CN107154910A

CN107154910A - 基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法

Info

Publication number: CN107154910A
Application number: CN201710365059.4A
Authority: CN
Inventors: 高明; 尹天丽; 葛建华; 付少忠; 高洋; 刘刚
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: CN107154910B

Abstract

本发明提出了一种基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，旨在解决异步传输模式下协作通信系统误码率高的技术问题。实现步骤为：设计协作通信系统模型；源节点S获取已调信号和复共轭信号；源节点S通过广播信道将OFDM符号c_k发送给两个中继节点R₁和R₂；两个中继节点R₁和R₂获取放大信号r_kj；两个中继节点R₁和R₂根据Alamouti编码，分别通过中继信道将放大信号r_kj转发至目的节点D；目的节点D获取合并信号；目的节点D获取有效信号；目的节点D获取译码信号；目的节点D对译码信号进行解调，得到解调信号。本发明的传输可靠性高，可用于异步传输模式下两中继协作通信系统。

Description

基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种异步中继协作传输方法，具体涉及一种基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，可用于异步传输模式下两中继协作通信系统。

背景技术

在多输入多输出MIMO系统中，发射端采用Alamouti编码对发送信号进行编码，通过无线衰落信道进行传输，能够获得空间分集增益，提高信号传输的可靠性。然而，传输可靠性的提高以发射端和接收端天线数量的增加为代价，使得移动终端的尺寸、成本和收发端天线距离成为编码技术在现实MIMO系统中应用的制约因素。因此，协作通信技术应运而生。

协作通信技术是一种新型的空间分集技术。在协作通信系统中，通过利用中继节点协作转发源节点发送的信号，能够获得类似MIMO系统中的空间分集增益，即协作分集增益，有效降低传输损耗，提高通信可靠性。目前中继节点采用的基本转发方式有放大转发和译码转发方式，由于放大转发方式比较简单，因而得到广泛应用。

协作通信系统在实际通信中具有分布式特性：协作通信节点在空间上分布于若干不同的物理位置，导致目的节点接收到的不同中继节点转发的信号存在不同的时间延迟，使协作系统工作在异步传输模式。对于采用空时编码技术进行信息传输的协作通信系统，在异步传输模式下，目的节点的接收信号不满足空时编码结构，从而使协作通信系统能够获得的分集增益下降，导致协作通信系统误码率升高，系统传输可靠性下降。

现有技术中源节点或中继节点对待发送信号添加循环前缀，中继节点对接收到的源节点所发送的信号进行再编码处理，采用放大转发或译码转发方式对处理后的信号进行转发，使目的节点接收的信号结构免遭异步传输的破坏，从而避免使异步协作通信产生中断，实现正常通信。此外，为了提高异步协作通信可靠性，现有技术在中继节点对接收信号的再编码过程中通常会采用分集性能好的空时分组编码技术。2014年5月作者MojtabaRahmati和Tolga M.Duman在IEEE Signal Processing Letters 21(5)上发表的论文“Spectrally Efficient Alamouti Code Structure in Asynchronous CooperativeSystems”，名称为“异步协作通信系统的高效Alamouti编码结构”，公开了一种异步协作传输方法，该方法主要是通过源节点采用补零方法对发送信号添加前缀，中继节点对接收到的信号进行复共轭运算和时间反转操作，并对处理后的信号进行放大转发，使目的节点接收的信号免遭异步传输的干扰，实现异步协作通信系统的正常通信。但该方法的缺陷是不能使异步协作通信系统获得最大分集增益，误码率较高，并且中继节点需要对接收信号进行复共轭运算和时间反转操作，增加了中继节点的计算复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，旨在解决异步传输模式下协作通信系统误码率高的技术问题。

本发明的具体思路是：在目的节点已知完整信道状态信息的条件下，源节点采用正交频分复用OFDM技术对待发送信号进行处理，对处理后的信号添加长度大于时间延迟的循环前缀，并将其发送给中继节点，中继节点对接收的信号进行放大，再根据Alamouti编码结构对放大信号进行转发，使目的节点接收到的信号具有Alamouti空时结构，从而获得满分集增益，降低误码率，提高系统传输可靠性。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案包括如下步骤：

(1)设计协作通信系统模型：包括工作于半双工模式的源节点S、中继节点R₁、中继节点R₂和目的节点D，每个节点装配有单根天线；

(2)源节点S获取已调信号和复共轭信号：

(2a)源节点S对待发送的2N比特信息进行调制，得到已调信息比特，其中，N为2的正整数次幂；

(2b)源节点S将已调信息比特平均分成两组，得到含有相等比特数的已调信号X₁和已调信号X₂：其中，X₁＝[X₁[0],X₁[1],...,X₁[N-1]]^T，X₂＝[X₂[0],X₂[1],...,X₂[N-1]]^T，T表示转置运算；

(2c)源节点S对已调信号X₁和已调信号X₂分别进行复共轭运算，得到复共轭信号和复共轭信号其中， *表示复共轭运算；

(3)源节点S通过广播信道将OFDM符号c_k发送给两个中继节点R₁和R₂：

(3a)源节点S对已调信号X₁、已调信号X₂、复共轭信号和复共轭信号分别进行N点IFFT，得到变换后的信号s_k，其中，k表示信号数量，且k＝1,2,3,4；

(3b)源节点S获取OFDM符号c_k：源节点S复制变换后的信号s_k的后G位分量，并将所复制的后G位分量作为循环前缀分别添加到变换后的信号s_k的前端，得到OFDM符号c_k，其中，G表示OFDM符号信息位，且其取值为不小于τ的正整数，τ表示最大时间延迟，且为小于N的正整数；

(3c)源节点S通过广播信道将OFDM符号c_k发送给两个中继节点R₁和R₂；

(4)两个中继节点R₁和R₂获取放大信号r_kj：

(4a)两个中继节点R₁和R₂分别接收通过广播信道的OFDM符号c_k，得到衰落信号y_aj和衰落信号y_bj；

(4b)两个中继节点R₁和R₂分别对衰落信号y_aj和衰落信号y_bj进行放大，得到放大信号r_kj；

(5)两个中继节点R₁和R₂根据Alamouti编码，分别通过中继信道将放大信号r_kj转发至目的节点D：

(5a)在第1个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号r₁₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₃₂转发至目的节点D；

(5b)在第2个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号-r₂₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₄₂转发至目的节点D；

(5c)在第3个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号r₃₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₁₂转发至目的节点D；

(5d)在第4个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号-r₄₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₂₂转发至目的节点D；

(6)目的节点D获取合并信号：

(6a)目的节点D在第1个OFDM符号间隔，接收放大信号r₁₁和放大信号r₃₂，得到合并信号y₁；

(6b)目的节点D在第2个OFDM符号间隔，接收放大信号-r₂₁和放大信号r₄₂，得到合并信号y₂；

(6c)目的节点D在第3个OFDM符号间隔，接收放大信号r₃₁和放大信号r₁₂，得到合并信号y₃；

(6d)目的节点D在第4个OFDM符号间隔，接收放大信号-r₄₁和放大信号r₂₂，得到合并信号y₄；

(7)目的节点D获取有效信号：目的节点D对合并信号y₁、合并信号y₂、合并信号y₃和合并信号y₄分别去除循环前缀，得到四组有效信号；

(8)目的节点D获取译码信号：

(8a)目的节点D对四组有效信号分别进行N点FFT，得到变换后的有效信号Z_k；

(8b)目的节点D采用Alamouti编码的译码方法，对变换后的有效信号Z_k进行译码，得到译码信号；

(9)目的节点D对译码信号进行解调，得到解调信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一、本发明通过源节点对已调信号及其复共轭信号添加循环前缀，获得OFDM符号，然后将OFDM符号发送给中继节点，中继节点根据Alamouti编码对接收信号进行放大转发，使得目的节点接收到的信号具有Alamouti空时结构，能够获得满分集增益，降低误码率，与现有技术相比，有效地提升了系统传输的可靠性。

第二、本发明为了使目的节点接收的信号具有Alamouti编码结构，需要中继节点对接收信号进行放大，根据Alamouti编码对放大后的信号进行转发，避免了现有技术中继节点对接收信号进行复共轭运算和时间反转操作，降低了中继节点的计算复杂度，使得协作通信变得更加简单。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明适用的协作通信系统模型的结构示意图；

图3为本发明与现有异步协作传输方法误码率的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，包括如下步骤：

步骤1，设计协作通信系统模型，其结构如图2所示：包括工作于半双工模式的源节点S、中继节点R₁、中继节点R₂和目的节点D，每个节点装配有单根天线；在第1个和第2个OFDM间隔内，广播信道S→R₁和S→R₂的衰落系数分别为和中继信道R₁→D和R₂→D的衰落系数分别为和在第3个和第4个OFDM间隔内广播信道S→R₁和S→R₂的衰落系数分别为和中继信道R₁→D和R₂→D的衰落系数分别为和信道S→R₁→D和S→R₂→D的时间延迟分别为τ₁和τ₂，且0＝τ₁＜τ₂。

步骤2，源节点S获取已调信号和复共轭信号：

步骤2a，源节点S对待发送的2N比特信息进行调制，得到已调信息比特，其中，N为2的正整数次幂；

步骤2b，源节点S将已调信息比特平均分成两组，得到含有相等比特数的已调信号X₁和已调信号X₂：其中，X₁＝[X₁[0],X₁[1],...,X₁[N-1]]^T，X₂＝[X₂[0],X₂[1],...,X₂[N-1]]^T，T表示转置运算；

步骤2c，源节点S对已调信号X₁和已调信号X₂分别进行复共轭运算，得到复共轭信号和复共轭信号其中， *表示复共轭运算。

步骤3，源节点S通过广播信道将OFDM符号c_k发送给两个中继节点R₁和R₂：

步骤3a，源节点S对已调信号X₁、已调信号X₂、复共轭信号和复共轭信号分别进行N点IFFT，得到变换后的信号sk，其中，k表示信号数量，且k＝1,2,3,4，则变换后的信号s_k的具体表达式分别为：

步骤3b，源节点S获取OFDM符号c_k：源节点S复制变换后的信号s_k的后G位分量，并将所复制的后G位分量作为循环前缀分别添加到变换后的信号s_k的前端，得到OFDM符号c_k，其中OFDM符号c_k的表达式可以表示为c_k＝[s_k[N-G],s_k[N-1],s_k[0],s_k[1],...,s_k[N-1]]^T，G表示OFDM符号信息位，且其取值为不小于τ的正整数，τ表示最大时间延迟，且为小于N的正整数；

步骤3c，源节点S通过广播信道将OFDM符号c_k发送给两个中继节点R₁和R₂。

步骤4，两个中继节点R1和R2获取放大信号r_kj：

步骤4a，两个中继节点R₁和R₂分别接收通过广播信道的OFDM符号c_k，得到衰落信号y_aj和衰落信号y_bj，其表达式分别为：

其中，a表示第a个OFDM符号间隔，且a＝1,2，b表示第b个OFDM符号间隔，且b＝3,4，j表示第j个中继节点，且j＝1,2，P₁表示源节点的发射功率，和分别表示在第a个和第b个OFDM符号间隔内广播信道的衰落系数，且相互独立，服从分布，n_aj,n_bj分别表示广播信道的高斯白噪声，服从CN(0,N₀)分布，当信号通过准静态平坦瑞利衰落信道时，信号会产生不同程度的衰落，信号衰落的幅值受信道衰落系数影响，同时信道中的加性高斯白噪声也会从不同程度上对信号产生干扰；

步骤4b，两个中继节点R₁和R₂分别对衰落信号y_aj和衰落信号y_bj进行放大，得到放大信号r_kj，其表达式为：r_kj＝ρy_kj，其中，ρ表示放大因子，且P₂表示中继节点的发射功率。

步骤5，两个中继节点R₁和R₂根据Alamouti编码，分别通过中继信道将放大信号r_kj转发至目的节点D：

步骤5a，在第1个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号r₁₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₃₂转发至目的节点D；

步骤5b，在第2个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号-r₂₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₄₂转发至目的节点D；

步骤5c，在第3个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号-r₄₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₁₂转发至目的节点D；

步骤5d，在第4个OFDM符号间隔，中继节点R₁将放大信号r₃₁转发至目的节点D，中继节点R₂将放大信号r₂₂转发至目的节点D；

上述步骤5中，两个中继节点R₁和R₂对放大信号的转发具有一定的顺序，此转发顺序是根据Alamouti编码结构产生的，若改变转发顺序，则不能使协作通信系统获得最大分集增益，会导致系统误码率变高。

步骤6，目的节点D获取合并信号：

步骤6a，目的节点D在第1个OFDM符号间隔，接收放大信号r₁₁和放大信号r₃₂，得到合并信号y₁；

步骤6b，目的节点D在第2个OFDM符号间隔，接收放大信号-r₂₁和放大信号r₄₂，得到合并信号y₂；

步骤6c，目的节点D在第3个OFDM符号间隔，接收放大信号r₁₁和放大信号r₃₂，得到合并信号y₃；

步骤6d，目的节点D在第4个OFDM符号间隔，接收放大信号r₁₁和放大信号r₃₂，得到合并信号y₄；

由于步骤5中两个中继节点R₁和R₂对信号的转发具有固定顺序，故目的节点接收到的信号也具有相应的顺序。

步骤7，目的节点D获取有效信号：目的节点D对合并信号y₁、合并信号y₂、合并信号y₃和合并信号y₄分别去除循环前缀，得到四组有效信号；

其中，由于目的节点接收到的两个中继节点R₁和R₂所转发的信号存在不同的时间延迟τ，故接收信号的循环前缀会受到相邻信号的干扰，所以需要将受干扰的循环前缀去除，获得没有被干扰的有用信号。

步骤8，目的节点D获取译码信号：

步骤8a，目的节点D对四组有效信号分别进行N点FFT，得到变换后的有效信号Z_k；

步骤8b，目的节点D采用Alamouti编码的译码方法，对变换后的有效信号Z_k进行译码，得到译码信号：

步骤8b1，目的节点D分别对变换后的有效信号Z₂和变换后的有效信号Z₄进行复共轭运算，得到变换后的复共轭信号和变换后的复共轭信号

步骤8b2，将变换后的有效信号Z₁、变换后的有效信号Z₃、变换后的复共轭信号和变换后的复共轭信号进行联合，得到等效信号Y，其表达式为其列向量表示形式为并且具有以下性质：

其中，m表示信号的第m个元素，m＝0,1,...,N-1，H表示等效信道矩阵，表示时间延迟τ在频域中表示形式的第m个元素，分别表示在第a个和第b个OFDM符号间隔内中继信道的衰落系数，相互独立，且服从分布，Nn表示等效信道噪声；

步骤8b3，目的节点D对等效信道矩阵H进行共轭转置运算，得到等效信道矩阵的共轭转置矩阵H^H，其中，H表示共轭转置运算；

步骤8b4，目的节点D对等效信号Y的列向量左乘等效信道矩阵的共轭转置矩阵H^H，得到译码信号：

步骤9，目的节点D对译码信号进行解调，得到解调信号。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步的描述。

1.仿真条件和内容

本发明与现有的异步协作传输方法的误码率仿真对比实验均是在运行系统为Intel(R)Core(TM)i3CPU 380@2.53GHz，64位Windows操作系统的硬件平台进行，均采用MATLAB仿真软件产生的随机信号作为待发送信号，复高斯随机变量作为高斯白噪声。

仿真实验中传输链路的时间延迟τ服从0到15的均匀分布，OFDM调制器中子载波数为N＝64，循环前缀长度为G＝16。目的节点已知完整的信道状态信息，而源节点和中继节点不知道信道状态信息，信道均为准静态平坦瑞利衰落信道，信道衰落系数在两个OFDM符号间隔内保持不变，即在第1个和第2个OFDM间隔内，广播信道S→R₁和S→R₂的衰落系数分别为和中继信道R₁→D和R₂→D的衰落系数分别为和在第3个和第4个OFDM间隔内广播信道S→R₁和S→R₂的衰落系数分别为和中继信道R₁→D和R₂→D的衰落系数分别为和且衰落系数之间相互独立，均服从j＝1,2的复高斯随机分布，仿真中令系统发射总功率为P，源节点和中继节点的发射功率分别为P₁＝P/2和P₂＝P₁/2。本发明与现有的异步协作传输方法的误码率仿真实验结果如图3所示。

2.仿真结果分析

参照图3，本发明与现有的异步协作传输方法的误码率仿真实验结果分析如下：

图3给出的是在BPSK调制方式下，本发明与现有的异步协作传输方法的误码率仿真对比结果，横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。图3中以正方形标示的曲线表示现有的异步协作传输方法的误码率性能曲线，以三角形标示的曲线表示本发明的误码率性能曲线。

由图3可以看出：随着信噪比的增加，现有的异步协作传输方法能够获得2阶分集增益，本发明能够获得4阶分集增益。由于本发明获得的分集增益更大，所以误码率曲线下降更明显。在误码率为10^-3处，与现有技术方法的误码率性能相比，本发明的误码率性能获得了5dB增益，显著降低了误码率，有效提高了系统传输的可靠性。

Claims

1.一种基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，包括如下步骤：

(2)源节点S获取已调信号和复共轭信号：

(4)两个中继节点R₁和R₂获取放大信号r_kj：

(6)目的节点D获取合并信号：

(8)目的节点D获取译码信号：

(9)目的节点D对译码信号进行解调，得到解调信号。

2.根据权利要求1所述的基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，其特征在于，步骤(3a)所述的变换后的信号s_k，其表达式分别为：

s₁＝IFFT(X₁)＝[s₁[0],s₁[1],...,s₁[N-1]]^T，

s₃＝IFFT(X₂)＝[s₃[0],s₃[1],...,s₃[N-1]]^T，

3.根据权利要求1所述的基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的衰落信号y_aj和衰落信号y_bj，其表达式分别为：

其中，a表示第a个OFDM符号间隔，且a＝1,2，b表示第b个OFDM符号间隔，且b＝3,4，j表示第j个中继节点，且j＝1,2，P₁表示源节点的发射功率，和分别表示在第a个和第b个OFDM符号间隔内广播信道的衰落系数，且相互独立，服从分布，n_aj,n_bj分别表示广播信道的高斯白噪声，服从CN(0,N₀)分布。

4.根据权利要求1所述的基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的放大信号r_kj，其表达式为：r_kj＝ρy_kj，其中，ρ表示放大因子，且P₂表示中继节点的发射功率。

5.根据权利要求1所述的基于Alamouti编码的异步中继协作传输方法，其特征在于，步骤(8b)中所述的对变换后的有效信号Z_k进行译码，步骤如下：

(8b1)目的节点D分别对变换后的有效信号Z₂和变换后的有效信号Z₄进行复共轭运算，得到变换后的复共轭信号和变换后的复共轭信号

(8b2)将变换后的有效信号Z₁、变换后的有效信号Z₃、变换后的复共轭信号和变换后的复共轭信号进行联合，得到等效信号等效信号Y的列向量表示形式为且其具有以下性质：

(8b3)目的节点D对等效信道矩阵H进行共轭转置运算，得到等效信道矩阵的共轭转置矩阵H^H，其中，H表示共轭转置运算；

(8b4)目的节点D对等效信号Y的列向量左乘等效信道矩阵的共轭转置矩阵H^H，得到译码信号：