中继节点第/根天线之间的信道衰落系数，^.(/)表示中继
节点的第/根天线在第/个符号周期接收到的信号，i2为信号;c,W所采用的调制符号级， ="8是调制符号集"的笛卡儿积，/=1，2， J=1，2， /=1,2，3，4。
第3步，对解调得到的2个移动用户在4个符号周期内的数据 "(A(1),^(1),…,A(4)，^(4))t ，利用两个不同的复数向量
^<formula>formula see original document page 7</formula>
和<formula>formula see original document page 7</formula>
分别进行压縮，即利用复数向量A左乘解调数据jt，得到第一压缩符号Ai^/^,将复数 向量A左乘解调数据;t，得到第二压縮符号^-gJt。
第4步，将第一压縮符号r,-i^置于第一行的第一列，将第二压縮符号〃2=/ ^置 于第一行的第二列；取第二压縮符号〃2=7^的负共轭值-(i^)'，并将-(/^)'置于第二行第一列；取第一压縮符号^=/^的共轭值(/^)',并将(/^)'置于第二行第二列，完 成正交空时编码矩阵C的构造，即
「 P2jc 、
"(一(/>2".
其中，正交空时编码矩阵C的第一行第一列对应于中继节点第一根天线在两个符号周期 内的发送信号，正交空时编码矩阵C的第二列对应于中继节点第二根天线在两个符号周 期内的发送信号。
本实施例中，中继节点在Z^4个符号周期内的估计信号，分别由两组不同的向量A 和《对中继节点的解调数据进行网络空时编码，并在2个符号周期内发送完成，吞吐量 能够达到Z/(/: + 2)-2/3符号/用户/符号周期。
为了进一步说明本发明方法所带来的有益结果，图5给出了实施例1采用二相移位 键控BPSK调制时在瑞利衰落信道下性能曲线，并与复数域网络编码的仿真性能进行了 比较，由图5可看出，在相同吞吐量的情况下，本发明的正交网络空时编码不仅具有高 于复数域网络编码的分集增益，且在误符号率1(^时，比复数域网络编码有接近5dB的 编码增益。
图6给出了本实施例1和实施例2采用二相移位键控BPSK调制时在瑞利衰落信道 下的性能曲线，从图6可以看出，在低信噪比时，随着吞吐量的增加，本发明提供方案 的误符号性能略有下降，但随着信噪比的增加，两个实施例的分集增益差别不大，也就 是说，本发明的正交网络空时编码方法不仅可使系统吞吐量随丄值的不同而灵活变化， 同时不会随着吞吐量的增加而损失分集增益，这是复数域网络编码所没有的特性。
8
权利要求
1.一种正交网络空时编码方法，包括步骤1，N个移动用户以L个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息，其中L为大于等于1的正整数，N为大于1的正整数；步骤2，中继节点对接收的数据信息进行解调；步骤3，对解调得到的N个移动用户在L个符号周期内的数据 id="icf0001" file="A2009100213940002C1.tif" wi="4" he="3" top= "58" left = "149" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>利用两个不同的复数向量P1和P2分别进行压缩，得到第一压缩符号r1和第二压缩符号r2，并利用这两个压缩符号构造正交空时编码矩阵C。
2. 根据权利要求1所述的正交网络空时编码方法，其中步骤3所述的"利用两个不同的复数向量^和尸2分别进行压縮，得到第一压縮符号n和第二压縮符号^"，按如下步骤进行步骤2a，将解调得到的个移动用户在丄个符号周期内的数据i构成一个列向量形《i = (i1(i),..,^(i)^1(2),..,^(2》.a1(z),..，^(i:))r，其中上标"r，表示向量的转置运算，《(力表示中继节点解调得到的第/个移动用户在第个符号周期发送的数据，<formula>formula see original document page 2</formula>步骤2b，将两个不同的复数向量g和A分别左乘解调数据i，得到第一压縮符号。=和第二压縮符号r2 = P2i 。
3. 根据权利要求1所述的正交网络空时编码方法，其中步骤3所述的"利用这两个压縮符号构造正交空时编码矩阵C"，按如下步骤进行步骤3a:将第一压縮符号。=尸^置于第一行的第一列，将第二压縮符号^=/>^置于第一行的第二列；步骤3b:取第二压縮符号^2=/^的负共轭值-并将-(/^)'置于第二行第一列；步骤3c:取第一压缩符号巧-i^的共轭值(i^)',并将(/^)'置于第二行第二列，完成正交空时编码矩阵C的构造，即<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
本发明针对中继节点有多根天线的无线通信网络，公开了一种正交网络空时编码方法。该方法包括N个移动用户以L个符号周期向中继节点和目的节点广播数据信息；中继节点对接收的数据信息进行解调；采用两个不同的复数向量P₁和P₂分别左乘解调数据，得到两个压缩符号r₁和r₂，将压缩符号r₁置于第一行的第一列，压缩符号r₂置于第一行的第二列，压缩符号r₂的负共轭值置于第二行第一列，压缩符号r₁的共轭值置于第二行第二列，构成正交空时编码矩阵C，该L为大于等于1的正整数，N为大于1的正整数。本发明的方法能够使系统吞吐量达到L/(L+2)符号/用户/符号周期，获得比复数域网络编码更大的编码增益和分集增益，用于中继节点有多根天线的无线通信网络，帮助移动用户转发数据。
文档编号H04J11/00GK101494513SQ20091002139
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者岳 孙, 颖 李, 郑贱平, 郭旭东 申请人:西安电子科技大学