专利名称：在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法、中继站和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线网络中的信号通信领域，具体地，涉及移动通信系统领域。更具体地，本发明涉及用于在第一信号源与第二信号源之间中继信号的方法和中继站、用于在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法和系统、以及在信号源处从远程信号源接收多个信号的方法和信号源。
背景技术：
网络编码(见例如 Ahlswede，R. ；Cai, N. ；Li, S. -Y. R. ；Yeung, R. W. -H. (2000). Network information flow. IEEE Transactions on Information Theory,46 (2000), PP. 1204-1216)是基于存储、编码和转发的数据分发方法。核心概念在于允许和鼓励在中间网络节点处混合数据。这有助于利用无线电的广播性质的潜力来改进无线通信系统的吞吐量。近来，包括传输中继的无线协作网络(见例如Fitzek，F.H.P. ；Katz,Μ. D. (Eds.) Cooperation in wireless networks :Principles and applications. Berlin :Springer, 2006)由于系统容量和吞吐量的潜在改进而引起了注意。在这种网络中，已经釆用了不同技术，如传统信号转发、PHY层(PHY=物理)星座相加和网络编码，例如以下文献所描述· Ahlswede, R. ；Cai, N. ；Li, S. -Y. R. ；Yeung, R. W.-H. (2000). Network information flow. IEEE Transactions on Information Theory,46 (2000)， pp.1204-1216，· Zhang，S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic :Physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom，06)，2006，pp. 358—365，· Katti，S. ；Gollakota，S. ；Katabi，D. -Embracing wireless interference Analog network coding. Proceedings of the Special Interest Group on Data Communication Conference(SIGCOMM* 07)， August 27-31，2007， Kyoto, Japan， pp.397-408，· Shengli Fu ；Kejie Lu ；Yi Qian ；Varanasi,M. . -Cooperative network coding for wireless ad-hoc networks. Proceedings of the IEEE GL0BEC0M 2007，pp.812—816，在例如Tse，D· ；Viswanath,P. -Fundamentals of wireless communications. New York :Cambridge University Press，2005 中描述了空间分集。尽管无线网络中的网络编码可以受益于广播，但是也要面对信道衰落的挑战。 ΜΙΜ0(ΜΙΜ0=多输入多输出)技术可以通过空间分集来提高衰落环境中的性能(见例如 Fasolo，Ε. ；Rossetto，F. ；Zorzi，Μ. ；Network Coding meets ΜΙΜΟ, Network Coding， Theory and Applications,2008. NetCod 2008.Fourth Workshop on 3-4 Jan.2008 pp. 1-6) ο 例如，Alamouti 方案(见 Alamouti, S. Μ. :A simple transmit diversitytechnique for wireless communication. IEEE Journal on Select Areas in Communications, vol. 16 (1998)，pp. 1451-1458)可以利用 STBC (空时块编码)来实现完全分集。MIMO系统还通过使用空间复用方案来提高数据速率。存在改进两步骤中继网络的性能的一些研究。例如，PHY层网络编码(见例 如 Zhang，S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic :Physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing md Networking(MobiCom，06)，2006，pp. 358-365)的主要思想是在处理信号接收和调制的物理层进行网络编码。这使得规范的双向网络的吞吐量加倍，但是需要符号-相位同步和载波-频率同步的严格条件。Katti, S. ；Gollakota, S. ；Katabi, D. !Embracing wireless interference Analog network coding. Proceedings of the Special Interest Group on Data Communication Conference(SIGCOMM* 07)， August 27-31,2007, Kyoto, Japan， PP. 397-408描述了一种改进，通过根据两个发送方的两个不对齐信号来估计无线信道，从而处理这些同步约束。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现协作网络中的改进吞吐量的方法。该目的是通过权利要求1、5或7的方法、权利要求9的中继站、权利要求13的系统和权利要求15的信号源来实现的。本发明提供了一种用于由中继站在第一信号源与第二信号源之间中继信号的方法，所述中继站包括至少两个天线，用于从第一和第二信号源接收/向第一和第二信号源发送信号，所述方法包括(a)在中继站处，对从第一和第二信号源接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及(b)使用不同天线从中继站向第一和第二信号源多重发送第一和第二网络编码信号。此外，本发明提供了一种用于在第一信号源与第二信号源之间中继信号的中继站，包括至少两个天线，用于接收/发送信号；以及处理器，被配置为促使对从第一和第二信号源接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及使用不同天线从中继站向第一和第二信号源多重发送第一和第二网络编码信号。本发明还提供了一种用于在第一信号源与第二信号源之间传输信号的方法，所述第一和第二信号源经由中继站互相通信，所述中继站包括至少两个天线，用于从第一和第二信号源接收/向第一和第二信号源发送信号，所述方法包括(a)从第一信号源连续发送第一信号和第二信号并从第二信号源连续发送第一信号和第二信号；(b)根据该发明性的方法，对来自第一和第二信号源的第一和第二信号进行中继； 以及
(c)在第一和第二信号源中的每个信号源处，基于在该信号源处接收到的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源中的另一信号源的第一和第二信号。此外，本发明提供了一种系统，包括第一信号源；第二信号源；以及根据本发明的中继站；其中，相应信号源被配置为促使从第一信号源连续发送第一信号和第二信号并从第二信号源连续发送第一信号和第二信号；基于在该信号源处接收的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源中的另一信号源的第一和第二信号。此外，本发明提供了一种用于在信号源处从远程信号源接收多个信号的方法，所述方法包括(a)在所述信号源处接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过对所述信号源和所述远程信号源的第一信号进行网络编码而获得的，且所述第二网络编码信号是通过在所述远程信号源处对所述信号源的第二信号进行网络编码而获得的；以及(b)基于第一和第二网络编码信号以及所述信号源的第一和第二信号来确定源自所述远程信号源的第一和第二信号。本发明提供一种用于从远程信号源接收多个信号的信号源，包括天线，被配置为接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过在所述远程信号源处对所述信号源的第一信号进行网络编码而获得的，所述第二网络编码信号是通过对所述信号源和所述远程信号源的第二信号进行网络编码而获得的；以及处理器，被配置为基于第一和第二网络编码信号以及基于信号源的第一和第二信号来确定源自所述远程信号源的第一和第二信号。本发明的实施例提供了与ΜΙΜ0(多输入多输出)技术相结合的新的两步骤通信协议，允许提高协作网络中的系统吞吐量。该协议被称为MINEC(ΜΙΜΟ网络编码)。根据实施例，描述了在中继节点上具有多天线的3节点网络，作为MINEC的示意性示例。在MINEC的步骤1，两个源节点同时发送消息；在步骤2，中继节点利用网络和空时编码来广播编码数据。可以使用二进制对称中继信道模型来执行对MINEC的理论性能分析。通过Monte-Carlo 仿真来验证理论发现。发现MINEC在传输阶段和转发阶段分别实现了与2X2V-BLAST MIMO 和两个2 X IAlamouti MIMO等效的性能。现有技术方法(例如 Zhang， S. ；Liew, S. ；Lam, P. :Hot topic physical layer network coding. In Proceedings of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom’ 06),2006, pp. 358-365 或 Katti, S. ；Gollakota, S. ；Katabi, D. !Embracing wireless interference Analog network coding. Proceedings of the Special Interest Group on Data CommunicationConference (SIGCOMM，07) ,August 27-31, 2007,Kyoto, Japan,pp. 397-408 中描述的方法) 未考虑衰落信道效应或ΜΙΜΟ。本发明性方法的优点在于基于本发明性的两步骤协议的网络编码与MIMO的组合将改进衰落信道的网络编码。通过将网络编码和MIMO技术组合到中继网络中，实现了来自网络编码以及空间复用的吞吐量改进和来自空间分集的更可靠传输。
以下，将基于附图进一步详细描述本发明的实施例，在附图中图1示出了根据本发明实施例的具有两步骤传输的3节点中继网络；图2示出了根据本发明实施例的用于在图1的3节点中继网络中的信号节点之间传输信号的方法的流程图。图3示出了图1的3节点中继网络中的无记忆二进制对称中继网络信道；图4示出了在图1的3节点中继网络中获得的总比特差错性能的比较的图；以及图5示出了信道容量作为图1的3节点中继网络中的SNR的函数的图。
具体实施例方式以下将基于如图1所示的3节点中继网络来描述提供新颖的两步骤通信协议的本发明性方法的优选实施例。注意，本发明自然不限于如图1所示的3节点中继网络，而是，本发明性方法(即以下进一步详细描述的新颖的两步骤通信协议)可以应用于要在不能直接互相通信而经由中继站通信的多个信号节点之间交换多个消息或信号的任何网络。此外， 网络本身可以包括多个中继节点或中继站，以及包括互相通信的多个信号节点或信号源， 在经由中继节点来进行这种通信的情况下，可以用以下描述的方式来使用本发明性的两步骤通信协议。图1示出了包括第一信号节点S1的3节点中继网络的示例。注意，图1是网络的示意表示，信号节点S1包括天线ANT1和信号处理单元100。网络还包括第二信号节点&， 第二信号节点&包括天线ANT2和中央处理单元200。此外，网络包括中继节点R。中继节点R包括第一天线ANTki和第二天线ΑΝΤΚ2。此外，中继节点R包括中央处理单元或数据处理单元300。在向中继节点R发送时，第一信号节点S1具有虚线102所示的范围。在向中继节点R发送时，第二信号节点&具有虚线202所示的范围。尽管信号节点S1和&的范围在提供中继节点的区域中重叠，第二信号源&在第一信号节AS1的范围之外，反之亦然。因此，经由中继节点R来进行信号节点S1与&之间的通信。实线箭头指示在第一和第二时隙期间，更具体地在两个连续时隙i、i+1期间，从第一和第二信号节点S1和&向中继节点的通信。虚线箭头指示在第三和第四时刻，例如在时隙i+2和i+3期间，从中继节点R至信号节点S1和S2的通信。以下将参照图2更详细地描述使用两步骤通信协议的本发明的实施例。图2是流程图，将基于图2的流程图来描述本发明性系统及其功能，为了描述，假定在步骤S100，传输从第一时隙i开始。在时隙i中，第一信号节点或信号源S1还有第二信号源或第二信号节点&向中继站R发送第一信号Si,如图1中的实线箭头所示。在中继站或中继节点R处接收这些信号。
在下一时隙i+1中，从信号节点S1*^向中继节点R发送第二信号Si+1，再次如图 1中的实线箭头所示以及如图2的步骤S102所示。在步骤S104，在中继节点处接收这些信号。在中继节点R的CPU 300处，对在连续时隙i和i+Ι期间从信号节点S1和&接收的信号进行网络编码，更具体地，基于从信号节点S1和&接收的第一信号来产生第一网络编码信号，基于在中继节点R处接收的第二信号来产生第二网络编码信号，以下将进一步详细描述。在完成网络编码信号的产生之后，在时隙i+2，中继站R发送第一和第二网络编码信号，如步骤S106所示。更具体地，中继节点R经由其第一天线ANTki发送第一网络编码信号，并经由其第二天线ANTk2发送第二网络编码信号。在信号节点S1和&处接收这些信号。 在下一时隙中，优选地在时隙i+3中，如步骤S108所示，中继节点R再次发送第一和第二编码信号，然而在该时隙中，中继节点经由其第二天线ANTk2发送第一网络编码信号，并经由其第一天线ANTki发送第二网络编码信号。同样地，信号节点S1和&接收所发送的网络编码信号。在步骤S110，在第一和第二信号节点S1和&处，基于所接收的第一和第二网络编码信号，并基于从相应信号节点向中继站R原始发出的第一和第二信号，来确定源自另一信号源的相应信号。如上所述，尽管图1和2以及优选实施例的后续描述涉及仅包括两个信号节点和一个中继节点的网络，但是本发明不限于这种网络，而是可以采用各种网络配置，网络可以包括多个中继节点和多于两个信号节点。此外，中继节点可以包括多于两个天线，从而允许根据本发明的教导将两步骤通信协议扩展至在使用中继节点来互相通信的网络内的多于两个信号节点之间的通信。以下将基于图1所示的网络来描述本发明性的两步骤通信协议的进一步细节。在图1的规范的双向网络中，信号节点S1和&在彼此的通信范围之外，并且要交换消息。它们通过在源节点S1和&的范围内的中继节点R来通信。假定在通过i，/e 2所枚举的连续时隙中组织传输。源节点S1*^均包括单一收发信机天线αν \*ΑΝΤ2。与传统系统不同，本发明性系统包括中继节点R，中继节点R具有两个收发信机天线ANTki和ANTk2,而不是仅具有单一收发信机天线。由于源自源节点S1和&的信号互相独立并且在本地移动 (locally displaced)，并且由于中继节点R具有两个收发信机天线ANTki和ANTK2，系统可以被视为2X2空间复用MIMO系统。在中继节点R发送信息并且源节点S1和&接收信息的情况下，系统可以被视为两个2X 1MIS0系统。因此，图1的中继网络受益于虚拟MIMO概念，利用所有节点的所有天线的同时操作。根据本发明的实施例，通过针对图1所示的MIMO中继系统的两步骤协议，获得与 MIMO相结合的网络编码能力的益处。该协议被称为MINEC (ΜΙΜΟ网络编码)。以下将给出的数学描述涉及传输系统的基带模型。MINEC步骤1.信号节点发送在第一 MINEC步骤中，图1中的源节点S1和&同时发送数据。源节点S1在第i时隙发送的信号表示为#⑷，源节点&在第i+i时隙发送的信号表示为力,(O。类似地，源节点 S2在第i和第i+Ι时隙发送的信号分别表示为#⑴和憑(O。发送信号斤(O, (O, #⑴和巧力)是二进制相移键控(BPSK)调制信号，每个信号包括连续发送的N个比特(假定单载波传输)。&表示比特能量，Tb表示比特持续时间。表示源节点S1在时隙i发送的数据序列的数据向量为
/ ⑴一“⑴ h的V
权利要求
1.一种用于由中继站(R)在第一信号源(S1)与第二信号源(S2)之间中继信号(Si， si+1)的方法，所述中继站(R)包括至少两个天线(ANTK1，ANTk2)，用于从第一和第二信号源 (S1, S2)接收信号/向第一和第二信号源(S1, S2)发送信号，所述方法包括(a)在中继站(R)处，对从第一和第二信号源(S1)接收的第一和第二信号进行网络编码(S104)，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及(b)使用不同天线(ANTK1，ANTk2)从中继站(R)向第一和第二信号源(S1;S2)多重发送 (S106, S108)第一和第二网络编码信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括在中继站(R)处，从第一信号源(S1)连续接收(S102，S104)第一信号和第二信号，并从第二信号源(S2)连续接收第一信号和第二信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(b)包括在第一时刻，通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送(S106)第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第二网络编码信号；以及在第一时刻之后的第二时刻，通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送(S108)第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第二网络编码信号。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中在第一时隙，在中继站(R)处从第一和第二信号源(S1, S2)接收第一信号；在第二时隙，在中继站(R)处从第一和第二信号源(S1, S2)接收第二信号；在第三时隙，通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第二网络编码信号；以及在第四时隙，通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第二网络编码信号。
5.一种用于在第一信号源(S1)与第二信号源(S2)之间传输信号的方法，第一和第二信号源(SpS2)经由中继站(R)互相通信，所述中继站(R)包括至少两个天线(ANTki，ANTk2)， 用于从第一和第二信号源(SnS2)接收信号/向第一和第二信号源(S1, S2)发送信号，所述方法包括(a)从第一信号源(S1)连续发送(S100，S102)第一信号和第二信号，并从第二信号源 (S2)连续发送第一信号和第二信号；(b)根据权利要求1至4之一所述的方法，对来自第一和第二信号源(S1A2)的第一和第二信号进行中继(S104-S108)；以及(c)在第一和第二信号源(SnS2)中的每个信号源处，基于在该信号源处接收到的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定(SllO)源自第一和第二信号源(S1, 中的另一信号源的第一和第二信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤(c)包括在第一信号源(S1)处，基于第一和第二网络编码信号以及第一信号源(S1)的第一和第二信号，获得源自第二信号源(S2)的第一和第二信号；以及在第二信号源(S2)处，基于第一和第二网络编码信号以及第二信号源(S2)的第一和第二信号，获得源自第一信号源(S1)的第一和第二信号。
7.一种用于在信号源(S1A2)处从远程信号源(S2A1)接收多个信号的方法，所述方法包括(a)在所述信号源(S1,S2)处接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过对所述信号源(Si，S2)和所述远程信号源的第一信号进行网络编码而获得的，且所述第二网络编码信号是通过在所述远程信号源处对所述信号源(S1, S2)的第二信号进行网络编码而获得的；以及(b)基于第一和第二网络编码信号以及所述信号源(S1,S2)的第一和第二信号来确定源自所述远程信号源(SyS1)的第一和第二信号。
8.一种计算机可读介质，包括多个指令，用于执行权利要求1至7之一所述的方法，其中，指令由计算机执行。
9.一种用于在第一信号源(S1)与第二信号源(S2)之间中继信号的中继站，包括 至少两个天线(ANTki，ANTe2)，用于接收/发送信号；以及处理器(300)，被配置为促使对从第一和第二信号源(S1, S2)接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号；以及使用不同天线(ANTK1，ANTk2)从中继站向第一和第二信号源(S1, S2)多重发送第一和第二网络编码信号。
10.根据权利要求9所述的中继站，被配置为在天线(ANTK1，ANTK2)处从第一信号源(S1) 连续接收第一信号和第二信号，以及从第二信号源(S2)连续接收第一信号和第二信号。
11.根据权利要求9或10所述的中继站，其中，处理器(300)还被配置为促使在第一时刻，通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第二网络编码信号；以及在第一时刻之后的第二时刻，通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第二网络编码信号。
12.根据权利要求9至11之一所述的中继站，其中在第一时隙，从第一和第二信号源(S1, S2)接收第一信号； 在第二时隙，从第一和第二信号源(S1, S2)接收第二信号；在第三时隙，通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第一网络编码信号，并通过中继站的第二天线(ANTk2)发送第二网络编码信号；以及在第四时隙，通过中继站(R)的第二天线(ANTk2)发送第一网络编码信号，并通过中继站(R)的第一天线(ANTki)发送第二网络编码信号。
13.一种系统，包括 第一信号源(S1)； 第二信号源(S2)；以及根据权利要求8至11之一所述的中继站(R)； 其中，各个信号源(S1, S2)被配置为促使从第一信号源(S1)连续发送第一信号和第二信号，并从第二信号源(S2)连续发送第一信号和第二信号；以及基于在该信号源处接收的第一和第二网络编码信号，并基于该信号源的第一和第二信号，确定源自第一和第二信号源(S1, 中的另一信号源的第一和第二信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中第一信号源(S1)被配置为，基于第一和第二网络编码信号以及第一信号源(S1)的第一和第二信号，获得源自第二信号源(S2)的第一和第二信号；以及第二信号源(S2)被配置为，基于第一和第二网络编码信号以及第二信号源(S2)的第一和第二信号，获得源自第一信号源(S1)的第一和第二信号。
15.一种用于从远程信号源(S1, S2)接收多个信号的信号源，包括天线(ANTK1，ANTk2)，被配置为接收第一网络编码信号和第二网络编码信号，所述第一网络编码信号是通过在所述远程信号源(S1, S2)处对所述信号源的第一信号进行网络编码而获得的，所述第二网络编码信号是通过对所述信号源和所述远程信号源(Si，S2)的第二信号进行网络编码而获得的；以及处理器(100，200)，被配置为基于第一和第二网络编码信号以及基于信号源的第一和第二信号，来确定源自所述远程信号源(S1, 的第一和第二信号。
全文摘要
本发明描述了一种用于在第一信号源(S1)与第二信号源(S2)之间中继信号的中继站和方法。中继站(R)包括至少两个天线(ANTR1，ANTR2)，用于从第一和第二信号源(S1，S2)接收/向第一和第二信号源(S1，S2)发送信号。在中继站(R)处，对从第一和第二信号源(S1，S2)接收的第一和第二信号进行网络编码，从而产生第一网络编码信号和第二网络编码信号。使用不同天线(ANTR1，ANTR2)从中继站(R)向第一和第二信号源(S1，S2)发送第一和第二网络编码信号。
文档编号H04B7/26GK102549935SQ200980161580
公开日2012年7月4日 申请日期2009年9月24日 优先权日2009年9月24日
发明者亚历山大·菲斯曼, 吉多·布鲁克, 安德鲁斯·沃德特, 彼得·云格 申请人:杜伊斯堡-埃森大学