Способ ортогонального пространственно-временного кодирования в сети и система ретрансляционной передачи

Способ ортогонального пространственно-временного кодирования в сети и система ретрансляционной передачи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии кодирования в сети беспроводной связи, в частности к способу ортогонального или распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования и системе ретрансляционной передачи, основанной на этом способе.

Уровень техники

Беспроводная мобильная связь следующего поколения будет предоставлять все больше высокоскоростных служб мультимедиа и служб данных. Однако многолучевое замирание в мобильном канале является одной из главных помех, влияющих на качество связи и скорость передачи. За последние годы одной из актуальных проблем исследования является использование технологии ретрансляции для обеспечения дополнительных коэффициентов усиления при разнесенном приеме пользователям мобильной связи, с тем чтобы устранить влияние многолучевого замирания. Крупномасштабная беспроводная радиорелейная сеть, как правило, включает в себя множество узлов-источников и множество ретрансляционных узлов. В традиционных схемах ретрансляции (таких как ретрансляция с применением одиночной антенны и ретрансляция с применением системы со многими входами и многими выходами (MIMO)) необходимо пересылать данные для каждого узла-источника по отдельности, что приводит к значительному уменьшению эффективности передачи, поскольку масштаб сети увеличивается.

Посредством выполнения определенной линейной или нелинейной обработки (кодирования) информации в виде данных, принимаемой на множестве входных линий связи, сетевое кодирование может повышать пропускную способность сети, уменьшать число передач пакетов данных, улучшать свойство отказоустойчивости и эксплуатационную надежность сети и, таким образом, обладать выгодной перспективой применения в беспроводной радиорелейной сети.

Наряду с увеличением числа информационных источников в сети, в случае применения к сети беспроводной связи, традиционное сетевое кодирование, которое использует коллективный способ, может достигать пропускной способности только 1/(N+1) символов в секунду для пользователя. Для решения этой проблемы предложено освоить способ сетевого кодирования в комплексной области, который работает на символьном уровне физического слоя. Этот способ может достигать пропускной способности ¹/₂ символов для пользователя в течение символьного периода и подходит больше для области беспроводной связи.

Однако вышеупомянутый способ предусматривает только случай, когда для ретрансляции используется одна антенна, и не принимает во внимание ситуацию, когда для ретрансляции используется множество антенн или имеется множество ретрансляционных узлов. Вместе с тем система беспроводной связи с множеством входов и множеством выходов может всесторонне использовать трехмерные ресурсы пространства, времени и частоты и обладает широкой перспективой применения в будущих системах мобильной связи.

Раскрытие изобретения

С учетом вышеизложенного один аспект настоящего изобретения заключается в предоставлении способа ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования, решении технической проблемы низкой сетевой пропускной способности ретрансляционного(-ых) узла(-ов) и больших потерь при разнесенном приеме в сети беспроводной связи, включающей в себя целевой узел, узел-источник и ретрансляционный(-ые) узел(-ы).

Для достижения вышеупомянутой цели техническое решение настоящего изобретения реализовано следующим образом:

Способ ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования содержит следующие этапы:

Этап А, на котором узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных на ретрансляционный узел и целевой узел, причем для этапа А требуется T_SR символьных периодов; и

Этап В, на котором ретрансляционный узел выполняет ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передает кодированные данные на целевой узел, причем для этапа В требуется два символьных периода.

Этап А представляет собой этап, на котором узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных. Как показывает сплошная линия на Фиг.1, на этом этапе N_S узлов-источников осуществляют одновременную широковещательную передачу информации в виде данных на ретрансляционный узел R и целевой узел D. Сигналы, принимаемые ретрансляционным узлом R и целевым узлом D в t-й символьный период, обозначены как y_SR(t) и y_SD(t) соответственно. Для этапа требуется T_SR символьных периодов.

Этап В представляет собой этап, на котором ретрансляционный узел выполняет ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу. Как показывает пунктирная линия на Фиг.1, на этом этапе необходимо выполнить пять процессов, включающих в себя декодирование на ретрансляционном узле, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, пространственно-временное кодирование сжатых данных и пространственно-временную передачу. Упомянутые пять процедур описаны далее совместно с Фиг.2.

Процесс декодирования на ретрансляционном узле состоит в том, что ретрансляционный узел R выполняет декодирование по максимальной вероятности в соответствии с принимаемым сигналом y_SR(t), чтобы получить оценочную информацию x ^ ( t ) сигнальных векторов x(t), передаваемых посредством N_S узлов-источников:

x ^ ( t ) = arg min x ( t ) ‖ y S R ( t ) − H S R x ( t ) ‖ 2

при этом x ^ ( t ) = [ x ^ 1 ( t ) … x ^ N s ( t ) ] T , t=0, 1, 2, …, T_SR-1, и H S R = [ h S 1 R , … , h S N s R ] - матрицы замирания каналов между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R.

Процесс группирования оценочной информации состоит в том, что ретрансляционный узел R разделяет оценочную информацию сигнальных векторов, передаваемых всеми N_S узлами-источниками от нулевого символьного периода до (T_SR-1)-го символьного периода, на два вектора-столбца с размерностью T S R N S 2 × 1 , при этом первый вектор x ^ 1 содержит оцениваемую ретрансляционным узлом оценочную информацию сигнальных векторов, передаваемых N_s узлами-источниками от нулевого символьного периода до ( T S R 2 − 1 ) -го символьного периода, т.е. x ^ 1 ( t ) = [ x ^ T ( 0 ) x ^ T ( 1 ) … x ^ T ( T S R 2 − 1 ) ] T , и второй вектор x ^ 2 содержит оцениваемую ретрансляционным узлом оценочную информацию сигнальных векторов, передаваемых N_S узлами-источниками от ( T S R 2 ) -го символьного периода до (T_SR-1)-го символьного периода, т.е. x ^ 2 ( t ) = [ x ^ T ( T S R 2 ) x ^ T ( T S R 2 + 1 ) … x ^ T ( T S R − 1 ) ] T .

Процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что вектор-столбец x ^ 1 размерностью T S R N S 2 × 1 , который получается во время процесса группирования оценочной информации, сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку P_j с размерностью 1 × T S R N S 2 умножают слева на вектор-столбец x ^ 1 , чтобы получить x R 1 , причем P_j представляет собой значение весового коэффициента сетевого кодирования, который используется для сжатия вектора-столбца x ^ 1 с размерностью T S R N S 2 × 1 в комплексный сигнал, чтобы улучшить производительность сетевого кодирования; и вектор-столбец x ^ 2 с размерностью T S R N S 2 × 1 , который получается во время процесса группирования оценочной информации, сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку P_j с размерностью 1 × T S R N S 2 умножают слева на вектор-столбец x ^ 2 , чтобы получить x R 2 .

Процесс пространственно-временного кодирования сжатых данных состоит в том, что сигналы x R 1 и x R 2 , получаемые во время процесса сжатия оценочной информации, формируют матрицу 2×2, причем элементом в первой строке и первом столбце матрицы 2×2 является x R 1 , элементом в первой строке и втором столбце матрицы 2×2 является x R 2 , элементом во второй строке и первом столбце матрицы 2×2 является отрицательное сопряжение x R 2 , т.е. - x R 2 * , и элементом во второй строке и втором столбце матрицы 2×2 является сопряжение x R 1 , т.е. x R 1 * . Матрица 2×2 выглядит следующим образом:

[ x R 1 x R 2 − x R 2 * x R 1 * ] = [ P j x ^ 1 P j x ^ 2 − ( P j x ^ 2 ) * ( P j x ^ 1 ) * ] .

Процесс пространственно-временной передачи состоит в том, что матрицу 2×2 передают соответствующим образом посредством двух антенн ретрансляционного узла в течение двух символьных периодов, причем два сигнала в первой строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR, т.е. первая антенна передает сигнал x R 1 в символьном периоде T_SR, и вторая антенна передает сигнал x R 2 в символьном периоде T_SR; и два сигнала во второй строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR+1, т.е. первая антенна передает сигнал − x R 2 * в символьном периоде T_SR+1, и вторая антенна передает сигнал x R 1 * в символьном периоде T_SR+1.

Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении системы ретрансляционной передачи с использованием ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования, основанной на способе ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования. Для достижения этой цели техническое решение настоящего изобретения реализовано следующим образом.

Система ретрансляционной передачи с использованием ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования, содержащая целевой узел, узел-источник и ретрансляционный узел, отличается тем, что:

узел-источник используется для осуществления широковещательной передачи информации в виде данных на ретрансляционный узел и целевой узел в T_SR символьных периодах; и

ретрансляционный узел используется для выполнения ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования принятой информации в виде данных и передачи кодированных данных на целевой узел, причем ретрансляционный узел совершает пять процедур в течение двух символьных периодов, а именно процесс декодирования на ретрансляционном узле, процесс группирования оценочной информации, процесс сжатия оценочной информации, процесс пространственно-временного кодирования сжатых данных и процесс пространственно-временной передачи.

Этапы обработки системы ретрансляционной передачи с использованием ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования аналогичны этапам способа ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования.

Другими словами, в настоящем изобретении оценочные сигналы ретрансляционного узла в T_SR символьных периодах разделяют на две группы для сетевого пространственно-временного кодирования и передают в двух символьных периодах, при этом пропускная способность может достигать T S R T S R + 2 символов для пользователя в течение символьного периода, причем пропускная способность увеличивается с увеличением T_SR, что не может быть достигнуто обычной ретрансляционной коллективной связью.

Сеть беспроводной связи, показанная на Фиг.7, содержит один целевой узел, множество узлов-источников, каждый из которых имеет одну антенну, и два ретрансляционных узла, каждый из которых имеет только одну антенну, формируя таким образом распределенную ретрансляционную сеть. В распределенной ретрансляционной сети необходимо управлять мощностью каждого ретрансляционного узла. Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования. Для достижения этой цели техническое решение настоящего изобретения реализовано следующим образом:

на этапе А узлы-источники осуществляют широковещательную передачу информации в виде данных на ретрансляционные узлы и целевой узел, причем для данного этапа требуется T_S символьных периодов; и

на этапе В ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передают кодированные данные на целевой узел, причем для данного этапа требуется два символьных периода.

Этап А представляет собой этап осуществления узлами-источниками широковещательной передачи информации в виде данных, на котором N_s узлов-источников осуществляют одновременную широковещательную передачу информации в виде данных на ретрансляционные узлы R₁ и R₂ и целевой узел D, причем сигнальный вектор, передаваемый N_S узлами-источниками, обозначается как x ^ ( t ) = [ x ^ 1 ( t ) … x ^ N s ( t ) ] T , при этом сигналы, принимаемые ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в t-м символьном периоде, обозначаются соответственно как y S R 1 ( t ) и y S R 2 ( t ) , а сигнал, принимаемый целевым узлом D в t-м символьном периоде, обозначается как y_SD(t). На этом этапе требуется T_S символьных периодов.

Этап В представляет собой этап, на котором ретрансляционный узел R₁ и ретрансляционный узел R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, причем для этого требуется выполнение пяти процедур, а именно декодирование на ретрансляционных узлах, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, управление мощностью ретрансляционных узлов и распределенное пространственно-временное кодирование и передачу сжатых данных.

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс декодирования на ретрансляционных узлах состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют декодирование по максимальной вероятности в соответствии с принимаемыми сигналами y S R 1 ( t ) и y S R 2 ( t ) , при этом оценочная информация сигнального вектора, которая передается N_S узлами-источниками и получается в результате декодирования на ретрансляционном узле R₁, обозначается как x ^ 1 ( t ) = [ x ^ 1,1 ( t ) … x ^ 1, N s ( t ) ] T , а оценочная информация сигнального вектора, которая передается N_S узлами-источниками и получается в результате декодирования на ретрансляционном узле R₂, обозначается как x ^ 2 ( t ) = [ x ^ 2,1 ( t ) … x ^ 2, N s ( t ) ] T , причем оценочная информация x ^ 1 ( t ) и x ^ 2 ( t ) вычисляется в соответствии со следующими формулами:

x ^ 1 ( t ) = arg min x ( t ) ‖ y S R 1 ( t ) − H S R 1 x ( t ) ‖ 2

x ^ 2 ( t ) = arg min x ( t ) ‖ y S R 2 ( t ) − H S R 2 x ( t ) ‖ 2

При этом H S R 1 = [ h S 1 R 1 , … , h S N s R 1 ] - матрица замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁, а H S R 2 = [ h S 1 R 2 , … , h S N s R 2 ] - матрица замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₂.

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс группирования оценочной информации состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ группируют оценочную информацию x ^ 1 ( t ) и x ^ 2 ( t ) сигнальных векторов, которая передается N_S узлами-источниками и получается в результате декодирования на ретрансляционных узлах R₁ и R₂ соответственно, чтобы получить два вектора-столбца с размерностью T S N S 2 × 1 = 2 N S × 1 .

Ретрансляционный узел R₁ разделяет оценочные сигналы x ^ 1 ( 0 ) , … , x ^ 1 ( T S − 1 ) в T_S символьных периодах на две части:

x ^ 1,1 = [ x ^ 1 T ( 0 ) , … , x ^ 1 T ( T S 2 − 1 ) ] T = [ x ^ 1,1 ( 0 ) , … , x ^ 1, N S ( 0 ) , … , x ^ 1,1 ( T S 2 − 1 ) , … , x ^ 1, N S ( T S 2 − 1 ) ] T ;

x ^ 1,2 = [ x ^ 1 T ( T S 2 ) , … , x ^ 1 T ( T S − 1 ) ] T = [ x ^ 1,1 ( T S 2 ) , … , x ^ 1, N S ( T S 2 ) , … , x ^ 1,1 ( T S − 1 ) , … , x ^ 1, N S ( T S − 1 ) ] T .

Ретрансляционный узел R₂ разделяет оценочные сигналы x ^ 2 ( t ) , … , x ^ 2 ( t + T S − 1 ) в T_S символьных периодах на две части:

x ^ 2,1 = [ x ^ 2 T ( 0 ) , … , x ^ 2 T ( T S 2 − 1 ) ] T = [ x ^ 2,1 ( 0 ) , … , x ^ 2, N S ( 0 ) , … , x ^ 2,1 ( T S 2 − 1 ) , … , x ^ 2, N S ( T S 2 − 1 ) ] T ;

x ^ 2,2 = [ x ^ 2 T ( T S 2 ) , … , x ^ 2 T ( T S − 1 ) ] T = [ x ^ 2,1 ( T S 2 ) , … , x ^ 2, N S ( T S 2 ) , … , x ^ 2,1 ( T S − 1 ) , … , x ^ 2, N S ( T S − 1 ) ] T .

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ соответствующим образом сжимают четыре вектора-столбца x ^ 1,1 , x ^ 1,2 , x ^ 2,1 и x ^ 2,2 с размерностью T S N S 2 × 1 = 2 N S × 1 , используя единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью 1 × T S N S 2 = 1 × 2 N S , т.е. ретрансляционный узел R₁ умножает слева единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью 1 × T S N S 2 = 1 × 2 N S на векторы-столбцы x ^ 1,1 и x ^ 1,2 соответственно, чтобы получить x R 1 ( 0 ) = P i x ^ 1,1 и x R 1 ( 1 ) = P i x ^ 1,2 , а ретрансляционный узел R₂ умножает слева единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью 1 × T S N S 2 = 1 × 2 N S на векторы-столбцы x ^ 2,1 и x ^ 2,2 соответственно, чтобы получить x R 2 ( 0 ) = P i x ^ 2,1 и x R 2 ( 1 ) = P i x ^ 2,2 , при этом P_i представляет собой значение весового коэффициента сетевого кодирования.

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс управления мощностью ретрансляционных узлов состоит в том, что ретрансляционный узел R₁ и ретрансляционный узел R₂ вычисляют евклидово расстояние d S R 1 , min между ретрансляционным узлом R₁ и N_S узлами-источниками и евклидово расстояние d S R 2 , min между ретрансляционным узлом R₂ и N_S узлами-источниками в соответствии со способом модуляции, используемым N_S узлами-источниками, матрицу H S R 1 замирания канала между узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁ и матрицу H S R 2 замирания канала между узлами-источниками и ретрансляционным узло