CN101383682A - 基于星座旋转准正交空时分组码的协作分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星座旋转准正交空时分组码的协作分集方法，主要解决正交空时分组码协作方法传输速率低的问题。协作传输过程为：在广播阶段，由源节点向中继节点和目的节点发送广播信号，中继节点对接收到的信号进行译码和循环冗余校验，如果校验正确，则参与空时协作阶段的协作传输，否则不参与；在空时协作阶段，由源节点和校验正确的中继节点将发送信息分为两组进行星座映射，根据准正交空时分组码的编码矩阵生成各自的发送信号，同时向目的节点发送；目的节点将广播阶段和空时协作阶段的接收信号进行联合最大似然译码，并将译码结果分为两组进行解调。本发明在相同频谱效率和发射功率的条件下，比正交空时分组码协作分集方法具有更高的空间分集增益。

Description

基于星座旋转准正交空时分组码的协作分集方法

技术领域

本发明属于无线数字通信技术领域，具体涉及一种采用星座旋转的准正交空时分组码QOSTBC的协作分集方法，用于多节点无线网络的协作通信。

背景技术

一、协作分集技术

无线信道具有的多径衰落特性是影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提高通信质量要解决的首要问题。而分集技术是抵抗多径衰落的有效方式，特别是空间分集用不同的天线发送信号，从而在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本，以有效地消除多径衰落的影响，而且不需要占用额外的时间和频带资源，因此得到了广泛的关注。尤其是多输入多输出MIMO技术在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线，能够将传统通信系统中存在的多径衰落变成对用户通信性能有利的因素，在抗多径衰落、提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势。但是应当指出，虽然发射分集技术可使系统性能得到有效提升，但在实际的蜂窝通信系统中只能应用于基站提高下行链路的通信质量；而对于上行链路，移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，使在移动终端上安装多个天线有很大的困难，极大地限制了MIMO技术的应用。为了解决这个问题，一种全新的空域分集技术——协作分集应运而生，它使得终端按照一定的方式共享彼此的天线，产生一个虚拟的MIMO系统以获得发射分集增益，为多天线技术走向实用化提供了一条新的途径。协作分集技术具有非常广阔的应用前景，在蜂窝移动通信、无线Ad hoc网络、无线传感器网络等领域可发挥重要的作用，它在低成本条件下是一种高效的无线资源分配解决方案，有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

二、协作协议

在协作分集系统中，源节点和中继节点进行协作传输的协议有三种，这三种协作协议具有不同的广播自由度和接收自由度。广播自由度定义为能同时接收源节点发送信号的节点数；而接收自由度定义为向目的节点同时发送信号的节点数。表1给出了这三种协作协议的传输格式，其中S代表源节点，R代表中继节点，D代表目的节点。下面对这三种协作协议进行详细描述。

协议1：在广播阶段源节点向中继节点和目的阶段发送广播信号，在协作阶段源节点和中继节点一同向目的节点发送信号。协议1可以获得最大的发送自由度和接收自由度。

协议2：在广播阶段源节点向中继节点和目的节点发送广播信号，在协作阶段只有中继节点向目的节点发送信号。协议2虽然实现了最大的发送自由度，但未实现最大的接收自由度。

协议3：在广播阶段只有中继节点接收源节点发送的广播信号，但目的节点不接收。在协作阶段源节点和中继节点一同向目的节点发送信号。协议3虽然实现了最大的接收自由度，但未获得最大的发送自由度。

表1三种协作协议的传输格式

 

传输阶段/方案	协议I	协议II	协议III
				广播阶段	S->R，D	S->R，D	S->R
空时协作阶段	S->D，R->D	R->D	S->D，R->D

三、中继模式

在协作分集系统中比较常见的中继传输模式有固定中继FR模式，选择中继SR模式和增量中继IF模式，固定中继模式又包括放大转发AF模式和译码转发DF模式。其中：

AF模式的中继节点不用译码，只需对接收信号进行放大即可。对于这种传输模式，中继节点在放大有用信号的同时也将噪声放大了。而且目的节点在译码时不仅需要知道源节点和中继节点之间的信道状况，而且要知道源节点和中继节点之间的信道状况。

DF模式的中继节点需要对接收信号进行译码和重新编码，从而避免了放大接收信号中的噪声。对于DF模式，目的端在译码时不再需要知道源节点和中继节点之间的信道状况，而且当源节点和中继节点之间信道状况较好时可以获得比较好的性能，但当信道状况变差时会出现错误传播。

为了避免DF模式的错误传播现象，SR模式中引入了循环冗余校验CRC。每个中继节点译码后通过CRC校验来决定是否参与空时协作阶段的协作传输。如译码正确，则参加协作传输，否则不参加。采用这种传输模式的协作系统要求目的节点在译码时知道具体那个中继节点参加了协作传输。

IF模式的目的节点对广播阶段的接收信号进行译码，并通过反馈信息来通知源节点和中继节点自己是否正确译码。如果目的节点能正确译码，就不需要中继节点的协作传输，否则中继节点再参加协作传输。这种动态的传输模式，实现了发送效率和准确率的动态平衡。

四、空时分组码STBC

在移动通信系统中，空时编码技术是抵抗信道衰落和提高系统容量的一种新的编码方法。MIMO系统和空时编码的结合是空间资源利用技术的发展方向，可以认为是一种高级的分集技术。对于具有M个发送天线N个接收天线的MIMO系统来说，正交空时分组码OSTBC可以获得全空间分集增益，即MN阶空间分集增益，而且编译码复杂度很低。但天线数大于2的OSTBC，虽然可以获得全空间分集增益，但码率无法保证是1。目前所能设计出的3天线和4天线的OSTBC的最大码率也只有3/4，而且当发送天线数目大于4时，很难设计出码率大于1/2的OSTBC，如果将其应用到多中继的协作系统中会造成系统传输速率低的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服多中继空时协作系统采用正交空时分组码OSTBC的码率较低的不足，提出了一种基于星座旋转准正交空时分组码QOSTBC的协作分集方法，以保证协作系统在获得全分集增益的同时达到更高的符号传输速率，提高了通信系统的性能。

为实现上述目的，本发明的协作分集方法包括如下步骤：

1)在广播阶段，源节点s首先通过CRC编码为信源信息添加CRC校验信息，然后再对发送信息进行调制，最后将生成的广播信号发送给中继节点r_i和目的节点d；

2)中继节点r_i对接收到的广播信号进行解调和CRC校验，并将校验结果发送给目的节点d，每个中继节点根据CRC校验的结果确定自身是否参与空时协作阶段的协作传输，即如果中继节点r_i校验正确，则参与空时协作阶段的协作传输，否则不参与；

3)在空时协作阶段，源节点s和校验正确的中继节点r_i首先将发送信息分为两组进行星座映射，其次根据准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵对发送符号进行空时编码从而产生各自的发送信号，并同时向目的节点d发送；

4)目的节点d对广播阶段和空时协作阶段的接收信号进行联合的最大似然译码，并将译码结果分为两组进行解调从而得到接收信息。

本发明具有如下优点：

A由于在空时协作阶段对发送信息采用了分组星座映射的方法，所以协作系统可以获得全分集增益；

B由于在空时协作阶段采用了准正交空时分组码QOSTBC对发送信号进行编码，所以协作系统可以获得更高的传输速率；

C由于目的节点在译码时将广播阶段和空时协作阶段的接收信号进行联合的最大似然译码，所以协作系统可以进一步获得更高的编码增益；

附图说明

图1是本发明的协作分集系统的模型图；

图2是本发明的协作分集系统的流程框图；

图3是本发明的广播阶段源节点的发送流程图；

图4是本发明的广播阶段中继节点的接收流程图；

图5是本发明的空时协作阶段源节点和中继节点的发送流程图；

图6是本发明的空时协作阶段目的节点的接收流程图；

图7是16比特循环冗余校验CRC的编码器/校验器的原理框图；

图8是本发明的协作分集系统采用BPSK调制时的星座映射集合图；

图9是本发明的协作分集系统采用QPSK调制时的星座映射集合图；

图10是本发明的协作分集系统采用8PSK调制时的星座映射集合图；

图11是本发明的协作分集系统采用16QAM调制时的星座映射集合图；

图12是本发明的协作分集系统和正交空时分组码协作分集系统的比较图。

具体实施方式

一.系统模型

图1给出了一个多中继的协作系统的模型，它包含一个源节点s，R个中继节点r_i(i＝1，…，R)以及一个目的节点d。源节点和中继节点的发送功率分别为P_s和P_r。假设s→r_i，s→d，r_i→d的信道都是平坦的瑞利衰落信道，并且信道衰落系数h_sri，h_sd，h_rid分别服从均值为0，方差为

和

的复高斯分布。

二.实现步骤

参照图2，本发明利用图1多中继空时协作系统进行协作分集传输的具体步骤如下：

步骤1，源节点s生成广播信号并向中继节点r_i和目的节点发送d，具体过程如图3所示。

首先，由源节点s将信源信息送入CRC编码器产生16比特的CRC校验信息，该16比特CRC编码器的原理框图如图7所示，它的生成多项式为x¹⁶+x¹²+x⁵+1，编码时信源信息随着时钟移入，当信源信息全部输入后，从寄存器组输出的结果为CRC的校验信息；

然后，由源节点s将校验信息添加到信源信息的末尾，随后将进行调制生成广播信号；

最后，源节点s将广播信号发送给中继节点r_i和目的节点d。

步骤2，中继节点r_i对接收的广播信号进行解调和CRC校验，具体过程如图4所示。

首先，中继节点r_i对接收信号进行解调；

然后，中继节点r_i将解调的输出接收信息输入16比特的CRC校验器，该16比特的CRC校验器和编码器的原理框图相同如图7所示，当接收信息随着时钟全部输入后，如果寄存器输出的结果为全零，就说明CRC校验正确，否则错误；

最后，中继节点r_i将CRC校验的结果发送给目的节点d，每个中继节点根据CRC校验的结果确定自身是否参与空时协作阶段的协作传输，对校验正确的将转入步骤3。

步骤3，源节点s和校验正确的中继节点r_i联合进行星座旋转的准正交空时分组码编码，具体过程如图5所示。

首先，源节点s和中继节点r_i将发送信息分成两组，对于中继节点个数R＝1～3的协作分集系统，发送信息分成(s₁，s₂)和(s₃，s₄)，对于中继节点个数R＝4～7的协作分集系统，发送信息分成(s₁，…，s₃)和(s₄，…，s₆)；

然后，源节点s和中继节点r_i将第一组的发送信息映射到星座集合A，将第二组的发送信息映射到星座集合e^jθA，其中A表示调制方式对应星座集合，e^jθA表示将A旋转了θ角后得到的星座集合。不同的调制方式具有不同的最佳旋转角度，例如调制方式为BPSK、QPSK、8PSK和QAM时，其最佳星座旋转角度分别为π/2，π/4，π/8，π/4。图8～图12分别给出了这几种调制方式的原星座映射集合和旋转后的星座集合，即图中黑点表示原星座映射集合，空点表示旋转后的星座集合；

最后，源节点s和中继节点r_i将调制后的信号送入旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码器进行编码产生各自的发送信号，对于中继节点个数R＝1～3的协作分集系统，准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵表示为公式(1)，对于中继节点个数R＝4～7的协作分集系统，准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵表示为公式(2)，即

$G_1=\left[\begin{array}{cccc}\sqrt{P_s}{s}_1& \sqrt{P_s}{s}_2& \sqrt{P_s}{s}_3& \sqrt{P_s}{s}_4\\ -\sqrt{P_1}{s}_2^{*}& \sqrt{P_1}{s}_1^{*}& -\sqrt{P_1}{s}_4^{*}& \sqrt{P_1}{s}_3^{*}\\ -\sqrt{P_2}{s}_3^{*}& -\sqrt{P_2}{s}_4^{*}& \sqrt{P_2}{s}_1^{*}& \sqrt{P_2}{s}_2^{*}\\ \sqrt{P_3}{s}_4& -\sqrt{P_3}{s}_3& -\sqrt{P_3}{s}_2& \sqrt{P_3}{s}_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$G_2=\left[\begin{array}{cccccccc}\sqrt{P_s}{s}_1& \sqrt{P_s}{s}_2& \sqrt{P_s}{s}_3& 0& \sqrt{P_s}{s}_4& \sqrt{P_s}{s}_6& \sqrt{P_s}{s}_6& 0\\ -\sqrt{P_1}{s}_2^{*}& \sqrt{P_1}{s}_1^{*}& 0& -\sqrt{P_1}{s}_3& \sqrt{P_1}{s}_5^{*}& -\sqrt{P_1}{s}_4^{*}& 0& \sqrt{P_1}{s}_6\\ \sqrt{P_2}{s}_3^{*}& \sqrt{P_2}0& -\sqrt{P_2}{s}_1^{*}& -\sqrt{P_2}{s}_2& -\sqrt{P_2}{s}_6^{*}& 0& \sqrt{P_2}{s}_4^{*}& \sqrt{P_2}{s}_5\\ 0& -\sqrt{P_3}{s}_3^{*}& \sqrt{P_3}{s}_2^{*}& -\sqrt{P_3}{s}_1& 0& \sqrt{P_3}{s}_6^{*}& -\sqrt{P_3}{s}_5^{*}& \sqrt{P_3}{s}_4\\ -\sqrt{P_4}{s}_4& -\sqrt{P_4}{s}_5& -\sqrt{P_4}{s}_6& 0& \sqrt{P_4}{s}_1& \sqrt{P_4}{s}_2& \sqrt{P_4}{s}_3& 0\\ -\sqrt{P_5}{s}_5^{*}& \sqrt{P_5}{s}_4^{*}& 0& \sqrt{P_5}{s}_6& -\sqrt{P_5}{s}_2^{*}& \sqrt{P_5}{s}_1^{*}& 0& \sqrt{P_5}{s}_3\\ \sqrt{P_6}{s}_6^{*}& 0& -\sqrt{P_6}{s}_4^{*}& \sqrt{P_6}{s}_5& \sqrt{P_6}{s}_3^{*}& 0& -\sqrt{P_6}{s}_1^{*}& \sqrt{P_6}{s}_2\\ 0& \sqrt{P_7}{s}_6^{*}& -\sqrt{P_7}{s}_5^{*}& -\sqrt{P_7}{s}_4& 0& \sqrt{P_7}{s}_3^{*}& -\sqrt{P_7}{s}_2^{*}& -\sqrt{P_7}{s}_1\end{array}\right]---\left(2\right)$

对于中继节点个数R＝1～3的协作分集系统，源节点s取旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵G₁的第一列作为它的发送符号，中继节点r_i取G₁中除第一列以外任意的R列作为它的发送信号；对于中继节点个数为R＝4～7的协作系统，源节点s取取旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵G₂的第一列作为它的发送符号，中继节点r_i取G₂中除第一列以外任意的R列作为它的发送信号。另外假设P_i为中继r_i的发送功率，如果r_i通过了CRC校验，则P_i＝P_r；否则P_i＝0。假设源节点和中继节点的平均发送功率为P，且令P_s＝αP，其中α为功率分配因子，则中继节点的发送功率P_r需要满足

$P_r=\frac{2}{3}(1-\mathrm{\α})P---\left(3\right)$

步骤4，目的节点d对接收信号进行联合的最大似然译码，具体过程如图6所示。

首先，目的节点d将广播阶段和空时协作阶段的接收信号一同进行空时译码，以3个中继节点的协作分集系统为例，假设目的节点在广播阶段和空时协作阶段的接收信号分别可以为y₁＝[y_1，1，…，y_1，1]，y₂＝[y_2，1，…，y_2，1]，则发送符号的最大似然译码可以化简为

$\underset{{\tilde{s}}_1,\·\·\·,{\tilde{s}}_4}{\min }\{f_{14}({\tilde{s}}_1,{\tilde{s}}_4)+f_{23}({\tilde{s}}_2,{\tilde{s}}_3)\}---\left(4\right)$

其中

其中{}表示取实部，i＝1，2，3表示译码时目的节点d使用的信道衰落系数。目的节点d根据中继节点r_i的CRC校验结果来确定

的值，当中继节点r_i的CRC校验正确时， ${\tilde{h}}_{\mathrm{rid}}={\hat{h}}_{\mathrm{rid}},$ 其中表示目的节点d对信道衰落h_rid的估计；当中继节点r_i的CRC校验错误时，

要取零，即

其次，目的节点d将联合最大似然译码的输出结果分成

和

两组，分别进行解调，即根据星座集合A对

进行星座逆映射，根据星座集合e^jθA对

进行星座逆映射；

最后，目的节点d将解调结果合并成接收信息。

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

将基于准正交空时分组码QOSTBC的协作分集方法与基于正交空时分组码OSTBC的协作分集方法进行比较。为了表述方便将这两个方法分别命名为D-QOSTBC和D-OSTBC。为了在相同的信道利用率下比较这两个方法，源节点s和中继节点r_i按照表2所示的帧格式来发送数据。假设每帧数据包含6个时隙，每个时隙传输N个符号，这里N取100。D-OSTBC采用的是4个发送天线，码率为1/2的正交空时分组码OSTBC，它在广播阶段占用2个时隙，空时协作阶段占用4个时隙，调制方式采用8PSK；而D-QOSTBC采用码率为1的准正交空时分组码QOSTBC，如公式(1)所示，它在广播阶段和空时协作阶段各占用3个时隙，调制方式采用QPSK。这两个方法的平均信道利用率都为1bit/s/Hz。

表2空时协作方案的帧格式

由于这两种方法传输的数据帧格式不同，所以D-OSTBC需要满足的功率条件为P_s+2P_r＝P，而D-QOSTBC需要满足的功率条件为2P_s+3P_r＝2P。为了在相同的平均发送功率下进行比较，假设在上述两种方法中源节点和中继节点的平均发送功率都为P，且源节点s的发送功率都为P/2，即功率分配因子α＝0.5，则D-OSTBC的中继节点的发送功率可以表示成

$P_r=\frac{1}{2}(1-\mathrm{\α})P---\left(8\right)$

而D-QOSTBC的中继节点的发送功率如公式(3)所示。

2.仿真结果

仿真结果如图12所示，图中在BER＝10^-3处，D-QOSTBC要比D-OSTBC的信噪比性能提高了3.9dB，也就是说在相同的信道利用率和平均发送功率条件下，基于星座旋转准正交空时分组码的协作分集方法可以获得比基于正交空时分组码的协作分集方法更高的空间分集增益。

Claims (4)

1.一种基于星座旋转准正交空时分组码QOSTBC的协作分集方法，包括如下步骤：

1)在广播阶段，由源节点s向中继节点r_i和目的节点d发送广播信号，中继节点r_i对接收到的信号进行译码和循环冗余校验CRC，如果校验正确，则参与空时协作阶段的协作传输，否则不参与协作传输；

2)在空时协作阶段，由源节点s和校验正确的中继节点r_i将发送信息分为两组进行星座映射，根据准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵生成各自的发送信号，并同时向目的节点d发送；

3)目的节点d对广播阶段和空时协作阶段的接收信号进行联合的最大似然译码，并将译码结果分为两组进行解调。

2.如权利1要求所述的协作分集方法，其中步骤2)所述的由源节点s和校验正确的中继节点r_i将发送信息分为两组进行星座映射，按如下步骤进行：

2a)源节点s和中继节点r_i将发送信息分成两组，对于中继节点个数R＝1～3的协作分集系统，发送信息分成(s₁，s₂)和(s₃，s₄)，对于中继节点个数R＝4～7的协作分集系统，发送信息分成(s₁，…，s₃)和(s₄，…，s₆)，其中s_i表示发送信息；

2b)源节点s和中继节点r_i将第一组的信息映射到星座集合A，将第二组的信息映射到星座集合e^jθA，其中A表示调制方式对应星座集合，e^jθA表示将A旋转了θ角后得到的星座集合，对于不同的调制方式，θ角具有不同的最佳值。

3.如权利1要求所述的协作分集方法，其中步骤2)所述根据准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵生成各自的发送信号，是根据中继节点的个数R从旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵中选择相应的列作为发送信号，即

对于中继节点个数R＝1～3的协作分集系统，源节点s取旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵G₁的第一列作为它的发送符号，中继节点r_i取G₁中除第一列以外任意的R列作为它的发送信号；

对于中继节点个数为R＝4～7的协作系统，源节点s取取旋转准正交空时分组码QOSTBC的编码矩阵G₂的第一列作为它的发送符号，中继节点r_i取G₂中除第一列以外任意的R列作为它的发送信号。

4.如权利1要求所述的协作分集方法，其中步骤(3)所述目的节点d对广播阶段和空时协作阶段的接收信号进行联合的最大似然译码，按如下步骤进行：

3a)目的节点d将广播阶段和空时协作阶段的接收信号一同进行空时译码，

3b)目的节点d将译码的输出结果

分成和

两组，分别送入解调器中进行解调，即根据星座集合A对

进行星座逆映射，根据星座集合e^jθA对

进行星座逆映射；

3c)目的节点d将解调结果合并成接收信息。

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