雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法，通信節(jié)點(diǎn)采用波形已知的通信信號(hào)通過不同通信信道發(fā)送包含有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的訓(xùn)練序列到中繼節(jié)點(diǎn)；中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收的多路疊加信號(hào)過采樣得到采樣信號(hào)，采樣信號(hào)經(jīng)匹配濾波器濾波后輸出的相同相位的采樣點(diǎn)構(gòu)成接收向量；采用訓(xùn)練序列和接收向量計(jì)算似然函數(shù)，利用通信信號(hào)的波形已知及訓(xùn)練序列正交的條件，分離出不同通信信號(hào)的似然函數(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了時(shí)間偏移的低復(fù)雜度、低過采樣率估計(jì)。本發(fā)明方法的時(shí)鐘估計(jì)性能良好，低過采樣率達(dá)到2時(shí)，相比于傳統(tǒng)的時(shí)間偏移的估計(jì)算法，在信噪比大于5dB時(shí)，本發(fā)明的估計(jì)算法的均方誤差性能至少要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。
【專利說明】雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法，尤其涉及一種雙向中繼信道物理層網(wǎng) 絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法，屬于數(shù)字通信領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] Shengli Zhang等人于2006年首次提出了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（Physical-Layer Network Coding, PNC)的概念。該概念一提出，迅速引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和 重視。PNC采用的主要思想是：在中繼節(jié)點(diǎn)采用恰當(dāng)?shù)挠成錂C(jī)制，將相互疊加的電磁信號(hào) 映射為相應(yīng)數(shù)字比特流的異或，使得干擾變成網(wǎng)絡(luò)編碼算法操作的一部分。它能極大地提 高系統(tǒng)的吞吐量，例如，在雙向中繼信道中，相比傳統(tǒng)路由方案PNC的系統(tǒng)吞吐量可以提升 100 %，這一優(yōu)點(diǎn)也讓它越來越廣泛地應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和軍事通信中。
[0003] 目前關(guān)于PNC的研究結(jié)果，例如多輸入多輸出PNC(Multiple Input Multiple Output PNC，MM0 PNC)、多路PNC(Multi-Way PNC)，多假定端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)能夠同時(shí)到 達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)。然而在實(shí)際情況中，端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)在經(jīng)歷不同的信道抵達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)后，到 達(dá)的時(shí)間難免存在相對(duì)時(shí)間偏移。因此PNC系統(tǒng)中的時(shí)鐘估計(jì)是必不可少的。
[0004] 有資料公開了雙向中繼的PNC同步問題，主要研究載波相位及載波頻率誤差和時(shí) 間同步誤差這兩個(gè)方面的非同步對(duì)系統(tǒng)性能的影響，研究結(jié)果表明在QPSK調(diào)制方式下，兩 種情形中的非同步平均功率總損失大約為3?4dB，但很少有資料公開PNC的時(shí)鐘估計(jì)方 法。雖然有資料公開了 PNC在時(shí)鐘異步情況下，利用置信傳播（Belief Propagation, BP) 算法，可降低誤比特率性能損失，并且證明了若結(jié)合信道編碼，存在符號(hào)時(shí)鐘和載波相位異 步時(shí)可減輕性能損失，但這是以提高系統(tǒng)復(fù)雜度和降低系統(tǒng)的信息傳輸效率為代價(jià)的。
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，對(duì)于雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的通信網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)，在兩端節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻未知且不同的情況下，亟需開發(fā)一種用 于雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的過采樣率低的復(fù)雜度低的時(shí)鐘估計(jì)方法，且所述時(shí)鐘估 計(jì)方法中涉及的過采樣率在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)受實(shí)際情況限制不大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在實(shí)際的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼通信網(wǎng)絡(luò)中，由不同端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)在經(jīng)歷不同的信 道抵達(dá)同一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)后，其到達(dá)的時(shí)間往往是不同步的，難免存在相對(duì)時(shí)間偏移。為了實(shí) 現(xiàn)不同端節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信號(hào)相對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)能充分疊加，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)同步要求較高， 否則物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)勢(shì)受到嚴(yán)重影響。由于不同節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)經(jīng) 歷的信道不同，要保障完全同步到達(dá)中繼節(jié)點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)，因此，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中的 時(shí)鐘估計(jì)是必不可少。本發(fā)明的目的是提供一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣 率時(shí)鐘估計(jì)方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘 估計(jì)方法，包括通信節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于，包括以下步驟：
[0008] 步驟1第一通信節(jié)點(diǎn)采用波形已知的第一通信信號(hào)通過第一通信信道發(fā)送包含 有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第一訓(xùn)練序列到中繼節(jié)點(diǎn)，第二通信節(jié)點(diǎn)采用第二通信信號(hào)經(jīng)第 二通信信道同時(shí)發(fā)送包含有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第二訓(xùn)練序列到中繼節(jié)點(diǎn)；所述第一訓(xùn) 練序列和第二訓(xùn)練序列為正交訓(xùn)練序列；
[0009] 步驟2中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)所接收的由第一通信信號(hào)和第二通信信號(hào)疊加構(gòu)成的接收信 號(hào)進(jìn)行過采樣得到采樣信號(hào)，所述采樣信號(hào)經(jīng)匹配濾波器濾波后輸出的相同相位的采樣點(diǎn) 構(gòu)成接收向量；
[0010] 步驟3采用步驟1中的第一訓(xùn)練序列以及步驟2的接收向量計(jì)算出第一通信信號(hào) 的第一似然函數(shù)，采用步驟1中的第二訓(xùn)練序列以及步驟2的接收向量計(jì)算出第二通信信 號(hào)的第二似然函數(shù)，第一似然函數(shù)和第二似然函數(shù)相互獨(dú)立；
[0011] 步驟4根據(jù)步驟3得到的第一似然函數(shù)和第二似然函數(shù)分別估計(jì)第一通信信號(hào)到 中繼節(jié)點(diǎn)的第一時(shí)間偏移和第二通信信號(hào)到中繼節(jié)點(diǎn)的第二時(shí)間偏移。
[0012] 本發(fā)明還有如下進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案。
[0013] 進(jìn)一步地，所述第一訓(xùn)練序列和第二訓(xùn)練序列為長(zhǎng)度Nt的恒包絡(luò)零自相關(guān)的訓(xùn)練 序列：
[0014] 訓(xùn)練序列的表達(dá)式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法，包括通信節(jié)點(diǎn)和中 繼節(jié)點(diǎn)，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1第一通信節(jié)點(diǎn)采用波形已知的第一通信信號(hào)通過第一通信信道發(fā)送包含有循 環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第一訓(xùn)練序列到中繼節(jié)點(diǎn)，第二通信節(jié)點(diǎn)采用第二通信信號(hào)經(jīng)第二通 信信道同時(shí)發(fā)送包含有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第二訓(xùn)練序列到中繼節(jié)點(diǎn)；所述第一訓(xùn)練序 列和第二訓(xùn)練序列為正交訓(xùn)練序列； 步驟2中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)所接收的由第一通信信號(hào)和第二通信信號(hào)疊加構(gòu)成的接收信號(hào)進(jìn) 行過采樣得到采樣信號(hào)，所述采樣信號(hào)經(jīng)匹配濾波器濾波后輸出的相同相位的采樣點(diǎn)構(gòu)成 接收向M ; 步驟3采用步驟1中的第一訓(xùn)練序列以及步驟2的接收向量計(jì)算出第一通信信號(hào)的第 一似然函數(shù)，采用步驟1中的第二訓(xùn)練序列以及步驟2的接收向量計(jì)算出第二通信信號(hào)的 第二似然函數(shù)，第一似然函數(shù)和第二似然函數(shù)相互獨(dú)立； 步驟4根據(jù)步驟3得到的第一似然函數(shù)和第二似然函數(shù)分別估計(jì)第一通信信號(hào)到中繼 節(jié)點(diǎn)的第一時(shí)間偏移和第二通信信號(hào)到中繼節(jié)點(diǎn)的第二時(shí)間偏移。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì) 方法，其特征在于：所述第一訓(xùn)練序列和第二訓(xùn)練序列為長(zhǎng)度Nt的恒包絡(luò)零自相關(guān)的訓(xùn)練 序列； 訓(xùn)練序列的表達(dá)式如下：
式中，u(a) = exp (j π a2/Nt)，a = 0,1，表示 Chirp 序列，C1 為第一訓(xùn)練序列， C2為第二訓(xùn)練序列；第一訓(xùn)練序列和第二訓(xùn)練序列分別從第一通信節(jié)點(diǎn)和第二通信節(jié)點(diǎn)同 時(shí)發(fā)射。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì) 方法，其特征在于：所述波形已知的第一通信信號(hào)和第二通信信號(hào)由根升余弦脈沖成形濾 波器產(chǎn)生；包含有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第一通信信號(hào)和包含有循環(huán)前綴和循環(huán)后綴的第 二通信信號(hào)在中繼節(jié)點(diǎn)疊加形成疊加信號(hào)r (t)，中繼節(jié)點(diǎn)以Q/T的采樣率對(duì)疊加信號(hào)r (t) 進(jìn)行過采樣得到采樣信號(hào)，采樣信號(hào)經(jīng)匹配濾波器濾波后輸出的相同相位的采樣點(diǎn)構(gòu)成接 收向量r (k)，其中Q為過采樣率，T為碼元周期，接收向量r (k)的表達(dá)式如下：
式中，Es為符號(hào)能量，Ci為第i訓(xùn)練序列，Pi (k)為升余弦脈沖向量，w(k)為噪聲向量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì) 方法，其特征在于：所述第一似然函數(shù)和第二似然函數(shù)的表達(dá)式如下 ： Al(Ir) = Icfr(Ir)I2
式中，Ci為第i訓(xùn)練序列，r(k)為接收向量，AiGO為第i通信信號(hào)的第i似然函 數(shù)，ε' i為第i通信信號(hào)的時(shí)間偏移；e' p ε' 2是接收信號(hào)的第一個(gè)采樣點(diǎn)分別與 第一訓(xùn)練序列C1、第二訓(xùn)練序列C2的下一個(gè)最近的最佳采樣點(diǎn)之間的時(shí)間偏移，ε' i， ε' 2e(〇,〇.5)，從接收向量r(k)分離出來ε' ρε' 2得到兩個(gè)獨(dú)立的似然函數(shù) Λ i (k)，分別估計(jì)出第一通信信號(hào)和第二通信信號(hào)的時(shí)間偏移。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過采樣率時(shí)鐘估計(jì) 方法，其特征在于：步驟4中時(shí)間偏移的估計(jì)算法如下 ： 由于發(fā)送信號(hào)的波形是已知的，令過采樣率Q = 2,從而可以得到Ai(O)和Ai(I),進(jìn) 而可以得到兩者的差值變量φ=Η2[ρ2(_ε' Α-ρΥΟ.δΤ-ε' J)]=H2f(e' D，其中 = ε' ie(〇,〇.5)，第一通信信號(hào)和第二通信信號(hào)由根升余弦脈沖成形濾波 器產(chǎn)生，屯和￡',存在一對(duì)一的映射關(guān)系，即存在f(·)的反函數(shù)戶（·），使ε' i = ΓΗφ/Η2)，實(shí)現(xiàn)估計(jì)第一通信信號(hào)的第一時(shí)間偏移ε' i、第二通信信號(hào)的第二時(shí)間偏移 ε ' 2，從而得到第一通信信號(hào)的第一時(shí)間偏移估計(jì)值A(chǔ)、第二通信信號(hào)的第二時(shí)間偏移估 計(jì)值
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的一種雙向中繼信道物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的低過 采樣率時(shí)鐘估計(jì)方法，其特征在于：所述循環(huán)前綴為N個(gè)比特，取自訓(xùn)練序列的后N位；循 環(huán)后綴為N個(gè)比特,取自訓(xùn)練序列的前N位。
【文檔編號(hào)】H04L7/00GK104393978SQ201410743771
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】黨小宇, 李強(qiáng), 劉兆彤, 黎寧, 虞湘賓 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)