CN109286426A - 一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法 - Google Patents

一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法，该方法设计了基于空间调制的无线携能协作网络，为了克服信道的相关性，在中继处采用预编码空间调制(PSM)技术。在中继处采用能量采集(EH)技术并利用功率分配(PS)协议来采集中继传输信息到目的节点所需的能量。另外，采用的基于预编码的空间调制技术，增强了空间相关性的鲁棒性，并且在频谱和能量效率方面得到显著的增强。通过理论推导出平均成对错误概率(ABEP)的表达式，仿真结果表明：无线携能技术与PSM技术的结合使得提出的方案降低了误码率、能耗和系统实现的复杂度。

Description

一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及预编码技术、空间调制技术、无线携能技术、中继技术及PSM技术，主要提高系统的性能。具体地说是一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法。
背景技术
无线携能(SWIPT)技术，以延长电池的固定运行时间，并解决能量受限无线网络中的能量采集问题已被广泛考虑和研究，如无线传感器网络(WSN)。SWIPT的目的是从用于信息传输的RF信号中获取所需的能量。在无线传感器网络中，传感器成本低，处理和计算能力低，能源预算有限，通常部署在难以进入的场景中，如人体健康监测，矿井隧道，人体和地下/辐射场，认知无线电，测量和收集周围地区的信息。在这种具有挑战场景中，SWIPT是将信息数据从传感器传输到汇聚站或移动收集器的良好解决方案。此外，SWIPT允许无线终端从射频(RF)信号中获取能量，用于信息处理和传输。因此，SWIPT被认为是无线设备延长寿命的候选者。
考虑到SWIPT技术的优势，所以SWIPT技术在协作系统的应用成为研究热点。协作通信通过中继传播方式改善了覆盖范围、提供了额外的分集增益和数据速率。前人在在三节点无线携能通信网络中提出一种基于混合功率时间切割的中继(HPTSR)协议，得出在高信噪比时，HPTSR协议在吞吐量方面优于能量切割和时间切换协议；也研究了在Nakagami-m衰落信道下能量采集的双跳中继系统的误码率分析；和在相关信道下研究无线能量协作系统的性能，分析了系统参数如信道相关系数、能量收集系数对系统中断概率的影响。
空间调制(SM,spatial modulation)是一种简单且频谱高效的调制技术，已被作为经典多输入多输出(MIMO,multiple input multiple output)空间复用技术的一种替代方案。而空间调制和协作系统的结合不仅可以增强覆盖范围，还可以提高频谱效率，同时采集能量。在最新研究中，有对无线携能协作空间调制系统的研究，但是，如果在发射天线中的空间相关性分离不足或是有直接视距信道的分量，则会加剧解析有源发射天线时的接收器性能，这样又会导致SM收发器的平均误码率大幅增加，为了降低误码率提出在中继处采用预编码空间调制技术。
基于预编码的空间调制技术(Precoding-aided Spatial Modulation，PSM)是指在传统的空间调制系统的基础上在发射端设计一种预编码矩阵，以降低空间调制系统接收端信号处理的复杂度和系统的平均误码率。传统的预编码技术有迫零编码和MMSE编码，但是在大信噪比时，ZF和MMSE预编码几乎无法降低系统的误码率，所以使用相位旋转预编码技术，不需要获取信道状态信息，及不用考虑信道的相关性。
基于上述背景，提出无线携能协作预编码空间调制系统的传输方案。在中继处采用预编码空间调制和能量采集技术。特别地，在中继处采用功率分配(PS)协议来采集中继到目的节点传输信息所需的能量。另外，基于预编码的空间调制，增强了相关信道上的空间相关性的鲁棒性，并且在频谱和能量效率方面得到显著的增强。通过理论推导出平均成对错误概率(ABEP)的表达式，仿真结果表明：无线携能技术与PSM技术的结合使得提出的方案降低了误码率、能耗和系统实现的复杂度。
发明内容
本发明针对无线携能协作空间调制系统的信道相关性问题，提出了一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法。
本发明的无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法，它包括下列步骤：
1)首先，多信源协作网络，包含N个单天线信源节点，一个多天线中继节点R及多天线目的节点D，分别用Un,1≤n≤N表示信源节点，1,2,…,j,…,Nt表示中继天线索引值。目的节点具有NR根天线。
2)MIMO信道是具有相关性的，为了描述空间相关效应，考虑到已经被广泛应用的Kronecker相关模型：
其中Σr和Σt为实数值，分别为Hermitian对称发射和接收相关矩阵。矩阵是独立的瑞利衰落信道矩阵，其每个变量都独立同分布于复高斯分布，则可以被写为矩阵Σt可以被定义为同样地矩阵Σr可以被定义为
3)传输包括两个阶段，第一阶段多个信源将发送的符号传输中继端，经过调制在中继R端接收。接收信号为表示为yR，根据SWIPT技术的能量切割(PS)协议，将接收的信号分为两部分，用于能量采集(EH)接收端，用于信息接收端的信息译码(ID)，且0≤ρ≤1为能量切割因子。
4)在信息接收端，将接收的射频(RF)信号首先通过解调和低通滤波(LPF)转换为基带信号然后对基带信号进行采样和通过模数转换器(ADC)数字化，表示为
其中，Ps为信源传输功率,S＝[s1,s2,…,sN]T为发送符号向量，HSR为S-R的信道矩阵,HSR中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。
5)在能量接收端，通过整流天线架构直接转换射频能量。在整流天线上，接收的RF频带信号经过整流器转换成直流(DC)信号，整流器由肖特基二极管和低通滤波器(LPF)组成。然后使用DC信号对电池充电以存储电池。我们假设将转换后的功率与存储在电池的功率成线性比例，具有转换效率0≤η≤1。我们还假设收获的能量由于噪音(包括天线噪音和整流器噪声)是一个小常数，因此被忽略。因此，在电池中存储的平均功率，单位为焦耳/秒，表示为：
Q＝ηρPs||HSR||2 (3)
6)信息接收的信号经过切割，然后中继采用译码转发(DF)方式，使用最大似然(ML)算法解码：
在中继端信号进行译码转发后，由于信道的相关性，采用预编码空间调制(PSM)方式，经典的预编码有迫零预编码和MMSE预编码，然而在相关信道下，大信噪比时，ZF和MMSE预编码几乎无法降低系统的误码率，所以使用相位旋转预编码技术，不需要获取信道状态信息，及不用考虑信道的相关性。
7)对于相位旋转预编码的关键是确定出预编码矩阵Θ。根据信号传输选择天线提出基于旋转符号的预编码方法，这可以看作是将发送的符号向量s乘以对角相位旋转矩阵，这将不会改变SM的功率和单根天线频率。此时接收端的接收信号模型可以表示为：
其中，中继传输功率Pr＝Q＝ηρPs||HSR||2，Diag[.]表示对角矩阵。HRD中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。如果发射天线和发射符号分别为m和k，则可以写成：hm是矩阵H的第m列，m＝1,...,Nt，sk是矩阵s的第k个元素，k＝1,...,MM为调制阶数，所以Θ矩阵的关键是确定最佳的旋转角度θ。
8)预编码器的设计是基于平均成对错误概率(ABEP)最小的原则，虽然无法得到ABEP确切的解析解，但是可以通过给出上界来近似表达,但是，在许多情况下，最佳旋转角度是不容易计算出来的，不过通过数值搜索算法可以很容易地找出的极值。注意到独立于接收机的相关效应。为了评估这一点，考虑接收机完全相关的情况，根据相关文献的推导结论，在信噪比为24dB时，ABEP的表达式为：
其中，λi,i＝1,...,NR为矩阵Σr的特征值，可以看出，B(Σr)仅取决于Σr的特征值。表示信道和符号对之间的错误比特数，是传输参数的相关增益，由公式(6)可以看出，旋转角度只涉及求和内的项，因此，接收相关矩阵的大小和结构并不会改变最佳的旋转角度。
9)当旋转角度确定后，在目的端进行译码，度量表达式为：
按照上述的无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法，本发明的有益效果为：
1)本发明方案使用了无线携能(SWIPT)技术，为中继端提供能量供应；
2)本发明采用协作通信，通过中继传播方式改善了覆盖范围、提供了额外的分集增益和数据速率。
3)本发明采用预编码技术降低空间调制系统接收端信号处理的复杂度和系统的平均误码率。
4)本发明在协作系统下结合无线携能技术与预编码空间调制技术可以提高整个方案的性能，降低误码率、能耗和系统实现的复杂度。
附图说明
图1是按照本发明提出无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法实施例示意图；
图2是按照本发明提出无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法在BPSK调制方式时不同发射相关系数αt下ABEP对旋转角度的函数关系；
图3是按照本发明提出无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法在QPSK调制方式时不同发射相关系数αt下ABEP对旋转角度的函数关系；
图4是按照本发明提出的无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法协作无SM、协作SM、协作PSM的误码率性能分析；
图5是按照本发明提出的无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法不同信噪比下，功率分配因子ρ对BER的影响。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
按照本发明提出的无线携能协作预编码空间调制系统的传输方案的实施例，如图1所示，按下列步骤进行：
1)首先，多信源协作网络，包含N个单天线信源节点，一个多天线中继节点R及多天线目的节点D，分别用Un,1≤n≤N表示信源节点，1,2,…,j,…,Nt表示中继天线索引值。目的节点具有NR根天线。
2)MIMO信道是具有相关性的，为了描述空间相关效应，考虑到已经被广泛应用的Kronecker相关模型：
其中Σr和Σt为实数值，分别为Hermitian对称发射和接收相关矩阵。矩阵是独立的瑞利衰落信道矩阵，其每个变量都独立同分布于复高斯分布，则可以被写为矩阵Σt可以被定义为同样地矩阵Σr可以被定义为
3)传输包括两个阶段，第一阶段多个信源将发送的符号传输中继端，经过调制在中继R端接收。接收信号为表示为yR，根据SWIPT技术的能量切割(PS)协议，将接收的信号分为两部分，用于能量采集(EH)接收端，用于信息接收端的信息译码(ID)，且0≤ρ≤1为能量切割因子。
4)在信息接收端，将接收的射频(RF)信号首先通过解调和低通滤波(LPF)转换为基带信号然后对基带信号进行采样和通过模数转换器(ADC)数字化，表示为
其中，Ps为信源传输功率,S＝[s1,s2,…,sN]T为发送符号向量，HSR为S-R的信道矩阵,HSR中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。
5)在能量接收端，通过整流天线架构直接转换射频能量。在整流天线上，接收的RF频带信号经过整流器转换成直流(DC)信号，整流器由肖特基二极管和低通滤波器(LPF)组成。然后使用DC信号对电池充电以存储电池。我们假设将转换后的功率与存储在电池的功率成线性比例，具有转换效率0≤η≤1。我们还假设收获的能量由于噪音(包括天线噪音和整流器噪声)是一个小常数，因此被忽略。因此，在电池中存储的平均功率，单位为焦耳/秒，表示为：
Q＝ηρPs||HSR||2 (3)
6)信息接收的信号经过切割，然后中继采用译码转发(DF)方式，使用最大似然(ML)算法解码：
在中继端信号进行译码转发后，由于信道的相关性，采用预编码空间调制(PSM)方式，经典的预编码有迫零预编码和MMSE预编码，然而在相关信道下，大信噪比时，ZF和MMSE预编码几乎无法降低系统的误码率，所以使用相位旋转预编码技术，不需要获取信道状态信息，及不用考虑信道的相关性。
7)对于相位旋转预编码的关键是确定出预编码矩阵Θ。根据信号传输选择天线提出基于旋转符号的预编码方法，这可以看作是将发送的符号向量s乘以对角相位旋转矩阵，这将不会改变SM的功率和单根天线频率。此时接收端的接收信号模型可以表示为：
其中，中继传输功率Pr＝Q＝ηρPs||HSR||2，Diag[.]表示对角矩阵。HRD中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声。如果发射天线和发射符号分别为m和k，则可以写成：hm是矩阵H的第m列，m＝1,...,Nt，sk是矩阵s的第k个元素，k＝1,...,MM为调制阶数，所以Θ矩阵的关键是确定最佳的旋转角度θ。
8)预编码器的设计是基于平均成对错误概率(ABEP)最小的原则，虽然无法得到ABEP确切的解析解，但是可以通过给出上界来近似表达,但是，在许多情况下，最佳旋转角度是不容易计算出来的，不过通过数值搜索算法可以很容易地找出的极值。注意到独立于接收机的相关效应。为了评估这一点，考虑接收机完全相关的情况，根据相关文献的推导结论，在信噪比为24dB时，ABEP的表达式为：
其中，λi,i＝1,...,NR为矩阵Σr的特征值，可以看出，B(Σr)仅取决于Σr的特征值。表示信道和符号对之间的错误比特数，是传输参数的相关增益，由公式(6)可以看出，旋转角度只涉及求和内的项，因此，接收相关矩阵的大小和结构并不会改变最佳的旋转角度。
9)当旋转角度确定后，在目的端进行译码，度量表达式为：
图2、图3分别显示了对于不同的αt值，BPSK和QPSK的θ对ABEP上限的函数关系。在所有情况下，θ＝0对应于传统的SM，其中所有符号以相同的星座取向发送，而不管激活的天线如何。对于BPSK，如图2所示，当发送相关性高时，传统的SM性能显着恶化，但是无论相关的严重程度如何，都可以将星座对准最小ABER。对于图3所示的QPSK传输，优化的旋转有帮助即使在BPSK中无法收敛到单一的最小值，也能避免显着的性能损失。
图4显示了提出方案与协作无SM、协作SM的性能对比。通过使用闭合形式获得的BER与仿真一致。由图可知在协作系统下使用SM技术的性能明显优于传统的协作系统。而且使用预编码空间调制技术的性能也明显优于SM技术。也验证了所提出系统性能能够得到提高。
图5表示在不同SNR下功率分配因子ρ对目的节点的BER性能有显著影响。由图可知，ρ增加会增加收集的能量，从而提高第二链路性能。然而，在第一链路期间在中继节点处接收的SNR随着ρ值的增加而减小。因此，ρ对整体性能具有两个相反的影响，这解释了图5中所描绘的曲线的凹型行为。然而，在不同的SNR下都存在着不同最佳值。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (1)

1.一种无线携能协作预编码空间调制系统的传输方法，其特征在于，它包括下列步骤：
1)设定多信源协作网络包含N个单天线信源节点，一个多天线中继节点R及多天线目的节点D，分别用Un,1≤n≤N表示信源节点，1,2,…,j,…,Nt表示中继天线索引值，目的节点具有NR根天线；
2)MIMO信道是具有相关性的，采用Kronecker相关模型描述空间相关效应：
其中Σr和Σt为实数值，分别为Hermitian对称发射和接收相关矩阵；矩阵是独立的瑞利衰落信道矩阵，其每个变量都独立同分布于复高斯分布，可写为矩阵Σt可定义为同样地矩阵Σr可定义为
3)在传输的第一阶段，多个信源将发送的符号传输中继端，经过调制在中继R端接收；接收信号表示为yR，根据SWIPT技术的能量切割协议，将接收的信号分为两部分：用于能量采集接收端，用于信息接收端的信息译码，且0≤ρ≤1为能量切割因子；
4)在信息接收端，将接收的射频信号首先通过解调和低通滤波转换为基带信号然后对基带信号进行采样和通过模数转换器数字化，表示为
其中，Ps为信源传输功率,S＝[s1,s2,…,sN]T为发送符号向量，HSR为S-R的信道矩阵,HSR中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
5)在能量接收端，通过整流天线架构直接转换射频能量，在整流天线上，接收的RF频带信号经过整流器转换成直流信号，整流器由肖特基二极管和低通滤波器组成，然后使用直流信号对电池充电以存储电池；假设将转换后的功率与存储在电池的功率成线性比例，具有转换效率0≤η≤1，且忽略噪音，则在电池中存储的平均功率表示为：
Q＝ηρPs||HSR||2 (3)
单位为焦耳/秒；
6)信息接收的信号经过切割，然后中继采用译码转发方式，使用最大似然算法解码：
在中继端信号进行译码转发后，由于信道的相关性，采用预编码空间调制方式，使用相位旋转预编码技术进行预编码；
7)对于相位旋转预编码的关键是确定出预编码矩阵Θ，根据信号传输选择天线提出基于旋转符号的预编码方法，将其看作是将发送的符号向量s乘以对角相位旋转矩阵，此时接收端的接收信号模型表示为：
其中，中继传输功率Pr＝Q＝ηρPs||HSR||2，Diag[.]表示对角矩阵，为第Nt根发射天线的旋转角度，HRD中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；是均值为0，方差为N0的加性高斯白噪声；
对于第m根发射天线和第k个发射符号，则可以写成：
hm是矩阵H的第m列，m＝1,...,Nt，sk是矩阵s的第k个元素，k＝1,...,MM为调制阶数；所以Θ矩阵的关键是确定最佳的旋转角度θ；
8)预编码器的设计是基于平均成对错误概率ABEP最小的原则，在信噪比为24dB下，ABEP的表达式为：
其中，λi,i＝1,...,NR为矩阵Σr的特征值，可以看出，B(Σr)仅取决于Σr的特征值。表示信道和符号对之间的错误比特数，是传输参数的相关增益，由公式(6)可以看出，旋转角度只涉及求和内的项，因此，接收相关矩阵的大小和结构并不会改变最佳的旋转角度；
9)当旋转角度确定后，在目的端进行译码，度量表达式为：
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