基于mimo和pnc融合的无线多跳路由网络传输方法
【专利摘要】本发明基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法，属于无线中继通信【技术领域】，本发明在单中继多向信道系统的基础上，全面考虑了用户节点和中继节点天线数目是否满足约束条件的两种情况，然后进行了MIMO和PNC的融合，利用MIMO技术把多径传播环境转变为对用户有力的因素，利用MIMO信道提供的空间复用增益来提高信道容量，同时又利用MIMO信道提供的分集增益来改善传输可靠性；同时利用物理层网络编码进一步缩减信号传输的时隙，从而提高系统的吞吐量。基于两种技术的融合，使得系统的吞吐量和可靠性得到了较大地提升了。
【专利说明】 基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线中继通信【技术领域】，具体涉及一种基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法。
【背景技术】
[0002]随着无线多跳网络的快速发展，网络容量和通信可靠性问题越来越凸显出来。无线频谱资源的匮乏严重制约了传输速率和通信可靠性的提高，所以，改善网络的传输速率和通信质量的关键就是提高频谱的有效利用率。其中，多输入多输出(Multiple-1nputMultiple-Output,ΜΙΜΟ)技术因为在提升数据传输速率和传输可靠性方面的巨大潜力而被看作是提高频率利用率的有效手段。另外，利用中继帮助源节点转发信息的协同通信技术也是一种可以有效提升频谱利用率的措施。
[0003]MIMO技术是使用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术。其主要特征是把多径传播环境转变为对用户有力的因素:利用MMO信道提供的空间复用增益来提高信道容量，同时又利用MIMO信道提供的分集增益来改善传输可靠性。这种能极大地提高无线通信性能，又不需要以频谱为代价的技术以被3GPP LTE(Long Term Evolution, LTE),(LTE-Advanced)、IEEE802.16m等众多无线通信标准所采纳。
[0004]网络编码(Network Coding, NC)是一种融合编码和路由的信息交换技术,在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，提高网络整体性能。其中，物理层网络编码(Physical-layer networkcoding, PNC)更进一步地提高了吞吐量。它的原理是在物理层根据电磁波的叠加原理使中继节点接收到的是两个源节点数据包叠加的结果，然后中继节点对叠加的数据包进行解码去掉噪声，调制，广播给两个源节点，这样能够进一步降低中继通信所需时间，因此更进一步提闻吞吐量。
[0005]PNC和MMO技术都能够有效地提高系统吞吐量。前者在存在信息交换的通信过程中通过减少传输时隙提高系统吞吐量；后者通过增加收发端的天线数，利用无线空间的多样性构建并行传输的通信信道，有效地提高系统总的吞吐量。但这两种技术又存在明显的差别，如何将两种技术进行融合，使得系统的性能有大幅度的提升，是最关键的问题，但目前有关这方面的研究还比较欠缺。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法，以达到提升系统的吞吐量和可靠性的目的。
[0007]一种基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1、搭建系统环境；
[0009]所述的系统环境包括两种，选择其中一种进行搭建，其中，
[0010]搭建第一种系统环境，具体如下:[0011] 将一个路由器作为中继节点，确定该路由器的天线数目；并且使网络中每个用户通过路由器均能与其他用户进行通信，同时确定用户的个数和每个用户的天线个数，其中，每个用户的天线个数应大于用户的个数减一，再根据用户个数获得网络中用户对个数；
[0012]搭建第二种系统环境，具体如下:
[0013]将一个路由器作为中继节点，确定该路由器的天线数目；并且将网络中所有用户平均分为丙组，一组中的一个用户与另一组中的一个对应用户进行通信，同时确定用户的个数和每个用户的天线个数，根据用户个数获得网络中用户对个数；
[0014]步骤2、对用户要发送的信息进行预编码，具体如下:
[0015]步骤2-1、判断路由器天线数Nk是否小于每个用户天线数Nt的2倍并大于用户对数M,若是，则执行步骤2-2，否则执行步骤2-5 ；
[0016]其中，R表示中继天线；T表示用户天线；
[0017]步骤2-2、计算每个用户对的信道矩阵Hfci]和信道矩阵HfcU，将获得的信道矩阵H[r；i]与信道矩阵相结合，获得矩阵Am，其中-H[r；J]]；
[0018]其中，i表示用户i，j表示用户j ;m表示任意一个用户对；r表示任意用户对用到的中继天线；
[0019]步骤2-3、计算矩阵Am的正交投影矩阵，对上述正交投影矩阵进行特征值分解，获得Nt个特征值为O的特征向量和2NT-NK个特征值为I的特征向量，所述2NT-NK个特征值为I的特征向量即为该用户对可选择的预编码向量；
[0020]步骤2-4、获得M个用户对的(2NT-NK)M种编码组合，计算每种编码组合情况下，所有用户对在中继节点的M个接收信噪比，并在上述M个信噪比中选择其最小信噪比，进一步获得所有编码组合的(2NT-NK)M个最小信噪比，再从该(2NT-NK)M个最小信噪比中选择其最大信噪比，则该最大信噪比所对应的编码向量即为选择的预编码向量；
[0021]步骤2-5、确定路由器需要使用的天线个数，具体为:
[0022]步骤2-5-1、计算获得分集增益，确定分集增益最大时对应的路由器天线个数即为路由器需要使用的天线个数队;
[0023]分集增益计算公式如下:
[0024]d = {2NT-Nr\Nr-M + \)(I)
[0025]步骤2-5-2、从路由器天线中选择出队个天线，即产4 C种选择组合，在每种组合情况下，根据步骤2-4，从(2NT-NK)M个最小信噪比中选择最大信噪比，即C种天线选择
组合获得个最大信噪比，再从该(完个最大信噪比中选择其最大信噪比，则该最大信噪比所对应的编码向量即为选择的预编码向量；
[0026]步骤2-6、将M个用户对的信号分别与获得的预编码向量相乘，即完成对用户对的预编码；
[0027]步骤3、所有用户同时向路由器发送已经预编码后的信号；
[0028]步骤4、路由器通过正交投影检测的方式从接收的叠加信号中检测出每个用户对所发送的信号，具体为:
[0029]步骤4-1、根据获得的每个用户对的预编码向量，获得每个用户对的对齐向量，进而获得所有用户对的对齐向量；
[0030]每个用户对的对齐向量Um，公式如下:
[0031]um=H[r； JjVtjj ^ (2)
[0032]其中，1≤m≤M，v[J；i]表示用户i发送信号至用户j的预编码向量；
[0033]步骤4-2、获得全部用户对的对齐向量矩阵，公式如下:
[0034]U=Lu1, u2,..., um,..., uM] (3)
[0035]其中，U表示全部用户对的对齐向量矩阵:
[0036]步骤4-3、在对齐向量矩阵中删除第m列向量，并对删除后的矩阵求解正交投影矩阵，根据获得的正交投影矩阵和被删除的向量，获得检测向量，具体如下:
[0037]Clffl=ZfflUffl ⑷
[0038]其中，dm表示检测向量，Zffl表示删除后的矩阵所求解的正交投影矩阵；
[0039]步骤4-4、将获得的检测向量矩阵与路由器接收的叠加信号相乘，即检测到每个用户对的发送信号；
[0040]步骤5、利用任意一个用户对向路由器发送的两个信号的原始星座图进行叠加，获得接收映射星座图，利用该星座图对每个用户对的叠加信号进行映射，得到映射后的编码，即完成对每个用户对的物理层网络编码；
[0041]步骤6、根据全部用户对的对齐向量矩阵和一个对角矩阵，获得新的预编码向量，将完成物理层网络编码后的信号与新的预编码向量相乘，即完成物理层网络编码后的信号重新进行预编码；
[0042]新的预编码矩阵P公式如下:
[0043]P=(Uh)-1T (5)
[0044]其中，T表示一个对角矩阵，
【权利要求】
1.一种基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、搭建系统环境； 所述的系统环境包括两种，选择其中一种进行搭建，其中， 搭建第一种系统环境，具体如下: 将一个路由器作为中继节点，确定该路由器的天线数目；并且使网络中每个用户通过路由器均能与其他用户进行通信，同时确定用户的个数和每个用户的天线个数，其中，每个用户的天线个数应大于用户的个数减一，再根据用户个数获得网络中用户对个数； 搭建第二种系统环境，具体如下: 将一个路由器作为中继节点，确定该路由器的天线数目；并且将网络中所有用户平均分为两组，一组中的一个用户与另一组中的一个对应用户进行通信，同时确定用户的个数和每个用户的天线个数，根据用户个数获得网络中用户对个数； 步骤2、对用户要发送的信息进行预编码，具体如下: 步骤2-1、判断路由器天线数Nk是否小于每个用户天线数Nt的2倍并大于用户对数Μ，若是，则执行步骤2-2，否则执行步骤2-5 ； 其中，R表示中继天线；Τ表示用户天线； 步骤2-2、计算每个用户对的信道矩阵％』和信道矩阵将获得的信道矩阵Hfci]与信道矩阵Hfcj]相结合，获得矩阵Am，其中Am= [%』，_%』]； 其中，i表示用户i，j表示用户j ;m表示任意一个用户对；r表示任意用户对用到的中继天线； 步骤2-3、计算矩阵Am的正交投影矩阵，对上述正交投影矩阵进行特征值分解，获得Nt个特征值为O的特征向量和2NT-NK个特征值为I的特征向量，所述2NT-NK个特征值为I的特征向量即为该用户对可选择的预编码向量； 步骤2-4、获得M个用户对的(2NT-NK)M种编码组合，计算每种编码组合情况下，所有用户对在中继节点的M个接收信噪比，并在上述M个信噪比中选择其最小信噪比，进一步获得所有编码组合的(2NT-NK)M个最小信噪比，再从该(2NT-NK)M个最小信噪比中选择其最大信噪比，则该最大信噪比所对应的编码向量即为选择的预编码向量； 步骤2-5、确定路由器需要使用的天线个数，具体为: 步骤2-5-1、计算获得分集增益，确定分集增益最大时对应的路由器天线个数即为路由器需要使用的天线个数队； 分集增益计算公式如下:
2.根据权利要求2所述的基于MMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法，其特征在于:步骤I所述的获得用户对个数，具体如下: 第一种系统环境中，获得用户对个数M公式如下:
【文档编号】H04W40/02GK103648140SQ201310682618
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】宋清洋, 周厉宁, 李勋, 丛笑竹 申请人:东北大学