CN103441824B - 基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，主要解决现有中继协作技术的编码增益和频谱效率较低以及错误传播影响误帧率性能的问题。本发明实现步骤包括：(1)源节点编码调制；(2)源节点广播信息；(3)中继节点软译码；(4)中继节点软编码调制；(5)中继节点计算软信号的等效均值和等效噪声方差，将等效均值和等效噪声方差信号发送至目的节点；(6)源节点和中继节点同时发送信号至目的节点；(7)目的节点译码。本发明采用分布式空时网格编码，具有编码增益和频谱效率高的优点；中继采用软信息编译码方法，能够有效抑制错误传播，提升误帧率性能，使本发明更适用于现实无线通信场景。

Description

基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及空时编码技术和中继协作通信技术领域中的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法。本发明将软信息转发协议与分布式空时网格码结合的中继传输及编译码方法用于中继协作通信网络，可以降低错误传播对分布式空时网格码的性能影响，提升中继协作通信网络的误帧率性能。

背景技术

利用中继节点帮助移动用户转发数据，可获得额外的分集增益，改善接收端的误比特性能，是提高移动用户在小区边缘通话质量的有效手段之一。

在无线中继网络中，源节点与中继协同并与同一目的节点进行通信。源节点与中继之间的协同可形成虚拟天线阵列，因此传统的空时编码方法可用于中继网络，从而获得分集增益和编码增益。而且所有中继可以同时在同一个子信道中发送信息，这也可以提高带宽利用率。

中科院嘉兴中心微系统所分中心提出的专利申请“基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案”(申请日：2008年3月5日，申请号：CN200810060061，公开号：CN101237307A)中公开了一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案来提高分集效率、系统的频谱效率和能量效率。该专利申请的方法包含簇头确定、协同建立、时隙规划、数据传输等步骤。该方法将空时分组编码(STBC)技术与译码转发(Decode-Forward，DF)中继技术结合起来，形成无线传感网分布式节点的空时分组码译码转发的协同分集方法。当只有一个中继时，信源与中继数据采用分布式Alamouti编码，并分时发送。该方法所存在的不足是：首先空时分组码不能提供编码增益，纠错性能不如空时网格码；其次该方法在单中继协同时，源与中继分时发送一个空时码字，频谱效率较低。

JinhongYuan,ZhuoChen,YonghuiLi等学者在“Distributedspace-timetrelliscodesforacooperativesystem”(IEEETrans.WirelessCommun.,vol.8,no.10,pp.4897-4905,Oct.2009.)提出了一种基于DF的分布式空时网格码(DistributedSpace-timeTrellisCode,DSTTC)的中继传输方法。该方法的步骤包括：1.源节点将信息比特编码为两个空时网格码字，前半帧时间源节点向中继和目的节点广播发送第一个码字；2.中继收到信息后译码并重新编码为一个空时网格码字，并在后半帧时间向目的节点发送，与此同时源节点在后半帧时间向目的节点发送第二个空时码字。3.两个阶段的信号组成了一个新空时网格码字，目的端对新空时网格码字译码。当中继译码正确时，该方案能够带来分集增益和编码增益。但是，该方法存在的不足是：如果中继译码错误，并对错误的译码信号重编码并转发，则将引起错误传播从而严重影响网络误帧率性能。实际通信中各种干扰不可避免，错误传播危害很大，理想译码的假设不符实际。所以该方法在中继译码条件较差的实际通信中并不实用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对两跳中继协作通信网络，提出基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法。本发明可以有效地提高编码增益，提升频谱效率，并且有效抑制了错误传播对网络的影响，更加适用于现实条件下的无线通信场景。

为实现上述目的，本发明的思路是：首先源节点采用空时网格编码，并广播发送至中继节点和目的节点；其次中继对接收信号软译码并软空时网格编码，并在源节点向目的节点发送信号的同时向目的节点转发软信号，为目的节点译码提供附加信息；最后，目的节点将接收到的信号作为一个空时网格码字，进行最大后验概率译码。

本发明按如下步骤实现：

(1)源节点编码调制：

源节点将拟发送的信息序列分别输入给两个生成多项式不同的空时网格编码器进行编码，经M-PSK调制后输出两个不同的空时网格码字X₁,X₂。

(2)源节点广播信息：

2a)在一帧的前半帧时间内，源节点通过发射天线向中继节点和目的节点广播发送码字X₁；

2b)中继节点和目的节点的天线分别接收来自源节点的前半帧信号。

(3)中继节点软译码：

中继节点对接收的前半帧信号进行最大后验概率译码，译码器输出信息序列的后验概率。

(4)中继节点软编码调制：

4a)中继节点将信息序列的后验概率进行软空时网格编码，得到编码输出的码字概率；

4b)计算码字M-PSK调制后的符号软信息；

4c)对符号软信息功率归一化，得到待发送的软信号。

(5)中继节点计算软信号的等效均值和等效噪声方差，将等效均值和等效噪声方差信号发送至目的节点。

(6)源节点和中继节点同时发送信号至目的节点：

6a)在一帧的后半帧时间内，源节点向目的节点发送码字X₂，同时中继节点向目的节点发送软信号：

6b)目的节点的天线接收源节点和中继节点同时发送的后半帧信号。

(7)目的节点译码：

7a)目的节点计算每根接收天线的等效接收噪声方差；

7b)目的节点对一帧接收信号进行译码。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明在源节点和中继节点都采用了空时网格编码，克服了现有技术中空时分组编码无法提供编码增益的问题，使得本发明具有更高的编码增益，更好的误帧率性能。

第二，由于本发明在中继节点协作转发时允许中继节点和源节点同时向目的节点发送信息，克服了现有技术只能分时协作的问题，使得本发明有更高的频谱效率。

第三，由于本发明采用了软信息转发技术，中继节点采用软编译码方法，转发软信号，克服了现有技术中错误传播严重影响网络性能的问题，使得本发明能够抑制错误传播，提升网络误帧率性能，更加适用于条件不理想的现实通信场景。

附图说明

图1为本发明两跳中继协作通信网络模型图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明空时网格编码的网格图；

图4为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明是在两跳中继协作通信网络中实现的。

参照附图1，本发明的两跳中继协作通信网络由一个源节点S、一个中继节点R和一个目的节点D组成。帧的通信过程分为前半帧时间和后半帧时间。图中虚线表示前半帧时间源节点向中继节点和目的节点广播发送X₁，实线表示后半帧时间源节点向目的节点发送信号X₂，同时中继节点向目的节点发送软译码并重新编码后的软信号X₃。目的节点在接收到一帧信号之后进行译码。

参照附图2，对本发明实现的步骤进行具体描述：

步骤1，源节点编码调制：

源节点将信息序列分别输入两个生成多项式不同的空时网格编码器进行编码，经M-PSK调制后输出两个不同的空时网格码字X₁,X₂。

步骤2，源节点广播信息：

在一帧的前半帧时间内，源节点通过发射天线向中继节点和目的节点广播发送码字X₁；中继节点和目的节点的天线分别接收来自源节点的前半帧信号。

中继和目的节点接收到的信号分别为：

Y_R＝GX₁+N_R

Y₁＝FX₁+N_D,

其中，Y_R表示中继节点接收的前半帧信号，G表示源节点到中继节点的信道矩阵，N_R表示中继节点的噪声，Y₁表示目的节点接收的前半帧信号，F表示源节点到目的节点的信道矩阵，N_D表示中继节点的噪声。

步骤3，中继节点软译码：

中继节点对接收的前半帧信号进行最大后验概率译码，译码器输出信息序列的后验概率。空时网格码的最大后验概率译码算法参见《空时编码技术》(BrankaVucetic,JinhongYuan,机械工业出版社，2004)。

步骤4，中继节点软编码调制：

首先中继节点将信息序列的后验概率进行软空时网格编码，得到编码输出的码字概率，然后计算码字M-PSK调制后的符号软信息，再对符号软信息功率归一化，得到待发送的软信号。

本发明中的软空时网格编码的步骤如下：

第一步，构造空时网格编码的网格图；

参照附图3，空时网格编码的网格图中包含当前时刻状态及下一时刻状态，每个时刻的状态都包含0到M-1，共M种状态；若前后两个状态通过直线分支相连，则表示能够通过输入信息序列使得前一状态转变为后一状态；分支代表状态之间的转移关系，每条分支都有其对应的输入和输出；

第二步，将网格图中当前时刻的状态设置为0，得到网格图中当前时刻状态的概率：当前时刻状态为0的概率等于1，状态为1的概率等于0；

第三步，按照下式，计算下一时刻编码输出的码字概率：

其中，P(c)表示下一时刻编码输出的码字为c的概率，c表示编码输出的码字，S表示网格图中与输出码字为c的分支相连的状态，P(b(S))表示输入信息序列为b(S)的后验概率，b(S)表示在S状态时，与c对应的输入信息序列，P(S)表示网格图中当前时刻状态为S的概率；

第四步，按照下式，计算下一时刻状态的概率：

其中，P(S1)表示网格图中下一时刻状态为S1的概率，S0表示网格图中与S1相连的状态，P(b(S0,S1))表示信息序列为b(S0,S1)的后验概率，b(S0,S1)表示导致状态从S0变为S1的输入信息序列，P(S0)表示当前时刻状态为S0的概率；

第五步，判断是否得到所有的后半帧码字概率，如果是，则编码结束，否则，将第四步得到的状态的概率作为当前时刻状态的概率，执行第三步。

本发明中的计算码字M-PSK调制后的符号软信息是按照下式计算：

其中r_m表示第m时刻的符号软信息，c_m表示第m时刻可能的码字，P(c_m)表示第m时刻的编码码字为c_m的概率，Mod(c_m)表示c_m调制后的符号，Mod(·)表示调制符号。

本发明中的符号软信息功率归一化的步骤如下：

第一步，计算符号软信息的均方值；

第二步，用天线的额定发射功率除以软信息的均方值得到功率系数；

第三步，用符号软信息的值乘以功率系数得到软信号的值。

步骤5，中继节点计算软信号的等效均值和等效噪声方差，将等效均值和等效噪声方差信号发送至目的节点。

计算软信号的等效均值和等效噪声方差的步骤如下：

第一步，按照下式，将软信号分为两部分：

x₃＝μx_R+n

其中，x₃表示中继节点发送的软信号，μ表示软信号的等效均值，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号，n表示等效噪声；

第二步，按照下式，计算等效均值：

其中，μ表示软信号的等效均值，E{·}表示求平均符号，x₃表示中继节点发送的软信号，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号；

第三步，按照下式，计算等效噪声方差：

σ²＝E{(x₃-μx_R)²}

其中，σ²表示等效噪声n的方差，E{·}表示求平均符号，x₃表示中继节点发送的软信号，μ表示软信号的等效均值，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号。

步骤6，源节点和中继节点同时发送信号至目的节点：

在一帧的后半帧时间内，源节点向目的节点发送码字X₂，同时中继节点向目的节点发送软信号；目的节点的天线接收源节点和中继节点同时发送的后半帧信号。前后两个半帧发送的信号可以组成一个空时码字矩阵：

其中，X表示前后两个半帧发送的信号组成的空时码字矩阵，X₃表示中继后半帧发送的软信号矩阵。

步骤7，目的节点译码：

目的节点计算每根接收天线的等效接收噪声方差，然后目的节点对一帧接收信号进行译码。计算每根接收天线等效接收噪声方差的步骤如下：

第一步，目的节点进行信道估计，得到中继节点每根天线到目的节点每根天线的信道衰落系数；

第二步，按照下式，计算目的节点每根天线的等效接收噪声方差：

其中,N_j表示目的节点第j根天线的等效接收噪声方差，N₀表示接收天线的实际噪声方差，h_j,i表示中继节点第i根天线到目的节点第j根天线的信道衰落系数，n_R表示中继节点的天线数，表示中继节点第i根天线发送的软信号的等效噪声方差。

目的节点将一帧的接收信号进行最大后验概率译码，算法中分支度量按照下式计算：

其中，n_D表示目的节点的天线数，y_1,j表示目的节点第j根天线接收的前半帧信号，n_S表示源节点的天线数，f_j,k表示源节点第k根天线到目的节点第j根天线的信道衰落系数，x_1,k表示源节点第k根天线前半帧发送的信号，N₀表示目的节点的实际噪声方差，y_2,j表示目的节点第j根天线接收的后半帧信号，x_2,k表示源节点第k根天线后半帧发送的信号，h_j,_i表示中继节点第i根天线到目的节点第j根天线的信道衰落系数，n_R表示中继节点的天线数，μ_i表示中继第i根天线发送的软信号的等效均值，x_R,i表示中继第i根天线发送的软信号对应的中继译码正确时的预期发送信号，N_j表示目的节点第j根天线的等效接收噪声方差。

空时网格码的最大后验概率译码算法参见《空时编码技术》(BrankaVucetic,JinhongYuan,机械工业出版社，2004)。

下面结合附图4的仿真对本发明的效果做进一步的描述：

1.仿真条件:

本发明对提出的软信息分布式空时网格码中继传输方法进行了仿真。源节点、中继节点和目的节点均只有一根天线，源节点码字X₁对应的生成多项式为码字X₂对应的生成多项式为中继节点编码的生成多项式为调制方式为QPSK,每帧包含130个符号；信道为慢衰落瑞利信道，信道衰落系数在一帧内保持不变，帧与帧之间独立变化；源节点到中继节点信道的平均信噪比为γ1，源节点到目的节点信道的平均信噪比为γ2，中继节点到目的节点信道的平均信噪比为γ3；中继节点和目的节点已知信道状态信息并采用最大后验概率译码算法。

2.仿真内容

仿真1，每条信道的平均信噪比相同，γ1＝γ2＝γ3时，分别对本发明、现有的传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法和中继译码完全正确条件下的理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法进行了仿真。

参照附图4仿真图对本发明的效果做进一步描述。图4(a)为性能仿真图，其中，图4(a)中的横坐标表示源节点到中继节点的信道平均信噪比γ1，纵坐标表示目的节点译码的误帧率FER，图4(a)中各曲线表示的意义如下：

带三角形的实线曲线表示本发明的误帧率性能仿真曲线；

带圆圈的实线曲线表示传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线；

虚线曲线表示理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线。

由图4(a)可以看出，本发明的性能曲线比传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法的性能曲线更低，随着源节点到中继节点的信道平均信噪比γ1增大，本发明曲线的下降速度较传统方法更快，这说明本发明较传统方法误帧率更小，性能有较大增益，由于错误传播，传统方法的误帧率性能非常差，在误帧率FER＝10^-2时，本发明要比传统方法性能有大概8dB增益。

仿真2，源节点到目的节点信道的平均信噪比γ2与中继节点到目的节点信道的平均信噪比γ3相同，源节点到中继节点的信道平均信噪比γ1＝γ2+10dB时，分别对本发明、现有的传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法和中继译码完全正确条件下的理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法进行了仿真。

图4(b)为性能仿真图，其中，图4(b)中的横坐标表示源节点到目的节点的信道平均信噪比γ2，纵坐标表示目的节点译码的误帧率FER，图4(b)中各曲线表示的意义如下：

带三角形的实线曲线表示本发明的误帧率性能仿真曲线；

带圆圈的实线曲线表示传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线；

虚线曲线表示理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线。

由图4(b)可以看出，本发明的性能曲线低于传统方法的性能曲线。从图4(b)与图4(a)的对比中可以看出，源节点到中继节点的信道平均信噪比γ1越大，本发明的性能曲线越接近理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法的性能曲线。这说明随着源节点到中继节点信道的信噪比增加，本发明的性能逼近理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法性能。

仿真3，源节点到中继节点的信道平均信噪比γ1＝20dB，源节点到目的节点信道的平均信噪比γ2与中继节点到目的节点信道的平均信噪比γ3相同时，分别对本发明、现有的传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法和中继译码完全正确条件下的理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法进行了仿真，图4(c)为性能仿真图，其中，图4(c)中的横坐标表示中继节点到目的节点的信道平均信噪比γ3，纵坐标表示目的节点译码的误帧率FER，图4(c)中各曲线表示的意义如下：

带三角形的实线曲线表示本发明的误帧率性能仿真曲线；

带圆圈的实线曲线表示传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线；

虚线曲线表示理想译码转发分布式空时网格码中继传输方法的误帧率性能仿真曲线。

由图4(c)可以看出，传统方法的性能曲线在中继节点到目的节点的信道平均信噪比γ3>15dB时不再下降，而本发明的性能曲线一直下降，这说明在源节点到中继节点信道的信噪比不高时，传统译码转发分布式空时网格码中继传输方法性能非常差，由于错误传播的影响，即使源节点到目的节点和中继节点到目的节点的信道信噪比很高，其误帧率性能也很快出现错误平层。而本发明可以有效的抑制错误传播，其误帧率性能不会出现错误平层。

Claims (7)

1.基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，包括步骤如下：

（1）源节点编码调制：

源节点将拟发送的信息序列分别输入给两个生成多项式不同的空时网格编码器进行编码，经M-PSK调制后输出两个不同的空时网格码字X₁,X₂；

（2）源节点广播信息：

2a）在一帧的前半帧时间内，源节点通过发射天线向中继节点和目的节点广播发送码字X₁；

2b）中继节点和目的节点的天线分别接收来自源节点的前半帧信号；

（3）中继节点软译码：

中继节点对接收的前半帧信号进行最大后验概率译码，译码器输出信息序列的后验概率；

（4）中继节点软编码调制：

4a）中继节点将信息序列的后验概率进行软空时网格编码，得到编码输出的码字概率；

4b）计算码字M-PSK调制后的符号软信息；

4c）对符号软信息功率归一化，得到待发送的软信号；

（5）中继节点计算软信号的等效均值和等效噪声方差，将等效均值和等效噪声方差信号发送至目的节点；

（6）源节点和中继节点同时发送信号至目的节点：

6a）在一帧的后半帧时间内，源节点向目的节点发送码字X₂，同时中继节点向目的节点发送软信号：

6b）目的节点的天线接收源节点和中继节点同时发送的后半帧信号；

（7）目的节点译码：

7a）目的节点计算每根接收天线的等效接收噪声方差；

7b）目的节点对一帧接收信号进行译码。

2.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤4a）中所述的软空时网格编码的步骤如下：

第一步，构造空时网格编码的网格图；

第二步，将网格图中当前时刻的状态设置为0，得到网格图中当前时刻状态的概率；

第三步，按照下式，计算下一时刻编码输出的码字概率：

其中，P(c)表示下一时刻编码输出的码字为c的概率，c表示编码输出的码字，S表示网格图中与输出码字为c的分支相连的状态，P(b(S))表示输入信息序列为b(S)的后验概率，b(S)表示在S状态时，与c对应的输入信息序列，P(S)表示网格图中当前时刻状态为S的概率；

第四步，按照下式，计算下一时刻状态的概率：

其中，P(S1)表示网格图中下一时刻状态为S1的概率，S0表示网格图中与S1相连的状态，P(b(S0,S1))表示信息序列为b(S0,S1)的后验概率，b(S0,S1)表示导致状态从S0变为S1的输入信息序列，P(S0)表示当前时刻状态为S0的概率；

第五步，判断是否得到所有的后半帧码字概率，如果是，则编码结束，否则，将第四步得到的状态的概率作为当前时刻状态的概率，执行第三步。

3.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤4b）中所述的计算码字M-PSK调制后的符号软信息是按照下式计算：

其中，r_m表示第m时刻的符号软信息，c_m表示第m时刻编码输出的码字，P(c_m)表示第m时刻的编码输出的码字为c_m的概率，Mod(c_m)表示c_m调制后的符号，Mod(·)表示调制符号。

4.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤4c）中所述符号软信息功率归一化的步骤如下：

第一步，计算符号软信息的均方值；

第二步，用天线的额定发射功率除以软信息的均方值得到功率系数；

第三步，用符号软信息的值乘以功率系数得到软信号的值。

5.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤（5）中所述计算软信号的等效均值和等效噪声方差的步骤如下：

第一步，按照下式，将软信号分为两部分：

x₃=μx_R+n

其中，x₃表示中继节点发送的软信号，μ表示软信号的等效均值，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号，n表示等效噪声；

第二步，按照下式，计算等效均值：

其中，μ表示软信号的等效均值，E{·}表示求平均符号，x₃表示中继节点发送的软信号，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号；

第三步，按照下式，计算等效噪声方差：

σ²=E{(x₃-μx_R)²}

其中，σ²表示等效噪声n的方差，E{·}表示求平均符号，x₃表示中继节点发送的软信号，μ表示软信号的等效均值，x_R表示x₃对应的中继节点译码正确时的预期发送信号。

6.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤7a）中所述计算每根接收天线等效接收噪声方差的步骤如下：

第一步，目的节点进行信道估计，得到中继节点每根天线到目的节点每根天线的信道衰落系数；

第二步，按照下式，计算目的节点每根天线的等效接收噪声方差：

其中,N_j表示目的节点第j根天线的等效接收噪声方差，N₀表示接收天线的实际噪声方差，h_j,i表示中继节点第i根天线到目的节点第j根天线的信道衰落系数，n_R表示中继节点的天线数，表示中继节点第i根天线发送的软信号的等效噪声方差。

7.根据权利要求1所述的基于软信息的分布式空时网格码中继传输方法，其特征在于，步骤7b）中所述的译码采用最大后验概率译码算法。