CN101316248B - 无线通信系统广义差分编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种无线通信系统广义差分编码传输方法。该方法包括发送端的广义差分编码和接收端的广义差分解码两个部分。在发送端将数据符号流x(n)按长度L分割为数据帧，数据帧中，每一帧包括含一个参数符号和L-1个普通符号。参考符号根据前一数据帧中的参考符号编码得到，普通符号根据当前数据帧中的参考符号编码得到；在接收端经过必要的射频/低频变换到基带，及位同步处理后，进行与发送端相应的解码，从而实现对发送信息符号的估计。本发明保持了较低的复杂度，可以优化系统性能，提高接收端输出信噪比。

Description

无线通信系统广义差分编码传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种无线通信系统差分编码传输方法。 

背景技术

无线信道具有时变的特性，特别在通信终端快速移动时，信道的时变特性更加明显。为克服信道的时变给接收端信道估计带来的困难，差分编码传输在无线通信系统中有广泛的应用。差分编码传输可以避免信道估计从而简化接收端设计。在传统的差分编解码技术中，差分编码是在相邻两个符号内完成的。在接收端同样根据相邻两个接收符号进行差分检测。由于噪声的累加，传统的方法与已知信道信息的理想相干检测相比存在3dB的性能损失。因此为了获得与相干检测系统同样的误码率性能，传统差分编码系统需要在发射端增加3dB发射功率。 

发明内容

本发明目的在于针对无线通信系统，提出一种新的广义差分编码与解码方法，以克服传统差分编解码技术与相干检测的3dB性能差距。 

本发明包括发送端的广义差分编码以及接收端的广义差分解码两部分。 

(1)发送端的广义差分编码 

假设需要发送的信息符号流为s(n)，n＝1，2，...，经过差分编码后的符号流为x(n)，n＝0，1，...。在本发明中，发送端的数据符号流x(n)按每L个符号分为一帧，具体的数据帧结构如图1所示。其中每一帧包含一个参考符号和L-1个普通符号。例如图中第t个数据帧包含的L个符号为x(tL)，x(tL+1)，...，x(tL+L-1)，其中的第1个符号x(tL)为参考符号，其余(L-1)个符号x(tL+l)，l＝1，2，...，L-1为普通符号。 

在本发明提出的广义差分编码技术中参考符号和普通符号的编码方式有所不同。每帧中的参考符号根据前一数据帧中的参考符号编码得到，而其余的普通符号则根据当前数据帧中的参考符号编码得到。发送端的广义差分编码详细过程见图2。其中第t个数据帧中的参考符号x(tL)是根据前一数据帧中的参考符号x((t-1)L)进行编码的： 

x(tL)＝x((t-1)L)s(tL)t＝1，2，...    (1) 

其中第1个数据帧的参考符号x(0)是收发双方都已知的，并且平均功率为P₁∶|x(0)|²＝P₁，而s(tL)为第tL个需要发送的信息符号，其功率归一化为1，于是根据公式(1)中的编码规则， 所有参考符号的平均发送功率为P₁。 

另一方面，第t个数据帧中的其余(L-1)个普通符号x(tL+l)，l＝1，2，..，L-1，则是根据参考符号x(tL)进行编码的，具体的编码方式为： 

$x(\mathrm{tL}+l)=\sqrt{\frac{P_2}{P_1}}x\left(\mathrm{tL}\right)s(\mathrm{tL}+1)$ t＝0，1，...，l＝1，2，..，L-1    (2) 

其中P₂为普通符号的平均发送功率，s(tL+l)为第(tL+l)个信息符号。可以看到本发明中参考符号和普通符号的平均功率是不同的，为了使整个数据帧的平均功率为P，P₁和P₂需要满足下列条件： 

$\frac{1}{L}(P_1+(L-1)P_2)=P$

为了提高系统性能，本发明中P₁与P₂取为 $P_1=\frac{\mathrm{LP}}{1+\sqrt{L-1}},$ $P_2=\frac{\mathrm{LP}}{L-1+\sqrt{L-1}}.$

(2)接收端的广义差分解码 

在接收端经过必要的射频/低频变换到基带，以及位同步等处理后，进行与发送端相应的解码以实现对发送信息符号的估计。 

记h(n)为n时刻的信道系数，z(n)为相应的接收端噪声，则接收到的第t个数据帧的参考符号为： 

y(tL)＝h(tL)x(tL)+z(tL)    (4) 

设信道变化较慢，在一个数据块内近似不变，则有： 

y(tL)≈y((t-1)L)s(tL)+w(tL)    (5) 

其中w(tL)＝z(tL)-s(tL)z((t-1)L)， 

根据式(5)差分解码为： 

$\tilde{y}\left(\mathrm{tL}\right)=y^{*}\left((t-1)L\right)y\left(\mathrm{tL}\right),$ t＝1，2，...    (6) 

其中*表示取共轭操作。根据 可以得到对信息符号s(tL)的估计； 

同理，对于普通符号，相应的差分解码为： 

$\tilde{y}(\mathrm{tL}+l)=y^{*}\left(\mathrm{tL}\right)y(\mathrm{tL}+l),$ t＝0，1，...，l＝1，2，...，L-1 

根据 

可以得到对信息符号s(tL+l)的估计。 

上述发明的优点在于：(1)广义差分编解码方法保持了较低复杂度；(2)通过在发送端为参考符号和普通符号分配不同功率，可以优化系统性能，提高接收端输出信噪比；(3)发送端可以根据实际系统需要，选择不同的数据块长度L。 

现将本发明的广义差分编解码流程总结如下： 

(1)发送端的广义差分编码 

第一步：确定数据帧长度L，平均发送功率P，并据此计算 

P₁为参考符号的平均发射功率，P₂为普通符号的平均发射功率； 

第二步：初始化第一个发送符号 

第三步：对输入数据符号流x(n)按照长度为L分割成数据帧(即按每L个符号分为一帧)；该数据帧结构为：每一帧包含一个参考符号和L-1个普通符号。第t个数据帧包含的L个符号为x(tL)，x(tL+1)，...，x(tL+L-1)，其中的第1个符号x(tL)为参考符号，其余(L-1)个符号x(tL+l)，l＝1，2，...，L-1为普通符号。 

第四步：对每一帧的第一个符号即参考符号按照如下方法进行差分编码： 

x(tL)＝x((t-1)L)s(tL)，t＝1，2，...； 

第五步：对每一帧的其余L-1个符号即普通符号按照如下方法进行差分编码： 

$x(\mathrm{tL}+l)=\sqrt{\frac{P_2}{P_1}}x\left(\mathrm{tL}\right)s(\mathrm{tL}+l),$ t＝0，1，...，l＝1，2，...，L-1 。 

第六步：将已编码数据符号进行发送。 

(2)接收端的广义差分解码 

第一步：根据下式所得 

估计发送的第t帧中的数据符号s(tL)： 

$\tilde{y}\left(\mathrm{tL}\right)=y^{*}\left((t-1)L\right)y\left(\mathrm{tL}\right),$ t＝1，2，...； 

第二步：根据下式所得 

估计发送的第t帧中的数据符号s(tL+l)： 

$\tilde{y}(\mathrm{tL}+l)=y^{*}\left(\mathrm{tL}\right)y(\mathrm{tL}+l),$ t＝0，1，...，l＝1，2，...，L-1。 

发送端的数据帧结构、编码方式以及功率分配方法是本发明的创新点也是欲保护的要点，该广义差分编码方式可以应用于但不限于下列系统：(1)点对点单天线通信系统；(2)点对点多发送和/或多接收天线(MIMO)系统；(3)分布式协同通信系统。 

附图说明

图1为广义差分编码(b)与传统差分编码(a)的比较图。 

图2为发送端广义差分编码系统结构图。 

图3为MIMO系统中传统差分空时编码的系统结构图。 

图4为MIMO系统中应用本发明的系统结构图。 

图5为本发明与传统差分空时码的比特误码率性能比较图。 

具体实施方式

下面通过实例进一步具体描述本发明。考虑点对点多天线系统，发送端和接收端均有2根天线。信道模型采用瑞丽单径信道。系统仿真比较传统差分空时码和广义差分空时码的比特误码率性能。传统差分空时码系统结构如图3所示。本发明应用的结构如图4所示。图3和图4中的调制模块采用BPSK的调制方式，图3和图4中的空时编码模块采用如G.Ganesan所述的题为空时块码的差分检测(Differential detection based on space-time blockcodes，Wireless Personal Communication，2002年第21卷)论文中第19式所描述。传统差分编码模块根据G.Ganesan的论文中第20式。广义差分编码模块使用本说明书中式(1)和式(2)的差分编码及功率分配方式。 

图5为本发明与传统差分空时码的比特误码率性能比较图。从图中可以看出，本发明提出的广义差分编码空时码性能优于传统差分空时码。当帧长度L增加时，误码率性能增益将会增大。 

Claims (1)

1.一种广义差分编码传输方法，分为发送端的广义差分编码和接收端的广义差分解码两个部分，其特征在于：

(1)发送端的广义差分编码

假设需要发送的信息符号流为s(n)，n＝1，2，…，经过差分编码后的符号流为x(n)，n＝0，1，...；

第一步：确定数据帧长度L，平均发送功率P，并据此计算 P₁为参考符号的平均发射功率，P₂为普通符号的平均发射功率；

第二步：初始化第一个发送符号

第三步：对输入数据符号流x(n)按照长度为L分割成数据帧，该数据帧结构为：每一帧包含一个参考符号和L-1个普通符号，第t个数据帧包含的L个符号为x(tL)，x(tL+1)，...，x(tL+L-1)，其中的第1个符号x(tL)为参考符号，其余(L-1)个符号x(tL+l)，l＝1，2，...，L-1为普通符号；

第四步：对每一帧的第一个符号即参考符号按照如下方法进行差分编码：

x(tL)＝x((t-1)L)s(tL)，t＝1，2，...；

第五步：对每一帧的其余L-1个符号即普通符号按照如下方法进行差分编码：

$x(\mathrm{tL}+l)=\sqrt{\frac{P_2}{P_1}}x\left(\mathrm{tL}\right)s(\mathrm{tL}+l),$ t＝0，1，...，l＝1，2，...，L-1。

第六步：将已编码数据符号进行发送；

(2)接收端的广义差分解码

记h(n)为n时刻的信道系数，z(n)为相应的接收端噪声，则接收到的第t个数据帧的参考符号为：

y(tL)＝h(tL)x(tL)+z(tL)          (4)

设信道变化较慢，在一个数据块内近似不变，则有：

y(tL)≈y((t-1)L)s(tL)+w(tL)          (5)

其中w(tL)＝z(tL)-s(tL)z((t-1)L)，

根据式(5)差分解码为：

$\tilde{y}\left(\mathrm{tL}\right)=y^{*}\left((t-1)L\right)y\left(\mathrm{tL}\right),$ t＝1，2，...          (6)

其中*表示取共轭操作；根据

得到对信息符号s(tL)的估计；

同理，对于普通符号，相应的差分解码为：

$\tilde{y}(\mathrm{tL}+l)=y^{*}\left(\mathrm{tL}\right)y(\mathrm{tL}+l),$ t＝0，1，...，l＝1，2，...，L-1

根据

得到对信息符号s(tL+l)的估计。

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