CN101656560A - 一种高效频谱利用率的协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在无线通信领域中提高频谱利用率的协作通信方法，主要解决传统的协作通信系统进行时隙分割造成频谱利用率下降的问题。其实现步骤为：节点A采用映射方案C₁和C₂分别调制自己的信息和上一时隙接收到的节点B的信息，将两路调制信号正交叠加在一起并广播出去；节点B分别采用映射方案C₃和C₄对本息信息和中继信息进行调制，然后广播叠加的调制符号；目的节点D联合解调接收到两路叠加符号，获得节点A的信息。节点D采用相同的协作通信方法，获得节点B的信息。本发明使得用户节点能同时发送本地信息和中继信息，提高了系统的频谱利用率，在不增加系统复杂度的前提下，进一步改善协作系统的误码性能，保证通信质量。

Description

一种高效频谱利用率的协作通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的协作通信方法，具体涉及一种高效频谱利用率的协作通信方法，用于协作通信系统。

背景技术

无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的需求不断提高，但无线通信中信号传输的多径衰落始终是困扰无线数据传输速率和服务质量提高的重要瓶颈，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。虽然多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术在抗多径衰落、提高通信链路的速率和质量方面有着明显的优势，但是由于移动终端和体积的限制，使在其上安装多个天线有很大的困难，这极大的限制了MIMO技术的发展。因此人们提出了协作分集技术，即在多用户环境下，每个单天线用户既能发送自己信息也能帮助伙伴中继信息，这样就形成了虚拟MIMO系统。由于协作分集技术能够提供空间分集有效对抗衰落、提升系统容量以及降低系统中断概率，提高系统服务质量，目前已成为蜂窝移动通信系统、Ad hoc网络、无线局域网和传感器网络的研究热点之一。然而，为了得到分集增益，传统的协作分集技术需要进行时隙分割，一半时隙用来传输自己的信息，一半时隙用来中继协作伙伴的信息，这样降低了数据传输速率。于是，Erik G.Larsson等人提出基于“叠加调制”的协作通信方法来提高系统的频谱利用率。

所谓基于“叠加调制”的协作通信方法，就是改变传统的协作通信系统时隙分割的方法，在同一时隙中既可以传送自己的信息又可以中继伙伴用户的信息。当一个用户充当另一个用户的中继的时候，通过功率分配的方式把自己要发送的信息叠加在需要自己中继的信息上，同时发送出去。这种协作通信方法，在不改变频谱利用率和系统复杂度的情况下，能够提升系统的误码性能。但是，Erik的基于“叠加调制”的协作通信方法在本地信号中叠加了一个可以看作噪声的中继信号，在中继信号中也叠加了一个本地信号的噪声，系统的性能并没有达到最优化。这个问题使得我们得到一种新的高效频谱利用率的协作通信方法，充分利用星座空间的相位信息，将本地信号和中继信号分别调制到I路和Q路上，这样得到的一个类似于正交幅度调制的二维符号，两路叠加的信号就有着一个正交的关系，有利于减小信号间的干扰，提高系统的性能。

另外，由于正交幅度调制符号映射到I路和Q路的比特可靠性具有差异，如果在多次传输中采用相同的映射方案，经过Chase合并后，比特间的可靠性差异会累积导致系统的性能下降。通常采用星座重排来均衡比特间的可靠性，改善系统的性能。考虑到上述高效频谱利用率的协作通信方法将两个用户的调制符号通过功率分配系数叠加得到一个类似于正交幅度调制的二维符号，那么正交幅度调制符号映射到I路和Q路的比特可靠性的差异也可以反映在叠加的两个用户的调制符号中。因此，可以设计一种高效频谱利用率的协作通信方法，在不增加系统复杂度的情况下，不仅可以提高系统的频谱利用率，还可以大大地改善系统的误码性能。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的协作通信系统进行时隙分割造成频谱利用率下降的问题，提出了一种高效频谱利用率的协作通信方法，使得用户节点能同时发送本地信息和中继信息，提高了节点的吞吐量和系统的频谱利用率，而且同一个用户的信息在不同的节点进行调制时采用的映射方案不同，可以均衡比特间的可靠性，在不增加系统复杂度的情况下进一步改善协作系统的误码性能，提高通信质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)第t时隙，节点A分别采用映射方案C₁和C₂来调制自己的信息(本地信息)S_A(t)和上一时隙接收到的节点B的信息(中继信息)S_B′(t-1)，通过功率分配系数将两路调制符号正交叠加在一起 $X_A\left(t\right)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_A\left(t\right)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{B^{\′}}(t-1),$ 并以广播的形式发送出去；

(2)第t+1时隙，节点B从接收到的节点A广播的叠加调制符号T_AB(t)＝h_AB·X_AB(t)+n_AB(t)中解调获得需要它中继的信息S_A′(t)，采用映射方案C₃和C₄分别对本息信息S_B(t+1)和中继信息S_A′(t)进行调制，然后广播采用星座重排后的正交叠加调制符号 $X_B(t+1)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_B(t+1)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{A^{\′}}\left(t\right);$

(3)节点D采用对应的调制星座图解调时隙t和时隙t+1接收到的两路叠加调制符号Y_AD(t)＝h_AD·X_AD(t)+n_AD(t)和Y_BD(t+1)＝h_BD·X_AD(t+1)+n_BD(t+1)，分别获得节点A发送的信息S_A(t)和S_B′(t-1)，节点B发送的信息S_B(t+1)和S_A′(t)，对节点A的两个信号样本S_A(t)和S_A′(t)进行最大比合并。

(4)在后面的时隙中，这种协作通信的方法继续循环下去，目的节点D在时隙t+1和时隙t+2联合解调获得节点B的信息S_B(t+1)，在时隙t+2和时隙t+3联合解调获得节点A的信息S_A(t+2)等等。

按照本发明提供的高效频谱利用率的协作通信方法，用户节点首先分别对本地信息和中继信息进行2^M-PAM调制(M是大于1的整数)，然后通过功率分配系数将两个调制符号正交叠加在一起。具体过程是：第一步，节点A(节点B)对本地信息和中继信息分别采用映射方案C₁和C₂(C₃和C₄)进行2^M-PAM调制；第二步，节点A(节点B)分配功率

给本地信息S_A(t)(S_B(t))，分配功率γ给中继信息S_B′(t-1)(S_A′(t-1))；第三步，将本地2^M-PAM调制符号映射到I路，将中继2^M-PAM调制符号映射到Q路，通过正交叠加的方法得到一个类似2^2M-QAM的二维符号X_A(t)(X_B(t))。

按照本发明提供的高效频谱利用率的协作通信方法，节点A采用的映射方案C₁和节点B采用的映射方案C₄不相同，节点B采用的映射方案C₃和节点A采用的映射方案C₂不相同，这样保证了同样一个用户的信息在本节点充当本地信息时和在中继节点充当中继信息时采用的调制映射方案不同。

按照本发明提供的高效频谱利用率的协作通信方法，在映射方案为C₁(C₂)的星座图中所有成对相邻的星座点，经过重排后在映射方案为C₄(C₃)的星座图中变得不再相邻。

按照本发明提供的高效频谱利用率的协作通信方法，如果节点A(节点B)不能正确译码伙伴节点B(节点A)的需要它中继的信息，则将γ设置为0，全部的功率分配给本地信号，即采用2^M-PAM调制。

本发明针对目前传统的译码前传协作通信系统进行时隙分割造成数据信息传输速率下降的问题，提出了一种高效频谱利用率的协作通信方法。这种方法不需要进行时隙分割，节点在中继伙伴节点信息的同时能传输自己的信息，可以提高节点的吞吐量，提升系统的数据传输速率。同时，在本发明中，同一个用户的信息在不同节点进行调制时采用的映射方案不同，因此与传统的协作通信方法相比，本发明还可以均衡比特间的可靠性，在不增加系统复杂度的情况下，进一步改善系统的误码性能，提高系统通话质量。

附图说明：

图1是本发明的高效频谱利用率的协作通信方法的系统模型图；

图2是本发明的信号正交叠加调制的实施过程图；

图3是本发明实施例进行4-PAM调制时采用的比特映射和星座重排方案图；

图4是本发明的高效频谱利用率的协作通信方法与传统的协作通信方法的FER性能比较图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细地实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明的高效频谱利用率的协作通信方法的系统模型图，包括两个用户节点(A和B)和一个目的节点(D)。A和B都需要和D通信，是相互协作的用户，既可以作为源节点又可以作为中继节点，但不能同时。当A发送数据时，B作为中继节点接收A的数据，然后将自己的信息叠加在需要它中继的信息中发送出去，反之亦然。其中，h_AD、h_BD、h_AB和h_BA分别表示节点A和节点B到节点D，以及节点A到节点B、节点B到节点A之间的衰落信道系数。在该系统中，假定用户间的信道是对称的，即h_AB＝h_BA；选取信道为瑞利块衰落信道，且AB、AD、BD三条链路的平均信噪比相同；发射端采用WiMAX标准中的(576，288)LDPC码和4-PAM叠加调制，假设接收端的信道估计和同步都是理想的。参照图1和图2，本发明具体包括以下步骤：

步骤1，时隙1，节点A接收到上一时隙节点B广播的正交叠加调制符号，解调获得需要它中继的信息S_B′(0)，对本地信息S_A(1)和中继信息S_B′(0)分别采用映射方案C₁和C₂来进行4-PAM调制；然后，节点A分配功率

给本地信息S_A(1)，分配功率γ给中继信息S_B′(0)；其次，节点A将本地4-PAM调制符号映射到叠加调制星座图的I路，将中继4-PAM调制符号映射到Q路，通过正交叠加的方法得到一个类似16-QAM的二维调制符号 $X_A\left(1\right)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_A\left(1\right)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{B^{\′}}\left(0\right);$ 最后节点A以广播的形式将X_A(1)发送出去。在这个过程中如果节点A不能正确解调上一时隙节点B发射的信息，那么在叠加调制的过程中，节点A将把功率分配系数γ设置为0，用全部功率传送本地信息S_A(t)，即采用4-PAM调制，X_A(1)＝S_A(1)。

步骤2，时隙2，节点B从接收到的时隙1节点A广播的叠加调制符号Y_AB(1)＝h_AB·X_AB(1)+n_AB(1)中解调获得需要它中继的信息S_A′(1)，采用映射方案C₃和C₄分别对本息信息S_B(2)和中继信息S_A′(1)进行4-PAM调制，采用和步骤1相同的协作通信方法获得二维正交叠加符号 $X_B\left(2\right)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_B\left(2\right)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{A^{\′}}\left(1\right),$ 然后广播X_B(2)。同样，如果节点B不能正确解调时隙1节点A发射的信息，那么节点B将把功率分配系数γ设置为0，将全部功率分配给本地信息，X_B(2)＝S_B(2)。

在上述两个步骤中，节点A和节点B通过功率分配系数将本地信息和中继信息叠加在一起发送，提高了节点的吞吐量和系统的频谱利用率；用户节点以二维正交叠加调制符号的形式同时发送本地信息和中继信息，减小了信号间的干扰，改善了系统的性能。而且，节点A采取的映射方案C₁和节点B采用的映射方案C₄不相同，节点B采用的映射方案C₃和节点A采用的映射方案C₂也不相同，使得同一用户的具有相同内容、不同形式的两个信息样本在经历节点A和节点B的4-PAM调制传输时，采用的映射方案不同，通过星座重排的方式达到避免比特间的可靠性差异累积造成系统性能下降的目的。这种协作通信方法，可以提高系统的频谱利用率，均衡比特间的可靠性，提升系统的性能。同时，本发明采用的4-PAM调制的比特映射方案和星座重排准则可以参照图3，在映射方案为C₁(或C₃)的星座图中所有成对相邻的星座点，经过重排后在映射方案为C₄(或C₂)的星座图中变得不再相邻，这样可以更好的均衡比特间的可靠性，进一步提升系统的性能。

步骤3，节点D采用对应的调制星座图解调第1时隙和第2时隙接收到的两路叠加调制符号Y_AD(1)＝h_AD·X_AD(1)+n_AD(1)和Y_BD(2)＝h_BD·X_AD(2)+n_BD(2)，分别获得节点A的发送的信息S_A(1)和S_B′(0)，节点B的发送的信息S_B(2)和S_A′(1)，对节点A的两个信息样本S_A(1)和S_A′(1)进行最大比合并译码出节点A的信息。

在后面的时隙中，这种协作通信的方法继续循环下去，目的节点D在时隙2和时隙3联合解调获得节点B的信息S_B(2)，在时隙3和时隙4联合解调获得节点A的信息S_A(3)等等。

图4比较了本发明的高效频谱利用率的协作通信方法与传统的译码前传协作通信方法的FER性能。在仿真过程中，为保证系统的数据传输速率一致，传统的译码前传协作通信方法采用16-QAM调制。仿真结果表明，γ＝0.5是本实施例的最佳功率分配系数，即功率平均分配时，用户能获得最佳的误码性能。由图4可见，当FER为10^-2时，本发明的高效频谱利用率的协作通信方法比传统的协作通信方法要好2 dB左右，比不采用星座重排(映射方案C₁、C₂、C₃和C₄相同)的正交叠加协作通信方法要好1dB左右。这表明本发明提出的高效频谱利用率的协作通信方法，可以在提升系统频谱利用率的情况下，进一步改善系统的误码性能，提高通信质量。

本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (7)

1.一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，用户节点通过正交叠加的方式在中继伙伴节点信息的同时传输自己的信息，同一个用户的信息在不同节点进行调制时采用的映射方案不同，包括以下步骤：

(1)第t时隙，节点A分别采用映射方案C₁和C₂来调制自己的信息(本地信息)S_A(t)和上一时隙接收到的节点B的信息(中继信息)S_B′(t-1)，通过功率分配系数将两路调制符号正交叠加在一起 $X_A\left(t\right)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_A\left(t\right)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{B^{\′}}(t-1),$ 并以广播的形式发送出去；

(2)第t+1时隙，节点B从接收到节点A广播的叠加调制符号Y_AB(t)＝h_AB·X_AB(t)+n_AB(t)中解调获得需要它中继的信息S_A′(t)，采用映射方案C₃和C₄分别对本息信息S_B(t+1)和中继信息S_A′(t)进行调制，然后广播采用星座重排后的正交叠加调制符号 $X_B(t+1)=\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}\·S_B(t+1)+j\·\mathrm{\γ}\·S_{A^{\′}}\left(t\right);$

(3)节点D采用对应的调制星座图解调时隙t和时隙t+1接收到的两路叠加调制符号Y_AD(t)＝h_AD·X_AD(t)+n_AD(t)和Y_BD(t+1)＝h_BD·X_AD(t+1)+n_BD(t+1)，分别获得节点A发送的信息S_A(t)和S_B′(t-1)，节点B发送的信息S_B(t+1)和S_A′(t)，对节点A的两个信号样本S_A(t)和S_A′(t)进行最大比合并。

(4)在后面的时隙中，这种协作通信的方法继续循环下去，目的节点D在时隙t+1和时隙t+2联合解调获得节点B的信息S_B(t+1)，在时隙t+2和时隙t+3联合解调获得节点A的信息S_A(t+2)等等。

2.根据权利要求1所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，用户节点首先分别对本地信息和中继信息进行2^M-PAM调制(M是大于1的整数)，然后通过功率分配系数将两个调制符号正交叠加在一起。具体过程是：第一步，节点A(节点B)对本地信息和中继信息分别采用映射方案C₁和C₂(C₃和C₄)进行2^M-PAM调制；第二步，节点A(节点B)分配功率给本地信息S_A(t)(S_B(t))，分配功率γ给中继信息S_B′(t-1)(S_A′(t-1))；第三步，将本地2^M-PAM调制符号映射到I路，将中继2^M-PAM调制符号映射到Q路，通过正交叠加的方法得到一个类似2^2M-QAM的二维符号X_A(t)(X_B(t))。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，节点A采用的映射方案C₁和C₂可以相同，节点B采用的映射方案C₃和C₄可以相同。但是，映射方案C₁和C₄一定不相同，C₂和C₃一定不相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，在映射方案为C₁(C₂)的星座图中所有成对相邻的星座点，经过重排后在映射方案为C₄(C₃)的星座图中变得不再相邻。

5.根据权利要求1所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，节点A和节点B的地位是对等的，既可以是源节点又可以是中继节点，但不能同时充当源节点和中继节点。当节点A作为源节点发送数据时，B作为中继节点接收A的数据，然后将自己的信息叠加在需要它中继的信息中发送出去，反之亦然。

6.根据权利要求1所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，一个用户的信息在本节点叠加的过程中充当本地信息，在伙伴节点叠加的过程中充当中继信息，在两次叠加过程中采用的调制映射方案是不同的。

7.根据权利要求1或2所述的一种高效频谱利用率的协作通信方法，其特征在于，如果节点A(节点B)不能正确译码伙伴节点B(伙伴节点A)需要它中继的信息，则将γ设置为0，全部的功率分配给本地信号，即采用2^M-PAM调制。

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