CN102025451B - 一种协作通信的Turbo码差分跳频方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案公开了一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，属于无线通信领域。在源节点处将原始信息序列进行数据校验编码后通过一个频率转移函数发送到中继节点和目的节点，中继节点收到来自源节点的信息后对其进行解跳，若完全解跳成功，则将解跳得到的译码序列进行交织后再由相同的频率转移函数发送至目的节点，目的节点将接收到的来自源节点和中继节点的信息进行等增益合并相加后进行Turbo-DFH迭代译码，满足迭代终止条件后得到含有数据校验比特的信息比特序列，对此序列进行数据校验编码的译码后得到最终的信息序列。本发明在不失中继系统可靠性的前提下，提高系统适应深衰落通信环境及系统抗跟踪和抗窃听能力。

Description

一种协作通信的Turbo码差分跳频方法

技术领域

本发明涉及一种协作通信方案，具体涉及一种提高协作通信系统抗深度衰落，抗跟踪能力和系统可靠性的差分跳频方法，属于无线通信领域。

背景技术

未来的无线通信系统需要更多地提供高速率的数据业务和多媒体业务，由于多输入多输出(MIMO)技术存在单个手机功率受线的问题，中继通信方案得到了广泛的关注。Laneman等学者在“IEEE Trans.InformationTheory，2004，50(12)：3062-3080”发表文章“Cooperative diversity in wirelessnetwork：efficient protocols and outage behavior”，分析了放大中继(AF)，译码中继(DF)和编码中继(CC)等方案。其中，译码中继比放大中继具有更低的误码率，又不需要编码中继那样复杂的电路，是一个系统性能和实现复杂度的折中方案。然而，在通信终端不断移动的通信环境中，译码转发模型虽然可以取得分集增益，但无法避免严重的信道干扰。跳频技术很好地降低了恶劣信道环境对系统可靠性的损害。Z.Kostic，I.Maric，and X.Wang在IEEE Joumal上发表“Fundamentals of dynamic frequency hopping in cellular systems”，分析了跳频技术的特点和优势。跳频系统通过将信号发射频率均匀地散布在发射信号频率集里，极大地减少了深度衰落信道带来的干扰。而由D.L.Herrick，P.K.Lee在文章“CHESS a New Reliable High Speed HF Radio”中提出的差分跳频技术更是在极大提高数据速率的同时，带来了抗跟踪和抗多径衰落的能力。差分跳频系统采用每秒5000跳的高跳速来克服多径和信道衰落问题。短波信道的信号时延通常为几个毫秒，而差分跳频系统的跳驻留时间为200微秒，故能有效克服多径衰落影响。此外，控制常规跳频系统频点跳变的是某个伪随机序列，而控制差分跳频系统频率跳变的是频率转移函数和待传输的信息数据。如果将信源看作随机的话，相当于控制差分跳频系统频率跳变的是真正的随机序列。因此，差分跳频技术的采用实现了真正随机的序列跳频，使不法分子很难再利用简单的监听设备进行非法窃听，极大提高了系统的安全性。

传统的差分跳频技术虽然可以提高抗多径衰落能力和安全性能，但在一定发射功率下接受端的译码误比特率较高。而基于Turbo码编译码原理的差分跳频技术Turbo-DFH比传统的差分跳频技术具有更好的误比特率性能。在编码方案上，Turbo码是最逼近香农极限的码型之一，它利用两个并联的RSC码和一个交织器实现了香农的随机化长码的编码思想，在译码端用迭代译码的方式实现了香农的随机化长码的译码思想；在抗深度衰落信道方案上，差分跳频技术具有很大的优势。它通过将发射频率散布在整个频率集内，有效地减少了深度衰落信道对系统可靠性的影响。

目前，尽管协作中继通信系统和差分跳频通信系统各自具有自身的优势，但仍然没有一种方法可以使上述两者优势互补，在获得协作分集增益的同时具备差分跳频系统较好的安全性能和对时变衰落信道的适应能力。本发明通过引入频率转移函数将差分跳频系统很好应用于译码转发中继协作通信系统里，使整个译码中继系统按照差分跳频的方式运行，较已有的译码中继系统具有更高的安全性，其作用类似于Turbo码编码器的频率转移函数的应用也使系统误码率性能接近香农限。本发明采用类Turbo码的两个频率转移函数并联的形式在取得类似Turbo码高误码率性能的同时，提高了系统抗深度衰落信道的能力和安全性能。具体的编码结构图和迭代译码结构图分别参见附图1和附图2。

发明内容

针对目前译码中继通信系统的安全性能缺陷和深度衰落信道下误码率较高的问题，本发明提出了一种在不失中继系统可靠性的前提下，提高系统适应深衰落通信环境及系统抗跟踪，抗窃听能力的协作通信方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，第一时隙，在源节点处将原始信息序列进行数据校验编码后(如CRC编码)通过一个频率转移函数发送出去，目的节点和中继节点都收到来自源节点的信息序列信号；

将信息通过一个频率转移函数发送出去的具体方法是，将数据校验编码后的信息序列作为该频率转移函数的输入，改变频率转移函数的状态，将不同的状态映射到频率集合中的不同发射频率，由信号发生器产生对应频率的正弦信号发射出去。

步骤2，在目的节点处，通过对接收到的来自源节点的信号进行FFT检测，得到该信号不同频率成分的幅度值作为译码器的软输入信息；目的节点将来自源节点的信息存储起来，等待接收来自中继节点的信息序列(当接收到后再合并解跳，即将前后接收到的两部分软输入信息序列进行等增益合并，即直接相加后作为译码器的输入)；

步骤3，第二时隙，中继节点收到来自源节点的信息后对其进行解跳，即对接收信息序列进行FFT检测后，将得到的不同频率成分的幅度值序列作为译码器输入进行迭代译码，迭代终止条件可根据要求(如需高于系统误码率性能下限，满足运算复杂度限制等)预先设定(作为优选，本发明中设置为8次迭代后终止)，然后对迭代译码的判决结果进行数据校验：

若校验后无误(如CRC校验后无误)，即完全解跳成功，则将解跳得到的译码序列进行交织后再由与步骤1中相同的频率转移函数(即有相同回归系数和寄存器个数及映射规则的频率转移函数)发送至目的节点；

若校验不正确(如CRC校验不正确)，即解跳失败，则中继节点保持空闲，不发射任何信号；

值得注意的是，尽管在目的节点处进行信号的FFT检测与频率转移函数结构无关，结果可以按照等增益合并的原则将来自源节点和中继节点的信息直接相加，但是在中继节点处不能采用和源节点处不同结构的频率转移函数，原因在于目的节点对合并后的软输入信息进行迭代译码时必须明确对应一种编码网格图，而在源节点处，频率转移函数就是充当着编码网格图的作用。所以在源节点和中继节点处的频率转移函数必须相同，才能使目的节点的译码有正确的意义；

步骤4，目的节点将接收到的来自源节点和中继节点的信息进行等增益合并相加后进行Turbo-DFH迭代译码，满足迭代终止条件后得到含有数据校验比特的信息比特序列，对此序列进行数据校验编码的译码(如CRC译码)后便得到最终的信息序列。所述迭代终止条件是对每一帧长度的数据译码都进行8次迭代译码后再做最终判决。

采用本方法时，在译码中继系统源节点和中继节点处的发射端增加一个频率转移函数发射器，并在目的节点采用相应信号检测的设备。

对比现有技术，本发明的有益效果在于，本发明针对目前译码中继系统在深衰落通信环境中误码率较高且易被非法窃听等问题，提出的关于协作通信的Turbo码差分跳频方法仅需要在译码中继系统源节点和中继节点处的发射端增加一个频率转移函数发射器，并在接收端采用相应信号检测的设备就可获得安全性能和适应恶劣通信环境能力的同时提高。其中，安全性能的提高缘于频率转移函数的引用实现了真正意义上随机的跳频传输通信系统，使第三方无法预测发射频谱的变化，从而无法进行有效的窃听或干扰。而系统传输可靠性能的提高则缘于由两个频率转移函数和一个随机交织器组成的类Turbo编译码原理的应用，使系统译码性能接近香农限。

附图说明

图1为本发明选用的Turbo-DFH编码器结构框图；

图2为本发明实施例选用的3GPP推荐的编码速率为1/3的Turbo码迭代译码结构图；其中(a)为Turbo码的迭代译码结构；(b)为译码单元的输入输出关系；

图3为本发明设计的三节点中继协作通信Turbo-DFH方案示意图；

图4为本发明选用的寄存器个数为3的频率转移函数图；

图5显示了在AWGN信道下，图3所示系统得到的基于不同回归系数的频率转移函数的系统误码率性能曲线图；

图6显示了在瑞利信道下，图3所示系统得到的基于不同回归系数的频率转移函数的系统误码率性能曲线图；

图7显示了在AWGN信道下，图3所示系统在回归系数为[011]时不同映射规则下的系统误码率性能曲线图；

图8显示了从频率转移函数的状态到频率集对应频点的一种混序(即状态数值的大小与频率集中频点具体的频率值大小并不依次对应)的一一映射规则。

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。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的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。

由于图1所示的Turbo-DFH编码结构图和图2所示的Turbo-DFH迭代译码结构图存在交织器和解交织器的运用，所以系统的译码性能和交织器长度和类型有关。不失一般性，本实施例采用长度为800比特的随机交织器和相应解交织器。频率转移函数的回归系数分别采用[001]和[011]进行加性高斯白噪声信道和瑞利衰落信道下的误码性能仿真。注意，本发明给出的误码率仿真曲线图均为中继节点成功解跳的模型，即在初始信噪比参数设置时保证源节点到中继节点的信道条件远优于源节点到目的节点的信道条件。

本发明在源节点和中继节点处采用的频率转移函数完全一样(关于频率转移函数可参考文献：杨裕亮，何遵文，匡镜明.差分跳频系统的转移函数研究[J].通信学报，2002，23(4)：103-108)具体结构图参见附图4。由于频率转移函数的回归系数(Q＝(q₁，q₂，...，q_N)，q_i∈{0，1})不同时系统性能也有所不同，因此本发明给出了包含三个寄存器的频率转移函数能够取得最小误码率时对应的回归系数，软件仿真流程图见附图3。但本专利不限于频率转移函数只包括三个寄存器的情况，寄存器个数为其他大于3的正整数时本专利发明方法同样适用。

当频率转移函数包含三个寄存器时，如附图4所示[q₁q₂]共有四种组合。其中，q₂为0时会出现输入比特相同时两种不同寄存器状态在下一时刻变成相同状态的情况，这就使得我们根据现有寄存器状态和前一刻寄存器状态来推断输入信息比特的方法不可行，从而使译码出现错误，所以只考虑q₁为0或1这两种情况。由图5可知，系统性能的优劣和发送端平均比特功率有关。在AWGN信道下，当发送端平均比特功率小于约5.9dB时，回归系数为[001]的情况下系统的误码率低于回归系数为[011]的情况下系统的误码率。当寄存器长度为N时，同样可以由2^N-2次仿真结果比较得出不同信噪比条件下的误码率优劣，从而在实际应用中根据信道反馈信息自适应地调整频率转移函数的回归系数，获得最好的系统可靠性能。

参照图1和图2，本发明利用图3所示协作通信的差分跳频系统进行译码中继转发的具体步骤为：

步骤1，第一时隙，源节点处将长度为800比特的待发送信息比特序列进行CRC编码后通过一个频率转移函数(如图4所示)和信号发生器发送出去，目的节点和中继节点都接收到来自源节点的信息；具体步骤为：

(1)将待发送比特序列X＝(x₁，x₂，...x₈₀₀)进行24位的CRC编码，得到含有24个数据校验位的比特序列X′＝(x₁，x₂，...x₈₀₀，c₁，c₂，...c₂₄)；

(2)将序列X′串行输入到源节点的初始状态为0的频率转移函数，产生对应输入码字长度即824个寄存器状态

其中i∈(1，2…2^N)，t∈(0，1，2，...823)。又根据映射规则对应出频率集合F中的频率点f_i，i∈(1，2，...2^N)，并由信号发生器生成相应频率信号发射到传输信道中。

步骤2，目的节点将来自源节点的信息存储起来，等待接收来自中继节点的信息后再合并解跳。其中，H表示信道矩阵，

表示噪声向量；

步骤3，第二时隙，中继节点收到源节点信息

后进行解跳，若完全解跳成功则将接收到的信息序列交织后再通过同样的频率转移函数发送至目的节点，若解跳失败则保持空闲；步骤如下：

(1)中继节点对接收信息序列

进行FFT频谱检测，得到各时刻下不同频率成分信号的幅度值：

作为译码器输入，如第t时刻中继节点检测到信号的各个频率成分的幅度值为矩阵A的第t+1行数据

其中

i∈(1，2，...，8)表示第t时刻接收信号中频率成分F_i的信号幅度值；

(2)将A_824×8作为译码器输入信息，由于译码开始时没有反馈信息作为先验信息，所以令首次迭代时的先验信息为零。设定迭代次数为8，则8次迭代终止后可判决得到译码序列C＝(c₁，c₂，...，c₈₂₄)；

(3)对译码序列C＝(c₁，c₂，...，c₈₂₄)进行24位CRC检验，正确表示完全解跳成功，将译码序列C经过随机交织器交织后得到待发送序列C′＝(c′₁，c′₂，...，c′₈₂₄)，如步骤1中(2)方式向目的节点再次发送交织后的信息；若CRC检验不正确则表示解跳失败，中继节点保持空闲，不发射任何信号。

步骤4，最后，在目的节点处将来自源节点的信息

和中继节点的信息

等增益合并得到序列

对

进行Turbo-DFH迭代译码，得到比特序列X″＝(x′₁，x′₂，...x′₈₀₀，c′₁，c′₂，...c′₂₄)。对于CRC检验码，提取前800个比特即可得到最终的译码结果X″′＝(x′₁，x′₂，...x′₈₀₀)。与序列X＝(x₁，x₂，...x₈₀₀)比较统计出一帧传输下的误码个数，大量帧(本实施例中传输10万帧，每帧数据均为Matlab产生的长度为800的随机比特序列)重复传输后即可统计出特定信道条件下的误码概率，若给定发送端平均比特功率区间就能通过仿真结果绘出误码性能曲线图。

由上述步骤可以看出，若中继节点完全译码成功，则整个中继转发系统实际上就是一个Turbo-DFH编译码系统。由源节点到目的节点的直传链路相当于图1所示的上层频率转移函数传输链路，而由源节点经由中继节点再到目的节点的中继链路相当于图1所示的下层频率转移函数传输链路。因此，这种采用了频率转移函数的译码中继转发系统就同时具备了差分跳频系统的安全性能和抗深衰落信道性能以及Turbo编译码系统接近香农限的低误码率优势。

本发明的效果可以通过以下仿真图进一步说明：

由图5可知，在AWGN信道下，当发送端平均比特功率小于约5.9dB时，回归系数为[001]的情况系统误码率低于回归系数为[011]的情况；当发送端平均比特功率大于5.9dB时，回归系数为[001]的情况系统误码率高于回归系数为[011]的情况。而由图6可知，在瑞利衰落信道下，这种趋势不变，只是两条“回归系数→误码性能”曲线的交叉拐点移动到6.3dB附近。由此，可以根据具体的信道环境来选择较优的回归系数组合，使系统性能达到最佳。

此外，如图1所示，信息序列经过频率转移函数后，需要将此时的频率转移函数状态一一映射到一个发射频率集，以电磁波的形式发射出去。在本实施例中，频率转移函数包含3个移位寄存器，总共有8个状态，对应的发射频率集包含8个频率，对应2⁸＝256个一一映射规则。本实施例中对三种映射规则进行了性能比较，如图7所示，映射规则采用发射频率集从低频到高频排列的方式时性能最差，采用发射频率集从高频到低频排列的方式或混序排列方式(如图8所示)时性能相差不大，均优于从低频到高频排列的方式。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，第一时隙，在源节点处将原始信息序列进行数据校验编码后通过一个频率转移函数发送出去，目的节点和中继节点都收到来自源节点的信息序列信号；

步骤2，在目的节点处，通过对接收到的来自源节点的信号进行FFT检测，得到该信号不同频率成分的幅度值作为译码器的软输入信息；目的节点将来自源节点的信息存储起来，等待接收来自中继节点的信息序列；

步骤3，第二时隙，中继节点收到来自源节点的信息后对其进行解跳，即对接收信息序列进行FFT检测后，将得到的不同频率成分的幅度值序列作为译码器输入进行迭代译码，然后对迭代译码的判决结果进行数据校验：

若校验后无误，即完全解跳成功，则将解跳得到的译码序列进行交织后再由与步骤1中相同的频率转移函数发送至目的节点；

若校验不正确，即解跳失败，则中继节点保持空闲，不发射任何信号；

步骤4，目的节点将接收到的来自源节点和中继节点的信息进行等增益合并相加后进行Turbo-DFH迭代译码，满足迭代终止条件后得到含有数据校验比特的信息比特序列，对此序列进行数据校验编码的译码后得到最终的信息序列。

2.根据权利要求1所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，步骤1中，将信息通过一个频率转移函数发送出去的方法是，将数据校验编码后的信息序列作为该频率转移函数的输入，改变频率转移函数的状态，将不同的状态映射到频率集合中的不同发射频率，由信号发生器产生对应频率的正弦信号发射出去。

3.根据权利要求1所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，步骤3中，迭代译码的迭代终止条件根据要求预先设定，所述要求是高于系统误码率性能下限，或需要满足运算复杂度限制。

4.根据权利要求3所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，步骤3中，所述迭代译码的迭代终止条件设置为8次迭代后终止。

5.根据权利要求1所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，步骤4中，所述迭代终止条件是对每一帧长度的数据译码都进行8次迭代译码。

6.根据权利要求1-5任一所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，在译码中继系统源节点和中继节点处的发射端增加一个频率转移函数发射器，并在目的节点采用相应信号检测的设备。

7.根据权利要求1-5任一所述一种协作通信的Turbo码差分跳频方法，其特征在于，所述数据校验编码和译码采用CRC编码和相应的译码方式。

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