CN111343123B - 一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法，包括以下步骤：（1）计算出每跳链路总的可用正交子载波数为N；对于每跳链路将从N个正交子载波中选择K个来启动，形成子载波启动模式；（2）选取一跳链路，根据信道增益的大小对该跳信道增益进行升序排列；（3）得到升序排列的子载波启动状态向量；（4）根据该重量大小对该跳子载波启动模式进行升序排列；（5）依序截取步骤（4）的最前面

个子载波启动模式，形成该跳动态编码簿；（6）对每一跳链路重复步骤（1）‑步骤（4）的过程，直至生成全部的动态编码簿。本发明增强通信系统的稳定性，提供更好的通信传输、服务质量，计算复杂度较低，信令开销较小。

Description

一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术、智慧城市服务支撑技术领域，更具体地，涉及一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法。

背景技术

自从4G通信网络标准的定型，正交频分复用作为4G通信网络和核心调制方案，被广泛采纳，并应用到各种多载波通信场景中。但随着5G通信网络新的服务指标的提出，相比于4G通信网络，各项指标都计以十倍地提高，传统的正交频分复用逐渐难以支撑，尤其是对频谱效率和吞吐量的要求。而且，传统的正交频分复用由于各个正交子载波的中心频段满足特殊的数值规律，在多个正交子载波同时启动并加载符号时，其输出叠加信号存在较高的峰均比，当发送端或接收端硬件容限不足时，容易造成非线性输出与失真，导致较差的系统性能，影响多载波通信系统服务质量。为满足下一代通信系统的服务指标，并解决高峰均比的问题，正交频分复用索引调制应运而生。具体来说，正交频分复用索引调制在每一次进行多载波传输时，并不像传统的正交频分复用那样启动所有的子载波并调制、加载相应的字符，而是从中选取给定数量的一个子集的子载波来调制、加载相应的字符，同时，每一次选取的子集鉴于其独特性，可以表达为一个特定的子载波启动模式，从而也可以用来调制附加的信息比特。这样一来，调制域就从传统的二维调制域(符号相角、幅值)上升为三维调制域(符号相角、幅值和子载波启动模式)了。与此同时，信息比特流可以分为两部分进行分别调制，一部分称为索引比特流，由子载波的启动模式来表征、调制，另一部分称为符号比特流，由被启动的子载波利用传统的方式调制为符号，并加载到子载波所在频段上。如此，正交频分复用由于一次性启动全部子载波而导致的高峰均比的缺点即可被很好地克服，同时在一定的系统设置与环境下，正交频分复用索引调制还可以达到更高的系统吞吐量与频谱效率。

虽然正交频分复用索引调制有很多优点，但正交频分复用索引调制作为索引调制的一种特例，相比于其姐妹调制方案空间调制来说，存在传输能效相对较低的问题。因为正交频分复用索引调制一般都是用于单天线、多载波系统的调制，因此无法利用多天线进行波束赋形，将传输能量集中到某一特定方向，增大传输能效，减少同频干扰。为解决这一问题，可以引入多跳协同传输网络模型辅助正交频分复用索引调制，利用转发节点对传输信号进行多跳引导直至信宿。由于一个长距离传输场景被分割为多个短距离传输场景，由弗里斯无线信号传输模型易知，在给定通信服务要求的前提下，总的所需传输能量将大为减少，从而实现对传输能效的提升。与此同时，如果假设信源与信宿以及转发节点物理位置在一个传输时段内相对保持静止，那么各跳信道参数保持随机且独立分布，那么信道的参数作为信道状态信息的一个重要方面，可以被进一步用来优化各跳的比特流-子载波启动模式映射关系，从而形成逐跳动态编码方案，获得更大的编码增益，从而提升通信系统性能与通信服务质量。但由于正交频分复用索引调制采用了动态子载波启动模式来调制额外信息，不能像传统正交频分复用那样简单地采用子载波重置的方式来进行动态编码方案的设计，且各子载波互相之间存在一定关联性，共同决定了索引比特流的解码，这造成设计动态编码方案存在困难。

发明内容

本发明针对为进一步提升正交频分复用索引调制的系统性能和通信服务质量，针对多跳协同正交频分复用索引调制的动态编码方案设计所存在的困难的技术问题；提出一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法，该方法为基于信道参数与子载波启动模式重量排序的多跳协同正交频分复用索引调制的逐跳动态编码，增强通信系统的稳定性，提供更好的通信传输、服务质量，计算复杂度较低，信令开销较小。

为达到上述目的，提出一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法，多跳多载波协同网络中有一对信源与信宿，并由R-1个转发站连接进行多跳接力转发通信，所述信源与信宿之间并不存在直传链路且各转发节点只与自身前后跳相邻转发节点或信源、信宿有连接，每一条链路采用正交频分复用方式；该方法包括以下步骤：

(1)通过反向傅里叶变换计算出每跳链路总的可用正交子载波数为N；对于每跳链路将从N个正交子载波中选择K个来启动，形成用来调制索引比特流的子载波启动模式。

步骤(1)是常规步骤。对于每一跳链路，由于采用正交频分复用方式，通过反向傅里叶变换，总的可用正交子载波数为N，为了不失去一般性，我们认为N是一个一般的自然数，不一定是2的幂次。与此同时，为表征子载波启动模式的特异性，每一跳将从总的N个正交子载波中选择K个来启动，并形成唯一的子载波启动模式，用来调制索引比特流。这样一来，每跳总的可以产生的子载波启动模式个数为

然而，由于所传输的比特是二进制的，因此每跳真正需要用到的子载波启动模式个数必须为2的幂次，这样一来，我们就要从

个子载波启动模式中优选出

个子载波启动模式，其中

表示向下取整函数。但是，由于每一个子载波启动模式含有多个子载波，包含了该跳链路的全局信道信息，因此如何从L个子载波启动模式中优选出S个子载波启动模式，形成一套逐跳动态编码方案，其实并不简单，对此，本发明下面步骤能够完成逐跳动态编码簿来实现。

(2)选取多跳多载波协同网络中的一跳链路第r跳，计算该跳的信道增益的值并根据信道增益的大小对该跳信道增益进行升序排列。

信道增益为G(r,n)＝|h(r,n)|²；其中h(r,n)为信道参数，r表示第r跳，n表示第n个子载波序列号。信道增益表征子载波信道质量的好坏，升序排列后如下所示

其中ξ_n(r)表示第r跳第n小的子载波序列号。

(3)依照步骤(2)升序排列后的信道增益给出该跳的初始启动状态向量；所述初始启动状态向量为以0和1为元素的二进制比特串；通过按位移动算法，得到升序排列的子载波启动状态向量。

根据信道增益的升序排列后的信道增益给出第r跳的排序后初始启动状态向量：

v(r,1)＝[0,0,…,0,1,1,…,1]^T；

该排序后初始状态启动向量由最右边连续的N-K个0，以及紧随其后的K个1组成，表示在第r跳上，最好的启动模式是第1到第N-K小的子载波(即对应序列号ξ₁(r)到ξ_N-K(r))静默，而第N-K+1到第N小的子载波(即对应序列号ξ_N-K+1(r)到ξ_N(r))启动。因为这样一来，可以充分利用信道增益较大的K个子载波来进行模式传输，从而获得编码增益，并提供更好的通信服务质量。因此初始启动状态向量提供了最优传输模式。

有了初始启动状态向量之后，我们可以假设向量中的1为实体，而0为空位，然后通过以下的按位移动算法，得到升序排列的子载波启动状态向量。首先将初始状态启动向量中最左边的1向左移动一位得到

v(r,2)＝[0,0,…,1,0,1,…,1]^T；

然后将倒数第二个1向左移动一位，得到

v(r,3)＝[0,0,…,1,1,0,…,1]^T；

以此类推，逐个将所有K个1都左移一位，并重新连成K位1之后,最右端空出一个0位，并且最左端有N-K-1个连续0位，即得到

v(r,K)＝[0,0,…,1,1,1,…,1,0]^T；

此时，将连续K位的最左端的1向左移一位，然后将剩余K-1个1重置回最右端，即得到v(r,K+1)＝[0,0,…,1,0,0,1,1,…,1]^T，然后依次类推，只要出现连续K位的1，即将最左端的1左移，然后重置剩余位，可以得到总共L个子载波启动状态向量。

(4)计算该跳的子载波启动状态向量的重量，并根据该重量大小对该跳子载波启动模式进行升序排列；所述子载波启动状态向量的重量为子载波启动状态向量的二进制比特串的左进位后的十进制数。按位移动算法为将初始状态启动向量中最左端的1向左移动，然后重置其他位。

如果将一个子载波启动状态向量视为一串以0和1为元素的二进制比特串，我们可以定义一个子载波启动状态向量的重量为该二进制比特串的左进位后的十进制数w_l，且按照以上的按位移动算法后，各子载波启动状态向量的重量存在如下关系：

w₁＜w₂＜...＜w_L；

即子载波启动状态向量的重量越小，所对应的子载波启动模式就能够提供越稳定的传输效果，越好的通信服务质量。

(5)依序截取步骤(4)升序排列后该跳子载波启动模式的最前面S个子载波启动模式，形成该跳动态编码簿；

设S(r)为第r跳所采用的编码簿动态编码簿，则有：

S(r)＝{v(r,1),v(r,2),...,v(r,S)}；

且存在包含关系有

(6)对每一跳链路重复步骤(1)-步骤(4)的过程，直至生成信源到信宿R跳全部的动态编码簿。

本发明的有益效果：

1.本发明利用信道参数对比特流-子载波启动模式映射进行动态优化，使子载波在编码簿里的使用频次与其信道质量成正相关，增强通信系统的稳定性，从而提升多跳协同正交频分复用索引调制的系统性能和服务质量。

2.本发明利用信道参数对比特流-子载波启动模式映射进行动态优化是逐跳且独立进行的，这提供了一种在转发节点处解码再利用下一跳编码簿进行编码的可能，提升了系统自由度，并能够获得编码增益。

3.本发明动态编码方法利用的信道参数是通信系统中容易获取的网络环境信息，额外产生的信令开销较小。

4.本发明动态编码方法从数学上定义了子载波启动模式重量这一重要参考量，并采用子载波启动模式重量排序方法，计算复杂度较低，具备实时优化能力与较强的工程实用价值。

5.本发明动态编码方法定义了一个含有多个启动子载波的启动模式的优劣性，提供了不同子载波启动模式的对比基础。

6.本发明针对一般的多跳多载波协同网络场景而提出，具备一般性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的多跳多载波协同网络正交频分复用索引调制逐跳变换编码簿传输场景图；

图2为本发明实施例拥有动态编码能力的正交频分复用索引调制发射端结构图；

图3为本发明实施例的方法的流程图；

图4为使用本发明实施例的方法逐跳动态编码与不使用本发明实施例的方法的误块率仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，为本实施例一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法的实施通信场景：

本实施例多跳多载波协同网络为以四频段、双启动载波、两跳(即N＝4,K＝2,R＝2)正交频分复用索引调制无线通信系统中的动态编码优化场景，有一对信源与信宿，并由R-1个转发站连接进行多跳接力转发通信，所述信源与信宿之间并不存在直传链路且各转发节点只与自身前后跳相邻转发节点或信源、信宿有连接，每一条链路采用正交频分复用方式。

如图2所示，为拥有动态编码能力的正交频分复用索引调制发射端，单跳导频信息接收器用于对各个频段的信道进行探测，析出实时信道信息为优选生成子载波启动模式提供依据，编码簿生成器通过本实施例方法优选生成子载波启动模式并获得。

图3为本发明所提出的动态编码过程，下面是针对本实施例具象化本发明所提出之动态编码过程：

假设第一跳按编号顺序子载波子信道增益如下：

G(1,1)＝0.740,G(1,2)＝0.535,G(1,3)＝1.182,G(1,4)＝0.462；

假设第二跳按编号顺序子载波子信道增益如下：

G(2,1)＝1.357,G(2,2)＝0.446,G(2,3)＝0.982,G(2,4)＝0.722；

则对第一跳各子载波信道增益排序有：

G(1,4)＜G(1,2)＜G(1,1)＜G(1,3)；

即有ξ₁(1)＝4,ξ₂(1)＝2,ξ₃(1)＝1,ξ₄(1)＝3；

同理，则对第二跳各子载波信道增益排序有：

G(2,2)＜G(2,4)＜G(2,3)＜G(2,1)；

亦即有ξ₁(2)＝2,ξ₂(2)＝4,ξ₃(2)＝3,ξ₄(2)＝1；

由上排序可知，对于第一跳传输而言，采用按位移动算法后得到的

个子载波启动模式的启动状态向量分别映射到以下的启动子载波编号：

v(1,1)＝[0,0,1,1]^T→{1,3}；

v(1,2)＝[0,1,0,1]^T→{2,3}；

v(1,3)＝[0,1,1,0]^T→{1,2}；

v(1,4)＝[1,0,0,1]^T→{3,4}；

v(1,5)＝[1,0,1,0]^T→{1,4}；

v(1,6)＝[1,1,0,0]^T→{2,4}；

同时，可算知其子载波启动模式重量分别为

w₁＝3＜w₂＝5＜w₃＝6＜w₄＝9＜w₅＝10＜w₆＝12；

验证满足约定的重量排序关系。

同理，我们可以得到对于第二跳传输的子载波启动模式的启动状态向量与启动子载波编号的映射关系：

v(2,1)＝[0,0,1,1]^T→{1,3}；

v(2,2)＝[0,1,0,1]^T→{1,4}；

v(2,3)＝[0,1,1,0]^T→{3,4}；

v(2,4)＝[1,0,0,1]^T→{1,2}；

v(2,5)＝[1,0,1,0]^T→{2,3}；

v(2,6)＝[1,1,0,0]^T→{2,4}；

因为每跳真正需要用到的子载波启动模式个数必须为2的幂次，这样一来，我们就要从L＝6个子载波启动模式中优选出

个子载波启动模式。对于第一跳，我们截取v(1,1),v(1,2),v(1,3),v(1,4)，对于第二跳，我们截取v(2,1),v(2,2),v(2,3),v(2,4)。故有第一跳编码簿：

S(1)＝{{1,3},{2,3},{1,2},{3,4}}；

和第二跳编码簿：

S(2)＝{{1,3},{1,4},{3,4},{1,2}}；

两跳编码簿可以用以下表格表示：

表1

传输比特流(索引调制部分)	第一跳启动子载波编号	第二跳启动子载波编号
			00	1,3	1,3
01	2,3	1,4
			10	1,2	3,4
11	3,4	1,2

如图3所示，可看出本发明实施例的方法逐跳动态编码与不使用本发明实施例的方法的误块率的区别，采用本发明实施例的方法逐跳动态编码的误块率比不使用本发明实施例的方法低很多。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法，多跳多载波协同网络中有一对信源与信宿，并由R-1个转发站连接进行多跳接力转发通信，所述信源与信宿之间并不存在直传链路且各转发节点只与自身前后跳相邻转发节点或信源、信宿有连接，每一条链路采用正交频分复用方式；该方法包括以下步骤：

(1)通过反向傅里叶变换计算出每跳链路总的可用正交子载波数为N；对于每跳链路将从N个正交子载波中选择K个来启动，形成用来调制索引比特流的子载波启动模式；

(2)选取多跳多载波协同网络中的一跳链路，计算该跳的信道增益的值并根据信道增益的大小对该跳信道增益进行升序排列；所述信道增益为G(r,n)＝|h(r,n)|²；其中h(r,n)为信道参数，r表示第r跳，n表示第n个子载波序列号；信道增益表征子载波信道质量的好坏，升序排列后如下所示

其中ξ_n(r)表示第r跳第n小的子载波序列号；

(3)依照步骤(2)升序排列后的信道增益给出该跳的初始启动状态向量；所述初始启动状态向量为以0和1为元素的二进制比特串；

根据信道增益的升序排列后的信道增益给出第r跳的排序后初始启动状态向量：

v(r,1)＝[0,0,…,0,1,1,…,1]^T；

该排序后初始状态启动向量由最右边连续的N-K个0，以及紧随其后的K个1组成，表示在第r跳上，最好的启动模式是第1到第N-K小的子载波，即对应序列号ξ₁(r)到ξ_N-K(r)为静默，而第N-K+1到第N小的子载波，即对应序列号ξ_N-K+1(r)到ξ_N(r)为启动；

通过按位移动算法，得到升序排列的子载波启动状态向量；所述按位移动算法为将初始状态启动向量中最左端的1向左移动，然后重置其他位:

假设初始状态启动向量中的1为实体，而0为空位，首先将初始状态启动向量中最左边的1向左移动一位得到

v(r,2)＝[0,0,…,1,0,1,…,1]^T；

然后将倒数第二个1向左移动一位，得到

v(r,3)＝[0,0,…,1,1,0,…,1]^T；

以此类推，逐个将所有K个1都左移一位，并重新连成K位1之后,最右端空出一个0位，并且最左端有N-K-1个连续0位，即得到

v(r,K)＝[0,0,…,1,1,1,…,1,0]^T；

此时，将连续K位的最左端的1向左移一位，然后将剩余K-1个1重置回最右端，即得到

v(r,K+1)＝[0,0,…,1,0,0,1,1,…,1]^T，然后依次类推，只要出现连续K位的1，即将最左端的1左移，然后重置剩余位，可以得到总共L个子载波启动状态向量；

(4)计算该跳的子载波启动状态向量的重量，并根据该重量大小对该跳子载波启动模式进行升序排列；所述子载波启动状态向量的重量为子载波启动状态向量的二进制比特串的左进位后的十进制数；

定义一个子载波启动状态向量的重量为该二进制比特串的左进位后的十进制数w_l，且按照以上的按位移动算法后，各子载波启动状态向量的重量存在如下关系：

w₁＜w₂＜…＜w_L；

即子载波启动状态向量的重量越小，所对应的子载波启动模式就能够提供越稳定的传输效果，越好的通信服务质量；

(5)依序截取步骤(4)升序排列后该跳子载波启动模式的最前面S个子载波启动模式，形成该跳动态编码簿；

(6)对每一跳链路重复步骤(1)-步骤(4)的过程，直至生成信源到信宿R跳全部的动态编码簿。

2.根据权利要求1所述的一种多跳协同网络通信的正交频分复用动态编码的方法，其特征在于：所述子载波启动模式的总个数为

且S≤L。

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