专利名称：多输入多输出 y 信道中基于网络编码的信号传输方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及预编码和网络编码，具体地说是一种基于网络编码的信号传输方法，可用于多输入多输出Y信道中，以在保证最大自由度可达的基础上提高系统的可达和速率。
背景技术：
传统的双向中继信道是一对用户或多对用户通过中继互发信息，这种模型下，每个用户只给其中一个用户发送信息，同时接收来自这个用户发送的信息。在实际应用中，每个用户经常需要给多个用户发送信息，同时接收来自不同用户的信息。在这种情形下，出现了多向中继信道模型，多输入多输出Y信道就是其中一种重要的通信模式。多输入多输出Y信道模型如
图1所示。它包括三个用户节点和一个中继节点，其中每个用户节点装备M根天线，中继节点装备N根天线。不同的用户之间没有直接的链路， 且每个用户节点通过中继节点给另外两个用户节点各发送一个单播信息，具体的通信过程如下首先，三个用户节点同时发送数据给中继节点，这个阶段称为MAC阶段；然后，中继节点对接收到的信息进行处理后广播给三个用户节点，这个阶段称为BC阶段；最后，由三个用户节点分别根据自己的接收信号以及自己在MAC阶段所发送的信息译出另外两个用户节点发给自己的信息。韩国学者Namyoon Lee 等在文章〃 Degrees of Freedom of the ΜΙΜΟ Y Channel Signal Space Alignment for Network coding, IEEE Trans. Inform. Theory"中对多输入多输出Y信道的自由度进行了分析，文章通过在MAC阶段采用信号空间对齐技术和在 BC阶段采用基于网络编码的干扰消除波束成形技术，证明了当7V2「3M/2l时，多输入多输出Y信道在译码转发模式下的最大自由度为3M，即每个用户可以发送M个独立的数据流， 「3M/2]表示大于等于3M/2的最小整数。虽然文章中给出了多输入多输出Y信道的最大自由度，但如何优化其预编码设计，从而在保证最大自由度可达的基础上提高系统的和速率仍是需要解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，根据放大转发模式下的多输入多输出Y信道模型，提出一种多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，以在保证最大自由度可达的基础上提高系统的和速率。实现本发明的目的技术方案，包括如下步骤(1)用户节点对原始信号进行预编码步骤每个用户节点将发给另外两个用户节点的信息进行预编码，得到发送用户节点的 MXl 维发送信号
权利要求
1. 一种多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，包括(1)用户节点对原始信号进行预编码步骤每个用户节点将发给另外两个用户节点的信息进行预编码，得到发送用户节点的MXl 维发送信号为= Σ，式中i表示发送用户节点，j表示接收用户节点，且i，j e {1,2,3}, i兴j，M表示发送用户节点处配制的天线个数，且M为偶数，s[J'i]是发送用户节点i发给接收用户节点j 的M/2X1个数据流构成的原始信号向量，该向量的每个元素是均值为零、方差为1的相互独立的随机变量，Σ [j’i]是^2\11/2的发送节点功率分配对角矩阵，Wn(P)是^2\皿/2 用户节点附加预编码矩阵，下标η (j，i)是一个索引函数，满足η (i，j) = η (j，i)，且有 π (1,2) = 1，π (1,3) = 2，π (2,3) = 3，因此有 Wnai) =ffn(1,2) =WijW^3j1) = l(1,3)= W2, W, (3,2) =Wn(2,3) =W3, 乂"]是1\1/2的信号空间对齐矩阵，满足!1[1^￥“]=妒’、"’ J], H[r'i]表示用户节点i到中继节点r的NXM的信道矩阵，N表示中继节点r处配置的天线个数，且有N = 3M/2，该信道矩阵的每个元素为服从均值为零、方差为1的相互独立的复高斯随机变量；(2)用户节点向中继节点发送信号步骤发送用户节点i将进行预编码得到的发送信号Xi发送给中继节点r，得到中继节点的 NXl维接收信号为yr = ^Ht-1Xi+nri=\=U1W1Str41 + U2W2Str^21 + U3W3Str31 + nr，式中，sfc’i] =Σ [2'1]s[2'1]+ Σ [1'2]s[1'2]表示用户节点1与用户节点2的对齐信号，s[r' 2] =Σ [3'1]s[3'1]+ Σ [1’3]s[1’3]表示用户节点1与用户节点3的对齐信号，s[r'3] =Σ [3’2]s[3’2]+Σ [2’3]s[2’3]表示用户节点2与用户节点3的对齐信号，U1 = H[ra]V[2'1] = H[r'2]V[1'2]表示信道矩阵妒’1]与信道矩阵泸’2]的列空间的交空间，U2 = H[r'1]V[3'1] = H[r'3]V[1'3]表示信道矩阵与信道矩阵泸'3]的列空间的交空间，U3 = H[r'2]V[3'2] = H[r'3]V[2'3]表示信道矩阵 H[r'2]与信道矩阵泸’3]的列空间的交空间， 是NX1的噪声向量，该向量的每个元素是均值为零、方差为<的相互独立的复高斯随机变量；(3)中继节点对接收信号进行预编码步骤(3a)中继节点r对接收信号ι中包含的对齐信号#’1]，#’2]和进行分离，用A 1] &Μ/2ΧΝ维分离矩阵H1乘以yr，满足HJU2 U3] = Om72xm，得到第一个分离后的对齐信号 y[ra] = Hl7r = H1U1W1St^H1Iv0M/2XM 表示 M/2XM 的全零矩阵，类似地，选择一2]，s[r'3]的分离矩阵H2, H3，分别满足H2 [U1 U3] = 0M/2XM, H3LU1 U2] = Om72xm，得到第二个分离后的对齐信号 yfr’2] = H2yr = H2U2ff2s[r'2]+H2nr 和第三个分离后的对齐信号，y[r,3] = H3yr = H3U3W3St’3]+H3nr；(3b)对分离后的对齐信号yfr’1]，y[r,2]，y"进行预编码，得到NXl的发送信号
2.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中所述步骤(1)中的信号空间对齐矩阵ν '’i]是根据信道矩阵Ht'i]和Ht'J]按如下方式之一确定方式一，设乂㈣^⑶及^的第！^列分别为彳久彳21,!^，!^ e {1,2, .",ΜΛ}，根据信号空间对齐矩阵V[2’1]和V[1’2]需要满足的条件Η[ ’1]ν[2’1] = H[r'2]V[1'2] = U1,将这三个列向量的求解等价于求解下面的方程
3.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中所述步骤(1)中的用户节点附加预编码矩阵Wi是通过如下方式确定的将矩阵HiUyi e {1,2,3}进行奇异值分解，得到H双=1^^%，式中，Hi表示对齐信号s[r,i]的分离矩阵，Ui表示对应的用户节点到中继节点的一对信道矩阵的列空间的交空间，上标H表示共轭转置，Um和Vu]是M/2XM/2的酉矩阵，Σ 是Μ/2ΧΜ/2的对角阵，根据上述奇异值分解得到的酉矩阵Vm，选择用户节点附加预编码矩阵为=Wi = Vm, i e {1,2,3}。
4.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中所述步骤(1)中的发送节点功率分配矩阵Σ [J'i]的对角元素，是按照如下方式进行确定的设发送用户节点功率分配矩阵乙b.’i]的第k个对角元素为wplke {1,2,…，M/2}， 设定用户节点i的发送信号Xi满足功率约束条件为E{ir(x,xf)}<iy，即
5.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中所述步骤(3b)中的中继节点附加预编码矩阵^卩]，按照如下方式确定将矩阵HiUyi e {1,2,3}进行奇异值分解，得到
6.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中 k,3 k[2,3](3)4所述步骤(3b)中的干扰消除矩阵V[i’义是根据信道矩阵H[〃]按照如下方式之一进行确定方式1，设干扰消除矩的第k列为e {1,2,…，Μ/2}，根据干扰消除矩阵V[1'r]需要满足的条件:
7.根据权利要求1所述的多输入多输出Y信道中基于网络编码的信号传输方法，其中步骤(3b)中所述的对角元素的值根据对齐信号
全文摘要
本发明公开了一种多输入多输出 Y 信道中基于网络编码的信号传输方法，主要解决现有技术的可达和速率较小的问题。其实现步骤包括用户节点对原始信号进行预编码，即将信号空间对齐矩阵，用户节点附加预编码矩阵，以及功率分配矩阵与原始信号向量相乘；用户节点将预编码得到的信号发送给中继节点；中继节点将接收信号进行分离，并将分离信号与干扰消除矩阵，中继节点附加预编码矩阵，以及功率分配矩阵相乘，得到中继节点的发送信号；中继节点将预编码得到的发送信号广播给用户节点；用户节点根据接收信号及自己发送的信号恢复数据。仿真结果表明，本发明与现有的信号传输方法相比，其可达和速率有了较大提高。
文档编号H04L1/00GK102510324SQ20121000036
公开日2012年6月20日 申请日期2012年1月2日 优先权日2012年1月2日
发明者孙岳, 常光辉, 李颖, 林昊, 苏玉萍 申请人:西安电子科技大学