CN106027135A - 一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法，分为三个时隙进行，基本流程如下，第一个时隙，用户A对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户B和中继R，第二个时隙，用户B对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户A和中继R，第三个时隙，中继R根据前两个时隙接收到的信号决定是否进行转发。如果前两个时隙接收到的平均信号强度都高于预先设定的阈值，则中继对接收到的信号进行差分相乘并广播给两个用户A和B。此外，本发明中两个用户终端A和B在不同的时隙发送信号，不需要严格时间同步,从而降低了实现复杂度。

Description

一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法

技术领域

本发明涉及一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法。

背景技术

近年来,用户对视频点播等高速无线数据业务的需求日益增强，这对无线网络的覆盖和带宽提出了更高的要求。然而由于无线电波信号在空气中随着传输距离的增加而迅速衰减，在发射功率一定的制约下,无线通信系统中发射端和接收端的通信距离受到一定的限制。当发射端和接收端的距离较远时，传输误码率就会显著增加。

通过在发射端和接收端中间引入中继终端进行信号的转发,可以在一定程度上降低终端功率消耗,增大传输距离，降低误码率。其中无线双向中继技术由于其较低的实现复杂度和较高的传输效率,在近年来得到了业界广泛关注。典型的无线双向中继系统如图1所示，其中两个用户终端A和B在中继终端R的帮助下进行双向通信。

对于无线双向中继通信系统，如果采用相干通信，用户终端以及中继终端都需要进行信道估计。与传统的没有中继的点对点直接通信系统相比，无线双向中继通信系统中的信道估计非常复杂，将大大增加两个用户终端的复杂度。为避免信道估计，可以采用非相干的差分双向中继传输技术。例如文献[1]中提出了基于解码转发的部分非相干差分中继传输方法，其中两个用户终端不需要进行信道估计，但中继终端仍然需要通过信道估计获得信道信息,以便进行信号检测与转发。

即第一个时隙，两个用户终端A和B同时发送信号给中继终端R，第二个时隙，中继终端对在第一个时隙中接收到的信号进行处理后广播给两个用户终端A和B。这种两个时隙的双向中继通信传输技术存在一定的缺点：一是没有利用到两个用户终端A和B之间的直接链路，因此性能不是最优的；二是在第一个时隙中，需要两个用户终端A和B实现严格时间同步以确保中继终端R能顺利进行信号检测和转发，然而在实际的系统中是很难实现严格时间同步的。

发明内容

为解决上述问题，本发明针对现有方法的不足，提出一种基于信道质量的差分相乘中继网络编码传输方法，分为三个时隙进行，基本流程如下:

1)第一个时隙，用户A对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户B和中继R。

2)第二个时隙，用户B对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户A和中继R。

3)第三个时隙，中继R根据前两个时隙接收到的信号决定是否进行转发。如果前两个时隙接收到的平均信号强度都高于预先设定的阈值，则中继对接收到的信号进行差分相乘并广播给两个用户A和B。否则中继R在第三个时隙不进行信号转发。

4)在第三个时隙结束时，用户A和B分别根据各自的接收信号进行差分检测来估计对方的发送信号。

与现有方法相比，本发明采用三个时隙进行数据传输，从而可以利用直接链路提高接收信号质量，降低误码率。此外，本发明中两个用户终端A和B在不同的时隙发送信号，不需要严格时间同步,从而降低了实现复杂度。

附图说明

图1、为本发明提出的基于信道质量的三时隙差分相乘双向中继传输技术；

图2、为传统的基于两个时隙的差分双向中继传输技术；

图3、本发明提出的传输方法在瑞利衰落信道下的误码率性能。

具体实施方式

本发明提出的技术方案具体步骤如下：

1)第一个时隙，用户A对第k个需要发送的信息符号s₁(k)进行差分多进制相位调制(DMPSK)，得到发送符号x₁(k)，具体的DMPSK调制方式为：x₁(k)＝x₁(k-1)s₁(k),k＝1,…,K，其中K为需要发送的符号数目，x₁(0)是初始参考相位符号。用户A将x₁(k)广播给用户B和中继R。

2)第一个时隙用户B接收到的信号为

y_B,1(k)＝h_ABx₁(k)+z_B,1(k) (1)

其中h_AB表示从用户A到用户B的直接链路信道系数，z_B,1(k)表示用户B的高斯白噪声。

3)第一个时隙中继R接收到的信号为

y_R,1(k)＝h_ARx₁(k)+z_R,1(k) (2)

其中h_AR表示从用户A到中继R的中继链路信道系数，z_R，1(k)表示中继R的高斯白噪声。

4)第二个时隙，用户B对第k个需要发送的信息符号s₂(k)进行差分多进制相位调制(DMPSK)，得到发送符号x₂(k)，具体的DMPSK调制方式为：x₂(k)＝x₂(k-1)s₂(k),k＝1,…,K，其中K为需要发送的符号数目，x₂(0)是初始参考相位符号。用户B将x₂(k)广播给用户A和中继R。

5)第二个时隙用户A接收到的信号为

y_A,2(k)＝h_BAx₂(k)+z_A,2(k) (3)

其中h_BA表示从用户B到用户A的直接链路信道系数，z_A，2(k)表示用户A的高斯白噪声。

6)第二个时隙中继R接收到的信号为

y_R,2(k)＝h_BRx₂(k)+z_R,2(k) (4)

其中h_BR表示从用户B到中继R的中继链路信道系数，z_R，2(k)表示中继R的高斯白噪声。

7)第三个时隙，中继R根据前两个时隙接收到的信号决定是否进行转发。分为两种情况分别处理：

a)情况1：如果前两个时隙接收到的平均信号强度都高于预先设定的阈值γ₀,即

E[|y_R,1(k)|²]>γ₀,E[|y_R,2(k)|²]>γ₀, (5)

则中继R将前两个时隙接收到的信号进行直接相乘后得到

x_R(k)＝a_Ry_R,1(k)y_R,2(k) (6)

其中a_R是中继R的放大因子，当中继允许发送的最大功率为P_R时，a_R可以计算为

$a_R=\sqrt{\frac{{\mathrm{KP}}_R}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{\left|y_{R,1}\left(k\right)y_{R,2}\left(k\right)\right|}^2}}---\left(7\right)$

然后中继将x_R(k)广播给两个用户A和B。两个用户接收到的信号为

y_A,3(k)＝h_RAx_R(k)+z_A,3(k) (8)

y_B,3(k)＝h_RBx_R(k)+z_B,3(k) (9)

其中h_RA和h_RB分别表示从中继R到用户A和用户B的中继链路信道系数，z_A，3(k)和z_B，3(k)分别表示用户A和用户B的高斯白噪声。

b)情况2：第三个时隙，如果中继终端R前两个时隙接收到的平均信号强度没有满足公式(5)，则中继R在第三个时隙不进行信号转发。

8)在第三个时隙结束时，用户A和B分别根据自己的接收信号进行差分检测来估计对方的发送信号。以用户A为例，如果中继R在第三个时隙不进行信号转发，则用户A只在第二个时隙收到用户B从直接链路发送的信号y_A，2(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_2\left(k\right)=\underset{s_2\left(k\right)}{\arg \min }\left|\right|y_{A,2}\left(k\right)-y_{A,2}(k-1)s_2\left(k\right)|{|}^2---\left(10\right)$

如果中继R在第三个时隙进行了信号转发，则用户A在第二个时隙和第三个时隙分别接收到了直接链路信号y_A，2(k)和中继链路信号y_A，3(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_2\left(k\right)=\underset{s_2\left(k\right)}{\mathrm{argmin}}\left\{\right||y_{A,2}\left(k\right)-y_{A,2}(k-1)s_2\left(k\right)|{|}^2+\left|\right|y_{A,3}\left(k\right)-y_{A,3}(k-1)s_1\left(k\right)s_2\left(k\right)\left|{|}^2\right\}---\left(11\right)$

9)用户B处的检测方法与用户A类似。如果中继R在第三个时隙不进行信号转发，则用户B只在第一个时隙收到用户A从直接链路发送的信号y_B,1(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_1\left(k\right)=\underset{s_1\left(k\right)}{\arg \min }\left|\right|y_{B,1}\left(k\right)-y_{B,1}(k-1)s_1\left(k\right)|{|}^2---\left(12\right)$

如果中继R在第三个时隙进行了信号转发，则用户B在第一个时隙和第三个时隙分别接收到了直接链路信号y_B，1(k)和中继链路信号y_B，3(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_1\left(k\right)=\underset{s_1\left(k\right)}{\arg \min }\left\{\right||y_{B,1}\left(k\right)-y_{B,1}(k-1)s_1\left(k\right)|{|}^2+\left|\right|y_{B,3}\left(k\right)-y_{B,3}(k-1)s_2\left(k\right)s_1\left(k\right)\left|{|}^2\right\}---\left(13\right)$

本发明的关键点在于所提出的技术方案具体步骤7、步骤8以及步骤9.具体如下：

步骤7：第三个时隙，中继R根据前两个时隙接收到的信号决定是否进行转发。分为两种情况分别处理：

a)情况1：如果前两个时隙接收到的平均信号强度都高于预先设定的阈值γ₀,即

E[|y_R,1(k)|²]>γ₀,E[|y_R,2(k)|²]>γ₀, (14)

则中继R将前两个时隙接收到的信号进行直接相乘后得到

x_R(k)＝a_Ry_R,1(k)y_R,2(k) (15)

其中a_R是中继R的放大因子，当中继允许发送的最大功率为P_R时，a_R可以计算为

$a_R=\sqrt{\frac{{\mathrm{KP}}_R}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{\left|y_{R,1}\left(k\right)y_{R,2}\left(k\right)\right|}^2}}---\left(16\right)$

然后中继将x_R(k)广播给两个用户A和B。

步骤8：在第三个时隙结束时，用户A根据自己的接收信号进行差分检测来估计对方的发送信号。如果中继R在第三个时隙不进行信号转发，则用户A只在第二个时隙收到用户B从直接链路发送的信号y_A，2(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_2\left(k\right)=\underset{s_2\left(k\right)}{\arg \min }\left|\right|y_{A,2}\left(k\right)-y_{A,2}(k-1)s_2\left(k\right)|{|}^2---\left(17\right)$

如果中继R在第三个时隙进行了信号转发，则用户A在第二个时隙和第三个时隙分别接收到了直接链路信号y_A，2(k)和中继链路信号y_A，3(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_2\left(k\right)=\underset{s_2\left(k\right)}{\mathrm{argmin}}\left\{\right||y_{A,2}\left(k\right)-y_{A,2}(k-1)s_2\left(k\right)|{|}^2+\left|\right|y_{A,3}\left(k\right)-y_{A,3}(k-1)s_1\left(k\right)s_2\left(k\right)\left|{|}^2\right\}---\left(18\right)$

步骤9：用户B处的检测方法与用户A类似。如果中继R在第三个时隙不进行信号转发，则用户B只在第一个时隙收到用户A从直接链路发送的信号y_B，1(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_1\left(k\right)=\underset{s_1\left(k\right)}{\arg \min }\left|\right|y_{B,1}\left(k\right)-y_{B,1}(k-1)s_1\left(k\right)|{|}^2---\left(19\right)$

如果中继R在第三个时隙进行了信号转发，则用户B在第一个时隙和第三个时隙分别接收到了直接链路信号y_B，1(k)和中继链路信号y_B，3(k)，相应的差分检测算法为：

${\hat{s}}_1\left(k\right)=\underset{s_1\left(k\right)}{\mathrm{argmin}}\left\{\right||y_{B,1}\left(k\right)-y_{B,1}(k-1)s_1\left(k\right)|{|}^2+\left|\right|y_{B,3}\left(k\right)-y_{B,3}(k-1)s_2\left(k\right)s_1\left(k\right)\left|{|}^2\right\}---\left(20\right)$

本发明提出的方法可以获得2阶分集效果，从而可以大大降低信号传输的误码率。在瑞利衰落信道下的仿真结果(附图3)显示，当信噪比为40dB时，文献[2]中传统的两时隙差分传输方法误码率为2×10^-4，而本发明提出的方法的误码率仅为2×10^-5。此外，与文献[2]中传统的两时隙差分传输方法相比，本发明中两个用户终端A和B在不同的时隙发送信号，不需要严格时间同步,从而降低了实现复杂度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法，提出一种基于信道质量的差分相乘中继网络编码传输方法，分为三个时隙进行，基本流程如下:

第一个时隙，用户A对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户B和中继R。

第二个时隙，用户B对需要发送的信息符号进行差分调制，将调制后的符号广播给用户A和中继R。

第三个时隙，中继R根据前两个时隙接收到的信号决定是否进行转发。如果前两个时隙接收到的平均信号强度都高于预先设定的阈值，则中继对接收到的信号进行差分相乘并广播给两个用户A和B。否则中继R在第三个时隙不进行信号转发。

2.根据权利要求1所述的一种基于信道质量的差分相乘双向中继传输方法，在第三个时隙结束时，用户A和B分别根据各自的接收信号进行差分检测来估计对方的发送信号。