CN103138892A - 基于阶梯调制的自适应中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其步骤为：(1)获取基本层数据和增强层数据；(2)加入循环冗余CRC校验码；(3)卷积编码；(4)获得发送数据矩阵；(5)确定星座图；(6)调制发送数据；(7)发送中继噪声信号；(8)自适应选择处理；(9)发送直接路径信号和中继路径信号；(10)合并信号；(11)解调和卷积译码；(12)去掉校验码。本发明方法采用了阶梯调制、中继节点自适应选择处理和最大比合并方法来完成基于阶梯调制的自适应中继通信，允许中继节点根据不同误码情况进行自适应选择处理，可以实现独立控制各路数据的误码率，充分合理的利用基本层数据和增强层数据，从而改善整个系统的误码性能。

Description

基于阶梯调制的自适应中继通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及协作中继通信系统技术领域的一种基于阶梯调制的自适应中继通信方法。该方法可以实现自适应中继通信，使通信系统可以根据不同误码率，利用一个中继节点自适应选择来完成中继通信。本发明可以独立控制各层数据的误码率，改善整个系统的误码性能。

背景技术

协作中继是继正交频分复用、多天线技术之后，可能会对未来无线通信的发展产生重大影响的一项技术。协作中继技术可以大幅提高无线通信网络的容量及覆盖范围，实现协作中继的关键在于研究适合其的自适应选择处理方法。自适应中继通信方法，根据不同的误码情况，在中继节点采取解码转发或放大转发，其中解码转发是指在中继译出来自源端的信号后，采用与源端相同的编码方式进行编码，再转发给信宿；放大转发是指中继将来自源端的信号放大后转发给信宿。采用不同的转发方式，可以改善整个系统的误码性能。

北京邮电大学申请的专利“用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法”(专利申请号CN200810104036.9，公布号CN101282199)。该专利申请主要提出了一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，该方法包括：根据信道状况，为中继节点选择适宜的转发方式，并分配相应的发射功率；或决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提供高效信道。该专利申请存在的不足是：在通信场景稍微恶劣的条件下，当发送数据出现较多错误时，由于系统没有纠错功能，可能引起通信质量下降。

阶梯调制是一种特殊的多进制线性调制方式，它适合应用于在同一调制符号中同时承载多路比特的情况，并能够满足各路数据比特的误码率要求。

北京邮电大学申请的专利“基于分层调制的无线中继转发方法”(专利申请号CN201110358208.7，公布号CN102364903A)公开了一种基于分层调制的无线中继安全转发方法。该方法包括：在第一传输时隙，基站同时将广播消息和中继转发标志消息经分别调制后的信号叠加并发送；中继收到叠加信号后，先从中解码出广播消息并重建；中继从收到的叠加信号中减去重建的广播消息信号，得到中继转发标志消息信号并解码出消息；在第二传输时隙，根据中继转发标志消息，中继转发基站的广播消息给用户或者广播新消息。该专利申请存在的不足是：在信道恶劣的情况下，中继则无法解码广播消息，进而中继无法转发消息或者广播新消息，使通信中断。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于阶梯调制的自适应中继通信方法。本发明可以根据发送节点到中继节点不同的信噪比条件，在中继节点进行自适应选择处理，从而改善接收端信号合并后的误码性能。

本发明实现的基本思路是，系统通过对发送数据进行凿孔，组成基本层以及增强层数据，接着针对不同层的数据分别加入CRC校验码，再分别进行卷积编码，进而对两路数据进行并置获得发送数据，然后确定阶梯调制所用的星座图，对发送数据进行调制。将调制后的数据进行发送，目的节点和中继节点接收到来自源节点加入噪声后的发送数据，中继节点首先对接收到的数据进行解调，利用CRC校验码判断两层数据是否有误，进而来自适应的选择中继方法。然后再采用所选择的中继方法将数据发送给目的节点，目的节点对从源节点和中继节点得到的两路数据进行最大比合并，最后对合并后的数据进行解调。

为实现上述目的，本发明实现步骤如下：

(1)获取基本层数据和增强层数据：

源节点对拟发送的数据，按照1/2码率进行凿孔；将凿孔后的拟发送数据的孔内数据作为基本层数据；将凿孔后的拟发送数据的孔外数据作为增强层数据；

(2)加入循环冗余CRC校验码：

在基本层数据和增强层数据尾部，分别加入循环冗余CRC校验码，得到基本层校验数据和增强层校验数据；

(3)卷积编码：

对基本层校验数据和增强层校验数据，分别进行卷积编码，得到基本层编码数据和增强层编码数据；

(4)获得发送数据矩阵：

4a)分别将基本层编码数据矩阵和增强层编码数据矩阵的行数变换为2，得到基本层矩阵和增强层矩阵；

4b)沿着矩阵的第一维将基本层矩阵和增强层矩阵合并，得到行数为4的发送数据矩阵；

(5)确定星座图：

用基本层星座点与坐标轴距离d₁，以及同一象限中增强层星座点与基本层星座点间的距离d₂，确定星座图四个象限中4个基本层星座点的对应坐标和16个增强层星座点的对应坐标，由基本层星座图和增强层星座图组成阶梯调制星座图；

(6)调制发送数据：

6a)将发送数据矩阵中每一列的四位二进制数转换成0至15的十进制数，得到未调制信号；

6b)将未调制信号一一映射到星座点上，得到由所在映射星座点所对应的坐标组成调制信号，转至步骤(9)；

(7)发送中继噪声信号：

将调制信号经过无线信道后得到中继噪声信号，发送到中继节点；

(8)自适应选择处理：

8a)中继节点将接收的中继噪声信号矩阵中的每一个数据，分别与增强层星座图中16个星座点坐标值相减，选择差值中的最小值作为最小距离，将与最小距离对应的坐标位置作为最小距离位置，将所有数据对应的最小距离位置组成中继解调数据矩阵，提取中继解调数据矩阵的前两行组成基本层数据，后两行组成增强层数据；

8b)分别对基本层数据和增强层数据，进行卷积码译码；

8c)分别对译码后的基本层数据和增强层数据计算循环冗余CRC校验码，得到新的基本层循环冗余CRC校验码和新的增强层循环冗余CRC校验码；

8d)分别对新的基本层和增强层循环冗余CRC校验码与中继节点接收的基本层和增强层循环冗余CRC校验码进行比较，当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码相同时，表示接收到的基本层数据和增强层数据无误，将基本层数据和增强层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码不相同时，表示基本层数据无误但增强层数据有误，将基本层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码不相同时，表示基本层数据有误，将中继噪声信号在幅度上放大后转发；

(9)分别对调制信号和自适应选择处理后的信号加入高斯白噪声，得到直接路径信号和中继路径信号后发送到目的节点；

(10)目的节点对接收到的直接路径信号和中继路径信号进行最大比合并，得到合并信号；

(11)对合并信号进行解调和卷积码译码操作，得到校验数据；

(12)去掉校验数据的循环冗余CRC校验码。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、由于本发明采用基本层和增强层分别调制的阶梯调制技术，克服了现有技术中所有数据比特流是由单层星座调制而造成的层次承载的不足，使得本发明具有了各路数据的误码率可以独立控制的优点。

第二、由于本发明中继节点采用自适应选择处理技术，克服了现有技术中中继节点单一处理方法的不足，从而实现基本层数据和增强层数据充分合理的利用，进而改善了整个系统的误码性能。

第三、由于本发明在对目的节点收到信号合并时，采用最大比合并的方法，使得本发明充分利用了基本层数据和增强层数据，使合并后的数据信噪比最大化。

附图说明

附图1为本发明的流程图；

附图2为本发明的阶梯调制星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1，本发明实现的步骤如下：

步骤1，获取基本层数据和增强层数据。

源节点对拟发送的数据，按照1/2码率进行凿孔；将凿孔后的拟发送数据的孔内数据作为基本层数据；将凿孔后的拟发送数据的孔外数据作为增强层数据。

步骤2，加入循环冗余CRC校验码。

在基本层数据和增强层数据尾部，分别加入8位循环冗余CRC校验码，得到基本层校验数据和增强层校验数据。

本发明实施例中采用的8位CRC校验码的具体实现方式按照下列公式进行：

$A=\mathrm{mad}\left(\frac{B\×2^m}{G}\right)$

其中，A表示由0和1组成的循环冗余CRC校验码，mod表示取余数，B表示基本层数据或增强层数据，m表示循环冗余CRC校验码的位数，G表示100110001生成多项式。

步骤3，卷积编码。

对基本层校验数据和增强层校验数据，分别进行卷积编码，得到基本层编码数据和增强层编码数据。

本发明实施例中按照1/3的码率进行卷积编码的具体实现方式按照下列公式进行：

A＝U×G

其中，A表示由1和0组成的卷积码序列，U表示输入信息序列，G表示生成矩阵[4，5，7]₈。

步骤4，获得发送数据矩阵。

分别将基本层编码数据矩阵和增强层编码数据矩阵的行数变换为2，得到基本层矩阵和增强层矩阵；沿着矩阵的第一维将基本层矩阵和增强层矩阵合并，得到行数为4的发送数据矩阵。

步骤5，确定星座图。

用基本层星座点与坐标轴距离d₁，以及同一象限中增强层星座点与基本层星座点间的距离d₂，确定星座图四个象限中4个基本层星座点的对应坐标和16个增强层星座点的对应坐标，由基本层星座图和增强层星座图组成阶梯调制星座图

结合附图2对本发明阶梯调制的星座图进行说明：图2中标示实心的4个点构成基本层QPSK星座图，每个星座点分别表示二进制数00、01、10、11；标示空心的16个点构成增强层16QAM星座图，每个星座点依次表示二进制数从0000至1111。图2中d₁为2，d₂为1，阶梯调制的星座图关于原点中心对称。

步骤6，调制发送数据。

将发送数据矩阵中每一列的四位二进制数转换成0至15的十进制数，将未调制信号一一映射到星座点上，得到由所有映射星座点所对应的坐标组成调制信号，执行步骤(9)。

本发明实例中采用16QAM方式进行调制，将未调制信号按照16QAM星座图一一映射到星座点上，得到由所有映射星座点所对应的坐标组成调制信号组成调制信号。

步骤7，将调制信号经过无线信道后得到中继噪声信号，发送到中继节点。

步骤8，自适应选择处理。

中继节点将接收的中继噪声信号矩阵中的每一个数据，分别与增强层星座图中16个星座点坐标值相减，选择差值中的最小值作为最小距离，将与最小距离对应的坐标位置作为最小距离位置，将所有数据对应的最小距离位置组成中继解调数据矩阵，提取中继解调数据矩阵的前两行组成基本层数据，后两行组成增强层数据；分别对基本层数据和增强层数据，进行卷积码译码。

本发明实例中卷积码译码采用维特比硬判决译码，以基本层数据或增强层数据为基础，逐个计算基本层数据或增强层数据与所有出现连续的维特比网格图路径的距离，选出其中概率最大的一条作为译码估值输出。

分别对译码后的基本层数据和增强层数据计算循环冗余CRC校验码，得到新的基本层循环冗余CRC校验码和新的增强层循环冗余CRC校验码。

分别对新的基本层和增强层循环冗余CRC校验码与中继节点接收的基本层和增强层循环冗余CRC校验码进行比较，当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码相同时，表示接收到的基本层数据和增强层数据无误，将基本层数据和增强层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码不相同时，表示基本层数据无误但增强层数据有误，将基本层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码不相同时，表示基本层数据有误，将中继噪声信号在幅度上放大后转发。

本发明实例中，调制是按照以下两种情况分别进行调制，其一，针对接收到的基本层数据和增强层数据无误的情况下，采用与步骤(6)中相同的调制方式进行16QAM调制；其二，针对基本层数据无误但增强层数据有误的情况下，对基本层数据进行QPSK调制的具体步骤是：首先，将基本层数据矩阵的行数变换为2；其次，将每一列的二进制数转换成0至3的十进制数后一一映射到基本层星座点上，得到由所有映射星座点所对应的坐标组成基本层调制信号。

步骤9，分别对调制信号和自适应选择处理后的信号加入高斯白噪声，得到直接路径信号和中继路径信号后发送到目的节点。

本发明实例中高斯白噪声的信噪比为10dB。

步骤10，目的节点对直接路径信号和中继路径信号进行最大比合并，得到合并信号。

本发明实例中所述的最大比合并的步骤是：首先，计算从源节点到目的节点和从源节点经过中继节点到目的节点两条路径的等效信噪比；其次，将直接路径信号和中继路径信号的比例按照各自等效信噪比的比例进行合并。

步骤11，对合并信号进行解调和卷积码译码操作，得到校验数据。

本发明实例中解调是针对中继节点收到的基本层数据无误而增强层数据有误的情形下，分别将16QAM各个象限的星座点坐标与QPSK相应象限的星座点坐标相加，得到16个新的星座点坐标，构成新的星座图，再按照新的星座图进行解调。

步骤12，去掉校验数据的循环冗余CRC校验码。

Claims (8)

1.一种基于阶梯调制的自适应中继通信方法，包括步骤如下：

(1)获取基本层数据和增强层数据：

源节点对拟发送的数据，按照1/2码率进行凿孔；将凿孔后的拟发送数据的孔内数据作为基本层数据；将凿孔后的拟发送数据的孔外数据作为增强层数据；

(2)加入循环冗余CRC校验码：

分别在基本层数据和增强层数据的尾部加入循环冗余CRC校验码，得到基本层校验数据和增强层校验数据；

(3)卷积编码：

对基本层校验数据和增强层校验数据，分别进行卷积编码，得到基本层编码数据和增强层编码数据；

(4)获得发送数据矩阵：

4a)分别将基本层编码数据矩阵和增强层编码数据矩阵的行数变换为2，得到基本层矩阵和增强层矩阵；

4b)沿着矩阵的第一维将基本层矩阵和增强层矩阵合并，得到行数为4的发送数据矩阵；

(5)确定星座图：

用基本层星座点与坐标轴距离d₁，以及同一象限中增强层星座点与基本层星座点间的距离d₂，确定星座图四个象限中4个基本层星座点的对应坐标和16个增强层星座点的对应坐标，由基本层星座图和增强层星座图组成阶梯调制星座图；

(6)调制发送数据：

6a)将发送数据矩阵中每一列的四位二进制数转换成0至15的十进制数，得到未调制信号；

6b)将未调制信号一一映射到星座点上，得到由所在映射星座点所对应的坐标组成调制信号，转至步骤(9)；

(7)发送中继噪声信号：

将调制信号经过无线信道后得到中继噪声信号，发送到中继节点；

(8)自适应选择处理：

8a)中继节点将接收的中继噪声信号矩阵中的每一个数据，分别与增强层星座图中16个星座点坐标值相减，选择差值中的最小值作为最小距离，将与最小距离对应的坐标位置作为最小距离位置，将所有数据对应的最小距离位置组成中继解调数据矩阵，提取中继解调数据矩阵的前两行组成基本层数据，后两行组成增强层数据；

8b)分别对基本层数据和增强层数据进行卷积码译码；

8c)分别对译码后的基本层数据和增强层数据计算循环冗余CRC校验码，得到新的基本层循环冗余CRC校验码和新的增强层循环冗余CRC校验码；

8d)分别对新的基本层和增强层循环冗余CRC校验码与中继节点接收的基本层和增强层循环冗余CRC校验码进行比较，当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码相同时，表示接收到的基本层数据和增强层数据无误，将基本层数据和增强层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码相同并且新的增强层校验码和接收的增强层校验码不相同时，表示基本层数据无误但增强层数据有误，将基本层数据进行卷积编码和调制后转发；当新的基本层校验码和接收的基本层校验码不相同时，表示基本层数据有误，将中继噪声信号在幅度上放大后转发；

(9)分别将调制信号和自适应选择处理后的信号发送到目的节点，得到直接路径信号和中继路径信号；

(10)目的节点对接收到的直接路径信号和中继路径信号进行最大比合并，得到合并信号；

(11)对合并信号进行解调和卷积码译码操作，得到校验数据；

(12)去掉校验数据的循环冗余CRC校验码。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤(2)、步骤8c)中所述循环冗余CRC校验码按照下列公式取得：

$A=\mathrm{mod}\left(\frac{B\×2^m}{G}\right)$

其中，A表示由0和1组成的循环冗余CRC校验码，mod表示取余数，B表示基本层数据或增强层数据，m表示循环冗余CRC校验码的位数，G表示100110001生成多项式。

3.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤(3)、步骤8d)中所述的卷积编码按照下列公式取得：

A＝U×G

其中，A表示由1和0组成的卷积码序列，U表示输入信息序列，G表示生成矩阵[4，5，7]₈。

4.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤(5)中所述的阶梯调制星座图是由基本层QPSK星座图和增强层16QAM星座图组成。

5.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤8b)、步骤(11)中所述的卷积码译码是采用维特比硬判决译码，以基本层数据或增强层数据为基础，逐个计算基本层数据或增强层数据与所有出现连续的维特比网格图路径的距离，选出其中概率最大的一条作为译码估值输出。

6.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤8d)中所述的调制是按照以下两种情况分别进行调制，其一，针对接收到的基本层数据和增强层数据无误的情况下，采用与步骤(6)中相同的调制方式进行调制；其二，针对基本层数据无误但增强层数据有误的情况下，对基本层数据进行调制的具体步骤是：首先，将基本层数据矩阵的行数变换为2；其次，将每一列的二进制数转换成0至3的十进制数后一一映射到基本层星座点上，得到由所有映射星座点所对应的坐标组成基本层调制信号。

7.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤(10)中所述的最大比合并的步骤是：首先，计算从源节点到目的节点和从源节点经过中继节点到目的节点两条路径的等效信噪比；其次，将直接路径信号和中继路径信号的比例按照各自等效信噪比的比例进行合并。

8.根据权利要求1所述的基于阶梯调制的自适应中继通信方法，其特征在于，步骤(11)中所述的解调是指，针对中继节点收到的基本层数据无误而增强层数据有误的情形下，分别将16QAM各个象限的星座点坐标与相应象限的QPSK星座点坐标相加，得到16个星座点坐标构成的新的星座图，再按照新的星座图进行解调。

Images