CN101383681A - 抵抗异步差分空时分组码的编译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抵抗异步差分空时分组码的编译码方法，主要解决通信系统复杂度高的问题。其步骤为：1)源节点S将发送信息补为偶数个，并将该信息广播给中继节点R，当中继节点R正确接收源节点S的信息，则该节点参与协作，否则不参与；2)源节点S将发送信号分为I、Q两路分别进行差分编码，并将信息根据TR－STBC中一行矩阵进行编码发送；3)当中继节点R参与协作，采用步骤2)中的差分编码，并将信息根据TR－STBC中另一行矩阵进行编码发送；4)目的端将接收信息通过删除变为偶数个，并将信息分为前后相等的两部同时进行差分译码；5)将译码信息分成I、Q两路进行合并。本发明具有实现简单，对系统要求低的优点，可用于分布式传感器网络通信系统。

Description

抵抗异步差分空时分组码的编译码方法

技术领域

本发明属于无线数字通信技术领域，特别是涉及多天线协作分集技术中空时分组码编译码方法，用于协作伙伴与用户间不同步或两节点间存在信道时延时，目的节点仍能够实现差分空时译码。

背景技术

多天线分集技术可以有效抵抗无线网络中多径衰落的影响，提高网络容量，改善系统性能。在蜂窝移动通信、ad hoc和无线传感器网络等无线通信系统中，终端设备由于受到功耗、体积和硬件复杂度等因素的限制，实现多天线较为困难。近年来，一种由多天线技术延伸到协作通信技术引起了各界的广泛关注。协作通信技术能够使得多用户环境下的单天线终端按照一定方式共享彼此资源，形成虚拟的多天线发射机，以获得发射分集增益。协作通信技术是一种低成本高效的无线资源分配解决方案，为多天线技术走向实用化提供了一条新的途径，极有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

在用户协作分集系统中，由于中继传输的引入，用户的信号到达基站时需要经历用户到中继，即协作伙伴的信道和中继到基站的信道。空时协作中，用户先将自己的信息传给协作伙伴，然后与协作伙伴一起采用空时编码发送给基站，在整个发送过程中用户与协作伙伴达到完全同步几乎是不可能的，所以有必要研究异步条件下空时分组码的应用。基于Alamouti编码的时间反转空时分组码TR-STBC能够抵抗因异步而产生的错位重叠的情况，并获得2阶的分集增益，但其必须要知道各个信道的信道状态信息。2005年Xiaohua Li在“Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics &Automation”会议上发表的文献“Asynchronous space-time cooperative communications insensor and robotic networks”中，利用了线性预测的方法来抵抗因协作的各节点发送不同步的情况下产生的干扰，但是这种方法的应用必须要估计信道参数来译码，并且译码复杂，性能较差。2007年Hakam Mheidat等人，在“IEEE Trans on signal processing”上发表的文章“Equalization Techniques for Distributed Space-Time Block Codes WithAmplify-and-Forward Relaying”(2007年5月第55卷)中提到了分布式的TR-STBC，并对其性能进行了分析，但该文献仍需对信道进行估计，而且未涉及差分空时分组码的应用。

运用差分调制可以在不知道信道状态的情况下译码，从而降低系统复杂度。2000年TAROKH，V.等人，在“IEEE Journal on Selected Areas in Communications”上发表的文献“A differential detection scheme for transmit diversity”中给出了基于Alamouti编码的差分空时分组码DSTBC，可以在不知道信道状态信息的情况下译码并获得分集增益，但其编码和译码都是以码字矩阵来进行的，在异步情况下，由于信号错位重叠，原先的码字矩阵已经不存在，不管是否采用TR-STBC都不能够解决这样的问题，即简单的将DSTBC与TR-STBC结合由于不能够组成抗异步差分空时分组码，无法实现正确译码，因而需要进行系统同步，增加了整个系统的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种抵抗异步差分空时分组码的编译码方法，以抵抗由于源节点S和中继节点R发送异步所产生的信号错位重叠的干扰，实现差分译码，在空间发送不同步和两用户间信道存在时延的情况下，减小系统的复杂度。

为实现上述目的，本发明包括如下步骤：

(1)在发送端，源节点S检测所要发送的信息是否为偶数个，如果不是偶数个，则在信息最后添加0，凑成偶数个，如果是偶数个则进行下一步处理；

(2)在发送端，源节点S向中继节点R广播经步骤(1)处理过的信息，中继节点R通过检测确定自己能否正确接收信息，如果能正确接收则参与源节点S的协作，否则不参与协作；

(3)源节点S在广播完自己的信息后，将所述信息通过BPSK调制后分成I、Q两路信息，I路设为实部信息，Q路设为虚部信息，对该两路分别进行差分编码，将这两路信号根据TR-STBC中的一行矩阵进行编码并发送；

(4)当中继节点R参与源节点S的协作时，中继节点R将所述信息通过BPSK调制后分成I、Q两路上信息，I路设为实部信息，Q路设为虚部信息，对该两路信息分别进行差分编码，将这两路信号根据TR-STBC中的另一行矩阵进行编码并发送；

(5)在接收端，目的节点D首先判别自己接收到的数据是否为偶数个，如果不是偶数个，则删除接收信息的中间一个信息，如果是偶数个则进行下一步处理；

(6)在接收端，目的节点D将接收信息从中间分为前后相等的两部分信息分配到不同的两路上，即前一半信息分配到A路上，后一半信息分配到B路上，并将B路上的信息进行数据反转，再对该A、B两路信息进行差分译码；

(7)将差分译码的信息，分为I、Q两路分别进行BPSK译码，并对译码信息进行合并。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于采用了差分编码及译码，无需进行信道估计，所以源节点S不需要发送额外的信息来进行信道估计，从而提高了系统频谱利用率，降低了整个系统的复杂度；

2.本发明由于源节点S的发送与中继节点R的发送是分开的，所以R是否协作与源节点S和目的节点D都无关，这样就不需要各节点间的信息反馈，从而提高系统的效率。

3.本发明由于能够实现差分编译码，又能抵抗异步，所以不需要信道估计和系统同步，对发送节点、中继节点和目的节点的要求都较低，所以适用于分布式的传感器网络，能够提高各传感器的生命周期。

附图说明

图1是已有的两用户协作分集模型图；

图2是本发明的两用户协作流程图；

图3是已有的TR-STBC编码的发送示意图；

图4是本发明发送端的差分空时编码过程示意图；

图5是已有TR-STBC的编码结构图；

图6是本发明接收端的译码过程示意图；

图7是本发明在接收端分离出的A、B两路信号的结构框图；

图8是本发明与其它方案的性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细表述。

图1给出了本发明实施例的系统框图，其中S表示源节点，R表示中继节点，D表示目的节点，h_R，D表示中继节点R到目的节点D的信道衰落，h_S，D表示源节点S到目的节点D的信道衰落。

参照图2，本发明利用图1系统进行差分空时分组码的编译码步骤如下：：

1.发送端检测步骤

在发送端，源节点S检测所要发送的信息是否为偶数个，如果不是，则在信息最后添加0，凑成偶数个，如果是则进行下一步处理；

2.发送端广播步骤

在发送端，源节点S向中继节点R广播自己的信息，中继节点R通过检测确定自己能否正确接收信息，即先由源节点S对发送信息进行CRC编码，再由中继节点R对接收信息进行CRC的检测，如果检测后为0，则判定为接收信息正确，否则接收有误。如果能正确接收则参与源节点S的协作，否则不参与协作，即中继节点不发送任何信息；

3.源节点的编码步骤

源节点S在广播完自己的信息后，进行抵抗异步差分空时码的编码，图3给出了原有TR-STBC编码的发送示意图，图4是本发明的具体编码发送示意图，通过比较可以看出，本发明在原有的TR-STBC编码上增加了差分编码的模块。

参照图4，本发明的差分空时码的编码，按如下过程进行：

a).差分编码。

源节点S将所要发送的信息通过BPSK调制后，再进行串并转换即通过任意抽取不同的信息将其组成I，Q两路，且两路信息的长度相等。本实施例按所述信息的奇偶标号进行串并转换，其中I路表示复信号的实部，Q路表示复信号的虚部，设信息长度为L，源节点S进行BPSK调制后的信息为b₁(k)，(k＝1，...，L)，按奇偶标号进行串并转换后，奇数位在I路上调制，偶数位在Q路上调制，则源节点S进行BPSK调制后的信息在I路上表示为b₁(2k-1)，在Q路上表示为jb₁(2k)，(k＝1，2...L/2-1)；

将I路信息进行DBPSK调制，得到调制后的信息为：

s₁(2k+1)＝b₁(2k-1)s₁(2k-1)   k＝1，2...L/2-1

将Q路信息进行DQPSK调制，得到调制后的信息为：

s₁(2k+2)＝jb₁(2k)s₁(2k)   k＝1，2...L/2-1.

其中s₁(1)＝s₁(2)＝1是差分编码的参考位。

b).TR-STBC编码。

将调制后的I、Q两路上的信息分别设为s_I和s_Q，将s_Q添加全零前缀后作为源节点S的第一部分信息发送；将s_I进行数据反转后，取复共轭，并添加全零前缀后作为源节点S的第二部分信息发送。

通过的a)、b)两步处理就得到源节点S经TR-STBC编码后的信息，其结构如图5所示。为了消除两路信号间的干扰，在两路信号间添加了零前缀，该零前缀的长度大于源节点S与中继节点R间发送的最大延时差，图5中J是L/2×L/2的时间反转矩阵，它的反对角线上全是1，其余的都是0，实现的是将数据进行反转，图5中的(g)^*表示取复共轭。

4.中继节点的编码步骤：

当中继节点R参与协作时，则该节点对接收的信息进行抵抗异步差分空时码的编码。

参照图4中继节点进行差分空时码的编码过程如下：。

1)差分编码。中继节点R将所接收的信息通过BPSK调制后，再进行串并转换后即通过任意抽取不同的信息将其组成I，Q两路，且两路信息的长度相等。本实施例按所述信息的奇偶标号进行串并转换，其中I路表示复信号的实部，Q路表示复信号的虚部，设信息长度为L，中继节点R进行BPSK调制后的信息为b₁(k)，(k＝1，...，L)，按奇偶标号进行串并转换后，奇数位在I路上调制，偶数位在Q路上调制，则中继节点R进行BPSK调制后的信息在I路上表示为b₁(2k-1)，在Q路上表示为jb₁(2k)，(k＝1，2...L/2-1)；

将I路信息进行DBPSK调制，得到调制后的信息为：

s₁(2k+1)＝b₁(2k-1)s₁(2k-1)   k＝1，2...L/2-1

将Q路信息进行DQPSK调制，得到调制后的信息为：

s₁(2k+2)＝jb₁(2k)s₁(2k)   k＝1，2...L/2-1.

其中s₁(1)＝s₁(2)＝1是差分编码的参考位。

2)TR-STBC编码。

将经差分调制后的I路信息添加全零前缀，并作为中继节点R的第一部分信息发送；将经差分调制后的Q路信息进行数据反转，并对相位翻转180度后取复共轭，添加全零前缀，将这部分信息作为中继节点的第二部分信息发送；

5.接收端检测步骤

目的节点D首先判别自己接收到的数据是否为偶数个，如果不是偶数个，则删除接收信息的中间一个信息，如果是偶数个则进行下一步处理。

6.接收端译码步骤

参照图6，在接收端，目的节点D对接收信号按如下过程进行差分译码：

a).将接收据的数据分为相等的两半，前一半信息分配到A路，后一半信息分配到B路，且两路信息等长；

b).将B路信息进行数据反转，设原点S与中继节点R间的发送时延差为d，目的节点D接收的数据长度为M，则A，B两路的信息如图7所示，分别可以表示为：

r_A(k)＝h_R，Ds₁(2k-2d-1)+h_S，Ds₁(2k)+w_d(k)

$r_B\left(k\right)=-h_{R,D}{s}_1^{*}\left(2k\right)+h_{S,D}{s}_1^{*}(2k-2d-1)+w_d(M-k+1)$

其中，k表示A路或B路中的第k个信息，h_R，D表示中继节点R到目的节点D的信道衰落，h_S，D表示源节点S到目的节点D的信道衰落，w_d(k)表示噪声；

c).A路信息依次将当前信息的复共轭与前一个信息相乘，B路信息依次将当前的信息与前一个信息的复共轭进行相乘，将相乘后的信息依次相加得到解调表达式g₂(k)，即

$g_2\left(k\right)=r_A(k+1)r_A^{*}\left(k\right)+r_B\left(k\right)r_B^{*}(k+1)$

$=({\left|h_{S,D}\right|}^2+{\left|h_{R,D}\right|}^2)[b_1(2k-2d+1)+j{b}_1(2k+2)]+\mathrm{noise}$

e).对g₂(k)取其实部进行BPSK的解调得到I路信息，对g₂(k)取其虚部进行BPSK的解调得到Q路信息；

f).将I，Q两路信息，对应发送端的分配方式进行合并，恢复出原始的发送数据。

本发明的效果可以通过以下的仿真进一步说明：

1.仿真条件

对抵抗异步差分空分组码与2005年Xiaohua Li在“Proceedings of the IEEEInternational Conference on Mechatronics & Automation”会议上发表的文献“Asynchronous space-time cooperative communications in sensor and roboticnetworks”中所提的基于线性预测空时分组码以及2000年TAROKH，V.等人，在“IEEE Journal on Selected Areas in Communications”上发表的文献“A differentialdetection scheme for transmit diversity”中给所提的基于Alamouti编码的差分空时分组码DSTBC，这三种空时码在异步情况下进行比较。为了表述方便将这三个方法分别命名为抗异步DSTBC、线性预测STBC和传统DSTBC。这三种编码的应用模型如图1所示，假设源节点S在广播阶段的发送功率为P，在采用空时编码的第二阶段，源节点S和中继节点R的发送功率都为P/2，仿真中的信噪比SNR＝P/N₀，其中N₀表示中继节点R和目的节点d接收时的噪声功率。假设源节点S发送的帧长是100，进行CRC检测的冗余为12，各节点间信道是瑞利块衰落信道，即在一帧内信道假设是不变的，而在下一帧信道才变化，假设S到D与S到R到D间的信道时延差为5，零前缀的长度为10，源节点S与中继节点R间的信噪γ_S，R＝20dB。

2.仿真结果

按照上面的仿真条件和仿真过程，仿真出的结果如图8所示。由图8可见，传统DSTBC在异步情况下不能通信；线性预测STBC虽然能够抵抗异步，但性能很差，而且需要知道信道状态信息，译码复杂；本发明的抗异步DSTBC，在不用知道信道状态信息的情况下，性能与线性预测STBC相比提高很多。

Claims (5)

1.一种抵抗异步差分空时分组码的编译码方法，包括如下步骤：

(1)在发送端，源节点S检测所要发送的信息是否为偶数个，如果不是偶数个，则在信息最后添加0，凑成偶数个，如果是偶数个则进行下一步处理；

(2)在发送端，源节点S向中继节点R广播经步骤(1)处理过的信息，中继节点R通过检测确定自己能否正确接收信息，如果能正确接收则参与源节点S的协作，否则不参与协作；

(3)源节点S在广播完自己的信息后，将所述信息通过BPSK调制后分成I、Q两路信息，I路设为实部信息，Q路设为虚部信息，对该两路分别进行差分编码，将这两路信号根据TR-STBC中的一行矩阵进行编码并发送；

(4)当中继节点R参与源节点S的协作时，中继节点R将所述信息通过BPSK调制后分成I、Q两路上信息，I路设为实部信息，Q路设为虚部信息，对该两路信息分别进行差分编码，将这两路信号根据TR-STBC中的另一行矩阵进行编码并发送；

(5)在接收端，目的节点D首先判别自己接收到的数据是否为偶数个，如果不是偶数个，则删除接收信息的中间一个信息，如果是偶数个则进行下一步处理；

(6)在接收端，目的节点D将接收信息从中间分为前后相等的两部分信息分配到不同的两路上，即前一半信息分配到A路上，后一半信息分配到B路上，并将B路上的信息进行数据反转，再对该A、B两路信息进行差分译码；

(7)将差分译码的信息，分为I、Q两路分别进行BPSK译码，并对译码信息进行合并。

2.根据权利要求1所述的抗异步差分空时码编译码方法，其中步骤(2)所述的中继节点R通过检测确定自己能否正确接收信息，是先由源节点S对发送信息进行CRC编码，再由中继节点R对接收信息进行CRC的检测，如果检测后为0，则判定为接收信息正确，否则接收有误。

3.根据权利要求1所述的抗异步差分空时码编译码方法，其中步骤(3)和步骤(4)所述的将信息通过BPSK调制后分成I、Q两路信息，均是通过任意抽取不同的信息将其组成两路，且两路信息的长度相等。

4.根据权利要求1的抗异步差分空时码编译码方法，其中步骤(3)和(4)所述的对两路信息分别进行差分编码，是通过对I路信息进行DBPSK编码，对Q路信息进行DQPSK编码实现。

5.根据权利要求1所述的抗异步差分空时码编译码方法，其中步骤(6)所述的对A、B两路信息进行差分译码，是对A路中的信息取当前信息的复共轭与前一信息相乘；对B路中的信息取当前信息与前一信息的复共轭相乘，将两路相乘后的信息进行相加。

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