一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法及通信方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法及通信方法，該方法針對(duì)雙向協(xié)作中繼信道中計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼工作方式的特點(diǎn)，將中繼節(jié)點(diǎn)的編碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型；針對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題的特點(diǎn)，通過(guò)提升、凸松弛、生成割平面等步驟將原優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為較易求解的新松弛規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)對(duì)松弛規(guī)劃問(wèn)題的求解以有效獲取原問(wèn)題的最優(yōu)解。編碼系數(shù)向量的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性能指標(biāo)有著重要影響，本發(fā)明提出的方法能有效獲取當(dāng)前信道狀態(tài)下的最優(yōu)系數(shù)向量組合，為計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼的應(yīng)用提供了良好的優(yōu)化基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法及通 信方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及物理層網(wǎng)絡(luò)編碼下的協(xié)作通信技術(shù)，提出了 一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線通信系統(tǒng)中，發(fā)射信號(hào)通過(guò)電磁波在物理層進(jìn)行傳輸。在無(wú)線多源通信網(wǎng)絡(luò) 中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的廣播特性使得接收節(jié)點(diǎn)可能會(huì)在同一時(shí)隙內(nèi)接收到來(lái)自于多個(gè)不同源節(jié)點(diǎn) 的發(fā)射信息，這將引起不同傳輸信號(hào)間的相互干擾，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。因此，接收端 如何有效處理多個(gè)接收信號(hào)之間的相互干擾問(wèn)題是無(wú)線通信技術(shù)研究的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
[0003] 近年來(lái)，線性網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中已取得了令人矚目的研究成果。網(wǎng) 絡(luò)編碼具有較強(qiáng)的兼容能力及信息提取能力，這使得解決上述多用戶(hù)信號(hào)間的干擾問(wèn)題成 為可能。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼方案大都運(yùn)行在MAC層，為了減少對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)軟硬件設(shè)備 和協(xié)議的相應(yīng)修改，一般采用MAC層資源及用戶(hù)調(diào)度算法盡量減少干擾。但在發(fā)送多源數(shù)據(jù) 時(shí)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼方法仍然效率不高。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，如何有效利用發(fā)射節(jié)點(diǎn)的廣播特性 來(lái)提升無(wú)線信道容量顯得更加重要。
[0004] 基于嵌套Lattice的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)編碼方案，不但可以解決高階調(diào)制下中繼節(jié)點(diǎn) 處的解碼問(wèn)題，而且能接近AWGN雙向中繼信道容量。Lattice編碼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得疊加后的 信號(hào)矢量仍然是一個(gè)碼字，中繼節(jié)點(diǎn)只需解碼各個(gè)碼字的線性組合。目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲取各 中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的線性組合信息，即可有效解碼源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種雙向協(xié)作中繼信道 計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法及通信方法，本發(fā)明能夠有效獲取當(dāng)前信道狀態(tài)下的最優(yōu) 系數(shù)向量組合，為計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼的應(yīng)用提供了良好的優(yōu)化基礎(chǔ)。
[0006] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，在雙向協(xié)作中繼信道計(jì) 算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，將中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有二次約束的 整數(shù)二次規(guī)劃模型。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量引入輔助變量將該整數(shù)二次規(guī)劃模 型中的的二次項(xiàng)提升到新的高維空間。通過(guò)凸化和松弛過(guò)程，將提升到新的高維空間的整 數(shù)二次規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為新的松弛問(wèn)題，求解該松弛問(wèn)題，如果得到的最優(yōu)解滿(mǎn)足整數(shù)要求， 則為原問(wèn)題的最優(yōu)解。否則，根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化和松弛約束條件定義一個(gè) 割平面約束條件，增加到松弛問(wèn)題的約束集中，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可行解，縮小可 行域，然后，求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題。重復(fù)以上過(guò)程，直至求出整數(shù)最優(yōu)解。
[0008] 具體包括以下步驟：
[0009]步驟1:在雙向協(xié)作中繼信道的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼策略中，獲取中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a 的優(yōu)化目標(biāo)函。
[0010] 步驟2:根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a引入輔助變量^將中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù)的二次項(xiàng)提升到新的高維空間，得到新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函 數(shù)。
[0011] 步驟3:采用PSD松弛方法將步驟2中原問(wèn)題中的非凸約束進(jìn)行凸化松弛，將步驟2 得到的新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改寫(xiě)為松弛問(wèn)題。
[0012] 步驟4:求解步驟3中的松弛問(wèn)題，若所得最優(yōu)解滿(mǎn)足整數(shù)要求，則為原問(wèn)題的最優(yōu) 解，并跳轉(zhuǎn)步驟6。否則跳轉(zhuǎn)到步驟4。
[0013] 步驟5:在步驟3中得到的松弛問(wèn)題的約束集中根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化 和松弛約束條件增加割平面約束條件，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可行解，縮小可行域，然 后，求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題。
[0014] 步驟6:返回，輸出最優(yōu)解。
[0015] 所述步驟1中獲取的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：
[0016] a = arg min(aTGa)
[0017] s.t. I |a| |2^Ξ1+Ρ| |h| I2
[0019] ai^O ,a2^0
[0020] 其中，a表示中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量，也就是網(wǎng)絡(luò)編碼線性組合的整數(shù)系數(shù)， a = [at，fl2f eZ2>表示節(jié)點(diǎn)51網(wǎng)絡(luò)編碼的整數(shù)系數(shù)，助表示節(jié)點(diǎn)&網(wǎng)絡(luò)編碼的整數(shù)系數(shù)，E 表示矩陣轉(zhuǎn)置，
.斗表示約束功率，11=[111，112]^為￡肢為節(jié)點(diǎn)5 1、32和中 繼間的實(shí)值信道增益，I表示單位矩陣。
[0021] 所述步驟2中的新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
[0022] a = arg min<G,A>
[0026]其中，I為2X2的單位矩陣，為2X2的對(duì)稱(chēng)矩陣集合，b=l+P| |h| I2。對(duì)稱(chēng)矩陣A 可提升表示為A = aaT<XA，B>表示對(duì)稱(chēng)矩陣A與B的Frobenius內(nèi)積，即tr(ATB)。則原問(wèn)題中的 二次項(xiàng)a TGa可表示為<G，aaT>。
[0027]所述步驟3中得到的松弛問(wèn)題為：

[0031] 其中，A彡0表示A為對(duì)稱(chēng)半正定矩陣。
[0033] Vv.e. I3 ?ν表示任意實(shí)數(shù)向量。
[0034]所述步驟5中得到的割平面約束條件表示為：
[0036] 中，Vk分別表示的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，A'表示▲的變量空間內(nèi)的任意一點(diǎn)， k= 1,2〇
[0037] -種雙向協(xié)作中繼信道通信方法，包括以下步驟：
[0038] 步驟(1)，在雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，源節(jié)點(diǎn)將各自的信息從有限 域映射到一個(gè)嵌套Lattice碼字。
[0039] 步驟(2)，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)將映射后的碼字信息發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)。
[0040] 步驟(3)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自各源節(jié)點(diǎn)的復(fù)合信號(hào)，并將接收到的信息解碼成 Lattice碼字的線性組合方程。
[0041 ] 步驟(4)，中繼節(jié)點(diǎn)廣播Lattice方程至第一源節(jié)點(diǎn)Si和第二源節(jié)點(diǎn)S2,各源節(jié)點(diǎn)將 Lattice碼映射回有限域，利用自身存儲(chǔ)的信息完成解碼。
[0042] 有益效果:本發(fā)明提供的一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法 及通信方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：
[0043] 本發(fā)明針對(duì)雙向協(xié)作中繼信道中計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼工作方式的特點(diǎn)，將中繼節(jié)點(diǎn)的編 碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型;針對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題的特點(diǎn)， 通過(guò)提升、凸松弛、生成割平面等步驟將原優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為較易求解的新松弛規(guī)劃問(wèn)題，通 過(guò)對(duì)松弛規(guī)劃問(wèn)題的求解以有效獲取原問(wèn)題的最優(yōu)解。編碼系數(shù)向量的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性 能指標(biāo)有著重要影響;經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，本發(fā)明提出的方法能有效獲取當(dāng)前信道狀態(tài)下的最 優(yōu)系數(shù)向量組合，為計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼的應(yīng)用提供了良好的優(yōu)化基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1為本發(fā)明中雙向中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)策略框圖；
[0045] 圖2為本發(fā)明中編碼系數(shù)向量對(duì)可達(dá)計(jì)算速率的影響；
[0046] 圖3為本發(fā)明中不同系數(shù)向量搜索方案的計(jì)算速率比較；
[0047]圖4為本發(fā)明中P = 10dB時(shí)，信道系數(shù)對(duì)可達(dá)計(jì)算速率的影響；
[0048]圖5為本發(fā)明中P = 20dB時(shí)，信道系數(shù)對(duì)可達(dá)計(jì)算速率的影響；
[0049]圖6為本發(fā)明中P = 30dB時(shí)，信道系數(shù)對(duì)可達(dá)計(jì)算速率的影響；
[0050] 圖7為雙向協(xié)作中繼信道通信方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種 等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0052] -種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，如圖1所示，在雙向協(xié)作 中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，將中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有 二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量引入輔助變量將該整數(shù) 二次規(guī)劃模型中的的二次項(xiàng)提升到新的高維空間。通過(guò)凸化和松弛過(guò)程，將提升到新的高 維空間的整數(shù)二次規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為新的松弛問(wèn)題，求解該松弛問(wèn)題，如果得到的最優(yōu)解滿(mǎn) 足整數(shù)要求，則為原問(wèn)題的最優(yōu)解。否則，根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化和松弛約束條 件定義一個(gè)割平面約束條件，增加到松弛問(wèn)題的約束集中，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可 行解，縮小可行域，然后，求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題。重復(fù)以上過(guò)程，直至求出整數(shù)最優(yōu)解。
[0053] 如圖1所示，中繼節(jié)點(diǎn)將多址接入階段獲取的接收信號(hào)yeir的線性組合方程的估 計(jì)值廣播至各源節(jié)點(diǎn)。各源節(jié)點(diǎn)通過(guò)解碼器q -Ff將接收碼字映射回有限域，減去自 身存儲(chǔ)的信息，即可恢復(fù)出所需的估計(jì)信息&。
[0054]具體包括以下步驟：
[0055] 步驟1:在雙向協(xié)作中繼信道的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼策略中，獲取中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a 的優(yōu)化目標(biāo)函，中繼節(jié)點(diǎn)恢復(fù)的線性方程系數(shù)向量不同，則各節(jié)點(diǎn)可達(dá)計(jì)算速率也不同，為 了最大化系統(tǒng)容量，將中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有二次約束的 整數(shù)二次規(guī)劃模型。其中，中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：
[0056] a = argmin(aTGa)
[0058] 其中，a表示中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量，也就是網(wǎng)絡(luò)編碼線性組合的整數(shù)系數(shù)， 3=扣1，《2/ €^2，&1表示節(jié)點(diǎn)&網(wǎng)絡(luò)編碼的整數(shù)系數(shù)，&2表示節(jié)點(diǎn)&網(wǎng)絡(luò)編碼的整數(shù)系數(shù)， 1 表示矩陣轉(zhuǎn)置：
，？表示約束功率，h = [hi，h2 ]τ ΛΛ e R為節(jié)點(diǎn)Si、S2和中 繼間的實(shí)值信道增益，i表示單位矩陣。
[0059] 步驟2:根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a引入輔助變量^將中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù)式（1)的二次項(xiàng)提升到新的高維空間，。令Αυ = &^(1彡i，j<2)，對(duì)稱(chēng)矩陣A可 提升表示為A = aaT，〈A，B>表示對(duì)稱(chēng)矩陣A與B的Frobenius內(nèi)積，即tr(ATB)。則原問(wèn)題（公式 (1))中的二次項(xiàng)aTGa可表示為<G，aaT>。因此得到新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函 數(shù)：

[0063] 其中，I為2X2的單位矩陣，滬為2X2的對(duì)稱(chēng)矩陣集合，b=l+P| |h| I2。對(duì)稱(chēng)矩陣A 可提升表示為A = aaT<XA，B>表示對(duì)稱(chēng)矩陣A與B的Frobenius內(nèi)積，即tr(ATB)。則原問(wèn)題中的 二次項(xiàng)a TGa可表示為<G，aaT>。
[0064] 由上式(2)可見(jiàn)，提升后的最小化問(wèn)題由原來(lái)的二次函數(shù)和二次約束轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于 (a，A)的線性整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，降低了求解難度。
[0065] 步驟3:采用PSD松弛方法將步驟2中原問(wèn)題中的非凸約束進(jìn)行凸化松弛，將步驟2 得到的新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改寫(xiě)為松弛問(wèn)題。
[0066] 在原問(wèn)題式（1)中，二次約束為凸約束。但提升過(guò)程中引入的約束條件A = aaT# 凸，采用適當(dāng)?shù)乃沙诜椒ㄊ箖?yōu)化問(wèn)題凸化。原問(wèn)題式（1)可以寫(xiě)為如下等效形式 ζ·ν.
[0067] a = arg min {(G, Λ): (a, Λ) e conv/'j
[0068] 其中，(；〇(1、..歹表不/·的凸包絡(luò)。
[0069] 不考慮A = aaWPa e f兩個(gè)約束條件，則問(wèn)題約束可以表示如下：
[0070] 2 := {(a, A) e IT X 義：〈I，A〉<
[0071] 令厶多0表示A為對(duì)稱(chēng)半正定矩陣，由A = aaT可得A-aaT>0,因此可以在此基礎(chǔ)上采 用PSD松弛方法將原問(wèn)題中的非凸約束進(jìn)行凸化松弛。
[0072] 對(duì)于aeR"，滿(mǎn)足：
[0074] 因此，線性半正定不等式1:匕〇適用于￡；()1^，#0約束定義如下：
[0075] PSD= ((a,A): A >1-0}
[0076] 在增加 PSD松弛約束后，conv^ = Ζ Π PSD .:
[0077] 令
[0079]則松弛后的目標(biāo)函數(shù)式(2)可表示為：
[0082] 由于X為半正定矩陣，即：
[0083] yr&>0,VveM3
[0084] 可將式(3)中PSD約束替換為如下形式(松弛問(wèn)題）：
[0085] a = argmin(G, A)
[0086] s,t, (6^,^)2 0
[0087] v'AvSO
[0088] 其中，v表示任意實(shí)數(shù)向量。
[0089] 步驟4:求解步驟3中的松弛問(wèn)題，若所得最優(yōu)解滿(mǎn)足整數(shù)要求，則為原問(wèn)題的最優(yōu) 解，并跳轉(zhuǎn)步驟6。否則跳轉(zhuǎn)到步驟4。
[0090] 步驟5:在步驟3中得到的松弛問(wèn)題的約束集中根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化 和松弛約束條件增加割平面約束條件，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可行解，縮小可行域，然 后，求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題。
[0091] 令Γ表示蓋的變量空間內(nèi)的任意一點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)I：的特征分解來(lái)判別Γ是否位 于PSD圓錐(PSD cone)的約束區(qū)域內(nèi)。令A(yù)dPvk*別表示f的特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，k =1，2。為不失一般性，假設(shè)λ: <λ2，At〈(X λ?+1，te〇，l，2。若t = 0,說(shuō)明所有特征值均為非 負(fù)，A為半正定矩陣;若技〇,則vA__ = <0 ,k=l，. . .，t，無(wú)法滿(mǎn)足A為正定 矩陣的要求。
[0092] 因此，可將下式作為割平面約束條件，增加到原來(lái)的約束集中，求解新的松弛規(guī)劃 問(wèn)題。
[0093] yj Awk > 0 (4)
[0094] 其中，Vk分別表示f的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，瓦''表示$的變量空間內(nèi)的任意一 點(diǎn)，k=l，2。
[0095] 步驟6:返回，輸出最優(yōu)解。
[0096] -種雙向協(xié)作中繼信道通信方法，如圖7所示，包括以下步驟：
[0097] 步驟(1)，在雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，源節(jié)點(diǎn)將各自的信息從有限 域映射到一個(gè)嵌套Lattice碼字。
[0098] 步驟(2)，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)將映射后的碼字信息發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)。
[0099] 步驟(3)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自各源節(jié)點(diǎn)的復(fù)合信號(hào)，并將接收到的信息解碼成 Lattice碼字的線性組合方程。
[0100] 步驟(4)，中繼節(jié)點(diǎn)廣播Lattice方程至第一源節(jié)點(diǎn)Si和第二源節(jié)點(diǎn)S2,各源節(jié)點(diǎn)將 Lattice碼映射回有限域，利用自身存儲(chǔ)的信息完成解碼。
[0101] 圖2為本發(fā)明中編碼系數(shù)向量對(duì)可達(dá)計(jì)算速率的影響。碼字線性組合系數(shù)向量的 搜索問(wèn)題是計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼策略的關(guān)鍵問(wèn)題。在信道系數(shù)固定的條件下，不同的編碼系數(shù)向 量將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)速率指標(biāo)產(chǎn)生重要影響。假設(shè)雙向協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)各源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率對(duì) 稱(chēng)，gPRFfe。令信道系數(shù)向量11=[1，112]7，112￡[0，1]，功率約束?為1〇(^。不同碼字線性組合 的系數(shù)向量對(duì)信息速率的影響如圖2所示。本文分別比較了 a=[0，l]T、a=[-l，-l]T、a=[l， 2]τ三種系數(shù)向量情況下的可達(dá)計(jì)算速率情況。由圖中可以看出，可達(dá)計(jì)算速率與編碼系數(shù) 向量的選取密切相關(guān)。當(dāng)編碼系數(shù)向量與當(dāng)前信道系數(shù)相匹配時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可達(dá)計(jì)算速率才能 實(shí)現(xiàn)最大化。當(dāng)h 2 = l時(shí)，a=[-l，_l]T與信道系數(shù)的匹配狀態(tài)最佳，故其可達(dá)計(jì)算速率最大。 因此，為了保證系統(tǒng)計(jì)算速率的最大化，需要對(duì)編碼系數(shù)向量做出最優(yōu)選擇。
[0102] 圖3為本發(fā)明中不同系數(shù)向量搜索方案的計(jì)算速率比較情況。采用Monte-Carlo方 法，進(jìn)行1000次隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，并將所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。節(jié)點(diǎn)ShSs和中繼間的實(shí)值信道增益 111，112相互獨(dú)立且服從1(0，1)分布，功率約束？的變化范圍為0(^至30(^。圖\3所示為本文所 提方法、可達(dá)計(jì)算速率上界、窮搜算法及無(wú)系數(shù)向量搜索PNC幾種不同方案下的可達(dá)計(jì)算速 率比較情況。計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)策略的可達(dá)計(jì)算速率上界可表示為凡= minM :丨/ 21〇以丨_- |/?/1: P)。 窮搜算法通過(guò)窮搜約束范圍內(nèi)編碼系數(shù)向量的所有整數(shù)組合，滿(mǎn)足當(dāng)前計(jì)算速率最大的解 即為當(dāng)前信道狀態(tài)下的最優(yōu)系數(shù)向量。LRCP算法表示本文所提出的系數(shù)向量搜索算法。無(wú) 編碼系數(shù)向量搜索PNC方案定義為中繼節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行系數(shù)向量搜索而直接譯碼并向各源節(jié)點(diǎn) 轉(zhuǎn)發(fā)信息幻+^。從圖中可以看出，不同編碼策略所得可達(dá)計(jì)算速率的差異明顯。由于窮搜算 法獲取的解為最優(yōu)系數(shù)向量，因此最接近理論上界。LRCP算法所得結(jié)果與窮搜算法一致，表 明了本文所提出算法能有效獲取網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)系數(shù)向量組合。無(wú)系數(shù)向量搜索PNC方案由于 沒(méi)有針對(duì)信道系數(shù)的變化進(jìn)行系數(shù)向量的對(duì)應(yīng)調(diào)整，因此性能最差，在高信噪比條件下存 在較大的性能差距。
[0103] 圖4、5、6分別給出了功率約束P分別為10dB、20dB、30dB時(shí)，信道系數(shù)改變對(duì)可達(dá)計(jì) 算速率的影響。令信道系數(shù)向量11=[1，11 2]7，112￡[0，1]，首先通過(guò)本文所提方法獲取最優(yōu)系 數(shù)向量，然后計(jì)算最優(yōu)系數(shù)向量下的可達(dá)計(jì)算速率。由圖中可以看出，在低信噪比條件下， 本文所提方法、窮搜算法及無(wú)系數(shù)向量搜索PNC方案的性能較為接近，且均接近可達(dá)計(jì)算速 率的上界。但隨著信噪比的增加，本文所提方法及窮搜算法的性能將顯著優(yōu)于無(wú)系數(shù)向量 搜索PNC方案。需要注意的是，無(wú)編碼系數(shù)向量搜索PNC方案默認(rèn)的編碼系數(shù)向量為a =[ 1， 1 ]τ，當(dāng)h2>0.8時(shí)，該方案與信道系數(shù)的匹配程度提高，因此其性能與本文所提方法及窮搜 算法相當(dāng)。同時(shí)，當(dāng)h2 = 0.5時(shí)，本文所提方法可以達(dá)到計(jì)算速率的理論上界。
[0104] 上述仿真結(jié)果表明，編碼系數(shù)向量的選取對(duì)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性能指標(biāo)有著重要影響，本 文所提方法能有效獲取當(dāng)前信道狀態(tài)下的最優(yōu)系數(shù)向量組合，為計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼的應(yīng)用提供 了良好的優(yōu)化基礎(chǔ)。
[0105] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征在于：在雙向協(xié)作 中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，將中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量?jī)?yōu)化問(wèn)題建模為帶有 二次約束的整數(shù)二次規(guī)劃模型;根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量引入輔助變量將該整數(shù) 二次規(guī)劃模型中的的二次項(xiàng)提升到新的高維空間；通過(guò)凸化和松弛過(guò)程，將提升到新的高 維空間的整數(shù)二次規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為新的松弛問(wèn)題，求解該松弛問(wèn)題，如果得到的最優(yōu)解滿(mǎn) 足整數(shù)要求，則為原問(wèn)題的最優(yōu)解;否則，根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化和松弛約束條 件定義一個(gè)割平面約束條件，增加到松弛問(wèn)題的約束集中，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可 行解，縮小可行域，然后，求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題;重復(fù)以上過(guò)程，直至求出整數(shù)最優(yōu)解。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟1:在雙向協(xié)作中繼信道的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼策略中，獲取中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu) 化目標(biāo)函； 步驟2:根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a引入輔助變量^將中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目 標(biāo)函數(shù)的二次項(xiàng)提升到新的高維空間，得到新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； 步驟3:采用PSD松弛方法將步驟2中原問(wèn)題中的非凸約束進(jìn)行凸化松弛，將步驟2得到 的新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改寫(xiě)為松弛問(wèn)題； 步驟4:求解步驟3中的松弛問(wèn)題，若所得最優(yōu)解滿(mǎn)足整數(shù)要求，則為原問(wèn)題的最優(yōu)解， 并跳轉(zhuǎn)步驟6;否則跳轉(zhuǎn)到步驟4; 步驟5:在步驟3中得到的松弛問(wèn)題的約束集中根據(jù)引入輔助變量及上一步的凸化和松 弛約束條件增加割平面約束條件，以切掉一部分不滿(mǎn)足要求的可行解，縮小可行域，然后， 求解新的松弛規(guī)劃問(wèn)題； 步驟6:返回，輸出最優(yōu)解。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征 在于:所述步驟1中獲取的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：其中，a表示中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼整數(shù)系數(shù)向量>ai表示節(jié)AS1網(wǎng)絡(luò)編 碼的整數(shù)系數(shù)，助表示節(jié)點(diǎn)&網(wǎng)絡(luò)編碼的整數(shù)系數(shù)，Z表示矩陣轉(zhuǎn)置3表 示約束功率，11=[111，112]^^]?為節(jié)點(diǎn)51、&和中繼間的實(shí)值信道增益，1表示單位矩陣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征 在于:所述步驟2中的新的中繼節(jié)點(diǎn)的系數(shù)向量a的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：其中，I為2 X 2的單位矩陣，S2為2 X 2的對(duì)稱(chēng)矩陣集合，b = 1+P||h||2;對(duì)稱(chēng)矩陣A可提升 表示為A = aaT;〈A，B〉表示對(duì)稱(chēng)矩陣A與B的Frobenius內(nèi)積，即tr(ATB); 則原問(wèn)題中的二次項(xiàng)aTGa可表示為〈G，aaT>。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征 在于:所述步驟3中得到的松弛問(wèn)題為：WeR3 ;:v表示任意實(shí)數(shù)向量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索方法，其特征 在于:所述步驟5中得到的割平面約束條件表示為： 其中，Vk分別表示玉^的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，表示A的變量空間內(nèi)的任意一點(diǎn)，k =1，2〇7. -種基于權(quán)利要求1至6任一所述的雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼系數(shù)向量搜索 方法的雙向協(xié)作中繼信道通信方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟（1)，在雙向協(xié)作中繼信道計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)編碼方案中，源節(jié)點(diǎn)將各自的信息從有限域映 射到一個(gè)嵌套Lattice碼字；； 步驟(2)，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)將映射后的碼字信息發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)； 步驟（3)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自各源節(jié)點(diǎn)的復(fù)合信號(hào)，并將接收到的信息解碼成 Lattice碼字的線性組合方程； 步驟（4)，中繼節(jié)點(diǎn)廣播Lattice方程至第一源節(jié)點(diǎn)Si和第二源節(jié)點(diǎn)S2,各源節(jié)點(diǎn)將 Lattice碼映射回有限域，利用自身存儲(chǔ)的信息完成解碼。
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK106027206SQ201610616663
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月29日
【發(fā)明人】衡偉, 梁天
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)