CN105337703B - 一种协作通信系统中的满分集的频率翻转传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对存在载波频率偏移的协作通信系统的传输方案，属于无线通信领域。本发明解决的问题是：针对协作通信系统中存在的载波频率偏移，使得信号传输的可靠性急剧下降的问题，提出了一种频率翻转的编码方案和一种低复杂度的迫零译码方法。本发明的主要算法的核心部分在于编码码字的频率翻转，使得协作通信系统的中继节点与目的节点之间的等效信道矩阵是一个复正交矩阵，目的节点对接收到的信号进行简单的处理就可以正确地还原发射信号。通过与目前已有的一些方法相比较，本发明提出的方法使得协作通信系统的可靠性更高，并且译码复杂度更低。

Description

一种协作通信系统中的满分集的频率翻转传输方法

技术领域

本发明主要针对协作通信系统中存在载波频率偏移的特点，提出了一种可靠性高的信号传输方法。

背景技术

多中继(Multi-relay)协作通信系统的每个协作节点只需要配置一根天线，就构造出了一个虚拟的多输入单输出(multiple-input single-output，MISO)无线通信系统，这项技术被公认为一项有前途的可以提高无线通信网络可靠性的技术。

采用分布式空时分组码(distributed space-time block codes，DSTBCs)的同步协作通信系统能够获得满分集增益，即提高了协作通信系统的信号传输可靠性。但是，同步协作通信系统的传输可靠性依赖于精确的各协作节点之间的精确同步，这大大增加了中继节点的成本。

由于协作通信网络的分布式特性，分布式中继节点的异步性造成多时偏(multiple timing offsets，MTOs) 和多载波频偏(multiple carrier frequencyoffsets，MCFOs)的存在，这将破坏目的节点所接收到的信号的编码结构，从而大大降低了协作通信系统的可靠性。

对于存在多时偏和多载波频偏的协作通信系统，传统的分布式空时分组码将不再适用。研究者们倾向于研究新的空时编码和相应的译码器以及正交频分复用(orthogonalfrequency-division multiplexing，OFDM) 技术来提高协作通信系统鲁棒性和可靠性。而协作通信系统对于多载波频偏是十分敏感的，因此削减多载波频偏对通信可靠性的影响变得异常艰难。目前存在的对抗多载波频偏的方法主要是开发了新的空频编码以及相应的译码器，协作通信系统的可靠性有所提高，但是编码增益和译码复杂度都有待提高。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新的空频编码——频率翻转Alamouti码(frequency reversal Alamouti code，FRAC)，并开发了相应的复杂度很低的译码器，使得存在载波频偏的协作通信系统的传输可靠性大大提高。

发明内容

本发明的目的：针对协作通信系统中存在的载波频偏，设计了一种新的适用于仅存在载波频偏的二中继译码转发协作通信网络的空频编码——频率翻转Alamouti码，并设计了相应的低复杂度的迫零译码器，以提高协作通信系统的信号传输可靠性。

整个二中继协作通信系统的模型如图1所示。整个协作通信系统由一个源节点，两个中继节点以及一个目的节点组成。

整个系统有如下两个模块的设计：

模块一、中继节点中的编码设计。

模块二、目的节点中的译码设计。

模块一中，频率翻转Alamouti码(FRAC)的结构的详细说明如表1所示。

表1

表1中，s₁和s₂是频域中两个连续的具有N个子载波的OFDM信号块，和分别表示s₁和s₂的翻转信号。翻转的目的是使得中继节点与目的节点之间的等效信道矩阵复正交化。

模块二中，我们用y₁和y₂′分别表示目的节点在第1个和第2个OFDM信号持续时间里接收到的信号的频域表示。y₁和y₂′由以下公式得到：

y₁＝H₁s₁+H₂s₂+n₁

其中，H₁＝h₁WF(ε₁)W^H和H₂＝h₂WF(ε₂)W^H分别表示中继节点R₁和R₂到目的节点的等效信道矩阵，h₁和h₂表示中继节点R₁和R₂到目的节点的信道增益，ε₁和ε₂分别表示中继节点R₁和R₂到目的节点的归一化载波频偏。W是N×N维的离散傅立叶变换矩阵，W^H是相应的离散傅立叶反变换矩阵。函数 F(ε)被定义为n₁和n₂分别是第1个和第2个OFDM信号持续时间里频域加性高斯噪声。

定义那么y₂就可以由以下公式得到：

其中，和分别表示H₁和H₂进行180度旋转后得到的矩阵，表示n₂的翻转信号。

接收信号的频域表示可以写成块矩阵的形式如下：

迫零均衡的方法如下：

其中，

译码即根据中继节点使用的信号星座将迫零均衡得到的进行译码。迫零均衡和译码两个步骤合称为迫零译码。

附图说明

附图说明用于提供对本发明技术方案的进一步理解，并构成说明书的一部分，与本发明的实施一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图说明如下：

图1为一个二中继协作通信网络的系统模型。

图2表示源节点传输方案图。

图3表示中继节点传输方案框图。

图4表示目的节点译码方案框图。

具体实施方式

以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

下面具体说明算法的执行过程。

步骤一、源节点发射过程(如图2)，包含步骤101、步骤102及步骤103。

步骤101、调制。依据信号星座将二进制的数据流调制成信号。

步骤102、快速离散傅立叶反变换。将调制信号按照每个OFDM块的大小N进行分块，对每块实施快速离散傅立叶反变换。

步骤103、上变频。将变换后的信号结合本地载波进行变频，将变频后的信号发射给中继节点R₁和R₂。

步骤二、中继节点译码转发过程(如图3)，包含步骤201、步骤202、步骤203、步骤204、步骤205、步骤206、步骤207及步骤208。

步骤201、下变频。将接收到的信号结合本地载波进行下变频。

步骤202、快速离散傅立叶变换。将变频后的每个OFDM信号实施快速离散傅立叶变换。

步骤203、译码。将变换后的信号进行译码。

步骤204、解调。将译码后的信号进行解调。

步骤205、重新调制。将解调后得到的新的二进制数据流重新依据信号星座进行调制，注意两个中继节点须使用同一信号星座。

步骤206、编码。将调制信号依据频率翻转Alamouti码(FRAC)的结构进行编码。

步骤207、快速离散傅立叶反变换。将编码后的信号按照每个OFDM块的大小N进行分块，对每块实施快速离散傅立叶反变换。

步骤208、上变频。将变换后的信号结合本地载波进行变频，中继节点R₁和R₂同时将变频后的信号发射给目的节点。

步骤三、目的节点接收并译码过程(如图4)，包含步骤301、步骤302、步骤303及步骤304。

步骤301、下变频。将接收到的信号结合本地载波进行下变频。

步骤302、快速离散傅立叶变换及线性操作。将变频后的每个OFDM信号实施快速离散傅立叶变换，并且还须按照公式进行翻转及取共轭的操作。

步骤303、迫零均衡。将步骤302输出的频域信号按照公式实施均衡操作。

步骤304、译码及解调。将均衡后的信号进行译码及解调，得到解码后的二进制数据流。整个协作通信系统的信号传输过程完成。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的系统结构和各个步骤可以用通用的通信装置来实现。

虽然本发明所示出和描述的实施方式如上，但是所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上以及细节上做任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (1)

1.一种协作通信系统中的满分集的频率翻转传输方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、源节点发射过程，包含步骤101、步骤102及步骤103，如下：

步骤101、调制，依据信号星座将二进制的数据流调制成信号；

步骤102、快速离散傅立叶反变换，将调制信号按照每个OFDM块的大小N进行分块，对每块实施快速离散傅立叶反变换；

步骤103、上变频，将变换后的信号结合本地载波进行变频，将变频后的信号发射给中继节点R₁和R₂；

步骤二、中继节点译码转发过程，将重新调制得到的信号依据频率翻转Alamouti码(FRAC)的结构进行编码，包含步骤201、步骤202、步骤203、步骤204、步骤205、步骤206、步骤207及步骤208，如下：

步骤201、下变频，将接收到的信号结合本地载波进行下变频；

步骤202、快速离散傅立叶变换，将变频后的每个OFDM信号实施快速离散傅立叶变换；

步骤203、译码，将变换后的信号进行译码；

步骤204、解调，将译码后的信号进行解调；

步骤205、重新调制，将解调后得到的新的二进制数据流重新依据信号星座进行调制，两个中继节点须使用同一信号星座；

步骤206、编码，将调制信号依据频率翻转Alamouti码(FRAC)的结构进行编码；

频率翻转Alamouti码(FRAC)的结构如表1所示，

表1

表1中，s₁和s₂是频域中两个连续的具有N个子载波的OFDM信号块，和分别表示s₁和s₂的翻转信号；

步骤207、快速离散傅立叶反变换，将编码后的信号按照每个OFDM块的大小N进行分块，对每块实施快速离散傅立叶反变换；

步骤208、上变频，将变换后的信号结合本地载波进行变频，中继节点R₁和R₂同时将变频后的信号发射给目的节点；

步骤三、目的节点接收并译码过程，对得到的频域信号实施均衡操作，包含步骤301、步骤302、步骤303及步骤304，如下：

步骤301、下变频，将接收到的信号结合本地载波进行下变频；

步骤302、快速离散傅立叶变换及线性操作，将变频后的每个OFDM信号实施快速离散傅立叶变换，并且还须按照公式进行翻转及取共轭的操作；

y₂由以下公式得到：

其中，和分别表示H₁和H₂进行180度旋转后得到的矩阵，表示n₂的翻转信号；

y₁和y₂′分别表示目的节点在第1个和第2个OFDM信号持续时间里接收到的信号的频域表示；y₁和y₂′由以下公式得到：

y₁＝H₁s₁+H₂s₂+n₁

其中，H₁＝h₁WF(ε₁)W^H和H₂＝h₂WF(ε₂)W^H分别表示中继节点R₁和R₂到目的节点的等效信道矩阵，h₁和h₂表示中继节点R₁和R₂到目的节点的信道增益，ε₁和ε₂分别表示中继节点R₁和R₂到目的节点的归一化载波频偏；W是N×N维的离散傅立叶变换矩阵，W^H是相应的离散傅立叶反变换矩阵；函数F(ε)被定义为n₁和n₂分别是第1个和第2个OFDM信号持续时间里频域加性高斯噪声；

步骤303、迫零均衡，将步骤302输出的频域信号按照公式实施迫零均衡操作；

接收信号的频域表示可以写成块矩阵的形式如下：

迫零均衡的具体方法如下：

其中，

其中是目的节点在连续两个OFDM周期内接收到的OFDM信号的等效频域表示，H表示两个中继节点与目的节点之间的等效信道矩阵，h₁和h₂表示中继节点R₁和R₂到目的节点的信道增益；

步骤304、译码及解调，将均衡后的信号进行译码及解调，得到解码后的二进制数据流，整个协作通信系统的信号传输过程完成。