CN105553535B - 基于天线选择的正交空时双向中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线选择的正交空时双向中继传输方法，主要解决单天线选择中继网络的系统分集度低、误比特性能差的问题。其实现步骤是：1.中继节点根据信道信息选择两根天线；2.两个用户节点同时向中继节点发送信号，中继节点通过所选的两根天线接收信号；3.中继节点收到两个用户节点的发送符号后，对其进行线性处理，并通过所选的两根天线将处理后的信号广播给两个用户节点；4.每个用户在收到中继节点广播的信号后，进行独立的译码，同时得到另一用户发送的信息。本发明拓展了中继节点选择单天线的中继传输网络场景，提高了系统的分集度，降低了传输误比特率，可用于由两个用户和一个多天线中继构成的中继协作通信系统。

Description

基于天线选择的正交空时双向中继传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及多天线中继协作的传输方法，特别涉及一种正交空时分组码的中继天线选择方法，可用于由一个多天线中继和两个单天线用户构成的双向中继协作系统。

背景技术

多天线通信系统可以有效提高无线通信的可靠性，然而在实际的通信场景中，由于受到昂贵的射频电路限制，天线选择机制受到广泛研究，以期在不损失系统性能的前提下尽可能降低系统的射频资源的代价。在中继协作系统中，已经有很多学者进行了深入研究，如2010年Mahshad Eslamifar1等人研究了双向网络编码中继系统并提出了基于max-min的天线选择算法，Feng Wang等人提出了基于范数的天线选择算法，2012年GayanAmarasuriya等人研究了双向放大转发中继系统的天线选择算法，2014年Kai Yang研究了联合波束形成的天线选择算法。

然而，这些方法都只考虑在中继节点处选择单根天线的情况，不能直接应用于多天线选择的情况。例如，当中继节点采用波束成型或采用空时分组编码的时候，均需要选择多根天线进行联合信号处理，且中继选择多天线能够显著提高系统的传输分集度。因此，相比于多天线选择方案，单天线选择的系统分集度不高，传输误比特率也相对较高。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种基于信道乘积最大化的正交空时中继天线选择方法，提高系统的分集度，降低系统的传输误比特率。

本发明的技术方案是：中继节点根据信道状态信息选择两根天线，两个用户节点同时发送信号给中继节点，中继节点通过所选择的天线接收信号，并按照空时分组码的方式用所选择的两根天线广播给用户节点，每个用户节点在接收到中继节点广播的信号后进行独立解调，得到另一用户发送的信息。其实现步骤包括如下：

1)两个用户节点分别给中继节点发送训练符号和

2)中继节点通过N根天线接收两个用户节点发送的训练符号，分别得到第i根天线接收的第一用户节点T₁的训练信号y_1i和第二用户节点T₂的训练信号y_2i，其中，N表示中继节点所配置的天线数量，1≤i≤N；

3)中继节点分别估计第一用户T₁的信道系数和第二用户T₂的信道系数

4)中继节点根据上述两个信道系数h_1i和h_2i，分别选择出两根天线I和J：

其中，argmax(·)表示取最大值下标的运算符号，|·|²表示取模的平方，

C＝{1,2,…N}表示所有天线的集合，n表示集合C中的元素，

C′＝{1,2,…,I-1,I+1,…N}表示除去天线I的集合，n′表示集合C′中的元素；

5)用户节点选择待发送符号并发送给中继节点：

5a)两个用户节点均从星座集合S中选取两个星座符号作为自己的两个待发送符号，即第一户用节点T₁选取第一个待发送符号s₁₁和第二待发送符号s₁₂，第二用户节点T₂选取第一待发送符号s₂₁和第二待发送符号s₂₂；

5b)两个用户节点分别利用两个符号周期同时将自己的待发送符号发送至中继节点；

6)中继节点在第一个符号周期内获得第一接收信号向量r₁＝[r_1I,r_1J]^T，在第二个符号周期内获得第二接收信号向量r₂＝[r_2I,r_2J]^T，其中，r_1I、r_1J分别表示中继节点在第一个符号周期内获得的第I根和第J根天线的接收信号；r_2I、r_2J分别表示中继节点在第二个符号周期内获得的第I根和第J根天线的接收信号，上标T表示转置运算；

7)中继节点根据第一接收信号向量r₁和第二接收信号向量r₂，得到待广播信号向量x，表示为：

其中，x₁、x₂分别为待广播信号向量x的第一、第二分量，A为用于生成待广播信号向量x的编码矩阵，表示为*表示取共轭操作；

8)中继节点在两个符号周期内，通过第I根和第J根天线按照Alamouti空时分组码的形式将待广播向量x的第一分量x₁和第二分量x₂广播给两个用户节点；

9)两个用户节点在两个符号周期内各自通过一根天线接收中继节点广播的信号，分别获得第一用户节点的接收信号向量z₁和第二用户节点的接收信号向量z₂；

10)用户节点对接收信号进行译码：

10a)第k用户节点T_k根据接收信号向量z_k和自己发送的符号s_k＝[s_k1,s_k2]^T，得到用户节点T_k的待译码向量其中k＝1,2；

10b)第k用户节点T_k对待译码向量进行译码，得到用户节点T_k′发送符号的估计值和完成两个用户之间的双向中继传信息传输，其中k′＝1,2且k′≠k。

本发明具有如下优点：

1)本发明考虑了中继节点选择两个天线的双向传输网络，拓展了中继节点选择单天线的中继传输网络场景；

2)本发明中中继节点利用所选择的双天线进行联合信号处理，提高了系统的分集度；

3)本发明采用Alamouti空时分组编码，进一步增加了系统的分集度，降低了系统传输误比特率。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明仿真使用的场景图；

图3是本发明的系统平均误比特率性能仿真图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图2，本发明使用的通信系统由两个用户节点和一个中继节点构成；其中，第一用户节点T₁和第二用户节点T₂分别配置一根天线，中继节点配置N根天线；两个用户节点均可以与中继节点通信，但两个用户节点相互之间不存在通信链路，不能直接通信。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：两个用户节点分别给中继节点发送训练符号和

具体的发送过程为：在第一时隙，第一用户节点T₁发送训练符号给中继节点；在第二时隙，第二用户节点T₂发送训练符号给中继节点。

步骤2：中继节点通过N根天线接收两个用户节点发送的训练符号。

在第一时隙，中继节点得到第i根天线接收的第一用户节点T₁的训练信号y_1i，

在第二时隙，中继节点得到第i根天线接收的第二用户节点T₂的训练信号y_2i，

其中，N表示中继节点所配置的天线数量，1≤i≤N。

步骤3：中继节点分别估计两个用户的信道系数。

中继节点根据接收到的训练信号y1i和用户节点T₁发送的训练符号得到第一用户节点T₁的信道系数

中继节点根据接收到的训练信号y2i和用户节点T₂发送的训练符号得到第二用户节点T₂的信道系数

步骤4：中继节点根据上述两个信道系数h_1i和h_2i，分别选择出两根天线I和J：

其中，argmax(·)表示取最大值下标的运算符号，|·|²表示取模的平方，

C＝{1,2,…N}表示所有天线的集合，n表示集合C中的元素，

C′＝{1,2,…,I-1,I+1,…N}表示除去天线I的集合，n′表示集合C′中的元素；

步骤5：用户节点选择待发送符号并发送给中继节点。

5a)两个用户节点均从星座集合S中选取两个星座符号作为自己的两个待发送符号，即第一户用节点T₁选取第一个待发送符号s₁₁和第二待发送符号s₁₂，第二用户节点T₂选取第一待发送符号s₂₁和第二待发送符号s₂₂；其中，s₁₁、s₁₂、s₂₁、s₂₂的能量均归一化为1；

5b)两个用户节点分别利用两个符号周期同时将自己的待发送符号发送至中继节点，即在第一符号周期内，第一户用节点T₁发送s₁₁，第二户用节点T₂发送s₂₁；在第二符号周期内，第一户用节点T₁发送s₁₂，第二户用节点T₂发送s₂₂。

步骤6：中继节点在两个符号周期内接收两用户节点发送的信号。

中继节点在第一个符号周期内接收第I根天线的接收信号r_1I和第J根天线的接收信号r_1J，获得第一接收信号向量r₁＝[r_1I,r_1J]^T；

中继节点在第二个符号周期内接收第I根天线的接收信号r_2I和第J根天线的接收信号r_2J，获得第二接收信号向量r₂＝[r_2I,r_2J]^T；

其中，上标T表示转置操作：

r_1I＝h_1Is₁₁+h_2Is₂₁+ξ_1I，

r_1J＝h_1Js₁₁+h_2Js₂₁+ξ_1J，

r_2I＝h_1Is₁₂+h_2Is₂₂+ξ_2I，

r_2J＝h_1Js₁₂+h_2Js₂₂+ξ_2J，

其中，ξ_1I表示第一个符号周期内接收第I根天线接收的噪声，

ξ_1J表示第一个符号周期内接收第J根天线接收的噪声，

ξ_2I表示第二个符号周期内接收第I根天线接收的噪声，

ξ_2J表示第二个符号周期内接收第J根天线接收的噪声。

步骤7：中继节点根据第一接收信号向量r₁和第二接收信号向量r₂，得到待广播信号向量x，表示为：

其中，x₁、x₂分别为待广播信号向量x的第一、第二分量，A为用于生成待广播信号向量x的编码矩阵，表示为*表示取共轭操作。

步骤8：中继节点在两个符号周期内，按照Alamouti空时分组码的形式将待广播向量x广播给两个用户节点。

在第一个符号周期内，中继节点通过第I根天线广播待广播信号向量x的第一分量x₁，通过第J根天线广播待广播信号向量x的第二分量x₂；

在第二个符号周期内，中继节点通过第I根天线广播待广播信号向量x的第二分量的负共轭通过第J根天线广播待广播信号向量x的第一分量的共轭

步骤9：两个用户节点接收中继节点广播的信号。

两个用户节点在两个符号周期内各自通过一根天线接收中继节点广播的信号，分别获得第一用户节点T₁的接收信号向量z₁和第二用户节点T₂的接收信号向量z₂，表示为：

其中，h_1I、h_1J分别表示第一用户节点T₁与中继节点的第I根、第J根天线之间的信道系数，

h_2I、h_2J分别表示第二用户节点T₂与中继节点的第I根、第J根天线之间的信道系数，

η₁₁、η₁₂分别表示第一用户节点T₁在第一、第二符号周期内接收的高斯噪声，

η₂₁、η₂₂分别表示第二用户节点T₂在第一、第二符号周期内接收的高斯噪声。

步骤10：用户节点对接收信号进行译码。

10a)第k用户节点T_k根据接收信号向量z_k和自己发送的符号s_k＝[s_k1,s_k2]^T，得到用户节点T_k的待译码向量表示为：

其中，β表示中继节点的功率放大因子，β≈1/8；H_k表示第k用户节点T_k的等效信道矩阵：

10b)用户节点T_k对待译码向量进行译码，得到用户节点T_k′发送符号的估计值和

10b1)用户节点T_k对待译码向量进行线性加权操作，得到一个加权待译码向量即

其中，当k＝1时，k′＝2，当k＝2时，k′＝1；H_k、H_k′分别表示用户节点T_k、用户节点T_k′的等效信道矩阵：(·)^H表示取共轭转置操作；

10b2)用户节点T_k对加权待译码向量进行最大似然算法进行译码，得到用户节点T_k′所发送符号的估计值和

其中，k′＝1,2且k′≠k，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；||·||²表示取二范数运算；S表示用户节点的发送星座符号集合，u为集合S中的元素。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件

仿真使用的通信系统如图2，所有信道均为准静态瑞利平坦衰落信道，信道系数服从均值为零，方差为1的复高斯分布。

2.仿真内容与结果

用本发明仿真在星座集合S为4QAM星座、中继节点配置天线数N＝5和N＝10时系统的平均误比特率，并将本发明与由两个单天线用户和一个仅有两根天线中继节点构成的网络的平均误比特率进行比较，结果如图3所示。

由图3可知，在采用中继天线选择方法后，本发明的平均误比特率更低，且下降更快，获得更高的系统分集度。

Claims (4)

1.一种基于天线选择的正交空时双向中继传输方法，包括：

1)两个用户节点分别给中继节点发送训练符号和

2)中继节点通过N根天线接收两个用户节点发送的训练符号，分别得到第i根天线接收的第一用户节点T₁的训练信号y_1i和第二用户节点T₂的训练信号y_2i，其中，N表示中继节点所配置的天线数量，1≤i≤N；

3)中继节点分别估计第一用户T₁的信道系数和第二用户T₂的信道系数

4)中继节点根据上述两个信道系数h_1i和h_2i，分别选择出两根天线I和J：

其中，argmax(·)表示取最大值下标的运算符号，|·|²表示取模的平方，

C＝{1,2,…N}表示所有天线的集合，n表示集合C中的元素，

C′＝{1,2,…,I-1,I+1,…N}表示除去天线I的集合，n′表示集合C′中的元素；

5)用户节点选择待发送符号并发送给中继节点：

5a)两个用户节点均从星座集合S中选取两个星座符号作为自己的两个待发送符号，即第一户用节点T₁选取第一个待发送符号s₁₁和第二待发送符号s₁₂，第二用户节点T₂选取第一待发送符号s₂₁和第二待发送符号s₂₂；

5b)两个用户节点分别利用两个符号周期同时将自己的待发送符号发送至中继节点；

6)中继节点在第一个符号周期内获得第一接收信号向量r₁＝[r_1I,r_1J]^T，在第二个符号周期内获得第二接收信号向量r₂＝[r_2I,r_2J]^T，其中，r_1I、r_1J分别表示中继节点在第一个符号周期内获得的第I根和第J根天线的接收信号；r_2I、r_2J分别表示中继节点在第二个符号周期内获得的第I根和第J根天线的接收信号，上标T表示转置运算；

7)中继节点根据第一接收信号向量r₁和第二接收信号向量r₂，得到待广播信号向量x，表示为：

其中，x₁、x₂分别为待广播信号向量x的第一、第二分量，A为用于生成待广播信号向量x的编码矩阵，表示为*表示取共轭操作；

8)中继节点在两个符号周期内，通过第I根和第J根天线按照Alamouti空时分组码的形式将待广播向量x的第一分量x₁和第二分量x₂广播给两个用户节点；

9)两个用户节点在两个符号周期内各自通过一根天线接收中继节点广播的信号，分别获得第一用户节点的接收信号向量z₁和第二用户节点的接收信号向量z₂；

10)用户节点对接收信号进行译码：

10a)第k用户节点T_k根据接收信号向量z_k和自己发送的符号s_k＝[s_k1,s_k2]^T，得到用户节点T_k的待译码向量其中k＝1,2；

10b)第k用户节点T_k对待译码向量进行译码，得到用户节点T_k′发送符号的估计值和完成两个用户之间的双向中继传信息传输，其中k′＝1,2且k′≠k。

2.根据权利要求1所述的基于天线选择的正交空时双向中继传输方法，其中步骤8)中中继节点在两个符号周期内按照Alamouti空时分组码的形式将待广播向量x的第一分量x₁和第二分量x₂广播给两个用户节点，是在第一个符号周期内，中继节点的第I根、第J根天线分别广播符号x₁、x₂，在第二个符号周期内，中继节点的第I根、第J根天线分别广播符号

3.根据权利要求1所述的基于天线选择的正交空时双向中继传输方法，其中步骤10a)中第k用户节点T_k基于接收信号向量z_k和自己发送的符号s_k＝[s_k1,s_k2]^T所得到的待译码向量表示为：

其中，β表示中继节点的功率放大因子，β≈1/8；H_k表示第k用户节点T_k的等效信道矩阵：h_kI、h_kJ分别表示第k用户节点T_k与中继节点的第I根、第J根天线之间的信道系数，k＝1,2。

4.根据权利要求1所述的基于天线选择的正交空时双向中继传输方法，其中所述步骤10b)中第k用户节点T_k对待译码向量进行译码，按如下步骤进行：

10b1)用户节点T_k对待译码向量进行线性加权操作，得到一个加权待译码向量即

其中，当k＝1时，k′＝2，当k＝2时，k′＝1；H_k、H_k′分别表示第k用户节点T_k、第k′用户节点T_k′的等效信道矩阵：(·)^H表示取共轭转置操作；

10b2)用户节点T_k对加权待译码向量进行最大似然算法进行译码，得到用户节点T_k′所发送符号的估计值和

其中，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；||·||²表示取二范数运算；S表示用户节点的发送星座符号集合，u为集合S中的元素。