CN108541042B - 基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统 - Google Patents

基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统，系统包括中继和目的节点，所述嵌入转发方法包括以下步骤：步骤S1，中继和目的节点分别接收源节点信号；步骤S2，中继先将额外信息映射为循环延时量△，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；步骤S3，目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。在本发明中，中继将从源节点接收到的信号进行循环延时操作，再转发给目的节点，使得信号的循环平稳特征携带了中继需要发送给目的节点的信息，从而在不增加时频资源开销的情况下实现了中继与网络节点间的信息交互，进一步提升系统性能。

Description

基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统。
背景技术
中继技术是无线通信系统的关键技术之一，在无线网络中利用中继进行传输能够为小区带来更大的覆盖范围和更高的系统容量，并改善小区边缘的性能。常见的中继方式包括放大转发(amplify-and-forward,AF)和解码转发(decode-and-forward,DF)，基于AF的中继站将从源节点接收到的信号不经任何处理直接放大，并转发给目的节点，而基于DF的中继站先将从源节点接收到的信号进行解码，若接收正确，则将信号重新编码后再转发给目的节点。通过这些数据转发技术能够获得空间分集增益、降低无线信道衰落对传输可靠性的影响、提高系统吞吐量、降低误码率。
然而，中继技术在带来优良性能的同时也会面临资源需求增加、干扰复杂化等问题，如果中继与基站、用户之间能够进行有效的协作，灵活地进行资源分配和干扰抑制，那么中继系统的整体性能将会显著提高，但中继与基站、用户之间使用时频资源进行信息交互会增加系统开销，降低中继系统的性能增益，因此，如何使中继与网络节点间进行高效的信息交互而不消耗过多的资源是提高中继系统性能的关键问题。
近年来，对于统计谱域传输技术和信号循环平稳特性的研究在通信领域得到了越来越多的关注。其中，循环延时分集(Cyclic Delay Diversity，CDD)作为一项性能优越、标准兼容性好的多天线分集技术，已被收录于LTE与LTE-A的标准之中；统计谱域传输技术能够在频域常规的正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)数据流之上，额外开辟一条独立的统计谱域传输信道，它通过动态地改变OFDM信号的循环延时量，隐性地将统计谱域信息嵌入常规OFDM数据流之中；具体而言，统计谱域传输技术是将数据送到循环延时调制模块中，将信息比特映射成一个个循环延时量；发射模块根据这一循环延时量，对每L个OFDM符号进行循环延时操作，这里每L个OFDM符号组成了一个统计谱域单元观测长度，因此在每个观测单元长度之内，信号的循环平稳特征即携带了统计谱域信息。可以看出现有的统计谱域传输技术都是针对点到点的直接通信，且需要发射端配置多根天线，而目前尚未有针对中继系统的统计谱域传输方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统，用于解决现有技术中仅采用点到点的直接通信，且需要发射端配置多根天线的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其创新点在于，所述嵌入转发方法包括以下步骤：
步骤S1，中继和目的节点分别接收源节点信号；
步骤S2，中继先将额外信息映射为循环延时量△，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
步骤S3，目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
于本发明的一实施例中，假设源节点信号发射信号s(n)，其中n是时域采样序号，则，
中继接收到的信号可以表示为rSR(n)＝hSRs(n)+vR(n)，其中hSR是源节点与中继之间的信道状态，vR(n)是中继的加性高斯白噪声；
目的节点接收到的信号可以表示为rSD(n)＝hSDs(n)+vD(n)，其中hSD是源节点与目的节点之间的信道状态，vR(n)是目的节点的加性高斯白噪声。
于本发明的一实施例中，在步骤S2中，在所述中继除对接收到的源节点信号循环移位操作后，再进行放大处理，转发给目的节点，则目的节点接收到的中继信号为
Figure BDA0001633052400000021
其中α是中继的放大因子，hRD是中继与目的节点之间的信道状态，N表示子载波总数，
Figure BDA0001633052400000022
是目的节点的总噪声分量。
于本发明的一实施例中，在步骤S2中，在所述中继除对接收到的源节点信号循环移位操作后，再进行解码处理，转发给目的节点，则目的节点接收到的中继信号为
Figure BDA0001633052400000023
其中hRD是中继与目的节点之间的信道状态，
Figure BDA0001633052400000024
是目的节点的加性高斯白噪声。
于本发明的一实施例中，在步骤S3中，目的节点将从源节点和中继接收到的信号rSD(n)和rRD(n)进行合并，合并信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中
Figure BDA0001633052400000025
s(n)＝[s(n),s(n)e-j2π△/N]T，v(n)表示噪声分量。
于本发明的一实施例中，
Figure BDA0001633052400000026
于本发明的一实施例中，在步骤S3中，目的节点将从源节点和中继接收到的信号rSD(n)和rRD(n)进行合并，合并信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中
Figure BDA0001633052400000031
s(n)＝[s(n),s(n)e-j2π△/N]T，v(n)表示噪声分量。
于本发明的一实施例中，在步骤S3中，从合并信号解调出中继信号中的额外信息方法具体包括：
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数估计值
Figure BDA0001633052400000032
其中L表示观察窗长度，τ表示循环延时变量，
Figure BDA0001633052400000033
M＝子载波数+循环前缀长度，(·)*表示共轭运算；
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数理论值
Figure BDA0001633052400000034
其中，cr(n,τ)＝E{r(n)r*(n+τ)}，E{·}表示数学期望；通过对比合并信号的循环自相关函数估计值
Figure BDA0001633052400000035
与合并信号的循环自相关函数理论值
Figure BDA0001633052400000036
间的差距，找到使两者差距最小的循环延时量τ，得到目标循环延时量估计值
Figure BDA0001633052400000037
根据目标循环延时量估计值
Figure BDA0001633052400000038
解映射出中继发送的额外信息。
于本发明的一实施例中，在步骤S3中，从合并信号解调出中继信号中的额外信息方法具体包括：
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数估计值
Figure BDA0001633052400000039
其中L表示观察窗长度，τ表示循环延时变量，
Figure BDA00016330524000000310
M＝子载波数+循环前缀长度，(·)*表示共轭运算；
通过寻找最大化
Figure BDA00016330524000000311
的循环延时变量τ，得到目标循环延时量估计值
Figure BDA00016330524000000312
Figure BDA00016330524000000313
根据目标循环延时量估计值
Figure BDA00016330524000000314
解映射出中继发送的额外信息。
本发明还提供了一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发系统，其创新点在于，包括中继和目的节点；
所述中继和所述目的节点分别接收源节点信号；
所述中继先将额外信息映射为循环延时量，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
所述目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
如上所述，本发明的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法、嵌入转发系统，具有以下有益效果：
在本发明中，中继将从源节点接收到的信号进行循环延时操作，再转发给目的节点，使得信号的循环平稳特征携带了中继需要发送给目的节点的信息，从而在不增加时频资源开销的情况下实现了中继与网络节点间的信息交互，进一步提升系统性能。
附图说明
图1显示为本发明的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法的流程图。
图2显示为本发明的基于信号循环平稳特征的嵌入转发系统的传输场景。
图3显示为第一实施例的中继传输场景示意图。
元件标号说明
S1-S3 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，所述嵌入转发方法包括以下步骤：整个中继过程分为两个时隙完成，在第1个时隙T1中，源节点发射的信号被目的节点和中继同时接收，在第2个时隙T2中，中继将接收到的信号转发给目的节点。
步骤S1，中继和目的节点接收源节点信号；
步骤S2，中继先将额外信息映射为循环延时量△，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
步骤S3，目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
本发明提供了一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发系统，包括中继和目的节点，如图2所示；
所述中继和所述目的节点分别接收源节点信号；
所述中继先将额外信息映射为循环延时量，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
所述目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
第一实施例
本实施例提供一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，考虑一个有用户、中继和基站构成的中继网络，其中用户作为源节点，基站作为目的节点。假设用户和中继配置了一根天线，使用OFDM技术向基站发送信号，整个中继过程分为两个时隙完成，在第1个时隙T1中，用户发射的信号被基站和中继同时接收，在第2个时隙T2中，中继将接收到的信号转发给基站，请参阅图3。
在本实施例中，基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法具体通过以下步骤实现：
步骤1：中继和基站接收用户发射的信号。
假设用户发射信号s(n)，其中n是时域采样序号，则中继接收到的信号可以表示为rSR(n)＝hSRs(n)+vR(n)，其中hSR是用户与中继之间的信道状态，vR(n)是中继的加性高斯白噪声。
基站接收到的信号可以表示为rSD(n)＝hSDs(n)+vD(n)，其中hSD是用户与基站之间的信道状态，vR(n)是基站的加性高斯白噪声。
步骤2：中继将需要发送给基站的额外信息映射为循环延时量，然后将从用户接收到的信号进行循环延时移位操作，再转发给基站。
中继首先将需要发送给基站的额外信息映射为循环延时量△，该循环延时量根据所要携带的额外信息来调整，因此当额外信息不同时循环延时量△不同。假设系统的子载波数为128，则循环延时量映射表如表1所示，然后将从用户接收到的信号循环移位△后发送给基站。
表1循环延时量映射表
Figure BDA0001633052400000061
中继除了对信号进行循环延时操作外，还可再对信号进行放大或解码处理。
假设中继对从用户接收到的信号先循环移位再放大操作：
先循环移位得到信号表示为rSR(n)e-j2π△/N，再将该信号进行放大操作，那么基站接收到的信号可以表示为
Figure BDA0001633052400000062
其中，α是中继的放大因子
Figure BDA0001633052400000063
(PR表示中继的发射功率，PS表示源节点的发射功率，σ2表示中继的加性高斯白噪声的方差)，hRD是中继与基站之间的信道状态，N表示子载波总数，
Figure BDA0001633052400000064
是基站的总噪声分量，上述参数均为已知量。
假设中继对从用户接收到的信号进行解码和循环移位操作，那么基站接收到的信号可以表示为
Figure BDA0001633052400000065
其中hRD是中继与基站之间的信道状态，
Figure BDA0001633052400000066
是基站的加性高斯白噪声。
步骤3：基站合并从用户和中继接收到的信号，从合并信号中解调出中继发送的额外信息。
基站将从用户和中继接收到的信号rSD(n)和rRD(n)进行合并，合并信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中
Figure BDA0001633052400000067
当中继对从用户接收到的信号进行放大操作时，
Figure BDA0001633052400000068
当中继对从用户接收到的信号进行解码操作时，
Figure BDA0001633052400000069
s(n)＝[s(n),s(n)e-j2π△/N]T，v(n)表示噪声分量。
从合并信号中解调出中继发送的额外信息的方法如下：
首先，计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数估计值
Figure BDA0001633052400000071
其中L表示观察窗长度，τ表示循环延时变量，
Figure BDA0001633052400000072
M＝子载波数+循环前缀长度，(·)*表示共轭运算。
然后，可通过两种方式对目标循环延时量进行检测：
方式1：计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数理论值
Figure BDA0001633052400000073
其中，cr(n,τ)＝E{r(n)r*(n+τ)}，E{·}表示数学期望。通过对比合并信号的循环自相关函数估计值
Figure BDA0001633052400000074
与合并信号的循环自相关函数理论值
Figure BDA0001633052400000075
间的差距，找到使两者差距最小的循环延时量τ，从而得到目标循环延时量估计值
Figure BDA0001633052400000076
即
Figure BDA0001633052400000077
方式2：通过寻找最大化
Figure BDA0001633052400000078
的循环延时变量τ，从而得到目标循环延时量估计值
Figure BDA0001633052400000079
即
Figure BDA00016330524000000710
最后，参照表1，基站根据目标循环延时量估计值
Figure BDA00016330524000000711
解映射出中继发送的额外信息。
综上所述，本发明，中继将从源节点接收到的信号进行循环延时操作，再转发给目的节点，使得信号的循环平稳特征携带了中继需要发送给目的节点的信息，从而在不增加时频资源开销的情况下实现了中继与网络节点间的信息交互，进一步提升系统性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，所述嵌入转发方法包括以下步骤：
步骤S1，在第一个时隙T1中，中继和目的节点分别接收源节点信号；
步骤S2，在第二个时隙T2中，中继先将额外信息映射为循环延时量Δ，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
步骤S3，目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
2.根据权利要求1所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，假设源节点信号发射信号s(n)，其中n是时域采样序号，则，
中继接收到的信号可以表示为rSR(n)＝hSRs(n)+vR(n)，其中hSR是源节点与中继之间的信道状态，vR(n)是中继的加性高斯白噪声；
目的节点接收到的信号可以表示为rSD(n)＝hSDs(n)+vD(n)，其中hSD是源节点与目的节点之间的信道状态，vR(n)是目的节点的加性高斯白噪声。
3.根据权利要求2所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述中继除对接收到的源节点信号循环移位操作后，再进行放大处理，转发给目的节点，则目的节点接收到的中继信号为
Figure FDA0002631822460000011
其中α是中继的放大因子，hRD是中继与目的节点之间的信道状态，N表示子载波总数，
Figure FDA0002631822460000012
是目的节点的总噪声分量。
4.根据权利要求2所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述中继除对接收到的源节点信号循环移位操作后，再进行解码处理，转发给目的节点，则目的节点接收到的中继信号为
Figure FDA0002631822460000013
其中hRD是中继与目的节点之间的信道状态，
Figure FDA0002631822460000014
是目的节点的加性高斯白噪声。
5.根据权利要求3所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S3中，目的节点将从源节点和中继接收到的信号rSD(n)和rRD(n)进行合并，合并信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中
Figure FDA0002631822460000015
s(n)＝[s(n),s(n)e-j2πΔ/N]T，v(n)表示噪声分量。
6.根据权利要求5所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，
Figure FDA0002631822460000021
7.根据权利要求4所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S3中，目的节点将从源节点和中继接收到的信号rSD(n)和rRD(n)进行合并，合并信号可以表示为r(n)＝hs(n)+v(n)，其中
Figure FDA0002631822460000022
s(n)＝[s(n),s(n)e-j2πΔ/N]T，v(n)表示噪声分量。
8.根据权利要求3所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S3中，从合并信号解调出中继信号中的额外信息方法具体包括：
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数估计值
Figure FDA0002631822460000023
其中L表示观察窗长度，τ表示循环延时变量，
Figure FDA0002631822460000024
M＝子载波数+循环前缀长度，(·)*表示共轭运算；
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数理论值
Figure FDA0002631822460000025
其中，cr(n,τ)＝E{r(n)r*(n+τ)}，E{·}表示数学期望；通过对比合并信号的循环自相关函数估计值
Figure FDA0002631822460000026
与合并信号的循环自相关函数理论值
Figure FDA0002631822460000027
间的差距，找到使两者差距最小的循环延时量τ，得到目标循环延时量估计值
Figure FDA0002631822460000028
Figure FDA0002631822460000029
根据目标循环延时量估计值
Figure FDA00026318224600000210
解映射出中继发送的额外信息。
9.根据权利要求3所述的基于信号循环平稳特征的嵌入转发方法，其特征在于，在步骤S3中，从合并信号解调出中继信号中的额外信息方法具体包括：
计算观察窗内的合并信号的循环自相关函数估计值
Figure FDA00026318224600000211
其中L表示观察窗长度，τ表示循环延时变量，
Figure FDA00026318224600000212
M＝子载波数+循环前缀长度，(·)*表示共轭运算；
通过寻找最大化
Figure FDA0002631822460000031
的循环延时变量τ，得到目标循环延时量估计值
Figure FDA0002631822460000032
Figure FDA0002631822460000033
根据目标循环延时量估计值
Figure FDA0002631822460000034
解映射出中继发送的额外信息。
10.一种基于信号循环平稳特征的嵌入转发系统，其特征在于，包括中继和目的节点；
在第一个时隙T1中，所述中继和所述目的节点分别接收源节点信号；
在第二个时隙T2中，所述中继先将额外信息映射为循环延时量，再对接收到的源节点信号循环移位并转发给目的节点；
所述目的节点将接收到的源节点信号和中继信号合并获得合并信号，从合并信号解调出中继信号中的额外信息。
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