CN107395542B - 双向中继通信系统信号发送和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体的说涉及双向中继通信系统信号发送和接收方法。传统的双向中继通信系统信号的检测需要进行信道估计，估计出信道信息h1和h2后，对接收信号进行干扰抵消，去除自身信号的影响，再作相干检测以恢复出发送信号。由于系统的复杂性，信道估计非常困难，而且传统的信号检测方式非常依赖于信道估计的准确性。不同于传统的双向中继通信系统信号检测方案，本发明提出的双向中继通信系统发送与接收信号的方法，此方法不需要进行信道估计，直接对接收信号处理后进行聚类，通过发送端发送的标记符号指明聚类后符号的类别，从而恢复出发送符号。相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且在接收端不需要进行信道估计。

Description

双向中继通信系统信号发送和接收方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体的说涉及双向中继通信系统信号发送和接收方法。

背景技术

双向中继通信系统能够克服大规模障碍物引起的阴影衰落，已广泛应用于无线通信。传统的双向中继通信系统的信号检测需要先进行信道估计，之后利用估计的信道进行干扰抵消，最后通过估计的信道进行相干检测(Coherent Detection)以恢复出发送符号。传统的双向中继通信系统信号的检测非常依赖于所估计信道的准确度，但是由于双向中继通信系统经历信道的复杂性，使得信道估计特别困难。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种对接收端接收到的信号处理后进行聚类，并利用发送端发送的标记符号，来恢复出发送符号的双向中继通信系统信号发送和接收方法。

本发明的技术方案如下：

双向中继通信系统信号发送和接收方法，所述双向中继通信系统包括基站 1、基站 2 和中继台，其特征在于：

在基站 1端，包括：

数据发送：在发送的数据中插入标记符号，所述标记符号在基站 1和基站 2均为已知的；

数据接收：包括以下步骤：

S1、进行标记符号重构；

S2、采用聚类算法对部分接收信号聚类；

S3、采用S1中得到的标记符号标识S2中获得的聚类；

S4、恢复出部分接收到的发送符号；

S5、重复步骤S2-S4恢复全部接收到的发送符号；

在基站 2端，采用与上述基站 1端完全相同的方法进行数据收发。

进一步，所述步骤S1的具体方法为：

基站1收到的信号为：

其中，s₁为基站1发送符号构成的信号向量，s₂为基站2发送符号构成的信号向量，h₁表示从基站1到中继台的信道响应，h₂表示从基站2到中继台的信道响应，u是指噪声，其中u(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯分布，即

u(n)与s(n)独立；

P₁、P₂、P_r分别表示基站1、基站2、中继台的平均发送功率，x表示中继台接收到的信号，x＝h₁s₁+h₂s₂+u；

令A表示基站1和基站2发送标记符号所构成的矩阵，即

B表示I种s₁(n)和s₂(n)组合成的发送符号矩阵，设定A为满秩矩阵，则A T＝B，则在基站 1端

通过基站1和基站2各自发送的标记符号来重构出所有的标记符号。

更进一步的，所述步骤S2-S4的具体方法为：

设基站 1采用QPSK调制方式，则基站1接收到的信号有16种组合情况，将满足s₁(n)＝ 1+j的接收信号全部提取出来，对这些信号进行聚类处理，形成4个组，这4个组分别对应基站2的发送信号s₂(n)的四种符号，通过加入标记符号的方式指明这4组分别对应于哪个发送符号，从而恢复出对应位置的发送信号；

同理依次对s₁(n)＝1-j、s₁(n)＝-1+j、s₁(n)＝1-j的信号进行聚类并根据标记符号进行恢复。

双向中继通信系统信号发送和接收方法，所述双向中继通信系统包括基站 1、基站 2 和中继台，其特征在于：

在基站 1端，包括：

数据发送：在发送的数据中插入标记符号，所述标记符号在基站 1和基站 2均为已知的；

数据接收：包括以下步骤：

S1、采用接收的信号除以已知的信号，所述已知的信号为基站 1发送给中继站的信号；

S2、进行标记符号重构；

S3、采用聚类算法对接收信号的聚类；

S4、采用S2中得到的标记符号标识S3中获得的聚类；

S5、根据获得的判决信号乘以已知的信号；

S5、恢复出接收到的发送符号；

在基站 2端，采用与上述基站 1端完全相同的方法进行数据收发。

本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法可大大提高接收机的检测性能，且在接收端不需要进行信道估计。

附图说明

图1示出了本发明的系统模型；

图2示出了本发明方法一的接收机检测框图；

图3示出了本发明方法二的接收机检测框图；

图4示出了本发明方法一聚类后的发送符号标注方法；

图5示出了本发明方法二聚类后的发送符号标注方法；

图6示出了本发明EM算法的流程图；

图7示出了本发明提出的双向中继通信系统发送与接收机设计方案在瑞利信道下的性能。

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

图1示出了本发明的系统模型，中继台同时接收到来自基站1和基站2的信号，并将其放大，分别发给基站1和基站2。对于双向中继通信系统，中继台收到的信号为:

x＝h₁s₁+h₂s₂+u

其中，s₁为基站1发送符号构成的信号向量，s₂为基站2发送符号构成的信号向量，共有N行，表示共有N个发送符号，h₁表示从基站1到中继台的信道响应，h₂表示从基站2 到中继台的信道响应，u是指噪声，其中u(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯 (CSCG)分布，即

u(n)与s(n)独立。中继台接收到基站1和基站2的信号后，将信号x放大α倍后，将信号发送至基站1和基站2，故基站1收到的信号为

基站2收到的信号为

其中u₁、u₂是指噪声，并且都服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯(CSCG)分布，u₁(n)、u₂(n)和u(n)都独立。

P₁、P₂、P_r分别表示基站1、基站2、中继台的平均发送功率。

传统的双向中继通信系统信号的检测需要进行信道估计，估计出信道信息h₁和h₂后，对接收信号进行干扰抵消，去除自身信号的影响，再作相干检测以恢复出发送信号。由于系统的复杂性，信道估计非常困难，但是传统的信号检测方式非常依赖于信道估计的准确性。不同于传统的双向中继通信系统信号检测方案，本发明提出一种新型的双向中继通信系统发送与接收机设计方案，此方案不需要进行信道估计，直接对接收信号处理后进行聚类，通过发送端发送的标记符号指明聚类后符号的类别，从而恢复出发送符号。其中，通过对接收信号进行聚类可以将同一个发射符号对应的接收信号聚类到同一个类别。利用预设的标记符号和聚类类别之间的对应关系可以恢复出接收信号对应的发射符号。

以检测基站1收到来自基站2的信号为例来阐述本发明的思想，检测基站2接收到来自基站1的信号的方式相同。

由于噪声服从CSCG分布，导致了在给定s₁(n)和s₂(n)的条件下基站1的接收信号y₁(n)服从均值为

方差为(α²|h₁|²+1)σ²的CSCG分布，即

y₁(n)的概率可以表示为

其中，I表示s₁(n)和s₂(n)组合成的种类。以基站1和基站2都采用QPSK调制方式为例，很明显基站1接收到的信号有16种组合情况，即I＝16，故这是一个由16个高斯分布形成的高斯混合模型(GMM)。

由于s₁是由基站1发送出去的信号，故基站1完全知道s₁信息，本发明利用此特点，进行发送机和接收机的设计，本发明提出了两种信号收到的方法，分别如下。

方法一：将满足s₁(n)＝1+j的接收信号全部提取出来，对这些信号进行聚类处理，形成 4个组，这四个组分别对应基站2的发送信号s₂(n)的四种符号，通过加入标记符号的方式指明这4组分别对应于哪个发送符号，从而恢复出对应位置的发送信号。同样地，将s₁(n)＝ 1-j，-1+j，-1-j的接收信号分别提取出来，并对这些信号分别进行聚类处理，通过标记符号分别恢复出对应的发送信号。最后将这些信号按发送顺序组合在一起，就完成了发送信号的恢复。

方法二：将基站1接收到的信号除以s₁可得

由于基站1和基站2发送的符号都是有限的，故

也是有限的，比如基站1和基站2都采用QPSK调制方式，则

-1，j，-j，由于噪声是服从高斯分布，故

若基站1采用等幅调制，则这是一个由多个高斯分布形成的高斯混合模型(GMM)。故本发明提出对w₁进行聚类处理，通过标记符号标识基站2发送符号和基站1发送符号的比值

最后将此比值乘以基站1的发送符号s₁即可得基站2的发送符号。

本发明提出了一种在基站1和基站2发送两个标记符号的方式来标记聚类类别，此方法适用于上面所提到的方法一和方法二。本发明利用基站1和基站2发送的两个标记符号进行标记重构，令A表示基站1和基站2发送标记符号所构成的矩阵，即

B表示I种s₁(n)和s₂(n)组合成的发送符号矩阵，设定A为满秩矩阵，则A T＝B，则在基站 1端

以此方法可以通过基站1和基站2各自发送的两个标记符号来重构出所有的标记符号。对于方法一，以基站1和基站2采用QPSK为例，选取s₁＝1+j对应的4个标记符号进行标记，从而恢复出基站1发送1+j情况下的基站2的信号，同样地，基站1发送其他3种符号情况下，也以此方式恢复出基站2信号，最后将所有基站2信号合并在一起，就完整地恢复出基站2的发送信号。对于方法二，

B＝[1 -1 j -j],通过求解T来进行标记重构得到所有的标记符号，从而标识w₁聚类后的四类，得到基站2发送符号和基站1发送符号的比值

将比值再乘以s₁，则可恢复出基站2的发送信号。

本发明以高斯混合模型(GMM)的聚类方法为例来阐述对接收信号进行聚类的主要思想。本发明还可利用通信系统的一些固有特征(比如发送端等概率传输发送符号及噪声方差不变等)作为先验信息来加快聚类的速度。

本发明以期望最大化(EM)算法为例来求得高斯混合分布的参数，并对y₁(w₁)进行聚类。本发明将要聚类的数据用c表示，共有M个数据，其中最大似然函数为

由于在通信系统中，发送端以相等概率发送各符号，并且噪声的方差在不同时刻保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，故本发明利用这些先验信息，令

可得

在EM算法中通过引入隐变量来求参数。本发明引入隐变量z来最大化似然函数求解，其中 z_i∈{0,1}，并且

即z中只有元素为1。c(m)属于第i组的概率为

将(3)式中的函数关于均值和协方差分别求导等于0可得

通过将公式(3)、(4)、(5)经过迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类。首先将重构出的标符号作为初始均值，将1作为初始方差，通过(3)式计算后验概率，然后基于(3)式的结果计算(4)、(6)式的值，再将(4)、(5)式的结果用于计算(3)式，如此迭代，直到似然函数(2)式小于门限值。γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表c(m) 所在的组，将数据聚类好之后，再用重构的标记标识每一组所代表的符号。

图2示出了本发明方法一的接收机检测框图。本发明首先根据已知的标记符号进行标记重构，得到所有的标记符号。由于在此系统中基站1已知信号s₁，故利用此特性，本发明将接收信号部分聚类，根据标记符号所指，恢复出部分发送信号，直到所有的发送符号恢复完成，再根据发送顺序，将这些符号合并，从而得到基站2的发送符号。

图3示出了本发明方法二的接收机检测框图。本发明首先将接收信号除以基站1的信号得到w₁，在此基础上，根据已知的标记符号进行标记重构，得到所有的标记符号。本发明将 w₁聚类，根据标记符号所指，得到基站2发送符号和基站1发送符号的比值

最后乘以基站1发送符号s₁，从而恢复出基站2的发送信号。

图4示出了本发明方法一聚类后的发送符号标注方法。由于基站1和基站2发送了两个标记符号，本发明可以根据A T＝B来得到所有的标记符号，其中A是基站1和基站2发送的两个标记符号构成的矩阵，B是基站1和基站2发送符号所有出现的组合情况，通过将两个标记符号构成的向量乘以T即得到所有的标记符号。以基站1和基站2均采用QPSK调制方式为例进行描述，图4出了基站1发送1+j情况下，对应接收信号的聚类，在所有标记符号中，选取s₁＝1+j对应的4个标记符号进行标记，从而恢复出基站1发送1+j情况下的基站2的信号，同样地，基站1发送其他3种符号情况下，也以此方式恢复出基站2信号，最后将所有基站2信号合并在一起，就完整地恢复出基站2的发送信号。

图5示出了本发明方法二聚类后的发送符号标注方法。在方法二中，本发明需要对w₁进行聚类处理，故在标记重构中，需要重构的是w₁下的标记符号。本发明可以根据A T＝B来得到所有的标记符号，其中A是基站1和基站2发送的两个标记符号除以基站1符号后构成的矩阵，B是基站1和基站2发送符号除以基站1信号后所有出现的组合情况，通过将两个标记符号构成的向量乘以T即得到所有的标记符号。以基站1和基站2均采用QPSK调制方式为例进行描述，其中B＝[1 -1 j -j]，图5表示对w₁进行聚类得到的4组数据，通过标记符号所指，得到

最后乘以基站1发送符号s₁，从而恢复出基站2的发送信号。

图6表示了本发明提出的EM算法流程图。本发明采用的期望最大化(EM)算法求得高斯混合分布的参数，并对y₁(w₁)进行聚类。本发明将要聚类的数据用c表示，共有M个数据，其中最大似然函数为

由于在通信系统中，发送端以相等概率发送各符号，并且噪声的方差在不同时刻保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，故本发明利用这些先验信息，令

可得

在EM算法中通过引入隐变量来求参数。本发明引入隐变量z来最大化似然函数求解，其中z_i∈{0,1}，并且

即z中只有元素为1。c(m)属于第i组的概率为

将(3)式中的函数关于均值和协方差分别求导等于0可得

通过将上面3个公式进行迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将其分类。γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表c(m)所在的组，将数据聚类好之后，再用重构出的标记符号标识每一组所代表的发送符号。

本发明利用的EM算法也可不局限于等概率发送符号场景，同时，噪声的方差也可随时间变化。另外，本发明也不局限于利用EM算法来求得高斯混合分布的参数。

图7示出了本发明提出的双向中继通信系统发送与接收机设计方案在瑞利信道下的性能。本发明在仿真过程中，基站1和基站2均采用QPSK方式调制，采用2000个点进行聚类，并且设置中继台的发送功率P_r＝40dB，令P₁＝P₂，将SNR定义为基站端发送功率与噪声方差的比值，即

误码率为1000次实验的平均值。通过和最大似然(ML)检测下的性能对比来说明本发明所提出方案的良好性能。这里，最大似然检测性能是在信道信息完全准确知道情况下所能得到的理论下界。通过仿真图可知，方法一和方法二的性能相同，与最大似然检测性能相差1dB，并且随着信噪比的增大，本发明提出的方案渐渐接近于最大似然估计，在30dB处本发明提出方案的性能与最大似然检测下的性能几乎相同。

Claims (1)

1.双向中继通信系统信号发送和接收方法，所述双向中继通信系统包括基站1 、基站2和中继台，其特征在于：

在基站1 端，包括：

数据发送：在发送的数据中插入标记符号构成发送符号，所述标记符号在基站1 和基站2 均为已知的；

信号接收：包括以下步骤：

S1、进行标记符号重构；其中，

基站1收到的信号为：

其中，s₁＝[s₁(1),s₁(2),…s₁(n)，…,s₁(N)]为基站1的发送符号构成的信号向量，s₁(n)表示s₁中的第n个发送符号，n＝1,2，...，N，s₂＝[s₂(1),s₂(2),…s₂(n)，…,s₂(N)]为基站2的发送符号构成的信号向量，s₂(n)表示s₂中的第n个发送符号，n＝1,2，...，N，N表示共有N个发送符号，h₁表示从基站1到中继台的信道响应，h₂表示从基站2到中继台的信道响应，u是指中继台的接收噪声，u₁是指基站1的接收噪声，u(n)表示u中第n个数据，n＝1,2，...，N，u₁(n)表示u₁中第n个数据，n＝1,2，...，N，其中u(n)和u₁(n)服从均值为0方差为σ²的循环对称复高斯分布，即

u(n)、u₁(n)和s(n)都独立；

P_r表示中继台的平均发送功率，x表示中继台接收到的信号，x＝h₁s₁+h₂s₂+u；通过基站1和基站2各自发送的标记符号来重构出所有的标记符号；

S2、采用聚类算法对部分接收信号聚类，具体为采用高斯混合模型的聚类方法：

将要聚类的接收信号用c表示，共有M个接收信号，令最大似然函数为

其中，c(m)表示c中第m个接收信号，m＝1,2，...，M，I为高斯分布具有相同的协方差矩阵的个数，在通信系统中，令发送端以相等概率发送各发送符号，并且噪声的方差在不同时刻保持不变，I个高斯分布具有相同的协方差矩阵，利用这些先验信息，令

得

在期望最大化算法中通过引入隐变量来求参数即引入隐变量z来求解，其中z_i∈{0,1}，并且

即z中只有元素为1，c(m)属于第i组的概率为

将(3)式中的函数关于均值和协方差分别求导等于0可得

通过将公式(3)、(4)、(5)经过迭代就可以求得高斯混合分布的参数，并将c(m)分组，首先将重构出的标记符号作为初始均值，将1作为初始方差，通过(3)式计算后验概率，然后基于(3)式的结果计算(4)、(5)式的值，再将(4)、(5)式的结果用于计算(3)式，如此迭代，直到似然函数(2)式小于门限值，γ(z_mi)中对于i＝1,…,I中最大值对应的下标代表c(m)所在的组；

S3、采用S1中重构的标记符号标识S2中获得的聚类，即将接收信号聚类好之后，再用重构的标记符号标识每一组所代表的发送符号；

S4、恢复出部分接收到的发送符号；

S5、重复步骤S2-S4恢复全部接收到的发送符号；

在基站2 端，采用与上述基站1 端完全相同的方法进行数据收发。

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