CN101414860B - 一种利用协作分集增强WiMAX上行性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种利用协作分集增强WiMAX上行性能的方法，涉及无线通信系统。利用协作分集技术，WiMAX系统中的用户共享彼此的资源，形成一个虚拟的MIMO系统，互为协作的用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作用户发送的信号，用户在收到协作用户的信号后，通过天线用不同的子载波将自己的信号和接收到的协作用户的信号发射出去。节约了系统的成本和功耗，通过协作分集的应用，WiMAX系统获得了明显的分集增益，系统性能得到了提升。另外将协作分集技术结合WiMAX物理层关键技术OFDM，形成频率选择性衰落信道下的协作分集机制，解决了频率选择性衰落信道下的协作分集问题。

Description

一种利用协作分集增强WiMAX上行性能的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及WiMAX系统。

背景技术

在无线通信中，用多发送和多接收天线技术实现空间分集的MIMO系统，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，能几倍甚至几十倍地提高系统容量，对系统性能的改善十分显著。但是在诸如蜂窝移动通信这样的系统中，终端设备(如手机)由于受到体积、重量、功耗及成本等因素的限制，实现多天线技术较为困难。为了能在终端上也能实现多天线，协作分集的思想应运而生，其核心思想是通过在只有单天线的终端用户间进行协作，以某种方式共享他们的发送天线，实现虚拟的多发送天线，获得分集增益，改善系统性能。目前有关协作分集方面的研究主要侧重理论探讨而实用化研究不足。在[Jerry C.H.Lin and Andrej Stefanov.Cooperative Coding for OFDMSystems.Proceedings of 9th Canadian Workshop on Information Theory.Montreal，Canada.June 2005.P.62-65.]中，初步探讨了将协作分集和OFDM结合的技术，但内容仍然是理论性研究，对于将协作分集技术应用到像WiMAX这样具体的无线系统，并未有文献涉及。

发明内容

为了解决频率选择性衰落信道下的协作分集问题，本发明将协作分集应用到WiMAX系统，将协作分集与WiMAX物理层关键技术OFDM结合，利用OFDM技术抗频率选择性衰落，同时WiMAX利用协作分集技术提升整个系统的性能。

实现本发明所采用的技术方案是，将检测—转发协作分集模式，应用到WiMAX系统发送端，具体在检测部分，数据经过RF上变频进入信道之前，在发送端WiMAX系统中的每个协作用户的发送过程分为两个阶段，第一阶段用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作用户发送的信号；第二阶段用户在收到协作用户的信号后，通过天线用不同的子载波将自己的信号和接收到的协作用户的信号发射出去。具体为，在协作解码符号周期，发送端互为协作的用户信号经过串并变换、傅立叶变换、并串转换后加上保护间隔，各自向基站和协作用户发送信号，同时接收协作用户发送的信号；收到协作用户的信号后，采用QPSK调制方式对发送信号进行调制，并采用最大似然检测方式对接收信号进行检测估计获得协作用户信号的估计值，在重新转发符号周期通过基站用不同的子载波将发送端用户经调制的发送信号和协作用户信号的估计值发射到接收端；接收端用户将收到的数据去掉保护间隔，经过串并变换和傅立叶变换后，得到第n个子载波上的2个连续符号周期内的信号y₁(n)和y₂(n)，采用最大比合并法则对各子载波上的信号y₁(n)和y₂(n)合并后，并对其进行进行最大似然译码，得到原始发送信号。发送端根据公式b_k∈1/sqrt(2){1+i，1-i，-1+i，-1-i}对第k个发送端用户的发送信号进行调制。协作用户间进行解码，在上述两个符号周期内，互为协作的用户信号满足如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(n\right)\\ y_2\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_1\left(n\right)& H_2\left(n\right)\\ H_2\left(n\right)& H_1\left(n\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\η}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

用户2接收到协作用户1的比特信号X₁后，对信号进行检测和判决得到信号X₂，所述最大比合并法则遵循公式：

${\hat{X}}_1=\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Y}_1+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{2d}}{Y}_2$

$=(\frac{{\left|h_{1d}\right|}^2{E}_0}{N_{1d}}{X}_1+\frac{{\left|h_{2d}\right|}^2{E}_1}{N_{2d}}{X}_2)+\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Z}_{1d}+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{2d}}{Z}_{2d}$ 在接收端对各子载波信号合并获得信号X₁的估计值，只需对

进行判决，接收端可以得到原始发送比特信号的估计值。

参与协作的两个用户到基站的上行信道是相互独立的，因而基站收到每个用户信号两个独立的副本，实现了发送分集。这样采用协作分集后，WiMAX系统就能获得分集增益，系统的误码性能相应得到提高。

采用本发明所提出的利用协作分集增强WiMAX上行性能的方法，能够使WiMAX系统中的单天线用户共享彼此的天线，形成一个虚拟的MIMO系统，这样就一方面节约了系统的成本和功耗，令WiMAX系统获得明显的分集增益；另一方面，协作分集和WiMAX的关键技术OFDM结合的机制，解决了频率选择性衰落信道下的协作分集问题。

附图说明

图1采用协作分集的WiMAX系统信道模型图(发送端)

图2采用协作分集的WiMAX系统信道模型图(接收端)

图3采用协作分集后的WiMAX系统性能(SUI3信道，用户到基站的信噪比相同)

图4采用协作分集后的WiMAX系统性能(SUI3信道，用户到基站的信噪比不同)

具体实施方式

以下针对附图和具体实施方式具体描述协作分集在WiMAX系统中增强WiMAX上行性能的方法。数据经过RF上变频进入信道之前，在发送端WiMAX系统中的每个协作用户的发送过程分为两个阶段，包括协作解码和重新转发两个符号周期。第一阶段协作解码符号周期，互为协作的用户信号经过串并变换、傅立叶变换、并串转换后加上保护间隔，通过发送端用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协作用户发送的信号；第二阶段用户在收到协作用户的信号后，对其进行检测估计，采用QPSK调制方式对发送信号进行调制，并采用最大似然检测方式对信号进行检测估计获得协作用户信号的估计值。在重新转发符号周期发送端用户经调制的发送信号和协作用户信号的估计值通过基站用不同的子载波发射到接收端。接收端用户将收到的数据去掉保护间隔，经过串并变换和傅立叶变换后，得到第n个子载波上的2个连续符号周期内的信号y₁(n)和y₂(n)，采用最大比合并法则对各子载波上的信号y₁(n)和y₂(n)合并后，对其进行最大似然译码，得到原始发送信号。

如果参与协作的两个用户相距足够远，则可以认为它们到基站的上行信道是相互独立的，因而基站收到每个用户信号两个独立的副本，实现发送分集。这样采用协作分集后，WiMAX系统就能获得分集增益，系统的误码性能相应得到提高。

以下以WiMAX系统中两个用户终端互为协作用户为例对本发明的实施进行具体描述，对于WiMAX系统中建立有多个协作用户建立协作用户群的情况采用相同的协作分集技术。整个协作分集过程分为协作解码和重新转发两个符号周期。如图1所示，为发送端系统信道模型图，根据检测转发协作模式，假如用户1和用户2互为协作用户，如某时刻两用户要发送的比特信号分别为b₁和b₂，采用QPSK调制方式对发送信号进行调制，并采用最大似然检测判决方式对信号进行判决，发送信号经QPSK调制为b_k∈1/sqrt(2){1+i，1-i，-1+i，-1-i}，k＝1，2。在第一个符号周期，用户1和2分别通过各自的天线，同时向对方和接收用户，d通过不同的子载波发送比特信号b₁和b₂，上述比特信号b₁和b₂分别经过串并变换、加上保护间隔、FFT变换，通过最大似然检测判决后用户1和2在一个符号周期内收到发送比特信号b₂和b₁的估计值

和。在第二个符号周期用户1和2分别通过基站向接收用户d发送数据比特

和

针对用户1和用户2，两个符号周期的发送符号矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{b}_1& b_2\\ {\hat{b}}_2& {\hat{b}}_1\end{array}\right]$

协作用户间进行检测估计，即 ${\hat{b}}_1=b_1,{\hat{b}}_2=b_2$ 则发送符号矩阵将变为：

$\left[\begin{array}{cc}{b}_1& b_2\\ b_2& b_1\end{array}\right]$

这样用户1在连续的两个符号周期，分别将两个连续的数据符号b₁和进行串并变换后，经过傅立叶变换器，并串转换后加上保护间隔通过天线发送出去，用户2过程类似，只是发送的两个连续数据符号为b₂和

这样基站收到每个用户信号两个独立的副本，如对于用户1是b₁和

，对于用户2是b₂和

这样就实现了发送分集。

如图2所示为接收端系统信道模型图，在接收端，将接收到的数据进行模数变换，去掉保护间隔，经过串并变换和FFT变换后，得到第n个载波上的2个连续符号周期内的信号y₁(n)和y₂(n)，假设两个连续符号周期内信道保持不变，则接收信号与发送端用户1、2在两个符号周期内发送信号满足如下关系：

y₁(n)＝H₁(n)b₁+H₂(n)b₂+η₁(n)

$y_2\left(n\right)=H_1\left(n\right){\hat{b}}_2+H_2\left(n\right){\hat{b}}_1+{\mathrm{\η}}_2\left(n\right)$

其中H(n)是第n个子载波上的传输函数，下标1、2分别指用户1、2，η₁(n)和η₂(n)是连续两个周期内第n个载波上的高斯噪声。协作用户间进行解码，即 ${\hat{b}}_1=b_1,{\hat{b}}_2=b_2,$ 则以上两式可写为

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(n\right)\\ y_2\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_1\left(n\right)& H_2\left(n\right)\\ H_2\left(n\right)& H_1\left(n\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\η}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

令 $A=\left[\begin{array}{cc}{H}_1\left(n\right)& H_2\left(n\right)\\ H_2\left(n\right)& H_1\left(n\right)\end{array}\right],$ 上式两边左乘A^H，得到 $\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(n\right)\′\\ y_2\left(n\right)\′\end{array}\right]={\left|A\right|}^2\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]+A^H\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\η}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

采用最大比合并准则对各载波合并，并分别对y₁(n)′和y₂(n)′进行最大似然判决和QPSK解调后，接收端可以得到原始发送比特数据b₁和b₂的估计值，至此完成协作解码过程。

以下对信号进行检测判决、最大比合并的过程进行具体描述。

用户2接收到用户1的比特信号X1后，对信号进行检测和判决得到信号X2，并将X2转发到基站。

经过DF系统之后，基站接收到用户1的信号以及用户2转发的的信号可用下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_1=\sqrt{E_0}{h}_{1d}{X}_1+Z_{1d}\\ Y_2=\sqrt{E_1}{h}_{2d}{X}_2+Z_{2d}\end{array}\right.$

其中X₂为用户2接收到的数据并经过解调后归一化等效基带复信号，为用户2发射符号信号能量。

为用户1发射信号符号能量，h₁₂，h_1d，h_2d分别表示用户1到用户2、用户1到基站、用户2到基站的信道衰落系数；Z₁₂，Z_1d，Z_2d分别表示用户1到用户2、用户1到基站、用户2到基站的噪声，它们统计独立服从均值为0，方差分别为N₁₂，N_1d和N_2d的高斯分布。

在接收端对基站接收信号Y1和Y2进行最大比合并，可以得到信号X1的估计值：

${\hat{X}}_1=\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Y}_1+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{2d}}{Y}_2$

$=(\frac{{\left|h_{1d}\right|}^2{E}_0}{N_{1d}}{X}_1+\frac{{\left|h_{2d}\right|}^2{E}_1}{N_{2d}}{X}_2)+\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Z}_{1d}+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{2d}}{Z}_{2d}$

若采用BPSK调制，只需对

进行判决，接收端可以得到原始发送比特信号b₁和b₂的估计值，至此完成协作解码过程。

从附图3和图4的仿真图可以看出，通过协作，用户的性能有明显的改善，当两个用户的信噪比不同时，信噪比好的用户能显著的帮助信噪比差的用户提高性能，同时除在对方上行信道信噪比比较差的情况下性能会有所损失外，自身也能通过协作受益，这使系统的整体性能得到了显著的改善。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可以轻易想到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种利用协作分集增强WiMAX上行性能的方法，其特征在于，在协作解码符号周期，互为协作的用户信号经过串并变换、傅立叶反变换、并串转换加上保护间隔后，通过发送端用户各自向基站及协作用户发送信号，同时接收协作用户发送的信号；收到协作用户的信号后，采用QPSK调制方式对发送信号进行调制，并采用最大似然检测方式对收到的信号进行检测估计获得协作用户信号的估计值，在重新转发符号周期，发送端用户将调制的发送信号和协作用户信号的估计值通过基站用不同的子载波发射到接收端；接收端用户将收到的上述信号去掉保护间隔，经过串并变换和傅立叶变换后，得到第n个子载波上的2个连续符号周期内的信号y₁(n)和y₂(n)，在上述两个符号周期内，互为协作的用户1和用户2信号满足如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\left(n\right)\\ y_2\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_1\left(n\right)& H_2\left(n\right)\\ H_2\left(n\right)& H_1\left(n\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\η}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$ ，

协作用户间进行解码，即构建矩阵 $A=\left[\begin{array}{cc}{H}_1\left(n\right)& H_2\left(n\right)\\ H_2\left(n\right)& H_1\left(n\right)\end{array}\right]$ ，上式两边左乘A^H，得到  $\left[\begin{array}{c}{y}_1{\left(n\right)}^{\′}\\ y_2{\left(n\right)}^{\′}\end{array}\right]={\left|A\right|}^2\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]+A^H\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\left(n\right)\\ {\mathrm{\η}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$ ，采用最大比合并法则对各子载波上的信号合并，分别对y₁(n)′和y₂(n)′进行最大似然译码和QPSK解调后，接收端得到发送比特数据b₁和b₂的估计值，其中，H(n)是第n个子载波上的传输函数，下标1、2分别指用户1、2，b₁和b₂为用户1和用户2发送的比特数据，η₁(n)和η₂(n)是连续两个周期内第n个载波上的高斯噪声。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发送端根据公式b_k∈1/sqrt(2){1+i,1-i,-1+i,-1-i}对第k个发送端用户的发送信号进行调制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大比合并法则具体为，用户2接收到协作用户1的比特信号X₁后，对信号进行检测和判决得到信号X₂，其中，X₂为用户2接收到的数据并经过解调后归一化等效基带复信号，所述最大比合并法则遵循公式：

$\begin{array}{c}{\hat{X}}_1=\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Y}_1+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{2d}}{Y}_2\\ =(\frac{{\left|h_{1d}\right|}^2{E}_0}{N_{1d}}{X}_1+\frac{{\left|h_{2d}\right|}^2{E}_1}{N_{2d}}{X}_2)+\frac{h_{1d}^{*}\sqrt{E_0}}{N_{1d}}{Z}_{1d}+\frac{h_{2d}^{*}\sqrt{E_1}}{N_{23}}{Z}_{2d}\end{array}$ ，只需对

进行判决，接收端就可得到原始发送比特信号的估计值，其中，

为信号X₁的估计值，

为用户2发射符号信号能量，为用户1发射符号信号能量，Y₁、Y₂为基站接收到用户1的信号以及用户2转发的信号，h₁₂,h_1d,h_2d分别表示用户1到用户2、用户1到基站、用户2到基站的信道衰落系数；Z₁₂,Z_1d,Z_2d分别表示用户1到用户2、用户1到基站、用户2到基站的噪声，它们统计独立服从均值为0，方差分别为N₁₂，N_1d和N_2d的高斯分布。

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