CN108462562B - 一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息处理技术领域，公开了基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法，首先，基于信噪比最大化的联合预编码矩阵的设计，通过矩阵的特征分解，利用函数的单调性，将联合设计问题转化为两类独立子问题的设计，并得出了一种快速求解预编码矩阵的算法；其次，相异于传统基于信噪比的中继选择方法，求取源到目的节点的总对数似然比，并依据此选择中继节点。仿真结果表明，源和目的节点联合空时编码技术设计的预编码矩阵，比单空时编码的系统以及单预编码矩阵的系统，系统性能得到有效提升；采用对数似然比的选择技术，优于传统基于信噪比的多中继系统，随着中继数目的增加，性能的提升愈加显著。

Description

一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法
技术领域
本发明属于信息处理技术领域，尤其涉及一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
多中继系统一般仅采用预编码技术来提高系统性能，在选择中继时多采用基于信噪比的选择准则。
随着多媒体技术的发展，人们对通信网络的要求逐渐向高速率、稳定性强等要求迈进。能满足此类需求的中继系统成为研究的热点之一，其中多中继系统相比单中继系统能获得更好的性能，但同时也带来硬件设备和成本的急剧上升，由此中继选择系统作为一种折衷方案应运而生。中继选择按照某种准则，选择最好的中继进行接收转发，可以使系统获得满分集增益，在系统性能的提升上同样表现不俗。
若能获得信道信息，中继选择系统还可以采用预编码技术，对发射信号进行预变换，有效抑制干扰。现有文献一研究了结合发送预编码技术的中继选择系统，中继均配置单天线，推导了完备信道信息下最优化的波束成形准则和仅在接收端已知信道信息下的Grassmannian波束成形，现有技术研究三节点均配置多天线时，有限反馈下的两种波束成形方案，均依据源到中继再到目的节点的总的接收信噪比选择中继。与以文献一均采用放大转发协议(AF)不同，文献三研究解码转发(DF)协议下源节点和中继节点均采用预编码设计的系统性能，中继选择建立在成对错误概率的上界最小化的准则之上。文献四则是在DF协议下，节点均为单天线的系统中选择信噪比最高的两个中继，并提出了一种修正的MRC检测来获得满分集增益。文献五进一步考虑了中继与天线共同选择下的预编码双向系统，提出了一种新的波束成形算法和选择算法。
以上文献在选择中继时，大都依据信噪比准则展开研究。最近，有文献基于对数似然比(Log-likelihoodratio，LLR)准则展开中继选择系统的研究。文献通过设定一个基于LLR的阈值，判定中继是否能正确解码来进行中继选择，该方案能有效减少错误的传播路径，提升系统的误码性能。文献提出了适用于MPSK调制信号的中继选择方案，将中继端接收信号的LLR的最大值与直达链路中目的端接收信号的LLR进行比较，若大于等于目的端接收的LLR，则该中继被允许辅助传输信号，这种选择方案在低信噪比区域对误码率的性能提升显著。文献进一步提出了适用于任何调制信号的中继选择方案，在中继端选择LLR最大的一个或者几个中继传送信号，并在AF和DF协议下进行了探讨，仿真结果表明，该方案在误码率性能方面优于传统基于SNR的选择准则。文献则对Nakagami衰落信道上基于LLR和SNR两种不同准则的中继选择系统进行研究，在DF协议下推导出了误码率的上界。
以上基于LLR准则的中继选择系统，其误码性能均优于传统采用SNR准则的中继选择系统，由此，本发明考虑采用基于LLR的准则选择最佳中继进行信号的转发，并结合空时编码以及预编码技术进一步提升多中继系统的性能。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术分析协作系统预编码设计中，往往只考虑预编码或者空时编码某一种单一的技术，且算法复杂，可操作性差。
(2)现有技术考虑协作系统的预编码技术时，只在源节点或者中继节点单个节点上考虑，没有联合节点进行预编码矩阵的设计。
(3)在多中继系统选择方法上，多数文献只考虑传统基于信噪比的准则，提升的系统性能有限。
解决上述技术问题的难度和意义：
如何联合设计多个节点处的预编码矩阵，并采用操作简单的中继选择准则。这对多中继系统有效提升系统性能有着实际意义。
本发明考虑采用基于LLR的准则选择最佳中继进行信号的转发，并结合空时编码以及预编码技术进一步提升多中继系统的性能。与前述大多数文献不同的是，本发明将考虑源到中继到目的节点整体信号的LLR选择中继节点。并假定系统的源节点和中继节点能获得完备的信道信息，进行预编码矩阵的设计。中继节点处采用放大转发协议，相比解码转发，它具有较为简单的操作性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法。
本发明是这样实现的，
一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法，为：
基于信噪比最大化的联合预编码矩阵的设计，通过矩阵的特征分解，利用函数的单调性，将联合设计问题转化为两类独立子问题的设计，并得出求解预编码矩阵的算法。
进一步，所述基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法为完备信道状态信息下的预编码矩阵优化；具体包括：
第一步，确定两个预编码矩阵最优化的方向；
第二步，寻求每个方向上最优的功率分配；
假定满足条件的最优化预编码矩阵V1和V2通过特征分解为，
Figure BDA0001571667950000031
式中
Figure BDA0001571667950000032
是特征值组成的对角矩阵，
Figure BDA0001571667950000033
是对应的特征向量；假定信道矩阵分解为：
Figure BDA0001571667950000034
即
Figure BDA0001571667950000035
为Hk HHk的特征向量，
Figure BDA0001571667950000036
是特征值组成的对角矩阵；当
Figure BDA0001571667950000037
时，
Figure BDA0001571667950000038
达到最大值；
将下标k略去，
Figure BDA0001571667950000039
展开如下，
Figure BDA0001571667950000041
由此，上式的最大化问题转化为两式均通用的线性规划问题：
Figure BDA0001571667950000042
Figure BDA0001571667950000043
式中L为并行的SISO信道数，c为编码常数，tr{}表示求矩阵的迹；式中约束条件P1、P2分别为源和选定的中继端每个STBC块的发射功率。
本发明的另一目的在于提供一种基于对数似然比的中继选择准则，包括：
先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
再推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
进一步，先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则，再推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则，具体包括：
先推导端到端的符号对数似然比准则；定义发射端第
Figure BDA0001571667950000044
个发射天线发送到接收端第j个接收天线上的符号对数似然比
Figure BDA0001571667950000045
为
Figure BDA0001571667950000046
式中
Figure BDA0001571667950000047
为第
Figure BDA0001571667950000048
个发射天线到第j个接收天线上利用最大后验概率准则MAP判决的发射信号，即
Figure BDA0001571667950000049
式中
Figure BDA0001571667950000051
表示给定接收信号
Figure BDA0001571667950000052
和等效信道条件
Figure BDA0001571667950000053
下
Figure BDA0001571667950000054
发射信号的后验概率,{s1,s2,…,sM}集合是指M进制的调制信号；对符号对数似然比
Figure BDA0001571667950000055
公式进行变换，得
Figure BDA0001571667950000056
式中N0为接收天线上加性复高斯白噪声的方差；由条件错误概率推得基于对数似然比的接收天线选择准则，选择能使下式最小的第j个天线接收信号
Figure BDA0001571667950000057
当采用BPSK调制信号时，规则简化为
Figure BDA0001571667950000058
对上述的中继系统，采用BPSK调制信号时，令
Figure BDA0001571667950000059
Figure BDA00015716679500000510
目的端采用符号对数似然比选择中继的准则表述为
Figure BDA00015716679500000511
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于对数似然比的中继选择系统，包括：
完备信道状态信息下的预编码矩阵单元，用于完备信道状态信息下的预编码矩阵优化；
天线选择准则推导单元，用于推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
中继选择准则推导单元，用于从中推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述中继选择系统的信息数据处理终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明基于完备信道状态信息，分析协作系统源和中继节点处联合空时编码的预编码设计问题；通过分析接收信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)建立预编码矩阵的优化问题。分析了基于对数似然比的中继选择机制，与信噪比选择相比，本发明对数似然比的误码性能要明显优于信噪比选择，且算法简单，可操作性强。
仿真结果表明，源和目的节点联合空时编码技术设计的预编码矩阵，比单空时编码的系统以及单预编码矩阵的系统，系统性能得到有效提升；采用对数似然比的选择技术，优于传统基于信噪比的多中继系统，随着中继数目的增加，性能的提升愈加显著。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法流程图。
图2是本发明实施例提供的中继数不同时对数似然比的系统与信噪比系统的性能比较图。
图3是本发明实施例提供的相关系数为0.8时，中继个数分别为2、3、4的两系统性能比较图。
图4是本发明实施例提供的中继数为3，相关系数变化时的系统性能比较图。
图5是本发明实施例提供的中继数为2，相关系数变化时单空时分组码与预编码的空时分组码系统的比较图。
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。
现有技术分析协作系统源和中继节点处联合空时编码的预编码设计中，算法复杂，可操作性差。
图1，本发明实施例提供的基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法，包括：
S101：首先，基于信噪比最大化的联合预编码矩阵的设计，通过矩阵的特征分解，利用函数的单调性，将联合设计问题转化为两类独立子问题的设计，并得出了得出求解预编码矩阵的算法。
S102：其次，相异于传统基于信噪比的中继选择方法，求取源到目的节点的总对数似然比，并依据此选择中继节点。
步骤S101中，具体包括：
第一步，确定两个预编码矩阵最优化的方向；
第二步，寻求每个方向上最优的功率分配；
假定满足条件的最优化预编码矩阵V1和V2通过特征分解为，
Figure BDA0001571667950000071
式中
Figure BDA0001571667950000072
是特征值组成的对角矩阵，
Figure BDA0001571667950000073
是对应的特征向量；假定信道矩阵分解为：
Figure BDA0001571667950000081
即
Figure BDA0001571667950000082
为Hk HHk的特征向量；当
Figure BDA0001571667950000083
时，
Figure BDA0001571667950000084
达到最大值；
将下标k略去，
Figure BDA0001571667950000085
展开如下，
Figure BDA0001571667950000086
由此，的最大化问题转化为两式均通用的线性规划问题：
Figure BDA0001571667950000087
Figure BDA0001571667950000088
所述S102包括：
首先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
再从中推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
具体包括：
先推导端到端的符号对数似然比准则；定义发射端第
Figure BDA0001571667950000089
个发射天线发送到接收端第j个接收天线上的符号对数似然比
Figure BDA00015716679500000810
为
Figure BDA00015716679500000811
式中
Figure BDA00015716679500000812
为第
Figure BDA00015716679500000813
个发射天线到第j个接收天线上利用最大后验概率准则MAP判决的发射信号，即
Figure BDA00015716679500000814
式中
Figure BDA0001571667950000091
表示给定接收信号
Figure BDA0001571667950000092
和等效信道条件
Figure BDA0001571667950000093
下
Figure BDA0001571667950000094
发射信号的后验概率,{s1,s2,…,sM}集合是指M进制的调制信号；对符号对数似然比
Figure BDA0001571667950000095
公式进行变换，得
Figure BDA0001571667950000096
式中N0为接收天线上加性复高斯白噪声的方差；由条件错误概率推得基于对数似然比的接收天线选择准则，选择能使下式最小的第j个天线接收信号
Figure BDA0001571667950000097
当采用BPSK调制信号时，规则简化为
Figure BDA0001571667950000098
对上述的中继系统，采用BPSK调制信号时，令
Figure BDA0001571667950000099
Figure BDA00015716679500000910
目的端采用符号对数似然比选择中继的准则表述为
Figure BDA00015716679500000911
本发明实施例提供一种基于对数似然比的中继选择系统，包括：
完备信道状态信息下的预编码矩阵单元，用于完备信道状态信息下的预编码矩阵优化；
天线选择准则推导单元，用于推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
中继选择准则推导单元，用于从中推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
1、一个基于AF协议的两跳多中继协作通信系统，由一个源、I个中继和一个目的节点组成，每个节点均配置多天线，天线数分别为NS，NR,i(i＝1,2,...,I)和ND，假定源发送的信号满足Es＝E{|sl|2}＝1，l∈{1,...,L}。源与中继均采用预编码的空时码技术，即将待发送的符号经空时编码与预编码器的处理，再发送至下一节点。信号传输过程分两个阶段：一为源发送到各个中继，二为中继发送到目的端，其中在第二阶段，根据目的端的中继选择准则选择出的最优中继将进行信号的转发。两阶段的MIMO信道分别为H1,i、H2,i，预编码矩阵为V1、V2,i，待发送的码字表示为G1(s)、G2,i(t)。本发明假定所有链路的接收端噪声为零均值的加性高斯白噪声。
第一阶段第i个中继的接收信号为YR,i＝H1,iV1G1(s)+N1,i。其中
Figure BDA0001571667950000101
Figure BDA0001571667950000102
T是时间维数。For all i。对于所有的i，N1,i为噪声矩阵，元素方差为
Figure BDA0001571667950000103
根据STBC的正交性，将MIMO信道转化为L个并行的SISO信道，第i个中继第l个信道上的信号为
Figure BDA0001571667950000104
其中
Figure BDA0001571667950000105
c为编码常数。中继采用AF协议，将接收到的信号归一化：
Figure BDA0001571667950000106
第二阶段，被选择的中继将tl重新编码为空时码矩阵G2(t)，与V2,i相乘后发送到目的端YD＝H2,iV2,iG2(t)+N2,i，其中
Figure BDA0001571667950000107
N2,i中的元素方差为
Figure BDA0001571667950000108
与式(1)相似，目的信号可以简化为
Figure BDA0001571667950000109
式中
Figure BDA0001571667950000111
将tl表达式代入(2)，有
Figure BDA0001571667950000112
在目的端采用最大比合并，令
Figure BDA0001571667950000113
总的输出信噪比为
Figure BDA0001571667950000114
文献也得到了相似的结论，但不同的是文献考虑单中继系统。
2、预编码矩阵与中继选择准则
本发明分析完备信道状态信息下的预编码矩阵以及基于对数似然比的中继选择准则。
2.1完备信道状态信息下的预编码矩阵
本发明将基于推导的接收信噪比来设计完备信道状态信息下的预编码矩阵，假定发送和接收之间存在高速反馈链路，发送端能获得完备的信道信息，系统可以直接通过提高接收信噪比来降低误码率。因此，建立的优化问题为：在各端点发射功率的约束下，求解源和中继端的最优预编码矩阵，使系统总的接收信噪比最大化。为描述方便，将上述的Xn,i均简写为Xn
Figure BDA0001571667950000115
Figure BDA0001571667950000116
式中约束条件P1、P2分别为源和选定的中继端每个STBC块的发射功率，γSNR的表达式由式(4)给出。要解决该优化问题，可以通过分析γSNR的表达式将其分解进行求解。
推论1：对于两个非负的独立随机变量x与y，满足x∈(0,A],y∈(0,B]，函数
Figure BDA0001571667950000121
为单调递增函数。
证明：当x∈(0,A],y∈(0,B]时，对函数f(x,y)求偏导，有
Figure BDA0001571667950000122
Figure BDA0001571667950000123
接下来求解方向导数，即需证明函数在任意方向均单调增加。假定y＝kx,k＞0，带入f(x,y)，对x求导数可得
Figure BDA0001571667950000124
由此可知，函数f(x,y)在任意方向均单调递增。结合偏导及方向导数，可知
Figure BDA0001571667950000125
为单调递增函数。
推论1证毕。
引理1：若γ1，γ2是存在最大值的非负数，则当γ1、γ2达到最大值时，γSNR达到最大。即求解maxγSNR的优化问题可以等价转化为分别求解maxγ1与maxγ2的两个子问题。
证明：由推论1可知，γSNR单调递增，由于γ1，γ2相互独立存在最大值，可知当γ1＝maxγ1，γ2＝maxγ2时，γSNR取得最大值maxγSNR。因此，maxγSNR的优化问题可以等价转化为求解maxγ1与maxγ2的两个子问题。
引理1证毕。
基于引理1，式(5)的优化问题可以分解为两个独立的子问题。对k＝1,2，有
Figure BDA0001571667950000126
Figure BDA0001571667950000127
求解最优化的预编码矩阵可以采用两步走的方法：第一步确定两个预编码矩阵最优化的方向，第二步寻求每个方向上最优的功率分配。假定满足条件的最优化预编码矩阵V1和V2可以通过特征分解为，
Figure BDA0001571667950000131
式中
Figure BDA0001571667950000132
是特征值组成的对角矩阵，
Figure BDA0001571667950000133
是对应的特征向量。假定信道矩阵可以分解为：
Figure BDA0001571667950000134
即
Figure BDA0001571667950000135
为Hk HHk的特征向量。由文献可知，当
Figure BDA0001571667950000136
时，
Figure BDA0001571667950000137
达到最大值。因此，预编码矩阵最优化的方向与对应信道矩阵特征向量的方向一致。确定方向后，进一步考虑每一个方向上的功率分配。
为方便起见，将下标k略去，
Figure BDA0001571667950000138
展开如下，
Figure BDA0001571667950000139
由此，(7)的最大化问题可以转化为两式均通用的线性规划问题
Figure BDA00015716679500001310
Figure BDA00015716679500001311
该线性规划问题可以采用专门软件进行求解。观察问题的解，可知最优化的功率分配方案为所有的功率均加载在对应的信道矩阵最大特征值的特征方向上，而其他方向的功率为零。由此可知完备信道状态信息下的预编码矩阵的设计是特征波束成形。
2.2基于对数似然比的中继选择准则
本发明分析基于对数似然比的中继选择准则。假定目的端根据对数似然比准则，选择最好的中继进行接收。首先，本发明先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则，再从中推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
先推导端到端的符号对数似然比准则。定义发射端第
Figure BDA00015716679500001312
个发射天线发送到接收端第j个接收天线上的符号对数似然比
Figure BDA0001571667950000141
为
Figure BDA0001571667950000142
式中
Figure BDA0001571667950000143
为第
Figure BDA0001571667950000144
个发射天线到第j个接收天线上利用最大后验概率准则(MAP)判决的发射信号，即
Figure BDA0001571667950000145
式中
Figure BDA0001571667950000146
表示给定接收信号
Figure BDA0001571667950000147
和等效信道条件
Figure BDA0001571667950000148
下
Figure BDA0001571667950000149
发射信号的后验概率,{s1,s2,…,sM}集合是指M进制的调制信号。对式子(11)进行变换，由文献化简后可得
Figure BDA00015716679500001410
式中N0为接收天线上加性复高斯白噪声的方差。由条件错误概率可以推得基于对数似然比的接收天线选择准则，就是选择能使下式最小的第j个天线接收信号
Figure BDA00015716679500001411
当采用BPSK调制信号时，规则可以简化为
Figure BDA00015716679500001412
对上述的中继系统，采用BPSK调制信号时，令
Figure BDA00015716679500001413
Figure BDA00015716679500001414
目的端采用符号对数似然比选择中继的准则可以表述为
Figure BDA0001571667950000151
下面结合仿真对本发明作进一步描述。
3、仿真结果
考虑典型的配置两天线的中继系统，即NS＝NR,i＝ND＝2，源端和中继端均采用Alamouti的编码方案。假定天线k与j之间的相关系数为ρkj，系数矩阵的构成为
Figure BDA0001571667950000152
仿真中均采用BPSK调制。
接下来的三个仿真例子，仿真点数均采用105。
图2中继数不同时对数似然比的系统与信噪比系统的性能比较图。
独立信道上，中继数分别为1、2、3时，采用对数似然比选择中继与采用信噪比选择中继的系统性能比较。可见采用对数似然比选择中继比采用信噪比性能要优越许多，且随着中继数的增多，优越性愈加明显。
图3相关系数为0.8时，中继个数分别为2、3、4的两系统性能比较图。
相关系数为0.8的衰落信道上，中继数为2、3、4时，两系统的性能比较。可见，当采用对数似然比选择中继时，中继数为3系统性能甚至超越了中继数为4采用信噪比的系统。
图4中继数为3，相关系数变化时的系统性能比较图。
当中继数均为3时，比较了不同相关衰落系数的信道上，对数似然比选择与信噪比选择的系统性能。从图中可知，随着相关系数的增大，对数似然比的增益有所减少，信道独立时，信噪比与对数似然比差距最大。
图5中继数为2，相关系数变化时单空时分组码与预编码的空时分组码系统的比较图。
当中继数为2时，分别考察采用预编码的中继选择系统和没有采用预编码的单空时分组码系统下的误码性能。由图可见，同样采用SLLR选择中继，未进行预编码的中继系统其性能明显差于预编码的中继系统，图中分别采用了发送接收相关系数为0.95、0.3和独立三组曲线进行比较，从仿真结果可知：随着相关性的增强，预编码性噪比增益的优越性有所减弱，但仍然表现优越。由此可知，在发送端进行预编码的操作，可以显著提高中继系统的误码性能。
下面结合效果对本发明作进一步描述。
本发明源节点和中继节点均采用预编码和空时分组码技术进行信号的转发。在中继节点的转发阶段，出于降低硬件成本的考虑，从多个中继选择一个最优中继转发信号，所采用的对数似然比选择准则简单易实现，与传统基于信噪比的准则相比，能大幅度提高多中继系统的误码性能。仿真结果表明，可供选择的中继数目愈多，系统性能优越性越强；信道相关性愈弱，似然比系统与信噪比系统的差距愈大；未经过预编码的单空时分组码系统，其误码性能明显劣于预编码的空时分组码系统，该差距随着相关性的增强有所减弱。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
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 (6)

1.一种基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法，其特征在于，所述基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法为：
基于信噪比最大化的联合预编码矩阵的设计，通过矩阵的特征分解，利用函数的单调性，将联合设计问题转化为两类独立子问题的设计，并得出求解预编码矩阵的算法；
所述基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法为完备信道状态信息下的预编码矩阵优化；具体包括：
第一步，确定两个预编码矩阵最优化的方向；
第二步，寻求每个方向上最优的功率分配；
假定满足条件的最优化预编码矩阵V1和V2通过特征分解为，
Figure FDA0002770163790000011
式中
Figure FDA0002770163790000012
是特征值组成的对角矩阵，
Figure FDA0002770163790000013
是对应的特征向量；假定信道矩阵分解为：
Figure FDA0002770163790000014
即
Figure FDA0002770163790000015
为Hk HHk的特征向量，
Figure FDA0002770163790000016
是特征值组成的对角矩阵；当
Figure FDA0002770163790000017
时，
Figure FDA0002770163790000018
达到最大值；
将下标k略去，
Figure FDA0002770163790000019
展开如下，
Figure FDA00027701637900000110
由此，上式的最大化问题转化为两式均通用的线性规划问题：
Figure FDA00027701637900000111
Figure FDA00027701637900000112
式中L为并行的SISO信道数，c为编码常数，tr{}表示求矩阵的迹；式中约束条件P1、P2分别为源和选定的中继端每个STBC块的发射功率。
2.一种如权利要求1所述的基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法的基于对数似然比的中继选择方法，其特征在于，所述基于对数似然比的中继选择方法包括：
先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
再推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
3.如权利要求2所述的基于对数似然比的中继选择方法，其特征在于，
先推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则，再推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则，具体包括：
先推导端到端的符号对数似然比准则；定义发射端第
Figure FDA0002770163790000021
个发射天线发送到接收端第j个接收天线上的符号对数似然比
Figure FDA0002770163790000022
为
Figure FDA0002770163790000023
式中
Figure FDA0002770163790000024
为第
Figure FDA0002770163790000025
个发射天线到第j个接收天线上利用最大后验概率准则MAP判决的发射信号，即
Figure FDA0002770163790000026
式中
Figure FDA0002770163790000027
表示给定接收信号
Figure FDA0002770163790000028
和等效信道条件
Figure FDA0002770163790000029
下
Figure FDA00027701637900000210
发射信号的后验概率,{s1,s2,…,sM}集合是指M进制的调制信号；对符号对数似然比
Figure FDA00027701637900000211
公式进行变换，得
Figure FDA00027701637900000212
式中N0为接收天线上加性复高斯白噪声的方差；由条件错误概率推得基于对数似然比的接收天线选择准则，选择能使下式最小的第j个天线接收信号
Figure FDA0002770163790000031
当采用BPSK调制信号时，规则简化为
Figure FDA0002770163790000032
对上述的中继系统，采用BPSK调制信号时，令
Figure FDA0002770163790000033
Figure FDA0002770163790000034
其中i为第i个中继，目的端采用符号对数似然比选择中继的准则表述为
Figure FDA0002770163790000035
4.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的基于对数似然比的中继选择系统空时预编码方法。
5.一种如权利要求3所述的基于对数似然比的中继选择方法的基于对数似然比的中继选择系统，其特征在于，所述基于对数似然比的中继选择系统，包括：
完备信道状态信息下的预编码矩阵单元，用于完备信道状态信息下的预编码矩阵优化；
天线选择准则推导单元，用于推导出多根发送天线到单根接收天线基于对数似然比的天线选择准则；
中继选择准则推导单元，用于从中推导出中继系统从源节点到多个中继到接收节点基于对数似然比的中继选择准则。
6.一种搭载有权利要求5所述基于对数似然比的中继选择系统的信息数据处理终端。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110896323B (zh) * 2019-12-04 2021-07-02 浙江师范大学 一种联合中继与天线选择的新方法及系统
CN111181607B (zh) * 2020-01-09 2021-04-27 杭州电子科技大学 一种基于选择软消息转发的物理层编码优化天线选择方法
CN112270593A (zh) * 2020-11-09 2021-01-26 武汉蝌蚪信息技术有限公司 基于去中心化帐本技术的业务帐本多人共管帐本公示系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101919173A (zh) * 2008-01-17 2010-12-15 上海贝尔股份有限公司 无线协作中继网络中控制信号传输的方法及其装置
CN102355323A (zh) * 2011-08-03 2012-02-15 林子怀 基于无率lt编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2501750B (en) * 2012-05-03 2015-04-29 Toshiba Res Europ Ltd Method and apparatus for coding a signal in a relay network

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101919173A (zh) * 2008-01-17 2010-12-15 上海贝尔股份有限公司 无线协作中继网络中控制信号传输的方法及其装置
CN102355323A (zh) * 2011-08-03 2012-02-15 林子怀 基于无率lt编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Log-likelihood ratio-based relay selection algorithm for cooperative communications》;Ahmed El-Mahdy,et al.;《 2015 International Conference on Communications, Signal Processing, and their Applications (ICCSPA"15)》;20150409;摘要、正文第2节第1段-第5节倒数第1段 *
《Precoding of Space–Time Block Codes for Relay Networks over Correlated MIMO Channels》;Youyan Zhang,et al.;《Wireless Personal Communications》;20150520;摘要、正文第1节第1段-第5节倒数第1段以及附图1-6 *
《中继协作通信中的编码技术研究》;王楠;《万方数据知识服务平台》;20170103;全文 *

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