双向多输入多输出中继信道中物理层网络编码的检测方法

摘要

一种双向多输入多输出中继信道中物理层网络编码的检测方法，分初步检测和二次检测两阶段。在初步检测阶段，采用迫零检测或联合迫零检测算法，得到中继节点信息的判决初始值。在二次检测阶段，若判决初始值为+1，那么对两个信源节点信息的和进行检测，检测结果为+1，确认初始判决，检测结果为-1，再对两个信源节点信息的差进行检测，检测结果为-1，纠正初始判决，检测结果为+1，维持初始判决，更新过程结束；若判决初始值为-1，那么对两个信源节点信息的差进行检测，检测结果为-1，确认初始判决，检测结果为+1，再对两个信源节点信息的和进行检测，检测结果为+1，纠正初始判决，检测结果为-1，维持初始判决，更新过程结束。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种双向多输入多输出中继信道中的检测方法。

背景技术

将中继引入无线通信网络，可取得提高频谱效率、增大覆盖面积和节省无线资源等诸多优势。双向中继信道是一种典型的传输信道，其简单模型为两个源节点通过中继节点交换信息。传统上，在时分双工系统(time division duplex，TDD)中完成一次数据交换需要四个阶段。为了提高资源利用率，人们引入网络编码来提高频谱效率。利用数字网络编码(digital network coding，DNC)，可以只需要三个阶段完成一次信息交换。如果采用模拟网络编码(analognetwork coding，ANC)或物理层网络编码(physical-layer network coding，PNC)，那么仅在两个阶段内就可以完成一次信息交换。数字网络编码采用译码转发，需要对两个信源节点信息分别进行完全译码，而模拟网络编码采用放大转发，源节点需要利用自干扰消除获得各自已知信息。

将物理层网络编码应用到新一代无线通信系统中，中继节点不需要对两个源节点信息分别进行完全译码，仅需要将接收到的混合信号进行检测并映射成可表示两个信源节点信息逻辑关系的中继节点信息。从网络角度来看，人们已经证明物理层网络编码技术可以以固定因子来提高网络容量。另外，在网络信息论框架下，现有研究表明物理层网络编码无论在低信噪比和高信噪比区域都接近于双向中继信道的容量。在中继节点配置单天线的情况下，物理层网络编码的研究受到了广泛的关注。但是，采用最大似然检测方法对两个信源节点信息进行检测，系统误码率仍较高，在实际中难以得以应用。在新一代无线通信系统中，多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)技术已经作为移动通信标准，具有提高系统容量的优点。在两个源节点多接入阶段，可以通过MIMO技术来提高物理层网络编码检测信号的准确性。同时，在中继节点广播中继节点检测信号阶段，可以通过MIMO技术来保证信源节点接收物理层网络编码检测信号的可靠性。因此，结合物理层网络编码和MIMO技术成为了新一代无线通信系统中新的研究热点。

目前，已有一些学者对双向MIMO中继信道中基于物理层网络编码的检测问题进行了研究。一方面，在两个信源节点已知信道状态信息情况下，信源节点在同时传输各自信息的第一阶段通过预编码来达到在中继节点具有相同相位和接收功率的目的，人们提出了基于迫零(zero-forcing，ZF)的预编码、基于一般Schur分解的预编码等方案。但是，在实际应用中信源节点获知上行信道状态信息实现复杂，特别是对于多天线情况。另一方面，在两个信源节点未知信道状态信息情况下，人们开展了基于物理层网络编码的最大似然(maximum-likelihood，ML)检测和最大后验概率检测。但是，这些方法复杂度随着星座大小和中继节点天线数指数增长，具有较高的复杂度。在实际中，线性检测具有较低的复杂度，例如，迫零检测和最小均方误差(minimum meansquare error，MMSE)检测。S.Zhang等人在“Physical layer network coding withmultiple antennas.in Proc.of IEEE WCNC，April.2010，pp.1-6.”一文中，针对双向MIMO中继信道，提出了一种基于物理层网络编码的线性检测方法，不是单独对两个信源节点信息线性检测，而是对两个信源节点信息的和与差线性检测再进行联合似然比判决。对比单独对两个信源节点信息线性检测，该方法可以明显提高检测性能。但是，相对于迫零检测，该方法需要已知系统的噪声方差信息，给迫零检测方法带来了额外的开销，记为联合迫零检测；相对于最小均方误差检测，该方法由于引入似然比函数复杂度较高，记为联合最小均方误差检测。因此，针对双向MIMO中继信道，在迫零检测方法上设计检测方法进一步提高中继节点的检测性能，而不需要已知系统的噪声方差信息，或增加较低复杂度来进一步提高中继节点的检测性能将更符合实际应用，但这样的研究及方法却未有出现过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种双向多输入多输出中继信道中物理层网络编码的检测方法，所有节点调制方式为正交相移键控调制(quadrature phase shift keying，QPSK)或二进制相移键控调制(binary phaseshift keying，BPSK)，分初步检测和二次检测两阶段，通过联合两个信源节点信息的和与差进行二次检测，可以在初步检测上进一步提高检测性能。对于传统迫零检测方法，本发明能兼顾性能优化和复杂度保证，而对于联合迫零检测方法，本发明以增加较低的复杂度来获得检测性能较大的提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双向多输入多输出中继信道中物理层网络编码的检测方法，其特征在于：

第一步：在一个双向多输入多输出中继信道中，信源节点A和信源节点B分别借助中继节点R将各自的信息传输给对方信源节点，其中信源节点A和信源节点B均配置单天线，中继节点R配置多天线，天线个数为N_R，所有节点调制方式为正交相移键控调制或二进制相移键控调制，并且，信源节点A和信源节点B同时传输信息给中继节点R，在中继节点R处的接收信号表示为其中n是中继节点R处的噪声，表示为N₀是单个天线的噪声方差，I是单位矩阵；H＝[h_A，h_B]，H为信道系数矢量，h_A是信源节点A到中继节点R的信道系数矢量，h_B是信源节点B到中继节点R的信道系数矢量；x＝[x_A，x_B]^T，x为信源节点传输符号，x_A是信源节点A的传输符号，x_B是信源节点B的传输符号，每个符号的传输功率为P；

第二步：中继节点对接收信号进行初步检测，得到中继节点信息x_R的实部和虚部的初始值，具体采用如下方法之一：

a.方法一：传统迫零检测

迫零检测器表示为D₁，D₁＝(H_HH)^-1H^H，那么两个信源节点信息的估计值为其中是信源节点A的信息x_A的估计值，是信源节点B的信息x_B的估计值，对两个信源节点信息的估计值判断，i∈{A，B}，如果那么如果那么如果那么如果那么得到两个信源节点信息的判决值如果那么x_R的实部判定为如果那么x_R的实部判定为同样的，如果那么x_R的虚部判定为如果那么x_R的虚部判定为

b.方法二：联合迫零检测

联合迫零检测器表示为D₂，D₂＝((HM^-1)^H(HM^-1))^-1(HM^-1)^H，进一步简化为D₂＝D₁M或D₂＝MD₁，其中那么两个信源节点信息的和与差的估计值为其中是信源节点A的信息x_A与信源节点B的信息x_B的和x_A+x_B的估计值，是信源节点A的信息x_A与信源节点B的信息x_B的差x_A-x_B的估计值，利用似然比函数作为判决准则，

中继节点信息x_R的实部的似然比判决函数具体表示为：

其中，j∈{1，2}；

中继节点信息x_R的虚部的似然比判决函数具体表示为：

其中，i∈{1，2}，

根据似然比检测，中继节点信息x_R的实部和虚部分别通过下面的判决得到

和

第三步：中继节点将第二步检测出的中继节点信号实部和虚部作为初始值，进行二次检测，分实部和虚部两个模块并行处理，获得中继节点信息x_R的实部和虚部的最终判决值，具体的二次检测更新过程如下：

A.对中继节点信息x_R的实部进行二次检测，如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为

如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束；

如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束；

B.对中继节点信息x_R的虚部进行二次检测，如果在第二步中中继节点信息x_R的虚部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果

进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为更新过程结束；

如果在第二步中中继节点信息x_R的虚部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为更新过程结束。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及显著效果：

本发明的适用范围是双向多输入多输出中继信道场景，其中两个信源节点和中继节点均采用正交相移键控调制或二进制相移键控调制，在初步检测的方法上，联合两个信源节点信息的和与差进行二次检测，以提高中继节点的检测性能为目的。对比传统迫零检测方法，本方法在传统迫零检测的基础上，引入联合两个信源节点信息的和与差的二次检测，可以进一步提高检测性能，在不需要已知系统噪声方差信息的条件下，可以获得与传统最小均方误差检测和联合迫零检测方法的近似性能。对比联合迫零检测，本方法在联合迫零检测的基础上，引入联合两个信源节点信息的和与差的二次检测，利用增加二次检测模块来获得较大性能的提高。本发明从实际应用考虑，二次检测模块中中继节点信息的实部和虚部的二次检测可以并行处理，基本判断模块可以共用，硬件实现简单，实用性强。

附图说明

图1是一个典型的时分双工系统下双向多输入多输出中继信道示意图，信源节点A和信源节点B分别借助中继节点R将各自的信息传输给对方信源节点，其中信源节点A和信源节点B均配置单天线，中继节点R配置多天线。

图2是本发明中继节点信息检测的总体流程图。

图3是本发明中继节点信息的实部二次检测算法流程图。

图4是本发明中继节点信息的虚部二次检测算法流程图。

图5是在中继节点天线数N_R＝2情况下，双向多输入多输出中继信道中所有节点采用二进制相移键控调制下，本发明初步检测采用迫零检测，第二步采用二次检测，与迫零检测、联合迫零检测和最小均方误差检测的误比特率性能比较。

图6是在中继节点天线数N_R＝4情况下，双向多输入多输出中继信道中所有节点采用二进制相移键控调制下，本发明初步检测采用迫零检测，第二步采用二次检测，与迫零检测、联合迫零检测和最小均方误差检测的误比特率性能比较。

图7是在中继节点天线数N_R＝2情况下，双向多输入多输出中继信道中所有节点采用二进制相移键控调制下，本发明初步检测采用联合迫零检测，第二步采用二次检测，与迫零检测和联合迫零检测的误比特率性能比较。

图8是在中继节点天线数N_R＝4情况下，双向多输入多输出中继信道中所有节点采用二进制相移键控调制下，本发明初步检测采用联合迫零检测，第二步采用二次检测，与迫零检测和联合迫零检测的误比特率性能比较。

具体实施方式

第一步：在一个双向多输入多输出中继信道中，信源节点A和信源节点B分别借助中继节点R将各自的信息传输给对方信源节点，其中信源节点A和信源节点B均配置单天线，中继节点R配置多天线，天线个数为N_R，所有节点调制方式为正交相移键控调制或二进制相移键控调制，并且，信源节点A和信源节点B同时传输信息给中继节点R，在中继节点R处的接收信号表示为其中n是中继节点R处的噪声，表示为N₀是单个天线的噪声方差，I是单位矩阵；H＝[h_A，h_B]，H为信道系数矢量，h_A是信源节点A到中继节点R的信道系数矢量，h_B是信源节点B到中继节点R的信道系数矢量；x＝[x_A，x_B]^T，x为信源节点传输符号，x_A是信源节点A的传输符号，x_B是信源节点B的传输符号，每个符号的传输功率为P；

第二步：中继节点对接收信号进行初步检测，得到中继节点信息x_R的实部和虚部的初始值，具体采用如下方法之一：

a.方法一：传统迫零检测

迫零检测器表示为D₁，D₁＝(H^HH)^-1H^H，那么两个信源节点信息的估计值为其中是信源节点A的信息x_A的估计值，是信源节点B的信息x_B的估计值，对两个信源节点信息的估计值判断，i∈{A，B}，如果那么如果那么如果那么如果那么得到两个信源节点信息的判决值如果那么x_R的实部判定为如果那么x_R的实部判定为同样的，如果那么x_R的虚部判定为如果那么x_R的虚部判定为

b.方法二：联合迫零检测

联合迫零检测器表示为D₂，D₂＝((HM^-1)^H(HM^-1))^-1(HM^-1)^H，进一步简化为D₂＝D₁M或D₂＝MD₁，其中那么两个信源节点信息的和与差的估计值为其中是信源节点A的信息x_A与信源节点B的信息x_B的和x_A+x_B的估计值，是信源节点A的信息x_A与信源节点B的信息x_B的差x_A-x_B的估计值，利用似然比函数作为判决准则，

中继节点信息x_R的实部的似然比判决函数具体表示为：

其中，j∈{1，2}；

中继节点信息x_R的虚部的似然比判决函数具体表示为：

其中，i∈{1，2}，

根据似然比检测，中继节点信息x_R的实部和虚部分别通过下面的判决得到

和

第三步：中继节点将第二步检测出的中继节点信号实部和虚部作为初始值，进行二次检测，分实部和虚部两个模块并行处理，获得中继节点信息x_R的实部和虚部的最终判决值，具体的二次检测更新过程如下：

A.对中继节点信息x_R的实部进行二次检测，如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束；

如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束；

B.对中继节点信息x_R的虚部进行二次检测，如果在第二步中中继节点信息x_R的虚部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为更新过程结束；

如果在第二步中中继节点信息x_R的虚部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的虚部最终判定为更新过程结束。

以下结合附图提供具体的实例：

在一个双向多输入多输出中继信道中，信源节点A和信源节点B分别借助中继节点R将各自的信息传输给对方信源节点，其中信源节点A和信源节点B均配置单天线，中继节点R配置多天线，天线个数为N_R＝2或N_R＝4，所有节点调制方式为二进制相移键控调制，那么只需要对中继节点信息的实部检测，H＝[h_A，h_B]，H为信道系数矢量，h_A是信源节点A到中继节点R的信道系数矢量，信道系数矢量h_A中每个元素都服从h_B是信源节点B到中继节点R的信道系数矢量，信道系数矢量h_B中每个元素都服从x＝[x_A，x_B]^T，x为信源节点传输符号，x_A是信源节点A的传输符号，x_B是信源节点B的传输符号，每个符号的传输功率为1，每个信源节点的数据包包括512个比特，每个信源节点发送100个数据包，整个实例的实现过程如下：

第一步：信源节点A和信源节点B同时传输信息给中继节点R，在中继节点R处的接收信号表示为其中n是中继节点R处的噪声，表示为N₀是单个天线的噪声方差，I是单位矩阵；

第二步：中继节点对接收信号进行初步检测，具体采用传统迫零检测或联合迫零检测，得到中继节点信息x_R的实部的初始值；

第三步：中继节点将第二步检测出的中继节点信号实部作为初始值，进行二次检测，具体的二次检测更新过程如下：

如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束；

如果在第二步中中继节点信息x_R的实部初始值进行下面的更新过程：

(1)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为

如果进入下一步更新过程；

(2)计算其中y为中继节点R处的接收信号，判断是否大于1，如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为如果那么将中继节点信息x_R的实部最终判定为更新过程结束。

本发明检测初步检测采用传统迫零检测，图5和图6分别给出了在中继节点天线数N_R＝2和N_R＝4时本发明检测方法与迫零检测、联合迫零检测和最小均方误差检测的误比特率性能比较，可以看出，本发明检测在不需要已知系统噪声方差信息的条件下，可以获得与传统最小均方误差检测和联合迫零检测的近似性能，而联合迫零检测和最小均方误差检测方法需要系统噪声方差信息，中继节点天线数N_R＝2时在误比特率为10^-2处，从图5中可以看出，对比迫零检测，本发明检测可以获得近似2dB的增益；中继节点天线数N_R＝4时在误比特率为10^-3处，从图6中可以看出，对比迫零检测，本发明检测可以获得近似0.5dB的增益。

本发明检测初步检测采用联合迫零检测，图7和图8给出了在中继节点天线数N_R＝2和N_R＝4时本发明检测方法与迫零检测和联合迫零检测的误比特率性能比较，可以看出，引入联合两个信源信息的和与差的二次检测，利用增加二次检测模块能获得较大性能的提高，中继节点天线数N_R＝2时在误比特率为10^-2处，从图7中可以看出，对比联合迫零检测，本发明检测可以获得近似2dB的增益；中继节点天线数N_R＝4时在误比特率为10^-3处，从图8中可以看出，对比联合迫零检测，本发明检测可以获得近似0.5dB的增益。