CN108174429A - 一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，包括步骤：(a)在SM‑DF‑Relay的系统模型中，计算每一个源节点发射天线经过不同中继节点得到的复合信道，得到源节点经过中继节点i到目标节点的复合信道得出源节点到目标节点的信道向量Hd；(b)若从若干个中继节点中选出指定数目的中继节点进行激活，则对每一种符合数目要求的中继节点组合计算dmin,1(Hsrd)、dmin,2(Hd)、dmin(H)；(c)从所有备选的中继节点子集组成的集合中选取使dmin(H)最大的中继节点子集Ii。本发明能够使星座点间最小欧式距离变大，在使系统在引入较小的反馈量和增加很小的复杂度的情况下，使系统的BER性能得到显著的提高。

Description

一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法
技术领域
本发明涉及一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法。属于通信抗干扰技术领域，涉及空间调制(Spatial Modulation,SM)技术，中继技术(Relayingtechnology)，正交振幅(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制技术，及其相关的MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术。
背景技术
MIMO调制技术是一种无线环境下的高速传输技术，它在发射端和/或接收端配置更多的天线单元，并结合先进的空时编码调制方案，通过对空间自由度的充分利用，可以带来额外的分集，复用和波束成型增益。
近来，SM技术作为一种新的MIMO调制方案被提出来作为一种新的调制技术。该技术的基本原理是通过激活不同的天线，将天线索引值调制用于传输信息比特。这种传输方案的本质是利用MIMO系统中不同信道的独立性。因为每次只有一根天线被激活，进而在发射端只需要一个射频单元且此过程能传输部分比特，所以这种方案提高了传输速率，并降低了MIMO系统的成本和复杂度。
然而，当接收天线数目很少，甚至只有一根的时候，会因为缺少空间自由度，而导致性能显著下降。一种将中继技术和空间调制技术相结合的空间调制解码转发中继(Spatial Modulation with Multiple Decode and Forward Relays，SM-DF-Relay)系统，很好的解决了这一问题，这使得这一系统更好的适用于无线通信的下行链路。
然而，它也存在一些缺陷，SM-DF中继系统的通信过程要求多个中继节点同时参与，要提高接收端的BER性能，就要增加中继节点的数目，这就必然造成严重的资源浪费，加重中继节点的负担，同时，也会使接收端的检测复杂度随着中继节点数目线性增长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法。解决现有多个中继节点造成的资源浪费的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，包括如下步骤：
(a)在SM-DF-Relay的系统模型中，计算每一个源节点发射天线经过不同中继节点得到的复合信道，得到源节点经过中继节点i到目标节点的复合信道得出源节点到目标节点的信道向量Hd；
(b)若从若干个中继节点中选出指定数目的中继节点进行激活，则对每一种符合数目要求的中继节点组合子集，计算dmin,1(Hsrd)、dmin,2(Hd)、dmin(H)其中，dmin(H)＝dmin,1(Hsrd)+dmin,2(Hd)，dmin,1(Hsrd)表示复合信道下，星座点间的最小欧氏距离，dmin,2(Hd)表示源节点和目标节点所在信道下，星座点间的最小欧式距离，dmin(H)表示综合考虑两种信道条件下星座点间的最小欧氏距离；
(c)从所有备选的中继节点子集组成的集合中选取使dmin(H)最大的中继节点子集Ii。
所述步骤(a)中，复合信道通过如下公式计算得到；
其中，Nt为源节点发射天线数目，
表示源节点第j根发射天线到第l个中继节点的信道参数，表示第l个中继节点到目标节点的信道参数；
信道向量Hd通过如下公式计算得到：
其中，Nt为源节点发射天线数目。
所述步骤(b)中，dmin,1(Hsrd)、dmin,2(Hd)通过如下公式计算得到：
dmin(H)＝dmin,1(Hsrd)+dmin,2(Hd)
其中，I表示符合要求的中继节点集合，x为一个表示调制符号的向量，维度为发射天线数目。
所述步骤(c)中，中继节点子集Ii通过如下公式计算得到：
其中，SetI表示所有备选的中继节点子集组成的集合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，该技术通过从若干个中继节点中选取一个子集，作为解码转发信息的中继节点，能够使星座点间最小欧式距离变大，在使系统在引入较小的反馈量和增加很小的复杂度的情况下，使系统的BER性能得到显著的提高。
附图说明
图1是传统SM系统框图。
图2是空间调制解码转发中继系统框图。
图3是本发明的空间调制解码转发中继系统中继节点选择模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和空间调制系统发射机结构。
空间调制：如图1，图1是传统SM系统框图，b是需要传输的比特数据，可以被视为一个L×T的矩阵，其中L＝log2(M)+log2(Mary)是一个SM调制符号所携带的比特数量，Mary是正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)阶数。可以看出，一个SM调制符号所能携带的比特数量由QAM调制阶数和发射天线数量共同决定。SM调制准则是根据SM转化表将b转化成为一个M×T的矩阵x。在x中，一列代表一个时刻发送的数据，任意一列只有一个非零数据，意味着任意时刻只有一根天线发送数据。
如图2，图2是空间调制解码转发中继系统框图。空间调制解码转发中继系统模型包含一个信息源节点和一个目标节点，该源节点配备Nt根发射天线，L个中继节点，每个中继节点配备一根发射天线。
该系统的一个协作通信过程包含两个时隙：
(1)第一个时隙(广播阶段)：信息源节点将log2(MNt)个比特信息经过SM调制，广播发送给中继节点和目标节点，其中，M为QAM/PSK符号的调制阶数，在第l个中继节点处的接收信号可以表示为如下形式：
其中，为第l个中继节点处的高斯白噪声，为被激活的发射天线与第l个中继节点之间的信道参数。类似地，在目标节点处的接收信号表示为：
ys,d＝hsd,jx+ns,d，j∈{1,...,Nt}
其中，ns,d为目标节点处的高斯白噪声，hsd,j为被激活的发射天线与目标节点之间的信道信息，中继节点解调收到的信号，并对解调结果进行校验。
(2)第二个时隙(解码转发阶段)：正确解调出接收信号的中继节点，将接收信号到的转发给目标节点。这里假设了一个理想情况，即中继节点处的接收机能够通过循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)准确的确定自己检测出的信号是否正确。在目标节点处接收到的第l个中继节点转发的信号可以表示为：
其中，gl表示第l个中继节点到目标节点处信道信息，目标节点处的高斯白噪声，y为接收信号向量，x是发射信号向量，h为信道矩阵，n为高斯白噪声。
最后，目标节点的接收机通过两个时隙接收到的信号，联合检测出发射天线索引和发送符号，最优的最大似然(maximum likelihood，ML)检测器表示为如下形式：
其中，C是正确解调的中继节点集合，X为QAM/PSK符号集合。
一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，如图3所示，图3展示了空间调制解码转发中继系统的中继节点选择模型，本发明的具体实施方案包括如下步骤：
(a)在SM-DF-Relay的系统模型中，表示源节点第j根发射天线到第l个中继节点的信道参数，表示第l个中继节点到目标节点的信道参数，设置复合信道为：
计算每一个源节点发射天线经过不同中继节点得到的复合信道，即得到源节点经过中继节点i到目标节点的复合信道为：
其中，Nt为源节点发射天线数目。
得出源节点到目标节点的信道向量Hd：
其中，Nt为源节点发射天线数目。
(b)若从若干个中继节点中选出指定数目的中继节点进行激活，则对每一种符合数目要求的中继节点组合子集计算如下值：
dmin(H)＝dmin,1(Hsrd)+dmin,2(Hd)
其中，dmin,1(Hsrd)表示复合信道下，星座点间的最小欧氏距离，dmin,2(Hd)表示源节点和目标节点所在信道下，星座点间的最小欧式距离，dmin(H)表示综合考虑两种信道条件下星座点间的最小欧氏距离；I表示符合要求的中继节点集合，x为一个表示调制符号的向量，维度为发射天线数目。
(c)从所有备选的中继节点子集组成的集合中选取使dmin(H)最大的中继节点子集Ii，即：
其中，SetI表示所有备选的中继节点子集组成的集合。
发射机结构大致分为如下几步：
步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定源节点发射天线个数nTx，调制的阶数M，待选中继节点个数，激活的中继节点个数等参数；
步骤2：各个中继节点依据信道信息，采用发明方法计算出每个中继节点的复合信道最小欧氏距离，通过回程链路通信互相通知(这里假设回程链路数据的传输是完全可靠的)，激活要工作的中继节点；
步骤3：源节点根据系统参数计算出一帧的比特数量，将此帧数据分成两组，一组为天线索引比特，用于选择被激活的发射天线，一组为调制比特，用于进行QAM调制。再对得到的发送向量进行SM调制，并对中继节点和目标节点进行广播；
步骤4：被激活的中继节点对源节点发送的信息进行解调，并验证是否正确，若正确，则转发给目标节点，否则，保持静默；
步骤5：目标节点根据两个阶段接收到的信号，联合解调出源节点发送的信息。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)在SM-DF-Relay的系统模型中，计算每一个源节点发射天线经过不同中继节点得到的复合信道，得到源节点经过中继节点i到目标节点的复合信道得出源节点到目标节点的信道向量Hd；
(b)若从若干个中继节点中选出指定数目的中继节点进行激活，则对每一种符合数目要求的中继节点组合子集，计算dmin,1(Hsrd)、dmin,2(Hd)、dmin(H)其中，dmin(H)＝dmin,1(Hsrd)+dmin,2(Hd)，dmin,1(Hsrd)表示复合信道下，星座点间的最小欧氏距离，dmin,2(Hd)表示源节点和目标节点所在信道下，星座点间的最小欧式距离，dmin(H)表示综合考虑两种信道条件下星座点间的最小欧氏距离；
(c)从所有备选的中继节点子集组成的集合中选取使dmin(H)最大的中继节点子集Ii。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤(a)中，复合信道通过如下公式计算得到；
其中，Nt为源节点发射天线数目，表示源节点第j根发射天线到第l个中继节点的信道参数，表示第l个中继节点到目标节点的信道参数；
信道向量Hd通过如下公式计算得到：
其中，Nt为源节点发射天线数目。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤(b)中，dmin,1(Hsrd)、dmin,2(Hd)通过如下公式计算得到：
dmin(H)＝dmin,1(Hsrd)+dmin,2(Hd)
其中，I表示符合要求的中继节点集合，x为调制符号。
4.根据权利要求3所述的一种基于空间调制解码转发中继系统的中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤(c)中，中继节点子集Ii通过如下公式计算得到：
其中，SetI表示所有备选的中继节点子集组成的集合。
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