CN101136725B - 用于无线网络的分层协同传输的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线网络的分层协同传输的实现方法，是在无线通信网络中采用基于编码协同协议的分层调制技术来协同传输无线信号：当某个移动终端在协同发送同伴终端的数据时，利用分层调制技术，将自身和同伴低阶调制的数据符号一起复用为高阶调制符号进行协同传输，移动终端可将自身数据(或协同终端数据)分别调制至高可靠性(或低可靠性)比特位置，并通过调整分层调制中不同位置比特的传输可靠性差异系数，来满足不同终端的QoS需求。本方法兼顾工程实现性和业务质量的需求，在快衰落无线信道下能同时获得空间和时间的分集增益，有效改善各个终端的传输性能。当网络能实现精确的符号同步时，该方法可结合空时编码协同方案，获得更大的分集增益。

Description

用于无线网络的分层协同传输的实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线网络的协同传输的实现方法，确切地说，涉及一种将分层调制技术应用于协同网络的分层协同传输无线信号的实现方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)技术是使用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，其主要特征是把多径传播环境转变为对用户有利的因素：利用MIMO信道提供的空间复用增益来提高信道的容量，同时又利用MIMO信道提供的空间分集增益来有效消除无线信道多径、时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率。这种能极大地提高无线通信性能，又不需要以频谱为代价的技术已经成为现代通信中最重要的技术之一。

但是，移动终端受到体积、功率、实现等多方面因素的限制，使得其上行链路使用多天线是不实际的，限制了MIMO技术的应用，所以近年来出现一种新的空间分集技术-协同MIMO(Cooperative MIMO)。它的基本原理是多用户环境下的单天线用户，在传输自己数据信息的同时，也能传送其所接收和检测到的协同用户(即同伴)的信息；该技术的实质是利用同伴的天线与自身天线构成多发射天线，形成虚拟的MIMO系统来得到分集增益。

目前MIMO技术领域中的另一个研究热点是空时编码传输方案。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信号传输的误码率。

协同MIMO克服了传统MIMO技术的限制，为MIMO技术走向实用化拓展了新的思路。协同MIMO技术允许协同分集的主要特点是无线介质的广播特性。从原理上讲，广播发送的信号可以被任何其他用户接收到，并进行信息处理。这样，除了将信号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以相互监听对方的传输，从而联合传输它们各自的信息，实现协同通信。

目前，协同MIMO技术里的中继操作有三种不同方案：编码协同CC(Coded Cooperation)、前向放大AF(Amplify and Forward)和前向解码DF(Decoded and Forward)。CC方案是将协同信号与信道编码技术相结合，通过正确解码同伴的信息后，进行重新编码，再发送出去，从而可以同时获得空间分集和编码增益。由于编码协同的良好性能，且不需知道用户间的信道信息，还可以利用当今MIMO技术的另一个热点一空时编码的研究成果，所以编码协同是业内技术人员关注的焦点。

编码协同的工作原理是：若每个用户要发送K个信息比特(其中K为正整数，则为了使得接收端能够判断是否正确接收，通常还要在发送的K个信息比特后附加循环冗余校验CRC的信息)，其编码速率为R(0＜R＜1)，那么编码后的比特长度为N＝K/R，此时将编码后的数据N分成两部分，一部分数据长度N₁＝K/R_i(R＜R₁＜1)，式中，N₁包括信息比特和部分校验比特，R₁为初始编码速率；另一部分数据长度N₂＝N-N₁，式中，N₂是N个比特中除去N₁后的剩余比特，同时定义协同系数ρ＝N₂/N。

假设一个蜂窝系统中有两个用户(即第一个移动终端A和第二个移动终端B)需要分别向基站发送数据，在TDMA或CDMA系统中，第一个移动终端A和第二个移动终端B分别占用相互正交的信道。

为了更详细描述编码协同的工作原理，先简单介绍非协同传输的过程(参见图1)：在终端的第一帧时间内，两个移动终端A和B分别向基站发送属于自身的数据信息N_A1和N_B1，而在终端的第二帧时间内，两个移动终端A和B仍然是分别向基站发送各自剩余的N_A2和N_B2比特信息；即两个移动终端A和B的传输行为是相互独立的，它们在相邻的时间间隔内依次向基站发送属于自身的N_i1、N_i2比特信息(式中，N下标i是移动终端的序号)。

下面以第一个移动终端A为例来说明用户实现编码协同传输的具体过程(第二个移动终端B的传输过程与第一个移动终端A类似)：

第一个移动终端是通过两帧内传输N个比特信息来实现与第二个移动终端B的协同传输。在其第一帧时间内，第一个移动终端A通过广播信道同时向基站和协同终端B发送自身的数据信息N_A1，同时协同终端B根据接收到的来自第一个移动终端A的N_A1比特信息来判断是否正确接收了该K个比特信息(此时可通过其中的CRC校验比特来判断)。若正确接收，则在第二个移动终端B的第二帧时间内向基站传输第一个移动终端A的N_A2比特数据；若是错误接收，就在第二个移动终端B的第二帧时间内向基站传输自身的N_B2比特数据。

需要指出的是：两个移动终端A和B的发送操作是相互独立的，即在第二帧时间内，两个移动终端A和B究竟是传输自身还是同伴的数据信息都取决于其第一帧所接收的同伴终端B和A的数据信息是否正确，两个移动终端之间不需要交互信息。因此，两个移动终端A和B实现编码协同传输的过程有可能出现以下四种情况(参见图2所示)：

情况1(参见图2(A))：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息，同时第一个移动终端A也正确接收第二个移动终端B的数据信息。则在第二帧时间内，第一个移动终端A传输第二个移动终端B的N_B2比特信息，第二个移动终端B传输第一个移动终端A的N_A2比特信息，此时处于完全协同传输的工作状态。

情况2(参见图2(B))：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息N_A1，但第一个移动终端错误接收第二个移动终端B的数据信息N_B1。则在第二帧时间内，第二个移动终端B传输第一个移动终端A的N_A2比特信息，同时第一个移动终端A因为没有译出第二个移动终端B的N_B1信息，只能传输自身的N_A2比特信息。此时第一个移动终端A的N_A2数据信息将由两个移动终端A和B来传输，而在第二帧的时间内，第二个移动终端B的N_B2数据信息没有被传输。

情况3(参见图2(C))：在第一帧中，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息N_A1，而第一个移动终端A正确接收了第二个移动终端B的数据信息N_B1。则在第二帧时间内，第一个移动终端A传输第二个移动终端B的N_B2比特信息，同时第二个移动终端B由于没有译出第一个移动终端A的N_A1信息，也只能传输自身的N_B2比特信息。此时的情况与情况2类似，只是两个移动终端A和B的角色互换；

情况4(参见图2(D))：在第一帧中，两个移动终端A和B都错误接收了对方的数据信息N_B1和N_A1，则在第二帧时间内，退回到非协同的状态：两个移动终端A和B分别发送各自的自身N_A2和N_B2数据信息。

在慢衰落无线信道环境下，信道变化得非常缓慢。对于某个用户终端来说，相邻帧内的信道信息基本不发生变化。若采用非协同方案，该终端(如第一个移动终端A)的两部分数据信息N_A1和N_A2将会在相同链路上进行发送；而在编码协同方案中，当两个移动终端A和B处于完全协同状态(参见图2(a))时，由于第一个移动终端A到基站的信道状况与第二个移动终端B到基站的信道状况各自独立，那么对于第一个移动终端A而言，其两部分比特信息N_A1和N_A2将会在两个相互独立的信道上进行发送(如N_A1在第一个移动终端至基站，N_A2在第二个移动终端B至基站的链路上发送)，因此可以获得空间上的分集增益。因此相对于非协同，能有效地提高两个移动终端的性能。

但是在快衰落无线信道环境下，信道变化比较剧烈，对于某个用户终端，其相邻两帧内的信道状况(例如第一个移动终端A至基站的链路信息)间的相关性很小，可近似认为相互独立。在这种情况下，非协同方案(如第一个移动终端A的数据信息N_A1和N_A2分别在第一个移动终端A至基站的第一帧和第二帧的时间内发送)本身就可以获得时间上的分集增益，则编码协同方案并不能获得额外的分集增益。

另一方面，在编码协同方案中，每个用户终端之间的行为是相互独立的，它们在第二帧内发送的数据信息究竟属于自身的还是同伴的，完全取决于在第一帧内是否正确接收同伴的数据信息，这样就可能存在下述情况：第一个移动终端在第一帧内正确接收了协同终端-即第二个移动终端B的数据信息，而第二个移动终端B在第一帧内没有正确接收第一个移动终端A的数据(参见图2(c))，则在第二帧时，第一个移动终端A和第二个移动终端B都将发送第二个移动终端B的数据信息，此时第二个移动终端B可以同时从第一个移动终端A和第二个移动终端B的第二帧传输中获利，而第一个移动终端A没有享受该待遇。在慢衰落无线信道环境下，发生这种不平衡传输情况的概率比较低。因为通常认为第一个移动终端A至第二个移动终端B的信道状况是与第二个移动终端B至第一个移动终端A的信道状况相同的，即两个移动终端A和B是否正确接收对方的数据信息是相互关联的。一般来说，若第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据信息，那么第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息的概率较高。然而在快衰落无线信道环境中，两个用户终端间的信道状况通常认为是相互独立的，即第一个移动终端A是否正确接收第二个移动终端B的数据信息与第二个移动终端B是否正确接收第一个移动终端A的数据信息是互不相关的。由于这种不平衡传输的情况发生概率比较大，将会导致终端的传输性能明显下降。

为了能够在快衰落无线信道下获得额外的分集增益，并避免出现不平衡传输情况，一种空时编码协同技术方案应运而生。这种方案在第一帧的传输情况与前述的编码协同方案相同，两者区别是在第二帧中，当用户终端正确接收了同伴的数据时，该用户终端不是以其全部发射功率来发送同伴的数据，而是将发射功率分成两部分：分别用于发送同伴和自身的数据信息。

参见图3，具体介绍空时编码协同方案在四种不同情况下的传输过程：

情况1(参见图3(A))：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据N_A1，同时第一个移动终端A也正确接收第二个移动终端B的数据N_B1。则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A分配功率β₁(0＜β₁＜1)来传输自身的N_A2比特，同时第二个移动终端B分配(1-β₂)功率(0＜β₂＜1)来传输第一个移动终端A的N_A2比特信息；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第一个移动终端A分配(1-β₁)功率来传输第二个移动终端B的N_B2比特，同时第二个移动终端B分配功率β₂来传输自身的N_B2数据信息(见图3(a))。

情况2(参见图3(B))：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息N_A1，而第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据信息N_B1。则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A以全部功率来发送自身的N_A2比特，同时第二个移动终端B以(1-β₁)功率传输第一个移动终端A的N_A2比特信息；而在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B以功率β₂来传输自身的N_B2数据信息，由于没有正确译出第二个移动终端B的数据信息N_B1，此时的第一个移动终端处于空闲状态。

情况3(参见图3(C))：在第一帧中，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息N_A1，而第一个移动终端A正确接收了第二个移动终端B的数据信息N_B1。则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A以功率β₁传输自身的N_A2比特信息，第二个移动终端B处于空闲状态；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第一个移动终端A以(1-β₁)功率传输第二个移动终端B的N_B2比特信息，同时第二个移动终端B以全部功率来发送自身的N_B2比特信息。

情况4(参见图3(D))：在第一帧中，两个移动终端A和B都错误接收对方的数据信息，则在第二帧时间内，两者都退回到非协同的状态，即在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A以全部功率发送自身的N_A2比特；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B以全部功率发送自身的N_B2数据信息。

若采用空时编码协同方案，在图3的前三种情况下，同一时刻内用户终端可以利用同伴天线与自身天线构成多发射天线来发送同一数据，也就是采用经典的Alamouti方法来进行空时编码，从而同时获得空间和时间上的分集增益。假设第一个移动终端A的N_A2比特信息经过调制后共有L个数据符号：[s₁，s₂，...，s_L]，则可以编码成为如下形式，依次在第一个移动终端A和第二个移动终端B的天线上发送：

第一个终端A的天线：s₁ -s₂ ^* s₃ -s₄ ^*…

第二个终端B的天线：s₂ s₁ ^* s₄ s₃ ^*…

虽然在快衰落无线信道环境中，上述空时编码协同的技术方案可以同时获得空间和时间上的分集增益，但是这种方案需要两个移动终端A和B传输的每个符号都要严格同步。因为空时码对符号间的不同步非常敏感，它会导致性能的急剧下降，而在实际应用的协同网络中，这种符号间的精确同步很难实现，尤其是在TDMA系统中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于无线网络的分层协同传输的实现方法，本发明的方法在快衰落无线信道环境下，在实际的通信网络工程上实现起来相对容易些：仅需要类似编码协同中的帧同步，不是空时编码协同方案中所要求的符号同步；然而相对于编码协同方案而言，本发明能够有效提高无线协同网络中各个移动终端的传输性能。此外，本发明还提出一种用于无线网络的分层调制空时编码协同传输的实现方法，相对于传统的空时编码协同的技术方案，本发明能够获得更大的分集增益；但是此时要求协同网络必须能够实现精确的符号同步。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于无线网络的分层协同传输的实现方法，其特征在于：在无线通信网络中，采用基于编码协同协议的分层调制技术来协同传输无线通信信号：当某个移动终端在协同发送同伴移动终端的数据时，采用分层调制技术，将自身和同伴移动终端的两种低阶调制的数据符号一起复用为高阶调制符号进行协同传输，以便在保证终端数据收发速率的基础上提高其传输性能；所述方法包括下述步骤：

(1)每个移动终端将在每两帧内需要发送的N_i个比特数据分为两部分：由信息比特和部分校验比特组成的数据N_i1，以及除去数据N_i1后的剩余比特N_i2，式中，N是自然数，其下标i是移动终端的序号，N_i＝N_i1+N_i2；

(2)在第一个移动终端的第一帧中，第一个移动终端利用广播信道同时向基站和其协同终端-第二个移动终端发送自身数据N_A1，此时，基站接收并存储来自第一个移动终端的数据N_A1，但不译码；而协同终端则对接收到的、来自第一个移动终端的数据N_A1的信息比特进行译码处理，并通过其中的循环冗余校验CRC比特判断是否正确接收第一个移动终端的N_A1数据；在第二个移动终端的第一帧中，第二个移动终端执行与第一个移动终端相对应的操作；

(3)在第二帧中，两个移动终端根据所采用的协同技术以及协同传输过程的各自第一帧中是否正确接收到对方的数据信息的不同情况分别执行相应的分层调制传输操作，此时两个移动终端不需要信息交互来判断自身的数据是否被对方正确接收，即它们各自的操作是相互独立的；

(4)基站根据协同传输的不同情况采取相应的处理措施：基站遍历协同传输过程中所有可能出现的各种数据信号的组合进行译码处理：如果出现正确译码的情况，则判断数据信号为该组合；若所有的组合情况都不能正确译码，则丢弃该数据包；或者在两个移动终端的数据包中附加指示比特，用于标示是否正确接收了对方同伴的数据；

(5)基站判断所发生的不同传输情况后，将所接收到的两个移动终端的各自相关数据N_i1和N_i2组合起来进行译码。

本发明的有益效果是：在快衰落无线信道环境下，采用本发明的分层调制协同方法，一方面可以兼顾工程实现的简易、便利性，它仅需要类似编码协同中的帧同步，不需要空时编码协同方案中要求的严格符号同步；另一方面，相对于编码协同方案而言，在完全协同的状态下，移动终端的部分数据N_i2分别在两个独立的信道上传输，从而可以同时获得时间上和空间上的分集增益，有效提高无线协同网络中终端设备的传输性能。此外，本发明同时可以有效地避免出现用户终端间信道不平衡的情况，此时的信道不平衡是指在编码协同方案中，某个用户终端可以同时从两个用户终端的传输中获利，而另一个用户却毫无分集增益(例如编码协同方案中的情况2和情况3)。但是，在本发明采用分层调制的编码协同方案的传输过程中，不会出现这种情况。因为在可能出现的四种情况中，无论哪一种情况，每个用户终端的N_i2数据信息都会在自身的信道上进行传输。同时，如果协同网络能够实现精确的符号同步，本发明的分层调制方法同样可以应用于空时编码协同方案中，并藉此获得比较空时编码协同方案更大的分集增益，有效地提高了无线协同网络中的用户性能。

附图说明

图1是非协同传输技术的示意图。

图2(A)、(B)、(C)、(D)分别是现有技术的编码协同技术方案的一个实例在四种不同情况下的传输状况示意图：图(A)是两个移动终端A和B都正确接收对方的数据信息、处于完全协同时，图(B)是第一个移动终端A正确接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端的数据信息时，图(C)是第一个移动终端错误接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端的数据信息时，图(D)是两个移动终端A和B都错误接收对方的数据信息、处于非协同传输状况时。

图3(A)、(B)、(C)、(D)分别是现有技术的空时编码协同技术方案的一个实例在四种不同情况下的传输状况示意图：图(A)是两个移动终端A和B都正确接收对方的数据信息、处于完全协同时，图(B)是第一个移动终端A正确接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息时，图(C)是第一个移动终端错误接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息时，图(D)是两个移动终端A和B都错误接收对方的数据信息、处于非协同传输状况时。

图4是本发明分层协同传输方法的操作流程方框图

图5(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明分层协同传输方法应用于编码协同方案中的一个实例在四种不同情况下的传输状况示意图：图(A)是两个移动终端A和B都正确接收对方的数据信息、处于完全协同时，图(B)是第一个移动终端正确接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息时，图(C)是第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息时，图(D)是两个移动终端A和B都错误接收对方的数据信息、处于非协同传输状况时。

图6(A)、(B)、(C)、(D)分别是本发明分层协同传输方法应用于空时编码协同方案中的一个实例在四种不同情况下的传输状况示意图：图(A)是两个移动终端A和B都正确接收对方的数据信息、处于完全协同时，图(B)是第一个移动终端正确接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据信息时，图(C)是第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据信息，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据信息时，图(D)是两个移动终端A和B都错误接收对方的数据信息、处于非协同传输状况时。

图7是在快衰落无线信道环境下，本发明方法应用于编码协同方案的一个实施例分别与传统的编码协同技术和非协同技术两种技术方案处于用户间信道状况对称时，不同协同系数下的性能对比曲线图。

图8是在快衰落无线信道环境下，本发明方法应用于编码协同方案的一个实施例分别与传统的编码协同技术和非协同技术的两种方式处于用户间的信道状况不对称、且固定协同系数为1/2时的性能对比曲线图。

图9是本发明方法应用于编码协同方案的一个实施例在采用不同可靠性差异系数条件下的性能对比曲线图。

图10是处于快衰落无线信道环境下，本发明应用于空时编码协同方案的一个实施例与传统的空时编码协同方案的用户间信道状况不对称时的性能对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种用于无线网络的分层协同传输的实现方法，该方法是在无线通信网络中，采用基于编码协同协议的分层调制技术来协同传输无线通信信号：当某个移动终端在协同发送同伴移动终端的数据时，并不按照传统的协同方案仅发送协同用户的数据，而是采用分层调制技术，将自身和同伴移动终端的两种低阶调制(如QPSK)的数据符号一起复用为高阶调制(如16QAM)符号进行协同传输，这样可以在保证用户终端数据吞吐量的基础上提高其传输性能。

由于在高阶调制中，每个符号中各个比特的传输可靠性是不相同的，例如在16QAM中，前两个比特的可靠性相同，后两个比特的可靠性相同，且前两个比特的可靠性比后两个比特的可靠性高。那么为了保证不同终端的传输性能，可以将自身数据调制至高可靠性比特的位置，将协同终端数据调制至低可靠性的位置(或将自身数据调制至低可靠性的位置，将协同终端数据调制至高可靠性的位置)；同时，为了满足不同的业务质量需求，可以灵活调整分层调制中的比特可靠性差异系数。

参见图4，介绍本发明方法的具体操作步骤：

(1)每个移动终端将在每两帧内需要发送的N_i个比特数据分为两部分：由信息比特和部分校验比特组成的数据N_i1，以及除去数据N_i1后的剩余比特N_i2，式中，N是自然数，其下标i是移动终端的序号，N_i＝N_i1+N_i2；

(2)在第一个移动终端的第一帧中，第一个移动终端利用广播信道同时向基站和其协同终端-第二个移动终端发送自身数据N_A1，此时，基站接收并存储来自第一个移动终端的数据N_A1，但不译码；而协同终端则对接收到的、来自第一个移动终端的数据N_A1的信息比特进行译码处理，并通过其中的CRC校验比特判断是否正确接收第一个移动终端的N_A1数据；在第二个移动终端的第一帧中，第二个移动终端执行与第一个移动终端相对应的操作；

(3)在第二帧中，两个移动终端根据所采用的协同技术以及协同传输过程的各自第一帧中是否正确接收到对方的数据信息的不同情况分别执行相应的分层调制传输操作，此时两个移动终端不需要信息交互来判断自身的数据是否被对方正确接收，即它们各自的操作是相互独立的；

(4)基站根据协同传输的不同情况采取相应的处理措施：基站遍历协同传输过程中所有可能出现的各种数据信号的组合进行译码处理：如果出现正确译码的情况，则判断数据信号为该组合；若所有的组合情况都不能正确译码，则丢弃该数据包；或者在两个移动终端的数据包中附加指示比特，用于标示是否正确接收了对方同伴的数据；

(5)基站判断所发生的不同传输情况后，将所接收到的两个移动终端的各自相关数据N_i1和N_i2组合起来进行译码。

参见图5的各个附图，具体说明上述步骤(3)中，采用编码协同方案进行分层调制传输时的四种不同情况下的具体操作步骤如下：

先介绍图5(A)的第一种情况：在第一帧中，两个移动终端A和B都正确接收协同终端的数据信息时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A通过分层调制将自身的N_A2数据调制至高阶调制符号的高可靠性(或低可靠性)比特的位置，同时将第二个移动终端B的N_B2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性(或高可靠性)比特的位置；而在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B通过分层调制将自身的N_B2数据调制至高阶调制符号的高可靠性(或低可靠性比特)的位置，同时将第一个移动终端A的N_A2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性(或高可靠性)比特的位置。本发明的各个附图中采用带有细斜线底色的框图表示低可靠性传输的比特流，以无底色的框图表示高可靠性传输的比特流。

参见图5(B)的第二种情况：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据N_A1，而第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据N_B1时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A采用低阶调制方式传输自身的N_A2数据；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B通过分层调制将自身的N_B2数据调制至高阶调制符号的高可靠性(或低可靠性)比特的位置，同时将第一个移动终端A的N_A2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性(或高可靠性)比特的位置。

参见图5(C)的第三种情况：在第一帧中，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据N_A1，而第一个移动终端A正确接收了第二个移动终端B的数据N_B1时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A通过分层调制将自身的N_A2数据调制至高阶调制符号的高可靠性(或低可靠性)比特的位置，同时将第二个移动终端B的N_B2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性(或高可靠性)比特的位置；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B采用低阶调制方式传输自身的N_B2数据。

参见图5(D)的第四种情况：在第一帧中，两个移动终端A和B都错误接收协同终端的数据N_B1和N_A1时，则在第二帧时间内，它们都退回到非协同传输状态：在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A以低阶调制方式发送自身的N_A2数据；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B以低阶调制方式发送自身的N_B2数据。

需要说明的是：在上述前三种情况下，各个移动终端进行分层调制将相关数据调制至高可靠性或低可靠性比特的位置时，可根据用户的业务质量需求灵活调整分层调制中的比特可靠性的差异系数。

参见图6的各个附图，具体说明上述步骤(3)中，采用空时编码协同方案进行分层调制传输时的四种不同情况下的具体操作步骤如下：

先介绍图6(A)的第一种情况：在第一帧中，两个移动终端A和B都正确接收协同终端的数据信息N_B1和N_A1时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A通过分层调制将低阶调制的自身的N_A2数据和第二个移动终端B的N_B2数据复用在一起，即第一个移动终端A采用分层调制方法将自身的N_A2数据调制至高可靠性(或低可靠性)比特的位置，同时将第二个移动终端B的数据信息对应调制在低可靠性(或高可靠性)比特的位置，然后以功率β₁进行发送；与此同时，第二个移动终端B以功率(1-β₂)发送与第一个移动终端A相同的数据，且两者采用空时编码协同技术方案进行数据传输；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B通过分层调制将低阶调制的自身的N_B2数据和第一个移动终端A的N_A2数据复用在一起后，以功率β₂进行发送；与此同时，第一个移动终端A以功率(1-β₁)发送与第二个移动终端B相同的数据，且两者采用空时编码协同技术方案进行数据传输；

参见图6(B)的第二种情况：在第一帧中，第二个移动终端B正确接收第一个移动终端A的数据N_A1，而第一个移动终端A错误接收第二个移动终端B的数据N_B1时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A采用低阶调制方式和全部功率传输自身的N_A2数据，与此同时，第二个移动终端B以功率(1-β₂)发送与第一个移动终端A相同的N_A2数据；而在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B通过分层调制将低阶调制的自身的N_B2数据和第一个移动终端A的N_A2数据一起复用为高阶调制数据符号，并以功率β₂进行发送；与此同时，第一个移动终端A处于空闲状态；

参见图5(C)的第三种情况：在第一帧中，第二个移动终端B错误接收第一个移动终端A的数据N_A1，而第一个移动终端A正确接收了第二个移动终端B的数据N_B1时，则在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A通过分层调制将低阶调制的自身的N_A2数据和第二个移动终端B的N_B2数据一起复用为高阶调制数据符号，并以功率β₁进行发送，与此同时，第二个移动终端B处于空闲状态；而在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B采用低阶调制方式和全部的功率传输自身的N_B2数据，与此同时，第一个移动终端A以功率(1-β₁)发送与第二个移动终端B相同的N_B2数据；

参见图5(D)的第四种情况：在第一帧中，两个移动终端A和B都错误接收协同终端的数据N_B1和N_A1时，则在第二帧时间内，它们都退回到非协同传输状态：在第一个移动终端A的第二帧时间内，第一个移动终端A采用低阶调制方式和全部功率发送自身的N_A2数据，与此同时，第二个移动终端B处于空闲状态；在第二个移动终端B的第二帧时间内，第二个移动终端B采用低阶调制方式和全部功率发送自身的N_B2数据，与此同时，第一个移动终端A处于空闲状态。

同样需要说明的是：在上述前三种情况下，各个移动终端进行分层调制将相关数据调制至高可靠性或低可靠性比特的位置时，可根据用户的业务质量需求灵活调整分层调制中的比特可靠性的差异系数。

本发明已经进行了多次试验实施，下面通过介绍本发明实施例的试验结果来表明：本发明的分层调制协同方法应用于各种协同方案中在快衰落无线信道环境下的有益效果。

实施例中采用生成多项式为(1，13/11)的Turbo码作为信道编码，信息比特K＝200，总的编码速率R＝1/3，初始编码速率R₁取决于编码协同系数ρ(若ρ＝50％，则R₁＝2/3；ρ＝33％，则R₁＝1/2)。为了保证用户终端的自身性能需求，实施例中采用将用户终端的自身数据调制至高可靠性比特的位置，将同伴终端的数据调制至低可靠性的位置；信道为平坦瑞利块衰落信道，此时的块衰落是指信道信息在一帧内的衰落保持不变，快衰落是指相邻帧的信道信息是相互独立的。

参见图7，说明本发明应用于编码协同方案(即分层调制编码协同的传输方案)和传统编码协同方案在快衰落无线信道环境下，用户间信道状况对称，协同系数不同时的实施例比较结果。移动终端A和移动终端B之间信道的信噪比固定为10dB，移动终端A到基站和移动终端B到基站之间信道信噪比变化范围为2～14dB，协同系数分别为0.5和0.33。其中实线表示协同系数为0.5时两种传输方案的性能曲线，虚线表示协同系数为0.33时两种传输方案的性能曲线，带有“方框”的表示分层调制编码协同方案的性能，带有“圆圈”的表示传统的编码协同方案的性能；从图7中可以看出，在两种不同的协同系数情况下，使用本发明中的分层调制编码协同方法都可以获得较好的性能。

参见图8，说明本发明应用于分层调制编码协同方案和传统编码协同方案在快衰落无线信道环境且用户间信道状况不对称时的实施例比较结果。移动终端A和移动终端B之间的信道信噪比固定为10dB，移动终端B到基站的信噪比固定为14dB，移动终端A到基站的信噪比变化范围为2～14dB。其中带有“方框”的实线表示分层调制编码协同方案下两个用户终端的性能曲线，带有“圆圈”的虚线表示传统编码协同方案下两个用户终端的性能曲线，带有“三角”的点线表示非协同方案下两个用户终端的性能曲线，其中实心框表示移动终端A(信道条件较差)的传输性能，空心框表示移动终端B(信道条件较好)的传输性能。从图8中可以看出，在快衰落信道下，相对于非协同方案而言，传统的编码协同方案是在牺牲了信道质量较好用户性能(如移动终端B)的基础上提高了信道质量较差的用户(移动终端A)的性能。而分层调制编码协同方案中各用户终端的N_i2数据部分都在两个相互独立的信道上发送，可以同时获得时间和空间分集增益，并且有效避免了用户信道状况不平衡现象的出现，提高两个用户终端(移动终端A和B)的传输性能。

参见图9，介绍本发明采用分层调制编码协同方案通过调整比特可靠性差异系数来满足不同的业务质量需求的情况。具体实施参数类似图8中的情况，其中“方框”实线表示可靠性差异系数为λ＝1/2的各个用户终端的传输性能，“圆圈”虚线表示可靠性差异系数为λ＝1/5的各个用户终端的传输性能，实心框表示移动终端A(信道条件较差)的传输性能，空心框表示移动终端B(信道条件较好)的传输性能。从图9中可以看出，随着可靠性差异系数的减小，信道质量较好的用户(例如，移动终端B)的性能会有所提升，而信道质量较差的用户(如移动终端A)的性能会降低。

参见图10，具体说明本发明应用于空时编码协同方案中和传统的空时编码协同方案的性能对比曲线。此时的实施参数为信息比特K＝150，R＝1/4，协同系数ρ＝50％，N₁＝300，N₂＝300，R₁＝1/2。其中“方框”实线表示分层调制编码协同方案的用户终端的传输性能，“圆圈”虚线表示空时编码协同方案的用户终端的传输性能，实心框表示移动终端A(信道条件较差)的传输性能，空心框表示移动终端B(信道条件较好)的传输性能。移动终端A和B之间的信道信噪比固定为10dB，移动终端B至基站的信噪比也固定为10dB，移动终端A到基站的信噪比变化范围为0～10dB，从图10可以看出，相对于空时编码协同方法，采用本发明分层调制的编码协同方案，两个用户终端的传输性能都会同时得到有效的改善。

Claims (7)

1.一种用于无线网络的分层协同传输的实现方法，其特征在于：在无线通信网络中，采用基于编码协同协议的分层调制技术来协同传输无线通信信号：当某个移动终端在协同发送同伴移动终端的数据时，采用分层调制技术，将自身和同伴移动终端的两种低阶调制的数据符号一起复用为高阶调制符号进行协同传输，以便在保证终端数据收发速率的基础上提高其传输性能；所述方法包括下述步骤：

(1)每个移动终端将在每两帧内需要发送的N_i个比特数据分为两部分：由信息比特和部分校验比特组成的数据N_i1，以及除去数据N_i1后的剩余比特N_i2，式中，N是自然数，其下标i是移动终端的序号，N_i＝N_i1+N_i2；

(2)在第一个移动终端的第一帧中，第一个移动终端利用广播信道同时向基站和其协同终端-第二个移动终端发送自身数据N_A1，此时，基站接收并存储来自第一个移动终端的数据N_A1，但不译码；而协同终端则对接收到的、来自第一个移动终端的数据N_A1的信息比特进行译码处理，并通过其中的循环冗余校验CRC比特判断是否正确接收第一个移动终端的N_A1数据；在第二个移动终端的第一帧中，第二个移动终端执行与第一个移动终端相对应的操作；

(3)在第二帧中，两个移动终端根据所采用的协同技术以及协同传输过程的各自第一帧中是否正确接收到对方的数据信息的不同情况分别执行相应的分层调制传输操作，此时两个移动终端不需要信息交互来判断自身的数据是否被对方正确接收，即它们各自的操作是相互独立的；

(4)基站根据协同传输的不同情况采取相应的处理措施：基站遍历协同传输过程中所有可能出现的各种数据信号的组合进行译码处理：如果出现正确译码的情况，则判断数据信号为该组合；若所有的组合情况都不能正确译码，则丢弃该数据包；或者在两个移动终端的数据包中附加指示比特，用于标示是否正确接收了对方同伴的数据；

(5)基站判断所发生的不同传输情况后，将所接收到的两个移动终端的各自相关数据N_i1和N_i2组合起来进行译码。

2.根据权利要求1所述的分层协同传输的实现方法，其特征在于：由于高阶调制符号中各个比特的可靠性是不同的，移动终端可以将自身数据和协同终端数据分别调制至高可靠性比特位置和低可靠性比特位置，或者将自身数据和协同终端数据分别调制至低可靠性比特位置和高可靠性比特位置，以满足两个终端的不同传输性能要求。

3.根据权利要求1或2所述的分层协同传输的实现方法，其特征在于：所述方法还包括下列操作内容：在分层调制时对不同位置比特的可靠性差异系数进行调整，以满足不同终端的业务质量需求。

4.根据权利要求1所述的分层协同传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用编码协同方案进行分层调制传输时的四种不同情况的具体操作步骤如下：

(301)在第一帧中，两个移动终端都正确接收协同终端的数据信息时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端通过分层调制将自身的N_A2数据调制至高阶调制符号的高可靠性或低可靠性比特的位置，同时将第二个移动终端的N_B2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性或高可靠性比特的位置；而在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端通过分层调制将自身的N_B2数据调制至高阶调制符号的高可靠性或低可靠性比特的位置，同时将第一个移动终端的N_A2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性或高可靠性比特的位置；

(302)在第一帧中，第二个移动终端正确接收第一个移动终端的数据，而第一个移动终端错误接收第二个移动终端的数据时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端采用低阶调制方式传输自身的N_A2数据；在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端通过分层调制将自身的N_B2数据调制至高阶调制符号的高可靠性或低可靠性比特的位置，同时将第一个移动终端的N_A2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性或高可靠性比特的位置；

(303)在第一帧中，第二个移动终端错误接收第一个移动终端的数据，而第一个移动终端正确接收了第二个移动终端的数据时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端通过分层调制将自身的N_A2数据调制至高阶调制符号的高可靠性或低可靠性比特的位置，同时将第二个移动终端的N_B2数据对应调制在高阶调制符号的低可靠性或高可靠性比特的位置；在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端采用低阶调制方式传输自身的N_B2数据；

(304)在第一帧中，两个移动终端都错误接收协同终端的数据时，则在第二帧时间内，它们都退回到非协同传输状态：在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端以低阶调制方式发送自身的N_A2数据；在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端以低阶调制方式发送自身的N_B2数据。

5.根据权利要求4所述的分层调制协同传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(301)、(302)或(303)中，各个移动终端进行分层调制将相关数据调制至高可靠性或低可靠性比特的位置时，根据用户的业务质量需求灵活调整分层调制中各个符号内的比特可靠性的差异系数。

6.根据权利要求1所述的分层协同传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用空时编码协同方案进行分层调制传输时的四种不同情况下的具体操作步骤如下：

(311)在第一帧中，两个移动终端都正确接收协同终端的数据信息时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端通过分层调制将低阶调制的自身的N_A2数据和第二个移动终端的N_B2数据复用在一起，即第一个移动终端采用分层调制方法将自身的N_A2数据调制至高阶调制符号的高可靠性或低可靠性比特的位置，同时将第二个移动终端的数据信息对应调制在高阶调制符号低可靠性或高可靠性比特的位置，然后以功率β₁进行发送；与此同时，第二个移动终端以功率(1-β₂)发送与第一个移动终端相同的数据，且两者采用空时编码协同技术方案进行数据传输；在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端通过分层调制将低阶调制的自身的N_B2数据和第一个移动终端的N_A2数据复用在一起后，以功率β₂进行发送；与此同时，第一个移动终端以功率(1-β₁)发送与第二个移动终端相同的数据，且两者采用空时编码协同技术方案进行数据传输；

(312)在第一帧中，第二个移动终端正确接收第一个移动终端的数据，而第一个移动终端错误接收第二个移动终端的数据时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端采用低阶调制方式和全部功率传输自身的N_A2数据，与此同时，第二个移动终端以功率(1-β₂)发送与第一个移动终端相同的N_A2数据；而在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端通过分层调制将低阶调制的自身的N_B2数据和第一个移动终端的N_A2数据一起复用为高阶调制数据符号，并以功率β₂进行发送；与此同时，第一个移动终端处于空闲状态；

(313)在第一帧中，第二个移动终端错误接收第一个移动终端的数据，而第一个移动终端正确接收了第二个移动终端的数据时，则在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端通过分层调制将低阶调制的自身的N_A2数据和第二个移动终端的N_B2数据一起复用为高阶调制数据符号，并以功率β₁进行发送，与此同时，第二个移动终端处于空闲状态；而在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端采用低阶调制方式和全部的功率传输自身的N_B2数据，与此同时，第一个移动终端以功率(1-β₁)发送与第二个移动终端相同的N_B2数据；

(314)在第一帧中，两个移动终端都错误接收协同终端的数据时，则在第二帧时间内，它们都退回到非协同传输状态：在第一个移动终端的第二帧时间内，第一个移动终端采用低阶调制方式和全部功率发送自身的N_A2数据，与此同时，第二个移动终端处于空闲状态；在第二个移动终端的第二帧时间内，第二个移动终端采用低阶调制方式和全部功率发送自身的N_B2数据，与此同时，第一个移动终端处于空闲状态。

7.根据权利要求6所述的分层调制协同传输的实现方法，其特征在于：所述步骤(311)、(312)或(313)中，各个移动终端采用分层调制技术将相关数据调制至高可靠性或低可靠性比特的位置的同时，根据用户的业务质量需求灵活调整分层调制中的比特可靠性差异系数。

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