基于MIMO和PNC融合的无线多跳路由网络传输方法

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。

主权项

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N_R是否小于每个用户天线数N_T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；其中，R表示中继天线；T表示用户天线；步骤2-2、计算每个用户对的信道矩阵H_[r,i]和信道矩阵H_[r,j]，将获得的信道矩阵H_[r,i]与信道矩阵H_[r,j]相结合，获得矩阵A_m，其中A_m=[H_[r,i],-H_[r,j]]；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A_m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N_T个特征值为0的特征向量和2N_T-N_R个特征值为1的特征向量，所述2N_T-N_R个特征值为1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(2N_T-N_R)^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(2N_T-N_R)^M个最小信噪比，再从该(2N_T-N_R)^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N_r；分集增益计算公式如下：$d_{j\to i}^{*}=({2N}_T-N_R)(N_R-M+1)---\left(1\right)$步骤2-5-2、从路由器天线中选择出N_r个天线，即产生种选择组合，在每种组合情况下，根据步骤2-4，从(2N_T-N_R)^M个最小信噪比中选择最大信噪比，即种天线选择组合获得个最大信噪比，再从该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；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；步骤3、所有用户同时向路由器发送已经预编码后的信号；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：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；每个用户对的对齐向量u_m，公式如下：u_m=H_[r,i]v_[j,i]    （2）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；步骤4-2、获得全部用户对的对齐向量矩阵，公式如下：U=[u₁,u₂,...,u_m,...,u_M]    （3）其中，U表示全部用户对的对齐向量矩阵；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：d_m=Z_mu_m    （4）其中，d_m表示检测向量，Z_m表示删除后的矩阵所求解的正交投影矩阵；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；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；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；新的预编码矩阵P公式如下：P=(U^Η)^-1T    （5）其中，T表示一个对角矩阵，$T=\mathrm{diag}\left\{\begin{array}{cccc}\sqrt{\frac{1}{p_1^H{p}_1}}& \sqrt{\frac{1}{p_2^H{p}_2}}& ,...,& \sqrt{\frac{1}{p_M^H{p}_M}}\end{array}\right\},$H表示共轭转置，p_m表示第m个用户对的新预编码向量，并且1≤m≤M；步骤7、路由器将编码后的信号发送至用户；步骤8、在路由器发送的信号中，采用指向性检测方法，即将检测向量与接收到的路由器发送的信号相乘，则接收用户检测获得自身对应编码的信号；检测向量公式如下：$d_{[j,i]}=\sqrt{p_m^H{p}_m}{v}_{[j,i]}---\left(6\right)$其中，d_[j,i]表示用户j获得用户i发送的信息所用的检测向量；步骤9、将用户自身发送的信号与检测得到的编码信号进行比特位异或处理，获得实际接收的信号。