CN102098137B - 基于eo-stbc的多中继反馈型协作通信***和方法 - Google Patents
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Abstract
基于EO-STBC的多中继反馈型协作通信***和方法,属无线数字传输技术领域。***包括1个基站,4个中继节点,1个目的终端,其数据传输过程分两跳进行。第一跳,基站首先进行信道估计,并依据中继节点的反馈信息调整传输数据,基站向中继节点广播信号,各中继对接收信号进行译码并通过循环冗余检验判断正确与否。第二跳,译码正确的中继节点按照各自的编码规则对译码信号进行编码,并根据目的终端的反馈信息调整传输数据,译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信号,目的终端根据正确译码的中继节点编号对接收信号进行译码。本发明提高了多中继协作通信***的性能,避免了中继节点间的通信,降低了***功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于EO-STBC(扩展正交空时分组编码)的多中继反馈型协作通信***和方法,属于无线数字蜂窝网下行链路数据传输领域。
背景技术
随着无线数据传输领域对数据传输速率要求越来越高,在移动通信领域出现了很多新的技术,其中多输入多输出(MIMO)技术作为未来LTE***中的关键技术受到了很大的关注。但是由于无线设备受尺寸或硬件复杂度的限制,MIMO的应用受到了很大的阻碍。协作分集技术克服了MIMO技术的缺点和不足,为MIMO技术实用化提供了新的思路。协作中继节点传输***能够在直传链路衰落严重或不存在的情况下,通过利用处于较好信道中的中继节点进行协作传输来提高目的终端的接收性能。空时编码技术则通过增加发射和接收天线以及设计相应的码字来在一定复杂度条件下获得更好的分集增益和编码增益。在实际应用中,由于终端尺寸和成本的限制,很难在终端通过多天线配置来实现空时编码方案。因此在协作多中继节点***中进行分布式空时编码设计便成为研究热点和解决上述问题的关键。
经典的Alamouti编码通过在发射端使用双天线,并采用正交编码和接收端最大比例合并(maximum ratio combing,MRC)方案,降低了***的误码率。挪威的J.Akhtar(参见J.Akhtar and D.Gesbert,“Extending orthogonal block codes with partial feedback,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.3,no.6,pp.1959-1962,Nov.2004.)提出了一种带部分反馈的闭环扩展正交空时分组码(Extended Orthogonal-Space Time Block code,EO-STBC)编码方式,通过在EO-STBC编码中引入1bit的反馈信息并利用该反馈信息选择不同的编码方式来增加***整体信噪比。澳大利亚的Y.Jinhong等人(参见Y.Yu,S.Keroueden and J.Yuan,“Closed-loopextended orthogonal space-time block codes for three and four transmit antennas,”IEEE SignalProcess.lett.,vol.13,No.5,pp.273-276,May.2006.)在J.Akhtar提出的编码方式的基础上提出了4发射天线和3发射天线的闭环EO-STBC方案,4天线方案通过采用2bit的反馈信息提升***性能,相应3发射天线***则仅需要1bit反馈信息。韩国的J.A.Chambers等人(参见F.T.Alotaibi and J.A.Chambers,“Extended orthogonal space time block codes in wireless relaynetworks,”IEEE Workshop on Statistical Signal Processing,Cardiff,UK,2009.)将闭环EO-STBC方案应用于多中继节点***,提出了基于AF中继节点协议的4中继节点的分布式EO-STBC方案,通过2bit的反馈信息来提高***的SNR,但是该方案在第一跳中只考虑了源节点单天线的情况,并且AF方案在放大信号的同时亦放大了噪声,这使得***的适用场景和范围受到了一定的限制。
发明内容
根据现有技术和解决方案的缺点和不足,本发明提供了一种适用性更强、性能更好的一种基于EO-STBC(扩展正交空时分组编码)的多中继反馈型协作通信***和方法。
本发明的技术方案如下:
一种基于EO-STBC(扩展正交空时分组编码)的多中继反馈型协作通信***,包括1个发送基站(源节点)、4个中继节点和1个目的终端,其特征在于基站装备有4根天线,并依据中继节点的反馈信息调整编码后的数据矩阵,进而通过广播信道向各中继节点广播数据信息;中继节点为单天线终端***,复杂度较低,通过多址信道向目的终端传输各中继节点的编码后数据信息。
一种利用上述***、基于扩展正交空时分组编码的多中继反馈型协作通信方法,其数据传输过程分两跳进行。第一跳数据传输过程:基站进行信道估计,并依据中继节点的反馈信息修改其传输数据,然后基站向中继节点广播编码后信号,各中继节点对接收信号进行译码并通过循环冗余检验(CRC)判断是否正确译码;第二跳数据传输过程:译码正确的中继节点按照各自的编码规则对译码信号进行编码,并根据目的终端的反馈信息修改其传输数据,译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信号(NAK),目的终端根据正确译码的中继节点编号对接收信号进行最大比(MRC)合并,并通过最大似然(MLD)方式译码。因为每个中继节点的固定的编码方式,目的终端的解码复杂度相对较低。
由于译码正确的中继节点的个数不同,各个中继节点的发送信号构成的编码矩阵亦不同,根据EO-STBC编码的特点,分别可以分为5大类(15种)场景:
a当所有中继节点都不能正确译码时,所有节点不再向目的终端发送信号,而是向目的终端发送NAK信息,然后退出协作,目的终端在收到所有NAK信息后认为该情况下发生错误比特传输;
b当只有1个中继节点可以正确译码时,中继节点译码后按照自己的编码规则编码后直接发送数据,目的终端按照相应的解码方式进行解码(因为4个中继节点全部译码错误或只有一个中继节点能够译码正确的概率比较低,场景a和场景b出现的概率也较低);
c当有2个中继节点正确译码时,根据目的终端向中继节点发送的部分反馈信息,又可以具体分为两类,这两类场景分别构成信号扩展重传和分布式Alamouti编码;
d当存在3个中继节点正确译码时,中继节点发送的编码后信号构成的编码矩阵符合3节点分布式EO-STBC编码;
e当有四个中继节点正确译码时,中继节点发送的编码后信号构成的编码矩阵符合4节点分布式EO-STBC编码形式。
上述基于扩展正交空时分组编码的多中继反馈型协作通信方法,其第一跳数据传输过程步骤如下:
1)基站向中继节点发送训练序列簇,用来进行信道估计,继而转入步骤2)和3);
其中h1,i,,h2,i,h3,i,h4,i代表基站天线1,2,3,4分别到中继节点i的信道增益系数,和分别为h2,i和h4,i的共轭值,Re()表示对括号内复数值取实数部分,各中继节点将反馈信号Ui,1和Ui,2反馈给基站,转入步骤6);
4)基站对接收到的反馈信号进行处理,对各节点的反馈信号进行求和为对所得累加值进行判断后得到最终的反馈信号为其中r表示中继节点,在多中继节点***中增加该类反馈后,可以在一定程度上提高中继节点正确译码的情况,从而实现多个中继节点的分布式空时编码,提高***的总体性能,转入步骤5);
5)基站根据反馈信息修改向中继节点的信息传输,将天线1和3的发送信号分别乘以反馈信息Ur,1和Ur,2,并向各中继节点广播修改后的发送序列编码矩阵,转入步骤7);
6)中继节点向目的终端发送训练序列簇,目的终端根据接收信号进行信道估计得到各中继节点到目的终端的信道增益系数,目的终端不论中继节点1或3能否正确译码,都正常向中继节点1和3发送反馈信号Ud,1和Ud,2,其中d表示目的终端,Ud,1=(-1)k,Ud,2=(-1)l,k,l的取值为0或1,具体取值情况满足以下条件:
其中h1,d,h2,d,h3,d,h4,d分别为中继节点1,2,3,4到目的终端的信道增益系数,和分别为h2,d和h4,d的共轭值,Re()表示对括号内复数数值取实数部分;
7)中继节点对基站的发送信号进行接收,源节点发送的两个连续信号s1,s2在中继节点i的两个时隙内的接收信号可以表示为:
其中ri,1,ri,2为中继节点i在两个时隙内的接收信号,n1,i和n2,i为中继节点i在两个时隙内的接收噪声,h1,i,,h2,i,h3,i,h4,i代表基站天线1,2,3,4分别到中继节点i的信道增益系数,Ur,1和Ur,2为中继节点对源节点的最终反馈信号,中继节点对接收信号进行最大比合并,并进行MLD译码,通过循环冗余检验(CRC)检测本节点能否正确译码。
上述基于扩展正交空时分组编码的多中继节点反馈型协作通信方法,其第二跳数据传输过程步骤如下:
①、目的终端通过得到的各中继节点到目的终端的信道系数,计算得反馈信息Ud,1和Ud,2,其中Ud,1=(-1)k,Ud,2=(-1)l,且k,l的取值满足以下条件:
②、各中继节点对接收到的信号进行CRC校验,并判断译码正确与否,正确时转入③,否则转入步骤④;
③、译码正确的中继节点按照本节点的编码方式重新对译码信号进行编码转入步骤⑤;
④、译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信息NAK,转入步骤⑤;
⑤、中继节点接收来自目的终端的反馈信号,并根据反馈信号对编码信号进行相应的处理;
⑥、中继节点向目的终端发送各自的编码信号;
⑦、目的终端根据收到的NAK信息判断正确译码和错误译码的中继节点的编号;
⑧、目的终端根据译码正确的中继节点编号对接收信号进行相应的译码。
本发明在中继节点处利用混合分布式编码对信号进行处理,其步骤如下:
2)中继节点1和3根据目的终端向中继节点发送的反馈信号Ud,1和Ud,2修改向目的终端的信息传输;
3)译码错误的中继节点向目的终端发送NAK信息;
4)中继节点根据收到的数据信息和NAK信号,判断出能够正确译码并进行数据转发的中继节点编号;
5)目的终端接收信号进行最大比合并,并进行MLD信号译码,根据中继节点的译码情况不同,共分为5大类(15种)场景,根据分布式EO-STBC编码的译码规则,目的终端对各种情况的接收译码方法相同,目的终端的复杂度也因此较低;各种类型中目的终端对接收信号的处理方法如下:
a中继节点1,2,3,4全部译码错误
根据概率论的知识不难推出这种情况出现的概率比较低,当该类场景出现时所有中继节点向目的终端发送NAK信号,目的终端收到NAK信号后直接认为信号接收错误。
b只有一个中继节点正确译码
该类场景中包含四种情况,分别为中继节点1,2,3,4中只有一个能够正确译码。因为只有一个中继节点能够正确译码,不构成分布式空时编码。目的终端根据中继节点的发送信息和NAK信号,能够确定正确译码并进行编码转发的中继节点编号,然后进行相应的解码。
以中继节点1正确译码为例,目的终端处在两个时隙内的接收信号为:
目的终端对接收信号进行最大比合并处理后得到相应的估计信号为:
c两个中继节点正确译码
因为Ud,1和Ud,2分别由h1,d,h2,d和h3,d,h4,d的关系式进行判断得到的反馈信号,该类场景具体又可以分为以下两种情况:
(1)包括中继节点1和3,中继节点1和4,中继节点2和3,中继节点2和4能够正确译码四种情况。该类场景符合分布式Alamouti编码方案,以中继节点1和中继节点3正确译码为例,两个中继节点按照各自的编码规则编码后构成的发送信号矩阵为:
目的终端在两个时隙内的接收信号为:其中h1,d,h2,d为中继节点1,2到目的终端的信道增益系数,n1,d和n2,d为目的终端在两个时隙内的接收噪声。
目的终端通过MRC合并后目的终端的接收估计信号为:
(2)包括中继节点1和2,中继节点3和4正确译码两种情况。该种场景相当于信号重传,以中继节点1和2正确译码为例,两个中继节点编码后构成的发送信号矩阵为:
d三个中继节点正确译码时
该类场景包括中继节点1,2,3和中继节点1,3,4以及中继节点2,3,4正确译码三种情况,各自节点按照各自编码规则编码后的信号正好符合三节点分布式EO-STBC的编码形式。以中继节点1,2,3能够正确译码为例进行分析,3个中继节点编码后构成的发射信号矩阵为:
目的终端通过最大比合并得到目的终端的估计信号:
e四个中继节点正确译码
目的终端通过最大比合并得到目的终端的估计信号:
本发明***中源节点采用4天线结构,在源节点到中继节点的链路中采用EO-STBC方案,同时在基站到中继节点的链路中应用了一种新型的多中继节点共存情况下的部分反馈方式,该反馈方式提高了多中继节点协作***中中继节点的译码性能,为多中继节点分布式空时编码方案的实施提供了保障。在中继节点到目的终端的链路中,我们根据分布式EO-STBC的编码特点提出了一种混合分布式编码方案,即每个中继节点都有自己独立固定的编码规则,中继节点之间编码时无需互相通信,降低了***的功耗。
附图说明
图1是本发明***的框图,其中:1、源节点(基站);2、中继节点1;3、中继节点2;4、中继节点3;5、中继节点4;6、目的终端;7、天线1;8、天线2;9、天线3;10、天线4;11、反馈信号Ur,1;12、反馈信号Ur,2;13、反馈信号Ud,1;14、反馈信号Ud,2;15、广播信道;16、多址信道。
图2是本发明第一跳信息传输的流程图,其中1)-7)为该流程的各步骤。
图3是本发明第二跳数据传输的流程图,其中a-h为该流程的各个步骤。
图4和图5是本发明的***误比特性能仿真图。由图4可以看出在中继节点进行混合分布式编码的前提下,在第一跳信息传输中基站应用4天线结构和进行多中继节点反馈处理可以获得不错的***性能提升。由图5可以看出在基站多天线有反馈条件下中继节点采用混合分布式编码方案比发端单天线4中继节点AF(放大转发)方案和发端4天线有反馈4中继节点DF方案(4中继节点译码后不论译码正确与否都重新编码然后转发信号)性能有很大的提高。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例1:
本发明实施例1如图1所示,包括一个基站(源节点)1、4个中继节点2、3、4、5和一个目的终端6,其特征在于基站1装备有4根天线7、8、9、10,并依据中继节点2、3、4、5的反馈信息调整编码后的数据矩阵,进而通过广播信道15向各中继节点2、3、4、5广播数据信息;中继节点2、3、4、5为单天线终端***,复杂度较低,通过多址信道16向目的终端6传输各中继节点的编码后数据信息。
实施例2:
一种利用上述***、基于扩展正交空时分组编码的多中继节点反馈型协作通信方法,其数据传输过程分两跳进行。第一跳数据传输过程:基站进行信道估计,并依据中继节点的反馈信息修改其传输数据,然后基站向中继节点广播编码后信号,各中继节点对接收信号进行译码并通过循环冗余检验(CRC)判断是否正确译码。第二跳数据传输过程:译码正确的中继节点按照各自的编码规则对译码信号进行编码,并根据目的终端的反馈信息修改其传输数据,译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信号(NAK),目的终端根据正确译码的中继节点编号对接收信号进行最大比合并,并通过MLD方式译码。因为每个中继节点的固定的编码方式,目的终端的解码复杂度相对较低。
上述基于扩展正交空时分组编码的多中继节点反馈型协作通信方法,其第一跳数据传输过程如图2所示,步骤如下:
1)基站向中继节点发送训练序列簇,用来进行信道估计,转入步骤2)和3);
其中h1,i,,h2,i,h3,i,h4,i代表基站天线1,2,3,4到中继节点i的信道增益系数,和为对h2,i和h4,i求共轭后的值,Re和Re分别是对括号内复数数值取实数部分,各个中继节点将反馈信号Ui,1和Ui,2反馈给基站,转入步骤6);
4)基站对接收到的反馈信号进行处理,对各个节点的反馈信号进行求和为对累加值进行判断后得到最终的反馈信号为其中r表示中继节点,转入下一步;
5)基站根据反馈信息修改向中继节点的信息传输,分别将天线1和3的发送信号乘以反馈信息Ur,1和Ur,2,并向各中继节点广播修改后的发送序列编码矩阵,转入步骤7);
6)中继节点向目的终端发送簇训练序列,目的终端根据接收信号进行信道估计得到各中继节点到目的终端的信道增益系数,目的终端不论中继节点1和3能否正确译码,都正常向中继节点1和3发送反馈信号Ud,1和Ud,2,其中d表示目的终端Ud,1=(-1)k,Ud,2=(-1)l,k,l为取值0或1的整数,具体取值情况满足以下条件:
7)中继节点对基站的发送信号进行接收,源节点发送的两个连续信号在中继节点i的两个时隙内的接收信号可以表示为:
其中ri,1,ri,2为中继节点i在两个时隙内的接收信号,n1,i和n2,i为中继节点i在两个时隙内的接收噪声,h1,i,,h2,i,h3,i,h4,i代表基站天线1,2,3,4分别到中继节点i的信道增益系数,Ur,1和Ur,2为中继节点对源节点的反馈中继节点对接收信号进行最大比合并,并进行MLD信号译码,通过循环冗余检验(CRC)检测本节点能否正确译码。
上述基于扩展正交空时分组编码的多中继节点反馈型协作通信方法,其第二跳数据传输过程如图3所示,步骤如下:
a、目的终端通过得到的各中继节点到目的终端的信道系数,计算得反馈信息Ud,1和Ud,2,其中Ud,1=(-1)k,Ud,2=(-1)l,k,l的取值满足以下条件:
b、各中继节点对接收到的信号进行CRC校验,判断译码正确与否;正确时转入步骤c,否则转入步骤d;
c、译码正确的中继节点按照本节点的编码方式重新对译码信号编码,转入步骤e;
d、译码错误的中继节点向目的终端发送NAK非确认信息,转入步骤e;
e、中继节点接收来自目的终端的反馈信号,并根据反馈信号对编码信号进行相应的处理;
f、中继节点向目的终端发送各自的编码信号;
g、目的终端根据收到的NAK信息判断正确译码和错误译码的中继节点的编号;
h、目的终端根据译码正确的中继节点编号对接收信号进行相应的译码。
Claims (3)
1.一种基于扩展正交空时分组编码EO-STBC的多中继反馈型协作通信方法,由以下***来实现,该***包括1个发送基站、4个中继节点和1个目的终端,其中基站装备有4根天线,并依据中继节点的反馈信息调整编码后的数据矩阵,进而通过广播信道向各中继节点广播数据信息;中继节点为单天线终端***,复杂度较低,通过多址信道向目的终端传输各中继节点的编码后数据信息;该方法数据传输过程分两跳进行,第一跳数据传输过程:基站首先进行信道估计,并依据中继节点的反馈信息调整其传输数据,然后向中继节点广播编码后信号,各中继节点对接收信号进行译码,并通过循环冗余检验判断是否正确译码;第二跳数据传输过程:译码正确的中继节点按照各自的编码规则对译码信号进行编码,并根据目的终端的反馈信息修改其传输数据,译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信号,目的终端根据正确译码的中继节点编号对接收信号进行最大比合并,并通过最大似然方式译码。
2.如利用权利要求1所述一种基于EO-STBC的多中继节点反馈型协作通信方法,其第一跳数据传输过程步骤如下:
1)基站向中继节点发送训练序列簇,用来进行信道估计,继而转入步骤2)和3);
3)各中继节点根据信道估计得到的信道增益系数计算出各节点的反馈信号,中继节点i的反馈信号为: 其中k,l的取值为0或1,具体取值情况为:
4)基站对接收到的反馈信号进行处理,对各节点的反馈信号进行求和为 对所得累加值进行判断后得到最终的反馈信号为 其中r表示中继节点,在多中继节点***中增加该类反馈后,可以在一定程度上提高中继节点正确译码的情况,从而实现多个中继节点的分布式空时编码,提高***的总体性能,转入步骤5);
5)基站根据反馈信息修改向中继节点的信息传输,将天线1和3的发送信号分别乘以反馈信息Ur,1和Ur,2,并向各中继节点广播修改后的发送序列编码矩阵,转入步骤6);
6)中继节点对基站的发送信号进行接收,源节点发送的两个连续信号s1,s2在中继节点i的两个时隙内的接收信号可以表示为:
3.如权利要求1所述一种基于EO-STBC的多中继反馈型协作通信方法,其第二跳数据传输过程步骤如下:
①、目的终端通过得到的各中继节点到目的终端的信道系数,计算得反馈信息Ud,1和Ud,2,其中Ud,1=(-1)k,Ud,2=(-1)l,且k,l的取值满足以下条件:
②、各中继节点对接收到的信号进行CRC校验,并判断译码正确与否,正确时转入③,否则转入步骤④;
③、译码正确的中继节点按照本节点的编码方式重新对译码信号进行编码,转入步骤⑤;
④、译码错误的中继节点向目的终端发送非确认信息NAK,转入步骤⑤;
⑤、中继节点接收来自目的终端的反馈信号,并根据反馈信号对编码信号进行相应的处理;
⑥、中继节点向目的终端发送各自的编码信号;
⑦、目的终端根据收到的NAK信息判断正确译码和错误译码的中继节点的编号;
⑧、目的终端根据译码正确的中继节点编号对接收信号进行相应的译码。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20130424 Termination date: 20160321 |
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