СПОСОБ ОРТОГОНАЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО КОДИРОВАНИЯ В СЕТИ И СИСТЕМА РЕТРАНСЛЯЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 2014 года по МПК H04L27/26 

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 $$\widehat{x}\left(t\right)$$ сигнальных векторов x(t), передаваемых посредством N_S узлов-источников:

$$\widehat{x}\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{SR}\left(t\right)-H_{SR}x\left(t\right)\Vert }^2$$

при этом $$\widehat{x}\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_1\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , t=0, 1, 2, …, T_SR-1, и $$H_{SR}=\left[h_{S_{1}R},\dots ,h_{S_{N_s}R}\right]$$ - 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 $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1$$ , при этом первый вектор $${\widehat{x}}_1$$ содержит оцениваемую ретрансляционным узлом оценочную информацию сигнальных векторов, передаваемых N_s узлами-источниками от нулевого символьного периода до $$\left(\frac{T_{SR}}{2}-1\right)$$ -го символьного периода, т.е. $${\widehat{x}}_1\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}^T\left(0\right){\widehat{x}}^T\left(1\right)\dots {\widehat{x}}^T\left(\frac{T_{SR}}{2}-1\right)\right]}^T$$ , и второй вектор $${\widehat{x}}_2$$ содержит оцениваемую ретрансляционным узлом оценочную информацию сигнальных векторов, передаваемых N_S узлами-источниками от $$\left(\frac{T_{SR}}{2}\right)$$ -го символьного периода до (T_SR-1)-го символьного периода, т.е. $${\widehat{x}}_2\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}^T\left(\frac{T_{SR}}{2}\right){\widehat{x}}^T\left(\frac{T_{SR}}{2}+1\right)\dots {\widehat{x}}^T\left(T_{SR}-1\right)\right]}^T$$ .

Процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1$$ , который получается во время процесса группирования оценочной информации, сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку P_j с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ , чтобы получить $$x_{R_1}$$ , причем P_j представляет собой значение весового коэффициента сетевого кодирования, который используется для сжатия вектора-столбца $${\widehat{x}}_1$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1$$ в комплексный сигнал, чтобы улучшить производительность сетевого кодирования; и вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1$$ , который получается во время процесса группирования оценочной информации, сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку P_j с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ , 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:

$$\left[\begin{array}{cc}{x}_{R_1}& x_{R_2}\\ -x_{R_2}^{*}& x_{R_1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{P}_j{\widehat{x}}_1& P_j{\widehat{x}}_2\\ -{\left(P_j{\widehat{x}}_2\right)}^{*}& {\left(P_j{\widehat{x}}_1\right)}^{*}\end{array}\right]$$ .

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 $$\frac{T_{SR}}{T_{SR}+2}$$ 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 $$\widehat{x}\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_1\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , при этом сигналы, принимаемые ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в t-м символьном периоде, обозначаются соответственно как $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , 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 $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , при этом оценочная информация сигнального вектора, которая передается N_S узлами-источниками и получается в результате декодирования на ретрансляционном узле R₁, обозначается как $${\widehat{x}}_1\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , а оценочная информация сигнального вектора, которая передается N_S узлами-источниками и получается в результате декодирования на ретрансляционном узле R₂, обозначается как $${\widehat{x}}_2\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , причем оценочная информация $${\widehat{x}}_1\left(t\right)$$ и $${\widehat{x}}_2\left(t\right)$$ вычисляется в соответствии со следующими формулами:

$${\widehat{x}}_1\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_1}\left(t\right)-H_{S{R}_1}x\left(t\right)\Vert }^2$$

$${\widehat{x}}_2\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_2}\left(t\right)-H_{S{R}_2}x\left(t\right)\Vert }^2$$

При этом $$H_{S{R}_1}=\left[h_{S_1{R}_1},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_1}\right]$$ - матрица замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁, а $$H_{S{R}_2}=\left[h_{S_1{R}_2},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_2}\right]$$ - 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 $${\widehat{x}}_1\left(t\right)$$ и $${\widehat{x}}_2\left(t\right)$$ 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 $$\frac{T_S{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ .

Ретрансляционный узел R₁ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_1\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_1\left(T_S-1\right)$$ в T_S символьных периодах на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}={\left[{\widehat{x}}_1^T\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_1^T\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(\frac{T_S}{2}-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T$$ ;

$${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}={\left[{\widehat{x}}_1^T\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_1^T\left(T_S-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(T_S-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(T_S-1\right)\right]}^T$$ .

Ретрансляционный узел R₂ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_2\left(t\right),\dots ,{\widehat{x}}_2\left(t+T_S-1\right)$$ в T_S символьных периодах на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}={\left[{\widehat{x}}_2^T\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_2^T\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(\frac{T_S}{2}-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T$$ ;

$${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}={\left[{\widehat{x}}_2^T\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_2^T\left(T_S-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(T_S-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(T_S-1\right)\right]}^T$$ .

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 $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ с размерностью $$\frac{T_S{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ , используя единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ , т.е. ретрансляционный узел R₁ умножает слева единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ на векторы-столбцы $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ соответственно, чтобы получить $$x_{R_1}\left(0\right)=P_i{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $$x_{R_1}\left(1\right)=P_i{\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , а ретрансляционный узел R₂ умножает слева единичный комплексный вектор-строку P_i с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ на векторы-столбцы $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ соответственно, чтобы получить $$x_{R_2}\left(0\right)=P_i{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $$x_{R_2}\left(1\right)=P_i{\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ , 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 $$H_{SR}{}_1$$ замирания канала между узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁ и матрицу $$H_{SR}{}_2$$ замирания канала между узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₂, и определяют коэффициенты p₁ и p₂ управления мощностью на ретрансляционном узле R₁ и ретрансляционном узле R₂ в соответствии с $$d_{S{R}_1,\min }$$ и $$d_{S{R}_2,\min }$$ .

Формула для вычисления евклидова расстояния $$d_{SR,\min }$$ выглядит следующим образом:

$$d_{SR,\min }=\underset{x\left(t\right)\in C^{N_S},x\text{'}\left(t\right)\in C^{N_S}}{\underset{x\left(t\right)\ne x\text{'}\left(t\right)}{\min }}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{N_S}\Vert h_{S_i{R}_j}{\theta }_i\left(x_i\left(t\right)-x_i^{\text{'}}\left(t\right)\right)\Vert }}^2$$ ,

где $$h_{S_i{R}_j}$$ - импульсный отклик канала между i-м узлом-источником и j-м ретрансляционным узлом D, θ_i - фазовый отклик i-го узла-источника, x_i(t) - символ, который, возможно, передается i-м узлом-источником, a $$x_i^{\text{'}}\left(t\right)$$ - другой символ, который, возможно, передается i-м узлом-источником.

Существуют два способа определения коэффициентов р₁ и р₂ управления мощностью в соответствии с характеристиками изменения матрицы замирания канала:

Способ 1: Когда матрица замирания канала является квазистатической матрицей с медленными изменениями, формула вычисления коэффициента управления мощностью выглядит следующим образом:

$$p_n=\frac{\min \left\{d_{S{R}_n,\min }{\sigma }_{S{R}_n}^2,{\left|h_{R_{n}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{n}D}^2\right\}}{{\left|h_{R_{n}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{n}D}^2}$$

где p_n - коэффициент управления мощностью n-го ретрансляционного узла, $$d_{S{R}_n,\min }$$ - евклидово расстояние от информационного источника до n-го ретрансляционного узла, $${\sigma }_{S{R}_n}^2$$ - изменение импульсного отклика канала между информационным источником и n-м ретрансляционным узлом, $$h_{R_{n}D}$$ - импульсный отклик канала между n-м ретрансляционным узлом и целевым узлом D и $${\sigma }_{R_{n}D}^2$$ - изменение импульсного отклика канала между n-м ретрансляционным узлом и целевым узлом, и, как следует из вышеприведенной формулы, р₁ и р₂ выражаются следующим образом:

$$p_1=\frac{\min \left\{d_{S{R}_1,\min }{\sigma }_{S{R}_1}^2,{\left|h_{R_{1}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{1}D}^2\right\}}{{\left|h_{R_{1}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{1}D}^2}$$ и $$p_2=\frac{\min \left\{d_{S{R}_2,\min }{\sigma }_{S{R}_2}^2,{\left|h_{R_{2}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{2}D}^2\right\}}{{\left|h_{R_{2}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{2}D}^2}$$ ;

Способ 2: Когда матрица замирания канала изменяется относительно быстро, формула вычисления коэффициента управления мощностью выглядит следующим образом:

$$p_n=\frac{\min \left\{d_{S{R}_n,\min }{\sigma }_{S{R}_n}^2,{\sigma }_{R_{n}D}^2\right\}}{{\sigma }_{R_{n}D}^2}$$ ;

где p_n - коэффициент управления мощностью n-го ретрансляционного узла, $$d_{S{R}_n,\min }$$ - евклидово расстояние от информационного источника до n-го ретрансляционного узла, $${\sigma }_{S{R}_n}^2$$ - изменение импульсного отклика канала между информационным источником и n-м ретрансляционным узлом и $${\sigma }_{R_{n}D}^2$$ - изменение импульсного отклика канала между n-м ретрансляционным узлом и целевым узлом, и, как следует из вышеприведенной формулы, р₁ и р₂ выражаются следующим образом:

$$p_1=\frac{\min \left\{d_{S{R}_1,\min }{\sigma }_{S{R}_1}^2,{\sigma }_{R_{1}D}^2\right\}}{{\sigma }_{R_{1}D}^2}$$ и $$p_2=\frac{\min \left\{d_{S{R}_2,\min }{\sigma }_{S{R}_2}^2,{\sigma }_{R_{2}D}^2\right\}}{{\sigma }_{R_{2}D}^2}$$

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс распределенного пространственно-временного кодирования и передачи сжатых данных состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют передачу в соответствии с матрицей ортогонального пространственно-временного кодирования, используя соответствующие сжатые данные $$x_{R_1}\left(0\right)$$ , $$x_{R_1}\left(1\right)$$ , $$x_{R_2}\left(0\right)$$ и $$x_{R_2}\left(1\right)$$ и коэффициенты р₁ и р₂ управления мощностью, т.е. ретрансляционный узел R₁ передает сигналы $$\sqrt{p_1}{x}_{R_1}\left(0\right)$$ и $$-\sqrt{p_1}{\left(x_{R_1}\left(1\right)\right)}^{*}$$ в символьном периоде T_S и символьном периоде T_S+1 соответственно и ретрансляционный узел R₂ передает сигналы $$\sqrt{p_2}{x}_{R_2}\left(1\right)$$ и $$-\sqrt{p_2}{\left(x_{R_2}\left(0\right)\right)}^{*}$$ в символьном периоде T_S и символьном периоде T_S+1 соответственно. В соответствии с сигналами, передаваемыми ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в символьном периоде T_S и символьном периоде T_S+1, может быть сформирована следующая матрица распределенного пространственно-временного кодирования с размерами 2×2:

$$$$ $$\left[\begin{array}{cc}\sqrt{p_1}{x}_{R_1}\left(0\right)& \sqrt{p_2}{x}_{R_2}\left(1\right)\\ -\sqrt{p_1}{x}_{R_1}^{*}\left(1\right)& \sqrt{p_2}{x}_{R_2}^{*}\left(0\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{p_1}{P}_1{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}& \sqrt{p_2}{P}_1{\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}\\ -\sqrt{p_1}{\left(P_1{\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}\right)}^{*}& \sqrt{p_1}{\left(P_1{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\right)}^{*}\end{array}\right]$$ .

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

Система ретрансляционной передачи с использованием распределенного 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 осуществления распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования принятой информации в виде данных и передачи кодированных данных на целевой узел, при этом ретрансляционный узел совершает в течение двух символьных периодов пять процедур, а именно декодирование на ретрансляционном узле, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, управление мощностью ретрансляционного узла и распределенное пространственно-временное кодирование и передачу сжатых данных.

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

Согласно этому решению данные, передаваемые N_S пользователями в TS временных интервалах, перенаправляются на ретрансляционный узел в течение двух временных интервалов с помощью сетевого кодирования и распределенных пространственно-временных кодов, причем пропускная способность в этом решении составляет T_S/(T_S+2) символов для пользователя в течение временного интервала, и когда число узлов-источников T_S>2, пропускная способность больше, чем пропускная способность существующего сетевого кодирования в комплексной области. Кроме того, когда T_S приближается к бесконечности, пропускная способность в этом решении стремится к 1 символу для пользователя в течение символьного периода.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут истолкованы в нижеследующем описании, и, кроме того, части из них станут очевидными из описания или осмыслены посредством осуществления настоящего изобретения. Цель и другие преимущества настоящего изобретения могут быть осознаны и получены с помощью структуры, указанной, в частности, в описании, формуле изобретения и на сопровождающих чертежах.

Краткое описание чертежей

Чертежи используются в настоящем документе для обеспечения дополнительного понимания настоящего изобретения и формирования части описания. Варианты осуществления настоящего изобретения и их раскрытие используются для истолкования настоящего изобретения, а не для его чрезмерного ограничения. На сопровождающих чертежах:

Фиг.1 представляет собой модель сети беспроводной связи, содержащую множество узлов-источников, ретрансляционный узел и целевой узел в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 представляет собой принципиальную структурную схему технического решения настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой принципиальную структурную схему Примера 1 настоящего изобретения;

Фиг.4 представляет собой кривую рабочей характеристики Примера 1 настоящего изобретения;

Фиг.5 представляет собой принципиальную структурную схему Примера 2 настоящего изобретения;

Фиг.6 представляет собой кривую рабочей характеристики Примера 1 и Примера 2 настоящего изобретения;

Фиг.7 представляет собой принципиальную структурную схему Примера 3 настоящего изобретения;

Фиг.8 представляет собой схему модулирования рабочей характеристики Примера 3 настоящего изобретения;

Фиг.9 представляет собой принципиальную структурную схему Примера 4 настоящего изобретения; и

Фиг.10 представляет собой схему модулирования рабочей характеристики Примера 4 настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Чтобы разъяснить цель, техническое решение и преимущества настоящего изобретения, оно описывается далее подробно с помощью примеров и со ссылками на чертежи. Первый вариант осуществления

Как показано на Фиг.3, где T_SR=2, способ ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования, предусмотренный в этом примере настоящего изобретения, завершается в два этапа, при этом первый этап представляет собой этап, на котором узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных, причем для этого требуется T_SR=2 символьных периодов, а второй этап представляет собой этап, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, причем для этого требуется два символьных периода.

На этапе, на котором узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных, N_S узлов-источников одновременно передают информацию широковещательным способом на ретрансляционный узел R и целевой узел D, при этом сигналы, принимаемые ретрансляционным узлом R и целевым узлом D в t-м символьном периоде, обозначены соответственно как y_SR(t) и y_SD(t). Для этого этапа требуется T_SR=2 символьных периодов.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, необходимо совершить пять процедур, а именно декодирование на ретрансляционном узле, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, пространственно-временное кодирование сжатых данных и пространственно-временную передачу.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, 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 $$$$ $$\widehat{x}\left(t\right)$$ сигнальных векторов x(t), передаваемых N_S узлами-источниками:

$$\widehat{x}\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{SR}\left(t\right)-H_{SR}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

где $$\widehat{x}\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_1\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , t=0,1, $$H_{SR}=\left[h_{S_{1}R},\dots ,h_{S_{N_s}R}\right]$$ - матрицы замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R, a argmin указывает декодирование по максимальной вероятности.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс группирования оценочной информации состоит в том, что ретрансляционный узел R разделяет оценочные значения сигналов, передаваемых всеми N_S узлами-источниками в нулевом символьном периоде, на два вектора-столбца с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=N_S\times 1$$ , при этом первый вектор $${\widehat{x}}_1$$ включает в себя оцениваемое ретрансляционным узлом оценочное значение сигнала, передаваемого N_S узлами-источниками в нулевом символьном периоде, т.е. $${\widehat{x}}_1=\widehat{x}\left(0\right)$$ , а второй вектор $${\widehat{x}}_2$$ включает в себя оцениваемое ретрансляционным узлом оценочное значение сигнала, передаваемого N_S узлами-источниками в символьном периоде $$\frac{T_{SR}}{2}=1$$ , т.е. $${\widehat{x}}_2=\widehat{x}\left(1\right)$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=N_S\times 1$$ сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}=1\times N_S$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ , чтобы получить $$x_{R_1}=P_2{\widehat{x}}_1$$ , и вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=N_S\times 1$$ сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор строку Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}=1\times N_S$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ , чтобы получить $$x_{R_2}=P_2{\widehat{x}}_2$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, 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 элемент в первой строке и первом столбце матрицы 2×2 представляет собой $$x_{R_1}$$ , элемент в первой строке и втором столбце матрицы 2×2 представляет собой $$x_{R_2}$$ , элемент во второй строке и первом столбце матрицы 2×2 представляет собой отрицательное сопряжение $$x_{R_2}$$ , т.е. $$-x_{R_2}^{*}$$ , и элемент во второй строке и втором столбце матрицы 2×2 представляет собой сопряжение $$x_{R_1}$$ , т.е. $$x_{R_1}^{*}$$ . Матрица 2×2 выглядит следующим образом:

$$\left[\begin{array}{cc}{x}_{R_1}& x_{R_2}\\ -x_{R_2}^{*}& x_{R_1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{P}_2{\widehat{x}}_1& P_2{\widehat{x}}_2\\ -{\left(P_2{\widehat{x}}_2\right)}^{*}& {\left(P_2{\widehat{x}}_1\right)}^{*}\end{array}\right]$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс пространственно-временной передачи состоит в том, что матрицу 2×2 передают соответствующим образом посредством двух антенн ретрансляционного узла в течение двух символьных периодов, при этом два сигнала в первой строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR=2, т.е. первая антенна передает сигнал $$x_{R_1}$$ в символьном периоде T_SR=2, а вторая антенна передает сигнал $$x_{R_2}$$ в символьном периоде T_SR=2; и два сигнала во второй строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR+1=3, т.е. первая антенна передает сигнал $$-x_{R_2}^{*}$$ в символьном периоде T_SR+1=3, а вторая антенна передает сигнал $$x_{R_1}^{*}$$ в символьном периоде T_SR+1=3.

В этом примере вектор Р₂ выбирают следующим образом:

$$P_2=\frac{1}{\sqrt{N_S}}\left[1\exp \left(j2\pi \times 3/\left(2N_S\right)\right)\dots \exp \left(j2\pi \times 3\left(N_S-1\right)/\left(2N_S\right)\right)\right]$$ .

Поскольку T_SR=2, пропускная способность решения в этом примере составляет $$\frac{T_{SR}}{T_{SR}+2}=\frac{1}{2}$$ символов для пользователя в течение символьного периода.

На Фиг.4 показана кривая моделирования для случая использования этого примера, а также сравнение рабочих характеристик между пространственно-временным кодированием, предоставляемым этим примером, и коллективным сетевым кодированием в комплексной области, при этом по оси ординат отложена частота появления ошибочных символов, а по оси абсцисс - отношение сигнал-шум для каждого символа. Решения, предоставляемые примерами настоящего изобретения, и решение сетевого кодирования в комплексной области используют двоичную фазовую (BPSK) модуляцию и имеют пропускную способность ¹/₂ символа для пользователя в течение символьного периода. Как видно из фигуры, когда SER=10^-4, решение, предоставляемое настоящим изобретением, обладает коэффициентом усиления 5 дБ по сравнению с решением сетевого кодирования в комплексной области. Кроме того, в случае одинаковой пропускной способности решение примера настоящего изобретения может достигать дополнительных коэффициентов усиления при разнесенном приеме. Главная причина кроется в том, что в решении примера настоящего изобретения, когда ретрансляционный узел обнаруживает информацию в виде данных узла-источника, может быть использован способ объединения максимальных отношений. Таким образом, решение настоящего изобретения может достигать дополнительных коэффициентов усиления при разнесенном приеме по сравнению с решением сетевого кодирования в комплексной области с двумя ретрансляционными узлами.

Второй вариант осуществления

Как показано на Фиг.5, где T_SR=4, способ ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования, предоставляемый в примере настоящего изобретения, завершается в два этапа, причем для этого требуется T_SR+2 символьных периодов; при этом первый этап, для которого требуется T_SR=4 символьных периодов, состоит в том, что узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных, а второй этап, для которого требуется два символьных периода, состоит в том, что ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу.

На этапе, на котором узел-источник осуществляет широковещательную передачу информации в виде данных, N_S узлов-источников одновременно передают информацию широковещательным способом на ретрансляционный узел R и целевой узел D, при этом сигналы, принимаемые ретрансляционным узлом R и целевым узлом D в t-м символьном периоде, обозначаются соответственно как y_SR(t) и y_SD(t). Для этого этапа требуется T_SR=2 символьных периодов.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, необходимо выполнить пять процедур, а именно декодирование на ретрансляционном узле, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, пространственно-временную передачу сжатых данных и пространственно-временную передачу.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, 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 $$\widehat{x}\left(t\right)$$ сигнального вектора x(t), передаваемого N_S узлами-источниками:

$$\widehat{x}\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{SR}\left(t\right)-H_{SR}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

где $$\widehat{x}\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_1\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , при этом t=0, 1, 2, 3.

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс группирования оценочной информации состоит в том, что ретрансляционный узел R разделяет оценочные значения сигналов, передаваемых всеми N_S узлами-источниками от нулевого символьного периода до символьного периода T_SR-1=3, на два вектора-столбца с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ ; при этом первый вектор $${\widehat{x}}_1$$ включает в себя оцениваемое ретрансляционным узлом оценочное значение сигнала, передаваемого N_S узлами-источниками от нулевого символьного периода до символьного периода $$\frac{T_{SR}}{2}-1=1$$ , т.е. $${\widehat{x}}_1={\left[{\widehat{x}}^T\left(0\right){\widehat{x}}^T\left(1\right)\right]}^T$$ , а второй вектор $${\widehat{x}}_2$$ включает в себя оцениваемое ретрансляционным узлом оценочное значение сигнала, передаваемого N_S узлами-источниками от символьного периода $$\frac{T_{SR}}{2}=2$$ до символьного периода $$\frac{T_{SR}}{2}+1=3$$ , т.е. $${\widehat{x}}_2={\left[{\widehat{x}}^T\left(2\right){\widehat{x}}^T\left(3\right)\right]}^T$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку Р₃ с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_1$$ , чтобы получить $$x_{R_1}=P_3{\widehat{x}}_1$$ , и вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ сжимают в комплексный сигнал, т.е. единичный комплексный вектор-строку Р₃ с размерностью $$1\times \frac{T_{SR}{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ умножают слева на вектор-столбец $${\widehat{x}}_2$$ , чтобы получить $$x_{R_2}=P_3{\widehat{x}}_2$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, 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 элемент в первой строке и первом столбце матрицы 2×2 представляет собой $$x_{R_1}$$ , элемент в первой строке и втором столбце матрицы 2×2 представляет собой $$x_{R_2}$$ , элемент во второй строке и первом столбце матрицы 2×2 представляет собой отрицательное сопряжение $$x_{R_2}$$ , т.е. $$-x_{R_2}^{*}$$ , и элемент во второй строке и втором столбце матрицы 2×2 представляет собой сопряжение $$x_{R_1}$$ , т.е. $$x_{R_1}^{*}$$ . Матрица 2×2 выглядит следующим образом:

$$\left[\begin{array}{cc}{x}_{R_1}& x_{R_2}\\ -x_{R_2}^{*}& x_{R_1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{P}_3{\widehat{x}}_1& P_3{\widehat{x}}_2\\ -{\left(P_3{\widehat{x}}_2\right)}^{*}& {\left(P_3{\widehat{x}}_1\right)}^{*}\end{array}\right]$$ .

На этапе, на котором ретрансляционный узел выполняет сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, процесс пространственно-временной передачи состоит в том, что матрицу 2×2 передают соответствующим образом посредством двух антенн ретрансляционного узла в течение двух символьных периодов; при этом два сигнала в первой строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR=4, т.е. первая антенна передает сигнал $$x_{R_1}$$ в символьном периоде TS_R=4, а вторая антенна передает сигнал $$x_{R_2}$$ в символьном периоде T_SR=4; и два сигнала во второй строке матрицы 2×2 передают на целевой узел посредством двух антенн ретрансляционного узла в символьном периоде T_SR+1=5, т.е. первая антенна передает сигнал $$-x_{R_2}^{*}$$ в символьном периоде T_SR+1=5, а вторая антенна передает сигнал $$x_{R_1}^{*}$$ в символьном периоде T_SR+1=5.

В этом примере вектор Р₃ с размерностью 1×N_S выбирают следующим образом:

$$P_3=\frac{1}{\sqrt{N_S}}\left[1\exp \left(j2\pi /\left(4N_S\right)\right)\dots \exp \left(j2\pi \left(2N_S-1\right)/\left(4N_S\right)\right)\right]$$ .

Поскольку T_SR=4, пропускная способность решения, обеспечиваемого этим примером, составляет $$\frac{T_{SR}}{T_{SR}+2}=\frac{2}{3}$$ символов для пользователя в течение символьного периода.

На Фиг.6 показана кривая сравнения рабочей характеристики решения настоящего изобретения с разными пропускными способностями, причем по оси ординат отложена частота появления ошибочных символов, а по оси абсцисс - отношение сигнал-шум для каждого символа. Как видно из фигуры, с увеличением пропускной способности производительность сетевого пространственно-временного кодирования слегка уменьшается, хотя нет очевидного изменения коэффициента усиления при разнесенном приеме при разных пропускных способностях.

Далее в отношении различных способов управления мощностью в описываемом решении предоставлены Пример 3 и Пример 4.

Третий вариант осуществления

Фиг.7 иллюстрирует структурную схему распределенной ретрансляционной сети, в которой имеются N_S узлов-источников и два ретрансляционных узла. Когда T_S=2, способ распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования осуществляется в два этапа, при этом требуется T_S+2=4 символьных периодов.

Первый этап заключается в том, что узлы-источники осуществляют широковещательную передачу информации в виде данных, причем для этого требуется T_S=2 символьных периодов.

Второй этап заключается в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, причем для этого требуется два символьных периода.

Этап, на котором узлы-источники осуществляют широковещательную передачу информации в виде данных, состоит в том, что N_S узлов-источников одновременно передают информацию широковещательным способом на ретрансляционные узлы R₁ и R₂ и целевой узел D, причем сигнальный вектор, передаваемый N_S узлами-источниками, обозначается как $$x\left(t\right)={\left[x_1\left(t\right)x_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ ; при этом сигналы, принимаемые ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в t-м символьном периоде, обозначаются соответственно как $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , а сигнал, принимаемый целевым узлом D в t-м символьном периоде, обозначается как y_SD(t). На этом этапе требуется T_S символьных периодов, причем t=0,1.

На этапе, на котором ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, необходимо выполнить пять процедур, а именно декодирование на ретрансляционных узлах, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, управление мощностью ретрансляционных узлов и распределенное пространственно-временное кодирование сжатых данных и передачу.

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс декодирования на ретрансляционных узлах состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ соответствующим образом выполняют декодирование по максимальной вероятности в соответствии с принимаемыми сигналами $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , при этом оценочная информация сигнального вектора, который передается посредством N_S узлов-источников и получается при декодировании на ретрансляционном узле R₁, обозначается как $$x_1\left(t\right)={\left[x_{\mathrm{1,1}}\left(t\right)x_{\mathrm{1,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , а оценочная информация сигнального вектора, который передается посредством N_S узлов-источников и получается при декодировании на ретрансляционном узле R₂, обозначается как $${\widehat{x}}_2\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , t=0,1. Оценочная информация $${\widehat{x}}_1\left(t\right)$$ и $${\widehat{x}}_2\left(t\right)$$ вычисляется в соответствии со следующими формулами:

$${\widehat{x}}_1\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_1}\left(t\right)-H_{SR}{}_{1}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

$${\widehat{x}}_2\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_2}\left(t\right)-H_{SR}{}_{2}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

где $$H_{S{R}_1}=\left[h_{S_1{R}_1},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_1}\right]$$ - матрица замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁, a $$H_{S{R}_2}=\left[h_{S_1{R}_2},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_2}\right]$$ - 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 соответствующим образом группируют оценочную информацию N_S узлов-источников в T_S символьных периодах, чтобы получить два вектора-столбца $${\widehat{x}}_1$$ и $${\widehat{x}}_2$$ с размерностью $$\frac{T_S{N}_S}{2}\times 1=N_S\times 1$$ .

Ретрансляционный узел R₁ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_1\left(0\right)$$ и $${\widehat{x}}_1\left(1\right)$$ в символьных периодах T_S=2 на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}={\widehat{x}}_1\left(0\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_s}\left(0\right)\right]}^T$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}={\widehat{x}}_1\left(1\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_s}\left(1\right)\right]}^T$$ .

Ретрансляционный узел R₂ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_2\left(0\right)$$ и $${\widehat{x}}_2\left(1\right)$$ в символьных периодах T_S=2 на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}={\widehat{x}}_2\left(0\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_s}\left(0\right)\right]}^T$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}={\widehat{x}}_2\left(1\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_s}\left(1\right)\right]}^T$$ .

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс сжатия оценочной информации состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ соответствующим образом производят сжатие четырех векторов-столбцов $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ с размерностью $$\frac{T_S{N}_S}{2}\times 1=N_S\times 1$$ , используя единичный комплексный вектор-строку Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times N_S$$ , т.е. ретрансляционный узел R₁ умножает слева единичный комплексный вектор-строку Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times N_S$$ на векторы-столбцы $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ соответственно, чтобы получить $$x_{R_1}\left(0\right)=P_2{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $$x_{R_1}\left(1\right)=P_2{\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , а ретрансляционный узел R₂ умножает слева единичный комплексный вектор-строку Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times N_S$$ на векторы-столбцы $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ соответственно, чтобы получить $$x_{R_2}\left(0\right)=P_2{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $$x_{R_2}\left(1\right)=P_2{\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ .

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс управления мощностью ретрансляционных узлов состоит в том, что ретрансляционный узел R_i вычисляет евклидовые расстояния $$d_{S{R}_1,\min }$$ и $$d_{S{R}_2,\min }$$ в соответствии со способом модуляции, используемым N_S узлами-источниками, и матрицу $$H_{S{R}_j}$$ замирания канала между узлом-источником и ретрансляционным узлом R_j и определяет коэффициенты p₁ и p₂ управления мощностью на ретрансляционных узлах R₁ и R₂ в соответствии с $$d_{S{R}_1,\min }$$ и $$d_{S{R}_2,\min }$$ .

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования существуют два способа определения коэффициентов р₁ и р₂ управления мощностью в соответствии с характеристиками изменения матрицы замирания канала:

Способ 1: Когда матрица замирания канала является квазистатической, т.е. с медленными изменениями, коэффициенты р₁ и р₂ управления мощностью выражаются следующим образом:

$$p_1=\frac{\min \left\{d_{S{R}_1,\min }{\sigma }_{S{R}_1}^2,{\left|h_{R_{1}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{1}D}^2\right\}}{{\left|h_{R_{1}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{1}D}^2}$$ и $$p_2=\frac{\min \left\{d_{S{R}_2,\min }{\sigma }_{S{R}_2}^2,{\left|h_{R_{2}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{2}D}^2\right\}}{{\left|h_{R_{2}D}\right|}^2{\sigma }_{R_{2}D}^2}$$ ;

Способ 2: Когда матрица замирания канала изменяется относительно быстро, коэффициенты p₁ и р₂ управления мощностью выражаются следующим образом:

$$p_1=\frac{\min \left\{d_{S{R}_1,\min }{\sigma }_{S{R}_1}^2,{\sigma }_{R_{1}D}^2\right\}}{{\sigma }_{R_{1}D}^2}$$ и $$p_2=\frac{\min \left\{d_{S{R}_2,\min }{\sigma }_{S{R}_2}^2,{\sigma }_{R_{2}D}^2\right\}}{{\sigma }_{R_{2}D}^2}$$ ,

при этом формула для вычисления евклидова расстояния $$d_{S{R}_i,\min }$$ выглядит следующим образом:

$$d_{SR,\min }=\underset{x\left(t\right)\in C^{N_S},x\text{'}\left(t\right)\in C^{N_S}}{\underset{x\left(t\right)\ne x\text{'}\left(t\right)}{\min }}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{N_S}\Vert h_{S_i{R}_j}{\theta }_i\left(x_i\left(t\right)-x_i^{\text{'}}\left(t\right)\right)\Vert }}^2$$ .

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования распределенное пространственно-временное кодирование сжатых данных состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют передачу в соответствии с матрицей ортогонального пространственно-временного кодирования, используя соответствующие сжатые данные $$x_{R_1}\left(0\right)$$ , $$x_{R_1}\left(1\right)$$ , $$x_{R_2}\left(0\right)$$ и $$x_{R_2}\left(1\right)$$ , а также коэффициенты p₁ и р₂ управления мощностью, т.е. ретрансляционный узел R₁ передает сигналы $$\sqrt{p_1}{x}_{R_1}\left(0\right)$$ и $$-\sqrt{p_1}{\left(x_{R_1}\left(1\right)\right)}^{*}$$ в символьном периоде T_S=2 и символьном периоде T_S+l=3 соответственно, и ретрансляционный узел R₂ передает сигналы $$\sqrt{p_2}{x}_{R_2}\left(1\right)$$ и $$\sqrt{p_2}{\left(x_{R_2}\left(0\right)\right)}^{*}$$ в символьном периоде T_S=2 и символьном периоде T_S+1=3 соответственно. В соответствии с сигналами, передаваемыми ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в символьном периоде T_S=2 и символьном периоде T_S+1=3, может быть сформирована следующая матрица распределенного пространственно-временного кодирования с размерами 2×2:

$$\left[\begin{array}{cc}\sqrt{p_1}{x}_{R_1}\left(0\right)& \sqrt{p_2}{x}_{R_2}\left(1\right)\\ -\sqrt{p_1}{x}_{R_1}^{*}\left(1\right)& \sqrt{p_2}{x}_{R_2}^{*}\left(0\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{p_1}{P}_1{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}& \sqrt{p_2}{P}_1{\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}\\ -\sqrt{p_1}{\left(P_1{\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}\right)}^{*}& \sqrt{p_1}{\left(P_1{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\right)}^{*}\end{array}\right]$$ .

В этом примере оценочные сигналы ретрансляционных узлов в символьных периодах T_S=2 подлежат распределенному ортогональному сетевому пространственно-временному кодированию посредством двух групп разных векторов соответственно и передаются в течение двух символьных периодов, причем пропускная способность может достигать T_S/(T_S+2)=1/2 символов для пользователя в течение временного интервала.

В этом примере вектор сетевого кодирования выбранного единичного комплексного вектора-строки Р₂ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times N_S$$ выражается следующим образом:

$$P_2=\frac{1}{\sqrt{N_S}}\left[1\exp \left(j2\pi \times 3/\left(2N_S\right)\right)\dots \exp \left(j2\pi \times 3\left(N_S-1\right)/\left(2N_S\right)\right)\right]$$ .

На Фиг.8 показана кривая модулирования настоящего примера, когда используется BPSK-модуляция, причем по оси ординат отложена частота появления ошибочных символов, а по оси абсцисс - отношение сигнал-шум для каждого символа. На представленной фигуре обозначение (2,2,1) указывает, что имеются два узла-источника, два ретрансляционных узла и один целевой узел, при этом каждый узел имеет одну антенну, и пропускная способность составляет ¹/₂ символов для пользователя в течение символьного периода. Как видно из Фиг.4, в случае одинаковых пропускных способностей распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование, основанное на алгоритме 1 управления мощностью, может достигать лучшей производительности, когда частота появления ошибочных символов SER=10^-4, причем решение кодирования, основанное на алгоритме 1 управления мощностью, предоставленном настоящим примером, имеет коэффициенты усиления примерно 5 дБ, а решение кодирования, основанное на алгоритме 2 управления мощностью, имеет коэффициенты усиления примерно 4 дБ.

Четвертый вариант осуществления

Фиг.9 иллюстрирует структурную схему распределенной ретрансляционной сети, в которой имеются N_S узлов-источников и два ретрансляционных узла. Когда T_S=4, способ распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования осуществляется в два этапа, при этом требуется T_S+2=6 символьных периодов.

Первый этап заключается в том, что узлы-источники осуществляют широковещательную передачу информации в виде данных, причем для этого требуется T_S=4 символьных периодов.

Второй этап заключается в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, причем для этого требуется два символьных периода.

Этап, на котором узлы-источники осуществляют широковещательную передачу информации в виде данных, состоит в том, что N_S узлов-источников одновременно передают информацию широковещательным способом на ретрансляционные узлы R₁ и R₂ и целевой узел D, причем сигнальный вектор, передаваемый N_S узлами-источниками, обозначается как $$x\left(t\right)={\left[x_1\left(t\right)\dots x_{N_s}\left(t\right)\right]}^T$$ ; при этом сигналы, принимаемые ретрансляционными узлами R₁ и R₂ в t-м символьном периоде, обозначаются соответственно как $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , а сигнал, принимаемый целевым узлом D в t-м символьном периоде, обозначается как y_SD(t). На этом этапе требуется T_S символьных периодов, причем t=0, 1, 2, 3.

На этапе, на котором ретрансляционные узлы R₁ и R₂ выполняют распределенное ортогональное сетевое пространственно-временное кодирование и передачу, необходимо выполнить пять процедур, а именно декодирование на ретрансляционных узлах, группирование оценочной информации, сжатие оценочной информации, управление мощностью ретрансляционных узлов и распределенное пространственно-временное кодирование сжатых данных и передачу.

В способе распределенного ортогонального сетевого пространственно-временного кодирования процесс декодирования на ретрансляционных узлах состоит в том, что ретрансляционные узлы R₁ и R₂ соответствующим образом выполняют декодирование по максимальной вероятности в соответствии с принимаемыми сигналами $$y_{S{R}_1}\left(t\right)$$ и $$y_{S{R}_2}\left(t\right)$$ , при этом оценочная информация сигнального вектора, который передается посредством N_S узлов-источников и получается при декодировании на ретрансляционном узле R₁, обозначается как $${\widehat{x}}_1\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , а оценочная информация сигнального вектора, который передается посредством N_S узлов-источников и получается при декодировании на ретрансляционном узле R₂, обозначается как $${\widehat{x}}_2\left(t\right)={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(t\right)\dots {\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_s}\left(t\right)\right]}^T$$ , t=0, 1, 2, 3. Оценочная информация $${\widehat{x}}_1\left(t\right)$$ и $${\widehat{x}}_2\left(t\right)$$ вычисляется в соответствии со следующими формулами:

$${\widehat{x}}_1\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_1}\left(t\right)-H_{SR}{}_{1}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

$${\widehat{x}}_2\left(t\right)=\underset{x\left(t\right)}{\arg \min }{\Vert y_{S{R}_2}\left(t\right)-H_{SR}{}_{2}x\left(t\right)\Vert }^2$$ ,

где $$H_{S{R}_1}=\left[h_{S_1{R}_1},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_1}\right]$$ - матрица замирания канала между N_S узлами-источниками и ретрансляционным узлом R₁, а $$H_{S{R}_2}=\left[h_{S_1{R}_2},\dots ,h_{S_{N_s}{R}_2}\right]$$ - 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 соответствующим образом группируют оценочную информацию N_S узлов-источников в T_S=4 символьных периодах, чтобы получить два вектора-столбца $${\widehat{x}}_1$$ и $${\widehat{x}}_2$$ с размерностью $$\frac{T_{SR}{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ .

Ретрансляционный узел R₁ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_1\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_1\left(T_S-1\right)$$ в T_S символьных периодах на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}={\left[{\widehat{x}}_1^T\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_1^T\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(\frac{T_S}{2}-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T$$ ;

$${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}={\left[{\widehat{x}}_1^T\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_1^T\left(T_S-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}\left(T_S-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{1,}{N}_S}\left(T_S-1\right)\right]}^T$$ .

Ретрансляционный узел R₂ разделяет оценочные сигналы $${\widehat{x}}_2\left(t\right),\dots ,{\widehat{x}}_2\left(t+T_S-1\right)$$ в T_S символьных периодах на две части:

$${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}={\left[{\widehat{x}}_2^T\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_2^T\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(0\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(\frac{T_S}{2}-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}-1\right)\right]}^T$$ ;

$${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}={\left[{\widehat{x}}_2^T\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_2^T\left(T_S-1\right)\right]}^T={\left[{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(\frac{T_S}{2}\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}\left(T_S-1\right),\dots ,{\widehat{x}}_{\mathrm{2,}{N}_S}\left(T_S-1\right)\right]}^T$$ .

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 $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{2,2}}$$ с размерностью $$\frac{T_S{N}_S}{2}\times 1=2N_S\times 1$$ , используя единичный комплексный вектор-строку Р₃ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ , т.е. ретрансляционный узел R₁ умножает слева единичный комплексный вектор-строку Р₃ с размерностью $$1\times \frac{T_S{N}_S}{2}=1\times 2N_S$$ на векторы-столбцы $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $${\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ соответственно, чтобы получить $$x_{R_1}\left(0\right)=P_3{\widehat{x}}_{\mathrm{1,1}}$$ и $$x_{R_1}\left(1\right)=P_3{\widehat{x}}_{\mathrm{1,2}}$$ , а ретрансляционный узел R₂ умножает слева единичный