CN101394259B - Ofdma系统中的空时协作分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDMA系统中的空时协作分集方法，主要解决系统性能不高的问题。其步骤为：1.确定参加协作的终端数并指定协作时使用的线性分散码；2.为每个终端分配第一阶段和第二阶段的子载波；3.协作第一阶段，由终端n在分配的子载波上发送LDC码子到其它终端和接收端；4.终端m接收终端n发送的LDC码字信息并检查是否正确，如果终端m正确接收到终端n的信息，则上报系统请求参加协作，否则终端m不参加协作；5.确定参加协作的终端和每个终端发送的LDC码字行分量；6.协作第二阶段，由参加协作的终端发送各自的协作信息到接收端；7.接收端将接收到的第一阶段信息和第二阶段信息合并后译码。本发明具有误码率低的优点，用于无线网络中的协作通信。

Description

OFDMA系统中的空时协作分集方法

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OFDMA系统下的协作分集方法，用于无线网络中的协作通信。

背景技术

在无线通信中，空时编码技术综合空间分集和时间分集的优点是从多个天线发送信号可以同时获得分集增益和编码增益，大大提高了系统的频带利用率。然而，在某些情况下，并不适宜配备多天线，例如无线通信中的上行链路由于移动端受到体积、功耗和工艺等多方面的限制，使在其上安装多个天线很难实现，这样就极大的限制了空时编码技术的应用。为了解决此问题，一种虚拟的MIMO技术——协作分集技术得到了很大的发展。协作分集技术可以使终端按照一定的规则共享彼此的天线进行信息传输，为空时编码技术在无线通信中的实现提供了一条崭新的途径。

协作分集系统一般分为两个阶段。第一阶段每个终端传输自己的信息，其它终端和接收端接收信息。第二阶段，终端之间相互协作传输信息到接收端。如果接收端可以在两个阶段都接收到信息，那么将两个阶段接收到信息进行联合译码，可以有效的降低系统误码率。

图1显示了一种协作分集系统的常用模型，该模型以6个终端和1个接收端为例。在协作的第一阶段，由终端1发送信息到其它终端和接收端，在协作的第二阶段，由终端2、5和6进行空时协作将信息发送到接收端。

已有的各种空时码的设计大多针对平坦衰落信道，而实际中的无线信道大都为频率选择性衰落信道，此时空时码的设计变得比较复杂。而利用正交频分复用OFDM技术可以把频率选择性衰落信道变为多个并行平坦衰落信道。因而，在频率选择性衰落信道下，常常把空时编码技术和OFDM技术结合起来使用。例如使用OFDM-TDMA方法进行协作时，每个用户在协作的各个阶段用自己所分配的子载波发送自己或者协作伙伴的信息。

由于协作分集系统有两个协作阶段，因此OFDMA系统中的协作分集系统需要对两个阶段分配子载波。目前子载波的分配方法可以采取预先分配或者动态分配的方法。预先分配的子载波方法给每个终端划分连续的子载波或者有固定间隔的一系列子载波。动态分配的子载波方法可以根据各个终端的信道状况等动态地进行子载波分配。由于在协作的第一阶段，每个终端发送的信息是发送给所有其它终端和接收端的，因而使用动态分配的方法代价很高，也很难达到动态分配的最佳效果。为此第一阶段分配子载波时常采用固定分配子载波的方法。

图2和图3显示了OFDMA空时协作时的一般子载波分配方案。图2中，在协作的第一阶段，终端1、2...n在各自所分配的子载波集k1、k2...kn上发送各自的信息。当终端n发送信号时，其它终端接收终端n的信号。在协作的第二阶段，其它终端在终端n的子载波发送各自中继的空时码字分量，即进行空时协作将信息发往目的端。图3以3个终端为例，给出了上述空时协作的示意图。在图3中，第一阶段的Sn表示终端n的信息，第二阶段Snm代表终端m所转发的终端n的空时码子分量。

在协作的第一阶段，现有的子载波分配方法通常是给每个终端分配一部分连续的子载波，因此使得第一阶段发送的每个线性分散码的码子分量均经历了同样的衰落，这样当协作的第二阶段采用线性分散码进行空时协作时，接收端就不能有效利用第一阶段信息和第二阶段信息进行联合译码，使得系统的性能提升受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有子载波分配方法的不足，提供了一种OFDMA系统中的空时协作分集方法，使接收端能够有效的将第二阶段接收到的空时协作信息与第一阶段接收到的直传信息合并后译码，降低系统的误码率。

实现本发明目的技术方案是：在协作的第一阶段，根据OFDM子载波的相关性对每个终端分配子载波，在协作的第二阶段，由接收端联合两个阶段接收到的信息进行译码。其步骤如下：

1)确定参加协作的终端数，并指定协作时使用的线性分散码；

2)根据OFDM的子载波的相关性为每个参加协作的终端分配协作第一阶段的子载波，采用现有的动态或静态载波分配方法为协作第二阶段分配子载波；

3)在协作的第一阶段，由OFDMA系统中的任意一个终端n，在分配的子载波上向其它终端和接收端发送线性分散码LDC；

4)OFDMA系统中的任意一个终端m，接收到终端n发送的LDC码字信息后通过CRC校验进行正确性检验，如果终端m正确接收到终端n的信息，则上报系统请求参加协作，否则终端m不参加协作；

5)确定参加协作的终端和每个终端发送的LDC码字行分量；

6)在协作的第二阶段，由参加协作的终端向接收端发送各自的协作信息；

7)接收端将接收到的第一阶段信息重构成空时码的接收格式后，与第二阶段信息进行合并和译码。

所述的OFDMA系统根据OFDM的子载波的相关性为每个参加协作的终端分配协作第一阶段的子载波，按如下过程进行：

(a)通过子载波的相关性公式计算出相距为τ的子载波的相关性，找出相关性最小的子载波间隔τ₀：

(b)将线性分散码码字中每一行的码字分量所在的子载波的间隔依次设定为τ₀。

所述的合并和译码，首先，将第一阶段收到的LDC码字分量的每一行的信息重新组合成多天线时接收信号的形式，即对接收到的原LDC码子矩阵中的每一列LDC码子分量进行相加；其次，将重新组合的第一阶段的LDC空时码信息格式与第二阶段接收到的空时协作信息合并；然后，对合并后的信息进行最大似然译码，得到终端n发送的信息。

本发明由于采用在于在协作的第一阶段根据线性分散码的结构和OFDM子载波之间的非相关性对终端分配子载波，能够实现线性分散码的码字行分量经历不同的衰落，使接收端将收到的信息重构成虚拟空时码；同时由于本发明采用在接收端译码时将虚拟空时码信息和第二阶段接收到的空时协作信息合并联合译码，降低了系统的误码率。仿真结果表明本发明的误码率比传统方法的误码率低1-2dB。

附图说明

图1是传统的协作分集模型图；

图2是传统OFDMA空时协作的子载波分配方式示意图；

图3是传统三个终端时OFDMA协作工作示意图；

图4是本发明线性分散码空时协作分集流程图；

图5是本发明第一阶段子载波分配示意图；

图6本发明与传统方法的误码率性能比较图。

具体实施方式

参照图4，本发明利用图1所示的协作分集模型进行空时协作分集的具体步骤如下：

步骤1：确定参加协作的终端数并指定协作时使用的线性分散码。

此项操作由OFDMA系统进行。由于对于不同的发送端天线数目甚至相同发送端天线数目，存在不同的线性分散码，因此OFDMA系统在确定为某个终端参加协作的终端数目后选定所要使用的线性分散码。此外为了保证第二阶段协作的正常进行，OFDMA系统所选定的参加协作的终端数目应该小于潜在的可以参加协作的终端数目。

步骤2：每个终端分配第一阶段和第二阶段的子载波。

OFDMA系统为子载波的分配方法可以是固定的也可以是动态的。在本实施例中，第一阶段使用固定的子载波分配方法，第二阶段使用固定分配方式或者动态分配方式。

以下具体叙述本发明第一阶段所采用的子载波分配方法：

根据OFDM的各个子载波间具有不同的相关性，得到对于具有L个抽头、相距为τ的两个子载波的相关性公式为：

$R_H\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left(H\left(k\right)H^{*}(k-\mathrm{\τ})\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_l^2{e}^{-j2\mathrm{\π\τl}/K}---\left(1\right)$

式(1)中*表示共轭转置，E代表数学期望，H(k)是第k个子载波上的信道复频率响应，

表示第l条多径信道的方差，K表示总的子载波数；

由式(1)计算出相距为τ的子载波的相关性，然后找出相关性最小的子载波间隔τ₀，一般当R_H(τ)<0.4时就能够认为两个信道不相关；

设第二阶段所使用的空时码的结构为p行q列(即每个空时码的码子需要p个中继分q次发完)，则子载波的分配应尽可能的使空时码中p行中每行的码子分量所在的子载波的间隔依次为τ₀，即将线性分散码码字中每一行的码字分量所在的子载波的间隔依次设定为τ₀。

图5给出了4个终端下在系统第二阶段使用(3，1，3，2)线性分散码进行空时协作时系统第一阶段的子载波分配方式，按照此方式分配剩余的子载波可保留处理。在图5中，先在终端1的第一部分OFDM子载波上发送(3，1，3，2)LDC的第一行码子分量；再由间隔τ₀后的第二部分子载波发送第二行码子分量；然后由间隔τ₀后的第三部分子载波发送第三行的码子分量，其它终端按照类似的方法发送(3，1，3，2)LDC码字。

步骤3：协作第一阶段，终端n向其它终端和接收端发送LDC码子。

在协作第一阶段，OFDMA系统中的任意一个终端n在获取了分配的子载波后，在其分配的子载波上发送线性分散码字到其它终端和接收端。

步骤4：终端m接收并检查终端n发送的信息。

在协作第一阶段，OFDMA系统中的任意一个终端m接收终端n发送的LDC码字信息，并且通过CRC校验检查所收到的信息是否正确，如果检查结果正确，则上报系统请求参加协作，否则终端m不参加协作。

步骤5：确定参加协作的终端和每个终端发送的LDC码字行分量。

OFDMA系统先根据上报终端的个数确定参加协作的终端，确定参加协作的终端后，再为参加协作的终端分配各自发送的LDC码字行分量。如果有多于已经确定的协作终端数目的终端上报请求参加协作，OFDMA系统则根据终端到接收端的信道状况最终确定参加协作的终端。

步骤6：协作第二阶段，参加协作的终端向接收端发送各自的协作信息。

在协作第二阶段，参加协作的终端得到所需要发送的LDC码字行分量后，在其分配的子载波上向接收端发送该LDC码字行分量。

步骤7：接收端将接收到的第一阶段直传信息和第二阶段协作信息进行合并后译码，得出所要接收的信息。具体过程如下：

首先，将第一阶段收到的LDC码字分量的每一行的信息重新组合成多天线时接收信号的形式，即对接收到的原LDC码子矩阵中的每一列LDC码子分量进行相加；

其次，将重新组合的第一阶段的LDC空时码信息格式与第二阶段接收到的空时协作信息合并；

然后，对合并后的信息进行最大似然译码，得到终端n发送的信息。

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

假设OFDM系统工作在同步状态下，有3个终端和1个接收端。每个终端的发射功率均为1，信道为3条具有均匀分布的功率时延普的多径信道，且各个径直接相互独立共同服从均值为0方差为1/3的复高斯分布，采用4PSK调制方式，第二阶段使用(3，1，3，2)LDC码进行空时协作。每个OFDM的符号长度为128，循环前缀的长度为32，协作第二阶段采用固定子载波分配方式。

2.仿真结果

图6给出了本发明与传统方法的误码率性能比较，其中“非相关方法”代表本发明的方法，“相关方法”代表传统的第一阶段连续分配子载波的方法，“非合并方法”代表传统的判决时没有联合第一阶段信息进行译码方法。从图6可以看出，“相关方法”的误码率曲线低于“非合并方法”，而“非相关方法”的误码率要低于“相关方法”。图6表明本发明的方法明显优于传统的“非合并方法”和“相关方法”。使用本发明的方法，能够使OFDMA空时协作系统的误码率性能得到进一步提升。

Claims (2)

1.一种OFDMA系统中的空时协作分集方法，包括以下步骤：

1)确定参加协作的终端数，并指定协作时使用的线性分散码LDC；

2)根据OFDM的子载波的相关性为每个参加协作的终端分配协作第一阶段的子载波，采用现有的动态或静态载波分配方法为协作第二阶段分配子载波，

所述的根据OFDM的子载波的相关性为每个参加协作的终端分配协作第一阶段的子载波，是根据OFDM的各个子载波间具有不同的相关性，得到对于具有L个抽头、相距为τ的两个子载波的相关性公式为：

式中*表示共轭转置，E代表数学期望，H(k)是第k个子载波上的信道复频率响应， 表示第l条多径信道的方差，K表示总的子载波数；

由该式计算出相距为τ的子载波的相关性，然后找出相关性最小的子载波间隔τ₀，将线性分散码码字中每一行的码字分量所在的子载波的间隔依次设定为τ₀；

3)在协作的第一阶段，由OFDMA系统中的任意一个终端n，在分配的子载波上向其它终端和接收端发送线性分散码LDC；

4)OFDMA系统中的任意一个终端m，接收到终端n发送的线性分散码LDC码字信息后通过CRC校验进行正确性检验，如果终端m正确接收到终端n的信息，则上报系统请求参加协作，否则终端m不参加协作；

5)OFDMA系统先根据上报终端的个数确定参加协作的终端，再为参加协作的终端分配各自发送的线性分散码LDC码字行分量；

6)在协作的第二阶段，参加协作的终端得到所需要发送的线性分散码LDC码字行分量后，在其分配的子载波上向接收端发送该线性分散码LDC码字行分量；

7)接收端将接收到的第一阶段信息重构成空时码的接收格式后，与第二阶段的信息进行合并和译码。

2.如权利要求1所述的空时协作分集方法，其中步骤7)按如下过程进行：

首先，将第一阶段收到的线性分散码LDC码字分量的每一行的信息重新组合成多天线时接收信号的形式，即对接收到的原线性分散码LDC码子矩阵中的每一列线性 分散码LDC码子分量进行相加；

其次，将重新组合的第一阶段的线性分散码LDC空时码信息格式与第二阶段接收到的空时协作信息合并；

然后，对合并后的信息进行最大似然译码，得到终端n发送的信息。 

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