一种基于物理层网络编码的无线光通信方法、系统及装置

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于物理层网络编码的无线光通信方法、系统及装置。


背景技术：

2.无线光通信是目前频谱资源日益匮乏的无线微波通信技术的有效补充，具有无电磁干扰、绿色环保、保密性好等多个优势，被认为是未来6g的关键技术之一。无线光通信依赖于视距链路传输，物理阻挡会导致通信质量的下降乃至完全中断。中继网络扩大了通信系统的覆盖范围，使原本无法直接通信的不同节点可以借助中继进行信息交互。而物理层网络编码技术可以在基于中继的无线光通信系统中减少用户之间相互交换信息所需要的时隙，从而提高系统的吞吐量和降低延迟。现有的第一文献基于放大转发模式介绍了全双工光中继系统中的物理层网络编码，探讨了ook、bpsk以及ofdm等调制格式的编解码方法与误码率性能。现有的第二文献将ofdm的自适应比特加载方法引入基于物理层网络编码的可见光通信系统，不仅解决了可见光系统中固有的频率选择性衰落的问题，而且减轻了在中继节点的信号同步要求。现有的第三文献将物理层网络编码的研究进一步扩展到非对称信道下的可见光通信系统。但是上述研究都基于放大转发模式。解码转发通过在中继节点重新编码以减少多个用户叠加的信号的星座点个数，具有更优的性能。但是当前面向解码转发的物理层网络编码无线光通信系统的研究较少。现有的第四文献提出在中继节点采用异或运算对来自不同用户的信号进行重新编码，但是这种方法仅适用于bpsk和qpsk等低阶相位调制，无法移植到高阶的qam信号。此外，在解码转发系统中，用户节点发射的信号的相位与幅度会影响在中继节点叠加的信号的星座图，从而影响编码的方式以及性能，因此需要根据信道特性进行设计与优化。


技术实现要素：

3.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提出一种基于物理层网络编码的无线光通信方法、系统及装置。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，包括以下步骤：
6.包括至少两个用户节点a与b，以及一个中继节点r，所述每个节点包括至少一个发射机与一个接收机；
7.获取两个用户节点a与b到中继节点r的信道特征，获取至少一个高斯素数q，根据所述信道特征与所述高斯素数q在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号sa和sb，其中所述复数信号sa和sb的星座点的个数不大于高斯素数q的模的平方；
8.用户节点a与b根据所述产生的至少一个复数信号sa和sb分别获得实数信号xa和xb，然后各自通过调制无线光将所述实数信号xa和xb发射到中继节点r；
9.中继节点r同时接收来自用户a与b的信号，根据接收的信号xe获取至少一个复数
信号se，根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号se获得至少一个编码后的复数信号s
coded
，根据所述编码后的复数信号s
coded
获得实数信号x
coded
，然后通过调制无线光将实数信号x
coded
发送回用户节点a与b；
10.用户节点a与b分别接收中继节点r发射的信号，用户节点a根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号sa获得复数信号sb的信息，用户节点b根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号sb获得复数信号sa的信息。
11.本发明针对的场景如下：两个用户节点a与b需要相互交换信息，但是由于无线光依赖于视距链路传输，当障碍物遮挡或者收发机的有限视角使得节点a与b无法直接通信时，需要采用中继r辅助用户a与b相互交换信息。物理层网络编码技术可以在此过程中用来提升吞吐量或者降低延迟。本发明针对的是基于解码转发的物理层网络编码无线光通信中继系统，主要分为如下步骤：首先，用户节点a和b分别将需要相互交换的信息发送到中继节点r，这些信息同时被中继节点r接收，导致两个信号的星座图叠加在一起从而有较多的星座点。中继节点对叠加的信号重新编码，以减少星座点的数量从而提高信噪比，然后再把重新编码后的信号同时发送回用户节点a和b。用户节点a(或者b)利用接收的重新编码后的信息以及自身的信息，提取来自节点b(或a)的信息。
12.无线光通信调制到光路上的信号必须是实数，而本发明中用户节点a与b以及中继节点r进行编解码等处理的信号sa、sb、se、s
coded
都是用复数表征的，因此用于编解码的复数信号与用于发送或接收的实数信号xa、xb、xe、x
coded
之间存在一定的转换关系，这可以通过采用频谱具有共轭对称特性的多载波调制或者cap调制实现，但是本发明并不对具体转换方式做限制。在多载波调制中，本发明仅限定了其中至少有一个子载波采用本发明的方法即可。当不同载波都采用本方法时，不同载波上的调制格式(或星座点的数量)以及所述高斯素数q可以不同，例如可以通过自适应加载算法决定不同载波承载的星座点的数量，据此确定每个子载波采用的高斯素数q，然后每个子载波根据各自的q产生各自的复数信号。
13.用户节点a和b以及中继节点r进行编解码等处理的复数信号采用基于高斯素数q的有限域的原理。在编解码过程中考虑了信道特性对在中继节点r叠加的信号se的星座点的影响，并据此调整在用户节点a和b所产生的复数信号sa、sb的幅度和/或相位提升性能。
14.进一步地，所述在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号sa和sb的步骤，包括：
15.根据所述高斯素数q获得其高斯整数有限域，根据所述高斯整数有限域获得所述复数信号sa和sb。
16.用户节点a与b产生复数信号sa和sb的步骤包括，首先确定sa和sb采用的星座点的个数，例如16qam、32qam或64qam，根据星座点的个数确定高斯素数q，其中高斯素数q的模的平方不小于拟采用的调制格式的星座点个数。根据高斯素数q获得其对应的高斯整数有限域，其中高斯有限域中的元素的个数即为q的模的平方，在所述高斯整数有限域中选取不同的元素表征sa和sb的不同星座点。
17.进一步地，所述在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号sa和sb的步骤，包括：
18.根据所述两个用户节点a与b到中继节点r的信道特征调整复数信号sa、复数信号sb或两者的相位和幅度的其中至少一种。
19.用户节点a与b产生的信号sa、sb或者两者的相位和幅度的至少一种会根据用户节点a和b到中继节点r的信道特性进行调整，目的是使得在中继节点叠加的信号更有利于物理层网络编码以提高性能。这里的信道特性可采用训练数据测量获得，可以包括在频域上不同频率点的响应，信道特性获得的具体实现方式及其表征形式本发明不做限制。
20.进一步地，所述高斯素数q的值根据所述信道特性进行确定。
21.信道特性影响了能够承载的复数sa和sb的星座点的个数。当信道较差时，适合采用低阶调制格式例如qpsk和8qam，当信道较好时，适合采用高阶调制例如16qam和32qam。相应的，复数信号sa和sb的星座点的个数应不大于高斯素数q的模的平方，因此要根据拟采用的星座点个数选择高斯素数的值。需要说明的是，产生的复数sa和sb不一定保持qam的星座图形状，可以根据信道特征有幅度上的伸缩或在相位上的旋转，这一点已经在上述中的说明中阐述。
22.进一步地，用户节点a与b分别获得的实数信号xa和xb为cap信号或者多载波信号；
23.当为多载波信号时，所述至少一个复数信号sa为实数信号xa的其中一个或多个子载波上的信号，所述至少一个复数信号sb为实数信号xb的其中一个或多个子载波上的信号。
24.本发明给出了将产生和编码后的sa和sb转换为适合无线光调制的方法。sa和sb是复数信号，但是无线光的传输信号需要为非负实数，因此本发明会采用频谱共轭对称的cap或者多载波信号，保证发送信号的实数特性。本发明并未限制非负特性，这是因为在实际中可以对所述实数cap或多载波信号添加直流偏置获得非负信号，但是也可以直接将实数信号调制到led或ld中，通过控制led或ld的偏压获得适合其调制的信号。其中复数信号sa和sb放在xa和xb的正频率子载波上。需要说明的是，本发明可以产生多个复数信号sa和sb放在多载波信号中的不同子载波上，不同的子载波可以有不同的调制格式及其对应的高斯素数q，不同子载波上的调制格式可以根据信道特性确定。
25.进一步地，所述根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号se获得至少一个编码后的复数信号s
coded
的步骤，包括：
26.将复数信号se中的星座点进行分组，并将同一组中的星座点映射到s
coded
中的同一星座点，将不同组的星座点映射到s
coded
中的不同星座点，其中分组的数量不大于高斯素数q的模的平方。
27.中继节点将叠加的有较多星座点的信号se进行重新编码以减少星座点的个数，从而提高信噪比。减少星座点的个数的方法是将se中的星座点进行分组，将同一组中的星座点映射到s
coded
中的同一星座点，不同组的星座点映射到s
coded
中的不同星座点。s
coded
中的星座点也用高斯素数q的有限域中的元素表征，所以分组的个数要不大于高斯素数q的模的平方。
28.进一步地，所述根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号se获得至少一个编码后的复数信号s
coded
的步骤，包括：
29.根据所述高斯素数q获得其高斯整数有限域，在所述高斯整数有限域中获取至少两个高斯整数，根据所述两个高斯整数将se中的星座点进行分组，并将同一组中的星座点映射到s
coded
中的同一星座点，将不同组的星座点映射到s
coded
中的不同星座点，其中所述两个高斯整数使得所述se中的不同组的星座点之间的最小距离最大化。
30.本发明提供了一种将se中的星座点进行分组的具体做法，在高斯素数的有限域中
寻找两个元素α和β，把编码后的信号s
coded
表征为sa和sb的线性叠加，其中sa和sb的系数分别为α和β。根据高斯整数有限域的性质，可以根据s
coded
以及sa和sb的其中之一获得另一个的值，因此当用户节点a和b接收并提取出s
coded
后，可以根据自身信息以及s
coded
获得对方发送的信息。此外，α和β的选择应当使得在对se中的星座点进行分组时不同组之间的最小欧式距离最大化。
31.进一步地，所述无线光包括可见光、红外光、紫外光的其中一种或几种的组合。
32.本发明可用于可见光通信系统、红外或者紫外光通信系统。
33.本发明所采用的另一技术方案是：
34.一种基于物理层网络编码方法的无线光通信系统，包括：
35.至少两个用户节点a与b，以及一个中继节点r，所述每个节点包括至少一个发射机与一个接收机；
36.用户节点a与b根据权利要求1-8任一项所述的方法各自产生至少一个复数信号sa和sb，根据所述至少一个复数信号sa和sb分别获得实数信号xa和xb，然后各自通过调制无线光将所述xa和xb发射到中继节点r；
37.中继节点r同时接收来自用户a与b的信号，根据权利要求1-8任一项所述的方法获得实数信号x
coded
，然后通过调制无线光将x
coded
发送回用户节点a与b；
38.用户节点a与b分别接收中继节点r发射的信号，根据权利要求1-8任一项所述的方法分别获取复数信号sb和sa的信息。
39.本发明所采用的另一技术方案是：
40.一种基于物理层网络编码方法的无线光通信装置，包括：
41.至少一个处理器；
42.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
43.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
44.本发明的有益效果是：本发明解决了当前基于物理层网络编码的无线光通信系统主要面向放大转发而不适用高性能解码转发模式，或仅适用于低阶相位调制的问题，同时考虑了用户端的信号设计对编码的影响，根据链路信道特性调整用户节点的发送信号的相位和/或幅度，从而提高了谱效率与性能。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
46.图1为本发明实施例中一种基于物理层网络编码的无线光通信系统的示意图；
47.图2为当选用高斯素数q＝2+i时的星座图；其中对应的有限域z[i]/(2+i)的两组(星形和圆点)代表元素，图中矩形中的4个圆点构成了4qam星座点；
[0048]
图3为根据sa(或者sb)获取xa(或者xb)以及根据xe获取se的流程图；
[0049]
图4为当信道ha＝0.9,hb＝1,采用(α,β)＝(1,2i)时se的星座点的分组结果以及不
同组的最小欧式距离的示意图；其中五个符号代表五个组别；
[0050]
图5为当信道ha＝0.9,hb＝1,采用(α,β)＝(1,2)时se的星座点的分组结果以及不同组的最小欧式距离的示意图；其中五个符号代表五个组别；
[0051]
图6为d
min,opt
随着∠(ha/hb)变化的曲线图；
[0052]
图7为当信道ha＝0.9e
jπ/3
,hb＝1，采用优化的(α,β)＝(1,i)时se的星座点的分组结果和d
min,opt
的示意图；
[0053]
图8为根据实际的信道ha/hb调节用户节点中的信号的幅度和/或相位的流程图；
[0054]
图9为本发明实施例中一种基于物理层网络编码的无线光通信系统的硬件示意图；
[0055]
图10为本发明实施例中一种基于物理层网络编码的无线光通信方法的流程图。
具体实施方式
[0056]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0057]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0058]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0059]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0060]
如图10所示，本实施例提供一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，适用于高性能的解码转发以及高阶qam调制，同时考虑了信道特性对用户端的调制以及相位与幅度设计的影响，从而提高了谱效率与性能。该方法具体包括以下步骤：
[0061]
步骤1：获取两个用户节点a与b到中继节点r的信道特征，获取至少一个高斯素数q，根据所述信道特征与所述高斯素数q在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号sa和sb，其中所述复数信号sa和sb的星座点的个数不大于高斯素数q的模的平方；
[0062]
步骤2：用户节点a与b根据所述产生的至少一个复数信号sa和sb分别获得实数信号xa和xb，然后各自通过调制无线光将所述实数信号xa和xb发射到中继节点r；
[0063]
步骤3：中继节点r同时接收来自用户a与b的信号，根据接收的信号xe获取至少一个复数信号se，根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号se获得至少一个编码后的复数信号s
coded
，根据所述编码后的复数信号s
coded
获得实数信号x
coded
，然后通过调制无线光将实
数信号x
coded
发送回用户节点a与b；
[0064]
步骤4：用户节点a与b分别接收中继节点r发射的信号，用户节点a根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号sa获得复数信号sb的信息，用户节点b根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号sb获得复数信号sa的信息。
[0065]
以下结合附图及具体实施方式对上述方法进行详细解释说明。
[0066]
如图1所示，被障碍物遮挡的两个用户节点a和b可以通过中继节点r在两个时隙中彼此交换信息。第一时隙被称为多址阶段。节点a和b发送信号，这些信号在中继r处叠加，形成具有更高阶格式或更多星座点个数的叠加信号。第二个时隙被称为广播阶段。在传统的放大转发模式的物理层网络编码方案中，检测到的叠加信号被放大，并在广播阶段发送回节点a和b。然后，节点a(或者b)通过使用叠加信号和自身信息获得节点b(或a)的发送信息。于此不同，在解码转发模式中，在广播回两个节点之前，中继节点对叠加信号重新编码，以减少星座点的数量提高信噪比。对于bpsk和qpsk等格式，可以使用异或运算实现重新编码。然而，这种方法无法应用到高阶qam。
[0067]
为解决上述问题，本发明提出了一种基于高斯整数有限域的解码转发物理层网络编码方法，同时根据信道特征设计发射端信号的幅度和/或相位以提高信噪比。下面将以ofdm可见光通信系统为例介绍具体实施方式。首先估计用户节点a和用户节点b到中继节点r的信道，其频率响应假设为ha(ω)和hb(ω)。信道估计可以采用发送训练序列的方式获得。根据估计的信道设置每个子载波的调制阶数，例如qpsk、8qam、16qam等。实际中可以采用自适应比特加载算法为每个子载波分配合适的调制阶数。需要说明的是，ofdm中只需要有一个子载波采用本发明的方法即在其保护范围。为简化说明，下面我们将只针对其中一个子载波介绍信号设计与编解码原理。假设该子载波的调制信号为qpsk，获取高斯素数q，其中q的模的平方要大于星座点的个数m，即大于4。在本例中，我们选取高斯素数q＝2+i。复平面上所有高斯整数被高斯素数q除后得到的余数，可以被划分为几个类别，定义为z[i]/q，形成q的高斯整数有限域。当q＝2+i时，可以分为5个类别。需要说明的是，z[i]/q的代表元素可以用不同的方式选择，如图2所示。图2中的5颗星构成了z[i]/q的集合，表示为set1。此外，z[i]/q也可以用一组黑点set2表示，set2用元素bk+λq代替了set1集合中的元素bk，其中λ是高斯整数。在本例中，我们采用set2进行4qam调制，如图2中的矩形框所示，命名为set
qam
。类似地，8qam和16qam可以分别采用q＝3和q＝4+i获得。
[0068]
对不同子载波执行类似的操作，即对于第j个ofdm子载波，节点a和b从集合set
j,qam
中选择符号s
j,qam,a
和s
j,qam,b
。当采用自适应比特加载时，不同的子载波可以使用不同的q来生成不同阶数的qam信号。为简化说明，我们在下面的讨论中忽略索引j，即将s
j,qam,a
和s
j,qam,b
简化为s
qam,a
和s
qam,b
。首先对s
qam,a
和s
qam,b
归一化得到：
[0069][0070]
其中s
center
是qam信号的平均值，pa和pb分别为(s
qam,a-s
center
)和(s
qam,b-s
center
)的平均功率。然后，将公式(1)中sa和sb的信号装入ofdm的第j个子载波。同样的对其他子载波执行类似的操作，然后对ofdm信号进行厄密特共轭对称扩展以生成实数时域信号，添加循环前缀(cp)以抵抗信道中的码间串扰，添加偏置获得非负实数信号xa和xb，然后调制led或ld发射到中继节点r。此步骤如图3所示。需要说明的是，本发明未限制xa和xb为非负信号，实际
中，可以不采用添加直流偏置的方式，直接将实数信号xa和xb加载到led或者ld，通过led或者ld的偏压获得适合其调制的信号。
[0071]
节点a和b到中继节点r之间的延迟可能不同，但此问题可通过ofdm中的循环前缀解决。在中继节点r的接收信号为xe，在去除cp并变换回频域之后提取出第j个子载波的信号se，如图3所示。此信号可以表示为sa和sb信号的叠加：
[0072]
se(sa，sb)＝hasa+hbsb+nr#(2)
[0073]
其中ha和hb分别是链路a-r和b-r在第j个ofdm子载波上的信道响应，这里我们忽略了第j个ofdm子载波的下标j以简化表达。nr是中继节点处的噪声。显然，se具有m2个星座点。在本实施例中，sa和sb分别采用4个星座点，所以se有m2＝16个星座点。中继节点r对se(sa，sb)重新编码以减少叠加的星座点的个数。因此需要对se中的星座点分组，将同一组中的星座点映射到s
coded
(sa，sb)中的相同星座点符号，将不同组的星座点映射到s
coded
(sa，sb)中的不同星座点符号。图4和图5表示了两种不同的分组方式，不同组别分别用圆、三角形、正方形、菱形和星形表示。为了方便起见，我们定义ce(sa，sb)为se(sa，sb)所在的组的星座点的集合，即如果(s
a1
，s
b1
)和(s
a1
，s
b1
)在同一个ce中，则s
coded
(s
a1
，s
b1
)＝s
coded
(s
a2
，s
b2
)(mod q)，否则，s
coded
(s
a1
，s
b1
)≠s
coded
(s
a2
，s
b2
)(mod q)。星座点分组的方式需要满足两个基本要求：1)为了保证在节点a和b处能实现解码，sa(或sb)应由sb(或sa)和s
coded
(sa，sb)唯一确定；2)属于不同ce中的se之间的最小距离应当最大化。
[0074]
为了达到第一个要求，我们根据公式(3)从有限域set1中选择s
coded
：
[0075][0076]
其中α和β是set1\{0}中的元素。根据有限域的性质，对于set1\{0}中的任意元素α和β，在set1\{0}中存在α-1
和β-1
，满足α-α-1
＝1(mod q)和β-β1＝1(mod q)。因此，sb可以通过sa和s
coded
(sa，sb)唯一获得：
[0077]
sb＝β-1
(s
coded
(sa，sb)-αsa)(mod q)#(4)
[0078]
同理，在给定sa和s
coded
(sa，sb)的情况下能唯一获得sb。
[0079]
等式(3)未对α和β添加约束，实际中应该谨慎选择α和β以满足第二个要求。我们依旧以sa和sb分别采用4个星座点的qpsk作为例子。中继节点处se有16个叠加的星座点，被分类为5组，定义为分别用圆、三角形、正方形、菱形和星形表示。这五组被映射到z[i]/(2+i)中的5个星座点，分别代表s
coded
中的五个星座点符号。可以看到，图4的映射方式优于图5。属于不同组的星座点之间的最小距离为：
[0080][0081]
因此我们需要找到优化的α和β满足：
[0082][0083]
中继节点将se重新映射到s
coded
，对每个子载波执行类似操作，然后对ofdm信号进行厄密特共轭对称扩展以生成实数时域信号，添加cp以抵抗信道中的码间串扰，添加偏置获得非负实数信号x
coded
，然后调制led或ld将其发送回节点a和b。这种将复数信号转换为实数信号的步骤与在用户节点a与b中的步骤相同。
[0084]
除了(α，β)，也取决于信道ha和hb。因为se＝hb(ha/hb.sa+sb)+nr，所以ha/hb影响了sa和sb的星座点的叠加方式，从而影响se中星座点的分组方式。ha/hb可以通过调整用户节点a和b处发射信号的功率和/或相位来改变。图6给出了当|ha/hb|＝0.9，1和1.1时d
min,opt
随∠(ha/hb)的变化，其中d
min，opt
是采用最优(α，β)时被最大化的最小距离d
min
。图7显示了当ha＝o.9e
jπ/3
，hb＝1时的se的星座点的分组结果和d
min,opt
，其中(α，β)是优化后的编码系数(1，i)。显然，d
min,opt
可以通过控制节点a和b中的发射信号的相位加以提升。当|ha/hb|介于0.9和1.1之间时，最佳的相位是0或π/2。因此，我们在节点a和b发射信号时采用如下的相位对齐方法：
[0085][0086]
进一步，不同的ha/hb都有其对应的d
min,opt
。在实际中，可以提前建立h
a,t
/h
b,t
与d
min，opt
之间的关系，并以查找表的方式存储下来，这里我们采用h
a，t
和h
b，t
以区别实际测量的信道响应。在运行中，首先估计出实际的信道ha/hb。如果只要求用户节点a和b调节相位，则根据|h
a，t
/h
b,t
|＝|ha/hb|通过查找表获得具有最大d
min，opt
的∠(h
a，t
/h
b，t
)，定义为∠(h
a，t,opt
/h
b,t,opt
)，据此调整用户节点a的信号的相位：
[0087][0088]
如果用户节点a和b可以同时调节幅度与相位，则在查找表中寻找可获得最大d
min,opt
的h
a，t
/h
b，t
，定义为h
a,t,opt
/h
b,t,opt
，调整用户节点a的信号的幅度与相位：
[0089]
xa→
μxa，μ＝h
a，t，opt
/h
b,t,opt
·
hb/ha#(9)
[0090]
上述流程总结如图8所示。
[0091]
作为一种可选实施方式，参见图9，图9给出了一种基于物理层网络编码的无线光通信系统的具体硬件实施方案。其中，节点a或b中的发射机包括依次连接的信号生成模块、数模转换器、电放大器、偏置器以及发光二极管，节点a或b中的接收机包括依次连接的透镜、光电探测器、电放大器、模数转换器以及信号解码模块。中继节点r的收发机包括依次连接的光电探测器、电放大器、模数转换器、信号解码模块、重新编码模块、信号生成模块、数模转换器、电放大器、偏置器以及发光二极管。
[0092]
本实施例还提供一种基于物理层网络编码方法的无线光通信装置，包括：
[0093]
至少一个处理器；
[0094]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0095]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图10所示方法。
[0096]
本实施例的一种基于物理层网络编码方法的无线光通信装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种基于物理层网络编码方法的无线光通信方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0097]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被
改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0098]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0099]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0100]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0101]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0102]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0103]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语
的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0104]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0105]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：包括至少两个用户节点a与b，以及一个中继节点r，所述每个节点包括至少一个发射机与一个接收机；获取两个用户节点a与b到中继节点r的信道特征，获取至少一个高斯素数q，根据所述信道特征与所述高斯素数q在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号s
a
和s
b
，其中所述复数信号s
a
和s
b
的星座点的个数不大于高斯素数q的模的平方；用户节点a与b根据所述产生的至少一个复数信号s
a
和s
b
分别获得实数信号x
a
和x
b
，然后各自通过调制无线光将所述实数信号x
a
和x
b
发射到中继节点r；中继节点r同时接收来自用户a与b的信号，根据接收的信号x
e
获取至少一个复数信号s
e
，根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号s
e
获得至少一个编码后的复数信号s
coded
，根据所述编码后的复数信号s
coded
获得实数信号x
coded
，然后通过调制无线光将实数信号x
coded
发送回用户节点a与b；用户节点a与b分别接收中继节点r发射的信号，用户节点a根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号s
a
获得复数信号s
b
的信息，用户节点b根据接收的信号、高斯素数q、所述复数信号s
b
获得复数信号s
a
的信息。2.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号s
a
和s
b
的步骤，包括：根据所述高斯素数q获得其高斯整数有限域，根据所述高斯整数有限域获得所述复数信号s
a
和s
b
。3.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述在用户节点a与b中分别产生至少一个复数信号s
a
和s
b
的步骤，包括：根据所述两个用户节点a与b到中继节点r的信道特征调整复数信号s
a
、复数信号s
b
或两者的相位和幅度的其中至少一种。4.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述高斯素数q的值根据所述信道特性进行确定。5.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，用户节点a与b分别获得的实数信号x
a
和x
b
为cap信号或者多载波信号；当为多载波信号时，所述至少一个复数信号s
a
为实数信号x
a
的其中一个或多个子载波上的信号，所述至少一个复数信号s
b
为实数信号x
b
的其中一个或多个子载波上的信号。6.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号s
e
获得至少一个编码后的复数信号s
coded
的步骤，包括：将复数信号s
e
中的星座点进行分组，并将同一组中的星座点映射到s
coded
中的同一星座点，将不同组的星座点映射到s
coded
中的不同星座点，其中分组的数量不大于高斯素数q的模的平方。7.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述根据所述高斯素数q与所述至少一个复数信号s
e
获得至少一个编码后的复数信号s
coded
的步骤，包括：根据所述高斯素数q获得其高斯整数有限域，在所述高斯整数有限域中获取至少两个
高斯整数，根据所述两个高斯整数将s
e
中的星座点进行分组，并将同一组中的星座点映射到s
coded
中的同一星座点，将不同组的星座点映射到s
coded
中的不同星座点，其中所述两个高斯整数使得所述s
e
中的不同组的星座点之间的最小距离最大化。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于物理层网络编码的无线光通信方法，其特征在于，所述无线光包括可见光、红外光、紫外光的其中一种或几种的组合。9.一种基于物理层网络编码方法的无线光通信系统，其特征如下，包括：至少两个用户节点a与b，以及一个中继节点r，所述每个节点包括至少一个发射机与一个接收机；用户节点a与b根据权利要求1-8任一项所述的方法各自产生至少一个复数信号s
a
和s
b
，根据所述至少一个复数信号s
a
和s
b
分别获得实数信号x
a
和x
b
，然后各自通过调制无线光将所述x
a
和x
b
发射到中继节点r；中继节点r同时接收来自用户a与b的信号，根据权利要求1-8任一项所述的方法获得实数信号x
coded
，然后通过调制无线光将x
coded
发送回用户节点a与b；用户节点a与b分别接收中继节点r发射的信号，根据权利要求1-8任一项所述的方法分别获取复数信号s
b
和s
a
的信息。10.一种基于物理层网络编码方法的无线光通信装置，其特征在于，包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-8任一项所述方法。

技术总结
本发明公开了一种基于物理层网络编码的无线光通信方法、系统及装置，其中方法包括：获取两个用户节点A与B到中继节点R的信道特征，获取高斯素数q，根据信道特征与高斯素数q在用户节点A与B中分别产生复数信号s


技术研发人员：赵建 韦官
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/25