物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法技术

本发明专利技术公开了一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，利用连续相位调制信号的记忆特性，解决中继节点接收存在未知载波相位差的两路叠加信号的问题，步骤如下：首先根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的非相干检测判决量；然后计算多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，设计出前端滤波器；最后将基带接收信号通过匹配滤波器，选取使判决量大的信息作为输出结果。该方法可以有效地消除载波随机相位差对中继检测性能的影响且检测性能优越，同时随着观察窗口长度的增加，性能也得到显著提升并逐渐趋近最优相干检测性能。

【技术实现步骤摘要】
物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法
本专利技术属于数字通信领域，具体涉及一种应用于CPM-PNC系统的物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法。
技术介绍
物理层网络编码(Physical-layerNetworkCoding,简称PNC)由于能极大地提高系统的吞吐量而成为现代无线通信的研究热点。它充分利用电磁波在无线环境中自然叠加特性，中继节点对两个通信节点发射的信号之和直接进行解调和映射，再将映射后的信息发送给两个端节点，两个端节点比较自身发送信息和接收的PNC编码信息，来获得对方节点的发送信息。目前关于PNC的公开资料，如PNC系统在MIMO信道下的空时编码技术、PNC符号时钟估计算法、衰落信道中PNC系统的检测性能研究及优化，多集中在BPSK、QPSK、QAM等线性调制信号波形上。但由于其相位不连续，线性功放效率不高，难以高效地应用在一些功率严格受限的无线通信场合。而连续相位调制(ContinuousPhaseModulation,简称CPM)信号波形由于其功率、频谱高效，包络恒定以及相位连续等诸多优点，将CPM与PNC结合(简称CPM-PNC)不仅可以有效提高信息传输速率还可以提高频谱利用率。现阶段已有CPM-PNC的技术都建立在两个发送信号到达中继节点时载波相位差为零或已知的理想基础上。而实际应用中，两个发送信号到达中继节点的载波相位差难以避免，而且对其准确估计相当困难。目前关于单信道CPM非相干检测算法的研究，主要有逐符号检测和多符号检测两种。逐符号检测是对每个检测码元单独观察单独检测，未利用到CPM信号的相位记忆特性，检测性能相对较差。多符号检测则是通过观察多个码元来实现一个或多个码元的检测，检测性能相比于逐符号检测性能大大提高。但是未有关于PNC系统中CPM非相干检测算法的研究和报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，解决物理层网络编码下，中继节点存在未知载波相位差，CPM相干检测难以实现的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括通信节点和中继节点，包括以下步骤：步骤1：根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的对数似然比，中继节点接收信号为两个通信节点的发送信号之和，即根据物理层网络编码的原理，待检测码元是两发送节点观察序列中间码元的异或值，用条件概率定义出待检测码元非相干检测的对数似然比。步骤2：根据最大似然估计准则，计算中继节点在多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，消除未知参量对判决的影响，输出待检测码元的判决量Λ1和Λ-1。步骤3：判断待检测码元的判决量Λ1和Λ-1，选取使判决量大的信息作为输出。进一步地，步骤1中，具体步骤如下：中继节点的接收信号下变频后在nT≤t≤(n+1)T的表达式如下：其中sk(t；αk)，k＝1,2，表示第k个通信节点，观察窗口长度为N＝2m+1内码元序列αk＝{αk,n-2m…αk,n-m…αk,n}调制后的CPM基带信号，αk,i∈{-1,1}为二进制基带调制码元，φ(t；αk)为第k个通信节点对应的相位，φ0为CPM信号的初始相位，一般设为0，E为CPM信号码元能量，T为码元周期，h为调制指数，q(t)为相位平滑函数，g(t)为成形函数，t为通信节点的时间，n为当前接收时间点的码元序号，i为任意时间点的码元序号，τ为成形函数的时间，为两通信节点发送信号达到中继节点的未知载波相位差，在(-π,π)内服从均匀分布，n(t)是均值为0，单边功率谱密度为N0的复高斯白噪声。中继节点待检测码元为：式中，x，y分别是N个观察码元内第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列αk的中间位。中继节点待检测码元的对数似然比表达式如下：式中r(t)表示接收信号，Λ1表示判决为“1”时的判决量，Λ-1表示判决为“-1”时的判决量，E1,1表示x，y分别为“1”和“1”的事件，E-1,-1表示x，y分别为“-1”和“-1”的事件，E1,-1表示x，y分别为“1”和“-1”的事件，E-1,1表示x，y分别为“-1”和“1”的事件。进一步地，步骤2的具体步骤如下：在观察区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内，中继节点接收信号r(t)的条件概率表达式如下：式中，F为常数，Ak＝{αk,n-2m…αk,n-m-1,αk,n-m+1…αk,n}为第k(k＝1,2)个通信节点除去中间码元的其他码元序列组合，x，y分别为第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列αk的中间位。θk,n-N+1为sk(t；αk)在码元区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内的相位状态，k＝1,2。对p(r(t)s1(t,x,A1,θ1,n-N+1),s2(t,y,A2,θ2,n-N+1))中的A1,A2,θ1,n-N+1,θ2,n-N+1各变量和载波随机相位差进行取平均，最终得到任意一种事件的条件概率p(r(t)|Ex,y)表达式如下：式中，C为常数，I0(·)为第一类零阶修正贝塞尔函数，定义为Re[·]表示取实部运算。D＝22m为发送信号码元序列组合A1,A2除去中间码元各种可能的状态数，m是与观察窗口长度N相关的一个变量，即N＝2m+1。Ak,p(1≤p≤D)为第k通信节点除去中间码元的各种可能的比特序列，其中Δk,0＝1,Δk,1＝-1，i1,i2,...,iN-1为将Ak,i中的i表示成二进制时的加权系数，即k＝1,2。Mr(1≤r≤Q)为匹配滤波器s1(t)相位状态集Θ＝{M1,M2...MQ}的元素，Q为状态数，Θ和Q随调制指数h的变化而变化。传统的单信道CPM非相干检测时，通过相位平均，条件概率是一个与匹配滤波器相位状态无关的量。而在CPM-PNC非相干检测中，判决量中s1(t)的相位状态无法平均掉，需要对其单独进行积分和平均。将式(5)代入式(3)得到判决为“1”时的判决量Λ1，表达式如下：判决为“-1”时的判决量Λ-1，表达式如下：其中式(7)和式(8)变量与式(5)和式(17)中定义的变量一致。进一步地，两个通信节点发送的信号为连续相位调制信号。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)非相干检测，两个通信节点间允许存在载波相位差，即检测性能与载波相位差无关。(2)检测性能优越，利用信号间的记忆性，本专利技术一次观察多个码元时间内的接收信号，提高判决的正确性。(3)吞吐量高，将单信道CPM非相干多符号检测算法应用到PNC中，将信息交互的时间从4个时隙缩短到了2个时隙，大大提高了通信系统的吞吐量。附图说明图1为本专利技术应用于CPM-PNC系统的原理图。图2为本专利技术应用于CPM-PNC系统中继端非相干检测基带接收机的原理图。图3为本专利技术的不同观察窗口长度下，调制指数，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。图4为本专利技术的不同调制指数下，观察窗口长度，成形函数为矩形的CPM-PNC非相干检测性能比较。图5为本专利技术的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。图1给出了本专利技术应用于CPM-PNC系统的原理图，图2给出了本专利技术应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括通信节点和中继节点，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的对数似然比，中继节点接收信号为两个通信节点的发送信号之和，即根据物理层网络编码的原理，待检测码元是两发送节点观察序列中间码元的异或值，用条件概率定义出待检测码元非相干检测的对数似然比；步骤2：根据最大似然估计准则，计算中继节点在多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，消除未知参量对判决的影响，输出待检测码元的判决量Λ

【技术特征摘要】
1.一种物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，包括通信节点和中继节点，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据最大似然比准则，定义出中继节点待检测码元的对数似然比，中继节点接收信号为两个通信节点的发送信号之和，即根据物理层网络编码的原理，待检测码元是两发送节点观察序列中间码元的异或值，用条件概率定义出待检测码元非相干检测的对数似然比；步骤2：根据最大似然估计准则，计算中继节点在多个码元时间内接收信号的条件概率，并对条件概率中的载波相位差、相位状态和除去中间码元的其他码元序列组合取平均，消除未知参量对判决的影响，输出待检测码元的判决量Λ1和Λ-1；步骤3：判断待检测码元的判决量Λ1和Λ-1，选取使判决量大的信息作为输出。2.根据权利要求1所述的物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，其特征在于：步骤1中，具体步骤如下：中继节点的接收信号下变频后在nT≤t≤(n+1)T的表达式如下：其中sk(t；αk)，k＝1,2，表示第k个通信节点，观察窗口长度为N＝2m+1内码元序列αk＝{αk,n-2m…αk,n-m…αk,n}调制后的CPM基带信号，αk,i∈{-1,1}为二进制基带调制码元，φ(t；αk)为第k个通信节点对应的相位，φ0为CPM信号的初始相位，一般设为0，E为CPM信号码元能量，T为码元周期，h为调制指数，q(t)为相位平滑函数，g(t)为成形函数，t为通信节点的时间，n为当前接收时间点的码元序号，i为任意时间点的码元序号，τ为成形函数的时间，为两通信节点发送信号达到中继节点的未知载波相位差，在(-π,π)内服从均匀分布，n(t)是均值为0，单边功率谱密度为N0的复高斯白噪声；中继节点待检测码元为：式中，x，y分别是N个观察码元内第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列αk的中间位；中继节点待检测码元的对数似然比表达式如下：式中r(t)表示接收信号，Λ1表示判决为“1”时的判决量，Λ-1表示判决为“-1”时的判决量，E1,1表示x，y分别为“1”和“1”的事件，E-1,-1表示x，y分别为“-1”和“-1”的事件，E1,-1表示x，y分别为“1”和“-1”的事件，E-1,1表示x，y分别为“-1”和“1”的事件。3.根据权利要求1所述的物理层网络编码连续相位调制信号的非相干检测方法，其特征在于：步骤2的具体步骤如下：在观察区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内，中继节点接收信号r(t)的条件概率表达式如下：式中，F为常数，Ak＝{αk,n-2m…αk,n-m-1,αk,n-m+1…αk,n}为第k(k＝1,2)个通信节点除去中间码元的其他码元序列组合，x，y分别为第一通信节点和第二通信节点对应的基带调制码元序列αk的中间位；θk,n-N+1为sk(t；αk)在码元区间(n-N+1)T≤t≤(n+1)T内的相位状态，k＝1,2；对p(r(t)|s1(t,x,A1,θ1,n-N+1),s2(t,y,A2,θ2,n-N+1))中的A1,A2,θ1,n-N+1,θ2,n-N+1各变量和载波随机相位差进行取平均，最终得到任意一种事件的条件概率p(r(t)|Ex,y)表达式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：苏抗，刘兆彤，宁勇，钱太阳，王芳，
申请(专利权)人：中国航天科工集团八五一一研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32