CN107204833A - 时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法 - Google Patents
时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，公开了一种时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，包括：两源节点分别对调制后的信号进行Alamouti编码，得到发送信号矩阵；两源节点分别按照一定的规则同时向中继节点发送各自的信号矩阵；中继节点将两源节点发来的信息进行放大处理后，广播给两源节点；两源节点分别根据相应的等效信道矩阵计算出译码矩阵；两源节点分别将译码矩阵左乘以中继节点接收到的信号，得到判决统计量；对判决统计量计算欧式距离，得到期望的信号。本发明具有能够提高系统误码率性能、计算复杂度低、实现简单的优点，尤其适用于节点运动的双向中继通信系统。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法。
背景技术
随着高速移动业务的不断发展和高品质生活的不断需求，人们对高速移动环境下通信的可靠性和数据速率等要求也越来越高。为了提高系统容量和无线链路的通信质量，人们引入了多输入多输出MIMO技术。相比于单天线通信系统，MIMO通信系统能够显著地提升信道容量，从而增加系统的传输速率和提高传输的可靠性。采用合适的编码并结合多天线阵技术形成的空时编码技术可以提高系统的性能。Alamouti空时编码是一种简单的利用两根天线的发射分集方案，由于其具有相对简单的编码结构和译码算法，同时具有全编码速率等优势，Alamouti空时编码技术得到广泛的应用与研究。如今，使用无线终端的用户数量急剧增加，当用户乘坐高速公共交通工具(例如，轿车，公共汽车，火车，地铁或飞机)时，对处于高速移动的无线终端的信道环境，时间选择性衰落的假设更加合理。在时间选择性衰落信道中，信道矩阵不再是正交的，这意味着发射天线间彼此干扰，Alamouti编码的传统最大似然译码方法不再是最优的。并且，当信道是时间选择性衰落时，最大似然译码方法的复杂度随着信号星座的大小成指数增长。在时间选择性衰落信道中，针对点对点通信，现有的基于最小均方误差的译码方法和基于迫零的译码方法，计算复杂度高，且都没有涉及到双向中继系统。因此，针对时间选择性衰落信道的双向中继系统，提出能够提供良好性能的用于Alamouti编码的低复杂度译码算法是有必要的。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的译码方法抗衰落能力低、系统误码率性能差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法。
本发明是这样实现的，一种时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法包括：两源节点分别对调制后的信号进行Alamouti编码，得到发送信号矩阵；两源节点分别按照一定的规则同时向中继节点发送各自的信号矩阵；中继节点将两源节点发来的信息进行放大处理后，广播给两源节点；两源节点分别根据相应的等效信道矩阵计算出译码矩阵；两源节点分别将译码矩阵左乘以中继节点接收到的信号，得到判决统计量；对判决统计量计算欧式距离，得到期望的信号；
所述发送信号矩阵Xa，Xb分别表示为：
所述译码矩阵QA＝[Q1,A,…Ql,A,…QM,A]，QB＝[Q1,B,…Ql,B,…QM,B]；
所述判决统计向量分别表示为：
其中 和为等效噪声。
进一步，所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法包括以下步骤：
第一步，对源节点A和源节点B的调制信号分别进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xa和Xb；
第二步，源节点A和源节点B分别按照一定的规则在两个连续的符号周期内同时向M个中继节点发送信号矩阵Xa和Xb；
第三步，中继节点对在两个符号周期内接收到的信号Yr进行放大G倍处理后，广播给两个源节点；
第四步，源节点A和源节点B分别根据接收到的信号YA和YB得到等效信道矩阵HA和HB，计算译码矩阵QA和QB，使之满足：
QBHB＝diag(ψ1,ψ2)；
其中diag(·)表示对角矩阵，和ψ1和ψ2是对角矩阵的对角元素；
第五步，用译码矩阵QA和QB分别左乘以信号YA和YB，得到判决统计向量和
第六步，源节点A和源节点B分别对判决统计向量计算欧式距离，得到期望的信号，完成信息交互。
进一步，所述第一步中对源节点A和源节点B的调制信号分别进行Alamouti编码，步骤如下：
(1)源节点A对调制信号xa进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xa；其中xa＝[xa,1,xa,2]T，(·)T表示转置运算；
(2)源节点B对调制信号xb进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xb；其中xb＝[xb,1,xb,2]T，
进一步，所述第二步中的发送规则如下：
(a)在第一个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号xa,1和xa,2，源节点B的两根天线分别发送符号xb,1和xb,2；
(b)在第二个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号和源节点B的两根天线分别发送符号和其中*表示共轭运算。
进一步，所述第三步中中继节点对在两个符号周期内接收到的信号表示为其中 和分别表示第l个中继节点在第一个和第二个符号周期内接收到的信号；
所述第三步中的放大增益G＝[g1,g2,…gl,…gM]T，其中 和分别表示第l个中继节点在第一个和第二个符号周期内的放大增益，表示为：
其中γl,s(τ)＝|hl,s,1(τ)|2+|hl,s,2(τ)|2，s∈{a,b}，τ∈{1,2}，hl,s,1(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第1根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，hl,s,2(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第2根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，PA、PB和PR分别为源节点A、源节点B和中继节点的发送功率，N0为复高斯白噪声的方差，|·|2为向量的模平方。
进一步，所述第四步中计算译码矩阵QA，步骤如下：
(1)根据源节点A的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号Yl,ia得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
其中yl,A,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点A的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素；
(2)根据(4a)中的得到源节点A的所有天线接收的来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
(3)根据(2)中的Ql,A得到所需的译码矩阵QA＝[Q1,A,…Ql,A,…QM,A]；
所述第四步中计算译码矩阵QB，步骤如下：
1)根据源节点B的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
其中yl,B,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点B的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素；
2)根据1)中的得到源节点B的所有天线接收的来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
3)根据(4e)中的Ql,B得到所需的译码矩阵QB＝[Q1,B,…Ql,B,…QM,B]，完成译码矩阵的计算。
进一步，所述第五步中的判决统计向量分别表示为：
其中 和为等效噪声。
进一步，所述第六步中的分别对判决统计向量计算欧式距离，得到期望的信号，步骤如下：
(1)源节点A将调制星座图中的所有信号点分别与(5)中得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点B所发符号的译码结果和
其中X是星座图中所有信号点的集合，x为集合X中的元素，argmin是使目标函数取最小值时的变量值，d2(·)是欧式距离运算；
(2)源节点B将调制星座图中的所有信号点分别与得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点A所发符号的译码结果和
本发明的另一目的在于提供一种应用所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法的双向中继通信系统。
本发明的优点及其效果为：本发明充分考虑了实际通信环境中节点的相互运动，而不局限于节点静止的通信场景，且与现有的基于迫零的译码算法相比，本发明只涉及模值的平方运算，不涉及矩阵伪逆等复杂的数学运算，因此本发明具有更低的计算复杂度。本发明方法与传统最优的译码方法相比，消除了时变信道中发送天线间的相互干扰，能独立对符号进行译码；由于在时间选择性衰落信道中，信道矩阵不再是正交的，使用传统最优的译码方法时，符号间的译码相互存在影响，会存在错误累积效应，导致译码错误的机率大大增加，因此本发明方法更适用于实际通信系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法流程图，
图2是本发明实施例提供的双向中继通信系统模型图。
图3是本发明实施例提供的本发明方法和传统最优方法的误符号率对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法包括以下步骤：
S101：两源节点分别对调制后的信号进行Alamouti编码，得到发送信号矩阵；
S102：两源节点分别按照一定的规则同时向中继节点发送各自的信号矩阵；
S103：中继节点将两源节点发来的信息进行放大处理后，广播给两源节点；
S104：两源节点分别根据相应的等效信道矩阵计算出译码矩阵；
S105：两源节点分别将译码矩阵左乘以中继节点接收到的信号，得到判决统计量；
S106：对判决统计量计算欧式距离，得到期望的信号。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明采用的双向中继通信系统模型包括M个中继节点和两个源节点，即源节点A和源节点B。源节点A和源节点B配置两根天线，中继节点配置单天线，且都在半双工方式下工作。源节点A和源节点B利用中继节点进行信息交互，其中，中继节点采用的协议是放大转发协议。
本发明根据图2的双向中继通信系统中的Alamouti编码的译码方法步骤如下：
步骤1，分别对两个源节点的调制信号进行编码。
与波束赋形，即最大比传输(MRT)或其它预编码传输方案相比，基于正交空时编码(STBC)的传输不需要知道发送端的信道状态信息来实现发送分集。STBC在保证分集增益的基础上能够实现较高的数据传输速率，缓解频谱资源紧张的压力。Alamouti码是一种简单的针对两发送天线的全速率OSTBC方案，它在任何调制方式下都能获得满分集增益，所以本发明实例采用Alamouti编码对调制信号进行编码，其步骤为：
(1a)源节点A对调制信号xa进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xa；其中xa＝[xa,1,xa,2]T，(·)*表示共轭运算，(·)T表示转置运算；
(1b)源节点B对调制信号xb进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xb；其中xb＝[xb,1,xb,2]T，
步骤2，两个源节点分别按照一定的规则同时向M个中继节点发送Xa和Xb。
(2a)在第一个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号xa,1和xa,2，源节点B的两根天线分别发送符号xb,1和xb,2；
(2b)在第二个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号和源节点B的两根天线分别发送符号和
步骤3，中继节点对在两个符号周期内接收到的信号Yr放大处理后，广播给两个源节点。
(3a)第l个中继节点在第一个和第二个符号周期内接收到的信号分别为和记其中l＝1,…,M，则所有的中继节点在两个符号周期内接收到的信号可以表示为
(3b)第l个中继节点对其接收到的信号和分别放大和倍后广播给两个源节点A、B，记其中l＝1,…,M，则所有的中继节点在两个符号周期内的放大增益可以表示为G＝[g1,g2,…gl,…gM]T，其中：
其中γl,s(τ)＝|hl,s,1(τ)|2+|hl,s,2(τ)|2，s∈{a,b}，τ∈{1,2}，hl,s,1(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第1根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，hl,s,2(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第2根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，PA、PB和PR分别为源节点A、源节点B和中继节点的发送功率，N0为复高斯白噪声的方差，|·|2为向量的模平方。
步骤4，分别计算译码矩阵QA和QB。
(4a)计算译码矩阵QA；
(4a1)根据源节点A的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
其中yl,A,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点A的第i根天线在第τ个符号周期内接收来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素，则源节点A接收到的信号
(4a2)根据(4a1)中的得到源节点A的所有天线接收来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
(4a3)根据(4a2)中的Ql,A得到所需的译码矩阵QA＝[Q1,A,…Ql,A,...QM,A]。
(4b)计算译码矩阵QB：
(4b1)根据源节点B的第i根天线接收来自第l个中继节点的信号得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
其中yl,B,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点B的第i根天线在第τ个符号周期内接收来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素，则源节点B接收到的信号
(4b2)根据(4b1)中的得到源节点B的所有天线接收的来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
(4b3)根据(4b2)中的Ql,B得到所需的译码矩阵QB＝[Q1,B,…Ql,B,…QM,B]，完成译码矩阵的计算。
步骤5，获取判决统计向量和
(5a)用译码矩阵QA左乘以信号YA，得到判决统计向量表示为：
其中 为等效噪声；
(5b)用译码矩阵QB左乘以信号YB，得到判决统计向量表示为：
其中 为等效噪声。
步骤6，分别对判决统计向量计算欧式距离，得到期望的信号。
(6a)源节点A将调制星座图中的所有信号点分别与步骤(5a)中得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点B所发符号的译码结果和
其中X是星座图中所有信号点的集合，x为集合X中的元素，argmin是使目标函数取最小值时的变量值，d2(·)是欧式距离运算。
(6b)源节点B将调制星座图中的所有信号点分别与步骤(5b)中得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点A所发符号的译码结果和
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
(1)仿真条件：
假设所有信道均为时间选择性的Rayleigh衰落信道，各节点的发送功率都相等且各节点处的噪声方差均为1，载波频率fc＝2.4GHz，符号传输速率Rs＝9.6kBps，系统采用4QAM调制。节点运动的相对速度为v，v＝0表示节点相对静止，分别对中继节点数目M＝{1,2}，v＝{0,300}km/h做了仿真；
(2)仿真内容与结果：
在上述仿真条件下，使用本发明方法和传统最优方法，分别对双向中继通信系统的误符号率进行仿真比较，结果如图3所示。图3中横坐标为系统的信噪比SNR，单位为dB，纵坐标为误符号率。由图3可以看出，节点的高速移动，会使系统的误符号率性能急剧衰减，当节点相对静止，即信道处于平坦衰落时，本发明方法的误符号率性能逼近传统最优方法的误符号率；当节点高速移动时，本发明方法的误符号率性能优于传统最优方法的误符号率，说明本发明方法更加适用于节点运动的通信场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法包括：两源节点分别对调制后的信号进行Alamouti编码，得到发送信号矩阵；两源节点分别按照一定的规则同时向中继节点发送各自的信号矩阵；中继节点将两源节点发来的信息进行放大处理后，广播给两源节点；两源节点分别根据相应的等效信道矩阵计算出译码矩阵；两源节点分别将译码矩阵左乘以中继节点接收到的信号，得到判决统计量；对判决统计量计算欧式距离，得到期望的信号；
所述发送信号矩阵Xa，Xb分别表示为：所述译码矩阵QA＝[Q1,A,…Ql,A,...QM,A]，QB＝[Q1,B,…Ql,B,...QM,B]；
所述判决统计向量分别表示为：
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其中 和为等效噪声。
2.如权利要求1所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法包括以下步骤：
第一步，对源节点A和源节点B的调制信号分别进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xa和Xb；
第二步，源节点A和源节点B分别按照一定的规则在两个连续的符号周期内同时向M个中继节点发送信号矩阵Xa和Xb；
第三步，中继节点对在两个符号周期内接收到的信号Yr进行放大G倍处理后，广播给两个源节点；
第四步，源节点A和源节点B分别根据接收到的信号YA和YB得到等效信道矩阵HA和HB，计算译码矩阵QA和QB，使之满足：
QBHB＝diag(ψ1,ψ2)；
其中diag(·)表示对角矩阵，和ψ1和ψ2是对角矩阵的对角元素；
第五步，用译码矩阵QA和QB分别左乘以信号YA和YB，得到判决统计向量和
第六步，源节点A和源节点B分别对判决统计向量计算欧式距离，得到期望的信号，完成信息交互。
3.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第一步中对源节点A和源节点B的调制信号分别进行Alamouti编码，步骤如下：
(1)源节点A对调制信号xa进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xa；其中xa＝[xa,1,xa,2]T，(·)T表示转置运算；
(2)源节点B对调制信号xb进行Alamouti编码，得到编码后的发送信号矩阵Xb；其中xb＝[xb,1,xb,2]T，
4.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第二步中的发送规则如下：
(a)在第一个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号xa,1和xa,2，源节点B的两根天线分别发送符号xb,1和xb,2；
(b)在第二个符号周期内，源节点A的两根天线分别发送符号和源节点B的两根天线分别发送符号和其中*表示共轭运算。
5.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第三步中中继节点对在两个符号周期内接收到的信号表示为其中l＝1,…,M，和分别表示第l个中继节点在第一个和第二个符号周期内接收到的信号；
所述第三步中的放大增益G＝[g1,g2,…gl,…gM]T，其中l＝1,…,M，和分别表示第l个中继节点在第一个和第二个符号周期内的放大增益，表示为：
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其中γl,s(τ)＝|hl,s,1(τ)|2+|hl,s,2(τ)|2，s∈{a,b}，τ∈{1,2}，hl,s,1(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第1根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，hl,s,2(τ)表示第l个中继节点与源节点s的第2根天线在第τ个符号周期间的信道衰落系数，PA、PB和PR分别为源节点A、源节点B和中继节点的发送功率，N0为复高斯白噪声的方差，|·|2为向量的模平方。
6.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第四步中计算译码矩阵QA，步骤如下：
(1)根据源节点A的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
其中yl,A,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点A的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素；
(2)根据(4a)中的得到源节点A的所有天线接收的来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
(3)根据(2)中的Ql,A得到所需的译码矩阵QA＝[Q1,A,…Ql,A,...QM,A]；
所述第四步中计算译码矩阵QB，步骤如下：
1)根据源节点B的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号得到等效信道矩阵计算译码矩阵使之满足：
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其中yl,B,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源节点B的第i根天线接收的来自第l个中继节点的信号，和是对角矩阵的对角元素；
2)根据1)中的得到源节点B的所有天线接收的来自第l个中继节点的信号的译码矩阵
3)根据(4e)中的Ql,B得到所需的译码矩阵QB＝[Q1,B,…Ql,B,...QM,B]，完成译码矩阵的计算。
7.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第五步中的判决统计向量分别表示为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mi>a</mi>
</msub>
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<mi>x</mi>
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<mi>x</mi>
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<mo>+</mo>
<msub>
<mover>
<mi>w</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mi>a</mi>
</msub>
</mrow>
其中 和为等效噪声。
8.如权利要求2所述的时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法，其特征在于，所述第六步中的分别对判决统计向量计算欧式距离，得到期望的信号，步骤如下：
(1)源节点A将调制星座图中的所有信号点分别与(5)中得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点B所发符号的译码结果和
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>b</mi>
<mo>,</mo>
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<mi>x</mi>
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<mi>argmin</mi>
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<mi>b</mi>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中X是星座图中所有信号点的集合，x为集合X中的元素，argmin是使目标函数取最小值时的变量值，d2(·)是欧式距离运算；
(2)源节点B将调制星座图中的所有信号点分别与得到的判决统计向量进行欧式距离比较，找出与和距离最小的信号点，得到源节点A所发符号的译码结果和
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mo>,</mo>
<mn>1</mn>
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<mi>X</mi>
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<mo>,</mo>
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</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
9.一种应用权利要求1～8任意一项所述时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法的双向中继通信系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710233177.XA CN107204833B (zh) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | 时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201710233177.XA CN107204833B (zh) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | 时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201710233177.XA Active CN107204833B (zh) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | 时变信道双向中继系统的Alamouti编码的译码方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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- 2017-04-11 CN CN201710233177.XA patent/CN107204833B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107204833B (zh) | 2020-07-14 |
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Legal Events
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