模拟网络编码中继选择的差分和双差分调制方案

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 5（2019）104www.elsevier.com/locate/icte使用具有中继选择的差分和双差分调制的模拟网络编码Sangmin Heo，Chanhong Kim，Nayyoung Lee，JungwooLee通信与机器学习实验室，首尔国立大学电气与计算机工程系，首尔，08826，大韩民国接收日期：2018年5月7日;接受日期：2018年2018年8月1日在线发布摘要提出了一种简单的用于模拟网络编码差分调制（ANC-DM）的中继选择方案我们提出了一个中继选择方案，完全基于接收信号功率，其中他们自己的信息被抵消在每个源节点。所提出的基于功率的中继选择方案进一步应用于使用双差分调制的模拟网络编码（ANC-DDM），这是适合于具有载波偏移的信道。仿真结果表明，我们提出的简单的基于功率的标准在ANC-DM系统中的中继选择相比，使用理想的BER的最佳中继选择方案具有很小的损失。c2018韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：模拟网络编码;差分调制;双差分调制;中继选择1. 介绍网络编码在各种网络场景中提供吞吐量的改进。中继节点可以组合接收到的信息并通过网络编码[1]转发它们，从而通过使用比以前的高层通信更少的时隙来增加网络吞吐量然而，在中继节点处接收的信息之间的冲突是不可避免的，除非信息到达不同的时隙。因此，提出了物理层网络编码（PNC）来提高频谱利用率[2]. PNC在物理层采用网络编码方案。[3]中提出的模拟网络编码（ANC）ANC也可以应用于多址中继信道，这在[4]中进行了分析。在本文中，双向中继信道（TWRC）的假设。以往的研究大多假设网络中的每个节点都知道完全的信道状态信息相应的编辑器。电子邮件地址：sangmin@cml.snu.ac.kr（S. Heo），chkim@cml.snu.ac.kr（C. Kim），nylee@cml.snu.ac.kr（N.Lee），junglee@snu.ac.kr（J. Lee）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.06.003(CSI)如[5]中所示，并执行相干检测。然而，这种假设在实际网络场景中是无效的，例如快衰落信道。在[6]中提出的差分调制提出了一种没有完美CSI的接收机，与相干检测相比，该接收机具有很小的平均损耗。因此，在[7]中建议使用差分调制的模拟网络编码（ANC-DM），与相干检测器的性能相比，简单的线性检测器实现约3dB的性能下降中继选择机制可以显著提高无线中继网络的性能。ANC-DM网络的最优中继选择准则是选择使每个源节点的理想误比特率（BER）之和最小的中继。然而，每个源节点不知道其他源的确切传输信息，因此无法计算理想的BER。实际上，最优方案需要额外的时隙来交换节点之间的BER信息因此，建议使用其他节点的BER估计的次优方法[8]。性能的退化是更严重的次优方案相比，最佳的标准，因为信道估计需要计算BER和SNR。在本文中，我们结合继电器选择方法，2405-9595/c2018韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104105=n=k{|| }=1=-1122、K[9]与[7]和[8]中的ANC-DM系统双向中继网络中的两个源接收来自每个中继的信号，然后利用所提出的选择方案来选择基于接收信号的功率的中继。由于接收机和发射机之间的相对运动或振荡器的差异，可能会产生载波偏移，从而降低系统大多数采用差分调制的系统，如在文献[10]中提出了一种带载波偏移估计的差分调制。作为替代方案，在[11]中提出了双差分调制，而没有明确的载波偏移估计。本文采用模拟网络编码的双差分调制技术在TWRC中处理载波偏移。此外，我们还提出了一种简单的中继选择方案，用于TWRC中使用双差分调制的模拟网络编码（ANC-DDM）。本文的其余部分组织如下。第-第2部分描述了系统模型，并提出了一个简单的中继选择方案的ANC-DM系统。第3节提出了ANC-DDM方案。在第4节中，我们提出了仿真结果来证明我们提出的中继选择方案的性能ANC-DM和ANC-DDM。我们在第5节结束了论文。2. 采用差分调制的模拟网络编码的中继选择方案2.1. 系统模型首先，我们考虑在[7]和[8]中提出的TWRC系统的ANC-DM。系统模型如图1所示。那里是两个源节点（S1，S2）和N个中继节点（R1，. . .，R N）。假设每个节点具有单个天线。ANC-DM系统由两个阶段组成。在第一阶段，两个源节点同时向每个中继广播差分调制信息si[n]，i=1，2，si[n]=si[n−1]di[n]，（1）其中si[0] 1和d[n]表示与所发送的符号相对应的符号。我们假设使用二进制移位键控（BPSK）（即，di[n]是+1或-1），并且每个的发射功率Fig. 1. ANC-DM系统和ANC-DDM系统的框图。注意β1，（4）|h1，k |2个以上|h2，k |2 + N0其中，放大系数βk被设置为使E s r，k21 .一、当信号从Si传输到Rk时的信道与反向传输时的信道存在差异因此，不像[7]和[8]，我们假设hi， k和hk， i之间的关系为hk，i=hik，k.（五）使用差分调制的系统可以具有与没有理想CSI的相干检测器在那里-假设源节点为1。因此，中继节点不需要知道完美的CSI，并且被第k个中继站在时间n，yk[n]处的接收信号是来自两个源节点的发送信号之和，能够与（4）不同地获得βk。假设一个帧由L个符号组成，则yR =[y R [1]，. . . ，y R [L]] T，由下式给出S= [s [1]，. . .，s [L]]T，sKK=[s[1]s[LK不 nR=ykR[n]=h1，ks1[n]+h2，ks2[n]+nRk[n]，（2）其中h i，k（i 1，2，k 1，2，. . .，N）表示当信号从Si发送到Rk时的瑞利衰落系数。我们假设信道在一帧期间是准静态的，并且当一帧结束时独立地改变。信道噪声[nRk][1]，. . . ，nRk[L]]T. 然后我们可以将（2）修改为向量，yRk =h1，ks1+h2，ks2+nRk.（六）βk与yRk的能量有关，因此可以与[7]和[8]不同地近似，并由下式给出：nRk 假设有一个分布CN（0，N0/2）.在第二阶段，Rk放大从βk=LL，（7）2，。. .、]]106S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104第一相位，并将放大的信号Sr，k[n]广播到-E{yRkHyRk}yRkHyRk向两个源节点，由下式给出：sr，k[n]=βkykR.（三）在第二阶段之后，S1和S2用相同的方法对接收到的信号进行解码，因此S1的检测将仅S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104107==∗=|−|{− −+− −}|≈−|k，1 k，1 + |≥−−K2、、、k，11，kKK1212k，1k，1k，11k，12k，1、、、本文讨论在源S1处从第k个中继节点接收的信号由下式给出：yk，1[n]=βkhk，1ykR[n]+nk，1[n]=μk，1s1[n]+νk，1s2[n]+wk，1[n]，（8）哪里µk，1=βk|h1，k|2> 0νk，1=βkh<$1，kh2，kwk，1 [n]=βkh<$1，knRk[n]+nk，1[n].S1必须估计µk，1和νk，1，而不是知道完美的该算法的性能接近最优中继选择方案，这不同于其他次优方法。本文提出的中继选择算法基于yk′，i[n]。每个源节点选择单个中继，并将获得的关于所选中继的信息广播到每个中继节点。因此，取决于两个源节点中的每一个中的选择算法，在整个网络中选择多达两个中继。在第二阶段中，除了选定节点之外的每个中继都是静默的。在不失一般性的情况下，我们将仅讨论S1的中继选择，因为在每个源节点中使用相同的选择过程。让我们考虑CSI检测s2[n]。对于信道参数的估计，我们在一帧中形成信号的向量[y k，1 [1]，. . . ，y k，1 [L]] T，w k，1[wk，1[1]，. . . ，wk，1 [L]] T. 在低信噪比（SNR）状态下，估计的µk，1和νk，1为yk′，1[n−1]=νk，1s2[n−1]+wk，1[n−1]=βkh<$1，kh2，ks2[n−1]+βkh<$1，knRk[n−1]+n k，1 [n − 1]。（十六）由于噪声的影响，与真实值相差甚远，但对性能影响不大。在高SNR状态下，由于可忽略的噪声，我们可以使用近似：从（16），我们有yk′，1[n]=βkh<$1，kh2，ks2[n− 1]d2[n]+wk，1[n]|22yRkHyRk=yk′，1[n−1]d2[n]+βkh<$1，k（nRk[n]µk，1|+的|νk，1|≈L.（九）-nR[n−1]d[n]）+（n[n]让我们定义yk，1[n]为：yk，1[n]=yk，1[n−1]d1[n]−yk，1[n]=νk，1s2[n−1]（d1[n]−d2[n]）+wk，1[n]，（10）-n k，1[n − 1] d2 [n]）。（十七）通过将（16）和（17）相乘，可以获得（15）为：yk′1[n−1]yk′1[n]=|yk′1[n−1]|2d2[n]其中w= k，1[n]=wk，1[n− 1]d1[n]−wk，1[n]。 从（10），|νk，1|2+y′ <$[n− 1]{βkh<$（nR[n]−nR[n−1]d2[n]）可以近似为+（n k，1 [n] −n k，1 [n − 1] d2 [n]）}。（十八）2岁儿童1岁儿童，1的完整统计分布 y′[n−1]y′[n]|νk，1|阿斯克，、（十一）k，1k，1LE [|d1 [n] − d2 [n]|二、其中y k，1[y k，1 [1]，. . .，yk，1 [L]] T和E [d1 [n]d2 [n] 2]可以直接计算。假设BPSK信号，我们有E[|d [n] −d [n] |2]=E [|d [n] |2]+E [|d [n]|二、是很难实现的。然而，从（18）可知，yk′k，1[n-1]包含高斯噪声项，因此，yk′k，1[n-1]βkh1，k（nRk[n]nRk[n1] d2[n]）（nk，1[n]nk，1[n1] d2[n]）具有高斯随机变量的平方项。虽然不精确，我们假设（18）近似为高斯分布，-2 E [d1 [n] d2 [n]]= 2。（十二）通过使用（9）和（11），µk，1近似为yHyk，1[v]， （13）L其中，如果X为0，则[X]+表示X，如果X为<0，则表示0。通过减去（1）1（1分布在这种情况下，由于硬判决检测被应用于（15），所以yk′的条件期望为，1[n1]yk′，1[n]可以用作信号星座之间的距离度量。因此，大的条件期望值可以增加解码的准确性。yk′，1[n1]yk′，1[n]在Giv en的条件d2[n]为y′[n]=y[n] −µs [n]=νs[n]+w[n]E{yk′ <$1[n−1]yk′1[n]|[n]n=1，n=2，n=1 |yk′1[n−1]|2d2[n]}。（十九）=νk，1s2[n−1]d2[n]+wk，1[n]=（yk′，1 [n−1] −wk，1 [n−1]）d2[n]+wk，1 [n].（十四）k，1108S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104、|−|、在ANC-DM系统中，然后将硬判决检测算法应用于信号yk′，1[n]以得到发射信号yk′，2[n在（19）式中，条件期望依赖于yk′1[n1]2。因此，我们提出了一种简单的中继选择算法，该算法仅使用yk′，1[n-1]的幂作为k=a r gma x{|yk′1[n−1]|2}。（二十）ted符号由k估计d2[n]=sign{Re（yk′，1 [n−1]yk′，1 [n]）}.（十五）2.2. 基于功率的继电器选择方案在本文中，我们提出了一个简单的中继选择方案，具有较低的复杂度，无需计算CSI和BER。的3. 采用双差分调制的模拟网络编码的中继选择方案3.1. 系统模型在ANC-DM系统中，由于发射机和接收机之间的振荡器的频率偏移，可能发生载波偏移。S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104109−+k，1k，1、、、、、、ve图二. 双差分调制的框图。接收机，导致系统性能下降。与差分调制相比，双差分调制更好地处理载波偏移，并且可以减轻载波偏移。性能下降。 在本节中，我们应用双-通过从（22）中的yk，1[n]中减去µ k，1s1[n]，我们有yk′，1[n]=yk，1[n]−µk，1s1[n]=νk，1s2[n]+wk，1[n]=νk，1s2[n−1]p2[n]+wk，1[n]=（yk′，1 [n−1] −wk，1 [n−1]）p2 [n]+wk，1 [n].（二十六）在ANC-DDM系统中，传输的符号被获得为：d2[n]=sign{Re[（yk′，1[n−1]yk′，1 [n]）（y′[n−2]y′[n-1]）]}，（27）将[11]中的差分调制转换为用于TWRC网络的模拟网络编码，并将其与中继选择方案相结合。系统模型与图1所示的ANC-DM系统相同，以及关于系统的假设。ANC-DDM系统也由两个阶段组成。在第一阶段，两个源节点同时向中继节点广播双差分调制符号si[n]（i= 0，1）。如图 2，在时间n处的源节点中的双差分调制通过以下方式执行：p[n]=p[n−1]d[n]这类似于重复两次的ANC-DM检测。3.2. 基于功率的继电器选择方案我们证明，建议的简单的中继选择方案的ANC-DM系统可以应用到ANC-DDM系统。由于与ANC-DM系统相同的原因，我们只讨论了ANC-DDM系统中S1的中继选择让我们考虑yk′，1[n−1]=νk，1s2[n−1]+wk，1[n−1]我我我=βkh<$h2ks2[n−1]+βkh<$nR[n−1]si[n]=si[n-1]pi[n]，（21）1，k、1，k k其中s [0]=s [1]= p[1]= 1。ANC-DDM系统+n k，1[n − 1]。（二十八）我我我除了检测算法之外，几乎与ANC-DM系统相同。第k个中继器在时间的接收信号从（28），我们有yk′，1[n]=βkh<$1，kh2，ks2[n− 1]p2[n]+wk，1[n]n是ykR[n]，与（2）相同。在第二阶段，Rk放大（2）至（3），并广播=yk′，1[n−1]p2[n−1]d2[n]+βkh<$1，k（nRk[n]，k[n]的源节点。ANC-DDM系统还可以通过以下过程来估计信道参数。假设一个帧由L个符号组成。然后，可以将（2）修改为如（6）中的向量形式。因此，通过（7）获得用于ANC-DDM系统的每个中继节点的放大因子βk。-nRk[n−1]p2[n]）+（nk，1[n]-n k，1 [n− 1] p2 [n]）。（二十九）ha通过使用方程s2[n−1]=s2[n−2]p2[n−1]，我们y′[n−2]=βkh h2ks2[n−1]+wk1[n−2]、、在本文中，我们将只讨论S1的检测，k，11，kp2[n−1]ANC-DDM系统，因为S1和S2使用相同的解码=yk′，1[n−1]+βh（nR[n−2]算法我们有p2[n−1]K1，kKyk，1[n]=βkhk，1ykR[n]+nk，1[n]=μk，1s1 [n]+ νk，1s2 [n]+ wk，1 [n]。（二十二）nRk[n−1]）（np2[n−1]k，1[n−2]我们可以分别将µk，1、νk，1和wk，1[n]定义为与来自ANC-DM系统的参数相同。另外，在高SNR区域中，（9）中的近似是可能的。由于S1知道它自己的符号d1[n]，因此可以通过y_k，1[n]来估计vk，1，其被定义为：n k，1[n −1]）。（三十）p2[n−1]通过将（28）、（29）和（30）相乘，可以通过计算获得（27（yk′<$1[n−1]yk′1[n]）（yk′<$1[n−2]yk′1[n−1]）<$yk，1[n]=yk，1[n−1]p1[n] −yk，1[n]为|yk′1[n−1]|4d2[n]+A1yk′1[n−1]=νk，1s2[n−1]（p1[n]−p2[n]）+wk，1[n]，（23）+A2（y′[n−1]）2，（31）−110S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104其中w k，1[n]=wk，1[n−1]p1[n]−wk，1[n]。从（23），|νk，1|2哪里k，1可以近似为yH y|2|2、2克朗、1克朗、1A1={βkh<$1k（nRk[n]−nRk[n−1]p2[n]）|νk，1|LE[p[n]p[n]2]，（24）p2[n-1]，| 1− 2|+（n[n] −n[n− 1] p [n]）}+ |y′[n− 1] |2p [n]其中y=k1=[y=k1[1]，. . . ，yk1[L]]T和E[|p1[n]−p2[n]|二、k，1k，1 2k，12、、、nR[n−1]可以很容易地计算为2。通过使用（22）和（24），µk，1近似为·{βkh<$1，k（nRk[n−2]−n[n1]Kp2[n−1]）+（nk，1[n−2]yHyk， 1k，1 −）}，|2个月[|2 ≈[k，1L- -一种|νk，1|2]+。（二十五）p2[n−1]−S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104111、−|−|}}K=、K、、和A2={βkh<$1，k（nRk[n]−nkR[n−1]p2[n]）+（nk，1[n]-nk，1[n−1]p2[n]）}{βkh<$1，k（nRk[n−2]- n R k [n − 1]）+（n k 1 [n − 2] − n k，1 [n − 1]）}。p2[n−1]p2[n−1]注意，根据（31），ANC-DDM系统的检测取决于yk′1[n1]2。因此，所提出的用于ANC-DM系统的仅基于yk′，1[n1]的幂的简单中继选择算法也可以应用于ANC-DDM系统，k=a r gma x{|yk′1[n−1]|4}=a r gma x{|yk′1[n−1]|2}。（三十二）4. 仿真结果最优中继选择方法是基于理想误码率的，然而，计算理想误码率是不实际的。因此，已经研究并提出了几种基于估计的BER或SNR的次优方案。在本节中，我们简要介绍这些标准，并比较其性能与我们提出的中继选择算法。4.1. 现有的中继选择算法设BE R1，k和BE R2，k分别是从第k个中继节点发送到S1和S2的为了进行比较，在仿真中使用[81. 最小化总平均误码率的最优中继选择方案：k_（ max ）=arg_min_k{BE_ （R1 ， k ）（h_ （ 1 ， k，h_2 ，k））+BE_R2，k）（h_（1，k，h_2，k））2. 基于BER的次优3. 基于有效信噪比的次优4.2. ANC-DM系统我们考虑使用BPSK的ANC-DM系统。我们假设10000英镑。本文提出的中继选择算法与现有方案的比较结果如图所示。3.第三章。假设存在4个中继节点。无论使用什么中继选择方案，都存在BER下限。所提出的中继选择算法的性能有约1 dB的下降相比，最佳的中继选择方案，并表现出最好的性能次优算法。此外，该算法具有较低的复杂度比其他算法。图三. 采用不同中继选择方案的ANC-DM系统性能。见图4。采用不同中继选择方案的ANC-DDM系统性能。4.3. ANC-DDM系统BPSK也被用于ANC-DDM系统的仿真所提出的中继选择算法与应用于ANC-DDM系统的现有方案的比较在图4中示出。假设存在4个中继节点。所提出的中继选择算法的性能也有约1 dB的退化相比，在ANC-DM系统中的最佳中继此外，该算法具有较低的复杂度比其他算法在ANC-DDM系统。5. 结论本文提出的基于中继选择的ANC-DM系统具有较好的实用性，因为它在参数估计的情况下性能接近最优，而在参数估计的情况下性能接近最优。112S. 霍角，澳-地金，N.Lee等人/ICT Express 5（2019）104不需要完美的CSI虽然提出的中继选择算法在ANC-DDM系统中的性能低于ANC-DM系统，但在存在载波偏移的情况下，性能下降不太严重。致谢这项工作部分得到了基础科学研究计划（NRF-2017 R1A2 B2007102）的支持，通过MSIP资助的NRF，MOTIE资助的技术创新计划（10051928），DAPA资助的仿生机器人研究中心（UD 130070 ID），INMAC和BK 21-plus。利益冲突作者声明不存在利益冲突。引用[1] A. 阿加瓦尔，M。Charikar，On the advantage of network coding forimproving network throughupt ， in ： 2004 IEEE Information TheoryWorkshop，Oct.2004，pp.247-249[2] S. 南 卡 罗 来 纳 州 张 Liew ， P.P.Lam ， Hot topic ： Physical-layernetwork coding ， in ： Proc. 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