一种双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法技术

本发明专利技术公开了一种全新的基于正交训练序列的双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法。在双向中继信道PNC中，两个信号在不同时刻到达中继节点，即存在相对时间偏移。该方法先将该相对时间偏移转化为两个绝对时间偏移之差，然后分别估计出这两个绝对时间偏移，最终得到相对时间偏移的估计值。其中，针对两个绝对时间偏移的估计，本发明专利技术提出两种估计算法：优选采样点算法和基于离散傅里叶变换的插值算法。每种算法都可以实现对任意一个绝对时间偏移的估计。通过Matlab仿真平台，验证了本发明专利技术的可行性，并且寻找最佳的算法组合。在此组合下，较小信噪比时，系统的均方误差非常接近理论下界，同时运算量较小。

【技术实现步骤摘要】
一种双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法
本专利技术属于数字通信领域，特别涉及双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法。
技术介绍
2006年ShengliZhang等人提出物理层网络编码(Physical-LayerNetwork，PNC)的概念。它不同于大多数的通信系统将非目标信源发出的信号视为干扰加以抑制，而是利用电磁波在传播空间内的自然叠加，中继端根据接收的叠加信号，按照一定规则在物理层编码，将编码信息发送，而终端根据解码规则来获得传输的信息，使得干扰变成网络编码中算法操作的一部分。它能极大地提高系统的吞吐量，例如，在双向中继信道中，相比传统路由方案和网络编码方案系统的吞吐量分别提升100％和50％。目前关于PNC的研究结果，比如多输入多输出PNC(MultipleInputMultipleOutputPNC,MIMOPNC)、多路PNC(Multi-WayPNC)，多假定端节点发出的信号能够同时到达中继节点。然而在实际情况中，端节点发出的信号经历不同的信道抵达中继节点，在到达中继节点的时间上难免或前或后，即两者存在相对时间偏移。因此PNC中的时钟估计是必不可少的。虽然可以通过单输入单输出(SingleInputSingleOutput，SISO)的方法，即分别单独估计一个端节点到中继节点之间的延时，但是这样占用了大量通信资源，且同步时间长，不适用于对实时要求高的场合。目前，已有文献提到PNC的时间同步问题，指出对于BPSK调制，因符号时间同步误差或载波相位误差而导致的误比特率性能损失在最坏情况下可达3dB，但并没有给出具体的同步方法。还有文献讨论了PNC在时钟异步情况下，利用置信传播(BeliefPropagation，BP)算法，可降低误比特率性能损失，并且证明了若结合信道编码，存在符号时钟和载波相位异步时可减轻性能损失。但这是以提高系统复杂度和降低系统的信息传输效率为代价的。在两个端节点到达中继节点的时刻不同，而且是未知的情况下，对于双向中继信道PNC，如何采用一种简单易行的时钟估计方法，是本专利技术研究的重点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提出一种全新的适用于双向中继信道PNC的时钟估计方法，针对第一节点(1)、第二节点(2)发出的信号在不同时刻抵达中继节点，中继节点通过估计第一节点(1)和第二节点(2)各自的绝对时间偏移从而实现它们之间相对时间偏移的估计。本专利技术的时钟估计算法可以在较小信噪比时，均方误差(MeanSquareError,MSE)性能接近MCRB(ModifiedCramer-RaoBound)，且计算复杂度小。本专利技术提出的双向中继信道PNC的时钟估计采用了如下步骤：步骤1：从第一节点(1)、第二节点(2)分别发送具有循环前缀和循环后缀的基于恒包络零自相关(ConstantAmplitudeZeroAutocorrelationWaveform，CAZAC)的训练序列在中继节点，接收信号为分别来自第一节点(1)、第二节点(2)的两个信号的叠加，它们具有相对时延Δ∈[-0.5,0.5],以Q倍符号率即Q/T的采样率对接收信号进行过采样，经过匹配滤波器后得到匹配滤波后的信号序列r(k)，Q为自然数，T为码元周期，k＝0,1…Q-1；步骤2：利用本地对应的训练序列，计算得到分别对应于第一节点(1)的绝对时间偏移ε'1和第二节点(2)的绝对时间偏移ε'2的似然函数Λi(k)，ε'1、ε'2是接收信号的第一个采样点分别与c1、c2的下一个最近的最佳采样点之间的时间偏移，ε'1,ε'2∈[0,1)；步骤3：根据步骤2中的Λi(k)，绝对时间偏移ε'i的估计问题表述为公式(1)所示：Λi(ε'i)为Λi(k)对应的连续函数，为此，提出两种绝对时间偏移估计算法：优选采样点算法和基于离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransformation,DFT)的插值算法。然后根据优选采样点算法或者基于DFT的插值算法来估计ε'1或ε'2；所述的优选采样点算法是直接选取使似然函数Λi(k)最大的k值作为ε'i的估计值即如公式(2)和公式(3)所示：而基于DFT的插值算法是，基于Q个采样点，通过内插的方法近似获得其对应的连续函数Λi(ε'i)，选取使Λi(ε'i)最大的ε'i作为ε'i的估计值并如公式(4)所示：式中，arg{x}表示取相位运算，公式(4)中取相位运算的实际上是Λi(k)Q点DFT的第二个输出；步骤4：按照优选采样点算法或者基于DFT的插值算法分别估计出后，计算得相对时间偏移的估计值本专利技术提出的全新的双向中继信道PNC时钟估计方法，为了更好地反映新算法的性能，还需要考虑该估计值的MSE。由于对ε'1和ε'2的估计，可以采用相同或不同的算法，因此共有4种算法组合。本专利技术对各种算法组合进行蒙特卡罗(MonteCarlo)仿真，MSE取104次估计的平均，并通过与MCRB进行对比分析，验证了本算法的正确性和可行性。另外，所述步骤1中，CAZAC序列具有如下特性：对其进行移位后的序列与原序列是不相关的，循环前缀的L个比特取自ci的后L位，循环后缀的L个比特取自ci的前L位，循环前后缀的存在，消除了所要传输的数据信息与训练序列之间的码间串扰。本专利技术通过精心设计，不仅可以保证两节点上发送的训练序列是正交的，而且可以保证其中任意一节点的训练序列与加上循环前缀和循环后缀后的另一节点上的序列依然正交。这一点的重要性将在步骤2体现出来；所述步骤2中，计算后，得到分别关于第一节点(1)、第二节点(2)绝对时间偏移(ε'1,ε'2∈[0,1))的似然函数Λi(k)。由于步骤1所述训练序列的特殊结构，使得ε'1,ε'2从混合信号r(k)中分离出来，得到两个独立的似然函数Λi(k)，为步骤3估计ε'1、ε'2奠定了基础；所述步骤3中，两种算法的计算量都很小，优选采样点算法包括取最大值和一次乘法运算，基于DFT的插值算法增加的只是DFT和取相位运算，其中DFT还具有快速算法。每一种算法都可以实现对任意一个绝对时间偏移的估计，但性能不一样，优选采样点算法对于ε'1估计是最优的，而基于DFT的插值算法对于ε'2估计是最优的。两者估计可以采用相同也可采用不同的算法，因此对Δ估计来说，共有4种不同的算法组合。不同算法组合估计出后，计算就可得相对时间偏移的估计值附图说明图1为双向中继信道PNC的时钟估计总体框图。图2为第一节点(1)、第二节点(2)上的训练序列结构。图3为不同算法组合的MSE性能。图4为不同过采样率Q的MSE性能。图5为不同训练序列长度Lt的MSE性能。注：图3所有的算法组合都采用Lt＝32,Q＝4，图4和附图5分别固定Lt＝32和Q＝4，采用的都是附图3中“OptimumSampleSelection+DFT”算法组合，即对ε'1估计采用优选采样点算法，对ε'2估计采用基于DFT的插值算法。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术作进一步的说明。图1为双向中继信道PNC的时钟估计总体框图。图2给出了第一节点(1)、第二节点(2)上的训练序列结构，其中L为循环前缀和循环后缀的长度，Lt为训练序列长度。下面给出本专利技术实现的具体步骤：(1)首先生成长度为Lt的CAZAC序列(本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法，其特征在于，在估计过程中，遵循以下步骤：步骤1：从第一节点(1)、第二节点(2)分别发送具有循环前缀和循环后缀的基于恒包络零自相关的训练序列在中继节点，接收信号为分别来自第一节点(1)、第二节点(2)两个信号的叠加，它们具有相对时延Δ∈[‑0.5,0.5]，以Q倍符号率即Q/T的采样率对接收信号进行过采样，经匹配滤波器后得匹配滤波后的信号序列r(k)，其中Q为自然数，T为码元周期，k＝0,1…Q‑1；步骤2：利用本地对应的训练序列，计算得到分别关于第一节点(1)的绝对时间偏移ε′1和第二节点(2)的绝对时间偏移ε′2的似然函数Λi(k)，ε′1、ε′2是接收信号的第一个采样点分别与c1、c2的下一个最近的最佳采样点之间的时间偏移，ε′1,ε′2∈[0,1)；步骤3：根据步骤2中的Λi(k)，绝对时间偏移ε′i的估计值表述为公式(1)所示：ϵ^′i=Δargmaxϵ′iΛi(ϵ′i)---(1)]]>Λi(ε′i)为Λi(k)对应的连续函数，然后根据优选采样点算法或者基于DFT的插值算法来估计ε′1或ε′2；所述的优选采样点算法是直接选取使似然函数Λi(k)最大的k值作为ε′i的估计值，即如公式(2)和公式(3)所示：ϵ^′i=k^i/Q---(2)]]>k^i=argmaxk=0,1,...Q-1Λi(k)---(3)]]>而基于DFT的插值算法是，基于Q个采样点，通过内插的方法近似获得其对应的连续函数Λi(ε′i)，选取使Λi(ε′i)最大的ε′i作为ε′i的估计值并如公式(4)所示：ϵ^′i=-12πarg{Σk=0Q-1Λi(k)e-j2πk/Q}---(4)]]>式中，arg{x}表示x的相位，公式(4)中取相位运算的实际上是Λi(k)Q点DFT的第二个输出；步骤4：按照优选采样点算法或者基于DFT的插值算法分别估计出后，计算得相对时间偏移的估计值...

【技术特征摘要】
1.一种双向中继信道物理层网络编码的时钟估计方法，其特征在于，在估计过程中，遵循以下步骤：步骤1：从第一节点(1)、第二节点(2)分别发送具有循环前缀和循环后缀的基于恒包络零自相关的训练序列在中继节点，接收信号为分别来自第一节点(1)、第二节点(2)两个信号的叠加，它们具有相对时延Δ∈[-0.5,0.5]，以Q倍符号率即Q/T的采样率对接收信号进行过采样，经匹配滤波器后得匹配滤波后的信号序列r(k)，其中Q为自然数，T为码元周期，k＝0,1…Q-1；步骤2：利用本地对应的训练序列，计算得到分别关于第一节点(1)的绝对时间偏移ε′1和第二节点(2)的绝对时间偏移ε′2的似然函数Λi(k)，ε′1、ε′2是接收信号的第一个采样点分别与c1、c2的下一个最近的最佳采样点之间的时间偏移，ε′1,ε′2∈[0,1)；步骤3：根据步骤2中的Λi(k)，绝对时间偏移ε′i的估计值表述为公式(1)所示：Λi(ε′i)为Λi(k)对应的连续函数，然后根据优选采样点算法或者基于DFT离散傅里叶变换的插值算法来估计ε′1或ε′2；所述的优选采样点算法是直接选取使似然函数Λi(k)最大的k值作为ε′i的估计值即如公式(2)和公式(3)所示：而基于DFT离散傅里叶变换的插值算法是，基于Q个采样点，通过内插的方法近似获得其对应的连续函数Λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：党小宇，李强，虞湘宾，黎宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32