CN109672505A - 一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法，包括以下步骤：S1：源节点在第一时隙将信息比特流分为索引信息、第一星座图信息和第二星座图信息，并将索引信息映射为子载波索引；S2：在第一时隙通过子载波索引激活部分子载波，通过激活子载波将第一星座图信息传输至中继节点和目的节点；S3：在第二时隙通过子载波索引激活剩余的子载波，通过激活子载波将第二星座图信息传输至目的节点；中继节点将接收的第一星座图信息传输至目的节点；S4：目的节点将两个时隙接收的信息进行解调，得到完整的信息比特流；本发明保证目的节点在第二时隙从源节点与中继节点接收到的信号正交性，有效兼顾了信号的传输速率与传输可靠性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法。
背景技术
随着无线通信以及互联网的不断发展与融合，社会的信息化与智能化步伐不断加速，科学技术不断发展，通信技术不断提升，为了能够满足更多不同的数据业务需求，对于无线通信***的传输速率与可靠性提出了更高的要求。
多天线***通过在一个终端设备上布置多个发射或者接收天线，从而形成多输入多输出(Multi-input and multi-output，MIMO)***，以利用天线分集提升传输性能，或者利用天线复用提高***容量。然而许多网络节点，比如移动终端、部分无线传感网络节点，由于受到尺寸、费用或者是硬件限制，没法布置多根天线，从而没有有效地利用MIMO***的优势来提高传输可靠性或者传输速率。
为了克服单天线终端不能通过布置多个天线获取分集性能，提高单天线终端的通信可靠性的缺陷，研究人员提出了协作网络，其利用分布在空间不同位置的多个用户节点的天线构造“虚拟多天线阵列”，在不明显增加终端复杂度的情况下使得单天线用户能够借助多个中继协作用户天线来实现类似MIMO的空间分集效果，从而提升传输可靠性。然而由于其数据传输在两个时隙内完成，在不考虑传输可靠性的情况，源节点在两个时隙内可以完成两个数据块的传输，然而此时只完成了一个数据块的传输，即造成了一半的数据速率损失。当然在两个时隙上完成数据传输，且通过一个额外的第三方节点的协作，获取空间分集性能，从而提高了传输可靠性，因此协作网络以牺牲传输速率为代价以提高传输可靠性。在此文中将此种方案称为“经典的协作网络”，其结构如图1所示。
为了补偿此数据速率的损失，研究人员提出如图2所示的协作传输网络。在此协作传输网络中，源节点在第一时隙发送数据到中继节点与目的节点；在第二个时隙，中继节点转发其在第一时隙接收到的数据到目的节点，且源节点发送额外的信息到目的节点。但在第二时隙，从源节点和中继节点传送到目的节点的信号在相同的子载波上，因此两此部分信号不正交，造成互干扰，会恶化目的节点的符号检测性能。在接收端需要采用复杂度较高的最大似然(Maximum likelihood，ML)检测，或者采用连续干扰抵消(Successiveinterference cancellation，SIC)算法以提高符号检测性能，其性能仍然低于经典的协作网络。在此文中将此种方案称为“非正交的协作网络”。非正交的协作网络以一定的传输可靠性为代价，避免了协作网络数据速率的损失。
因此，单天线终端节点可以通过采用协作方式形成虚拟的多天线***，从而获取分集性能提升传输可靠性，但是由于数据传输在两个时隙内完成，造成了数据速率的损失。而非正交的协作传输网络，虽然没有造成数据速率的损失，但是由于第二个时隙目的节点接收到的信号的非正交性，恶化了接收端的解调性能。经典的协作网络通过牺牲一定的传输速率，提高了传输可靠性，非正交的协作网络又通过牺牲一定的传输可靠性，提高数据传输速率。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法，其目的在于解决现有的协作传输网络无法兼顾传输速率与传输可靠性的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法，包括以下步骤：
S1：源节点在第一时隙将待发送的信息比特流分为索引信息、第一星座图信息和第二星座图信息，并将所述索引信息映射为子载波索引；
假定正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)块的子载波数为N，每n个子载波组成一个分组，在第一时隙激活其中k个子载波进行数据传输，星座图调制阶数为M，则索引信息长度为第一星座图信息长度为第二星座图信息长度为因此，可传输的信息总量为
由(1)可明显得出，较已有方案，本方法能够传输额外的比特的信息，其中表示向下取整；
S2：在第一时隙通过所述子载波索引激活部分子载波，并通过激活子载波将所述第一星座图信息传输至中继节点和目的节点；
S3：在第二时隙通过所述子载波索引激活剩余的子载波，通过激活子载波将所述第二星座图信息传输至目的节点；同时中继节点将第一时隙接收的第一星座图信息传输至目的节点；
S4：目的节点将第一时隙和第二时隙接收的信息进行解调，得到完整的信息比特流。
优选的，上述正交协作传输方法，其步骤S2中包括以下子步骤：
S21：对所述第一星座图信息进行星座图调制，得到第一符号向量s1；
S22：将所述第一符号向量s1逐一放置在激活子载波，进行逆傅里叶变换与数模转换后传输至中继节点和目的节点。
优选的，上述正交协作传输方法，其步骤S3中包括以下子步骤：
S31：对所述第二星座图信息进行星座图调制，得到第二符号向量s2；
S32：将所述第二符号向量s2逐一放置在第一时隙未激活的子载波上，进行逆傅里叶变换与数模转换后传输至目的节点；
S33：中继节点将在第一时隙接收的第一符号向量s1放大后转发到目的节点。
优选的，上述正交协作传输方法，还包括分别对所述第一符号向量s1和第二符号向量s2进行LCP处理的步骤：
其中，P为预编码矩阵，分别表示经LCP处理后的第一符号向量和第二符号向量。
优选的，上述正交协作传输方法，还包括分别对所述第一符号向量s1和第二符号向量s2进行CI处理的步骤：
其中，(·)R与(·)I分别表示取实部与虚部，分别表示经CI处理后的第一符号向量和第二符号向量。
优选的，上述正交协作传输方法，其步骤S1中将所述索引信息映射为子载波索引具体包括以下子步骤：
S11：源节点将索引信息b分解成个子序列，每个子序列包含klog2M比特，并采用查找表或者组合数的方法将klog2M比特映射成为一个子载波组的索引，由第i个子序列映射得到的分组子载波索引表示为其中，N表示OFDM数据块的子载波个数，每个子载波组中包括n个子载波；
S12：将个分组子载波索引合并成为整个OFDM数据块的激活子载波索引；
S13：根据所述激活子载波索引生成数据排列矩阵，所述数据排列矩阵用于将第一星座图信息或第二星座图信息逐一放置到选择激活的子载波上。
优选的，上述正交协作传输方法，其步骤S13中，第一时隙的数据排列矩阵Γ为：
第二时隙的数据排列矩阵为：
其中，Γ与互为补集，N1表示在第一时隙激活的子载波个数，N2表示在第二时隙激活的子载波个数。
优选的，上述正交协作传输方法，在第一时隙，目的节点的接收信号为：
中继节点的接收信号为：
其中，分别表示的信道增益；与分别表示目的节点和中继节点在第一时隙时的加性高斯白噪声，其功率分别为与 是功率补偿因子，用于保证发射信号的平均功率归一化为1。
优选的，上述正交协作传输方法，在第二时隙，目的节点的接收信号为：
其中，β表示中继节点的增益，其可表示为
表示第二时隙时目的节点的加性高斯白噪声。
优选的，上述正交协作传输方法，目的节点在两个时隙内接收到的信号为：
y＝HS+N
优选的，上述正交协作传输方法，其步骤S4之后还包括：目的节点采用ML方法对接收的信息进行检测：
其中，∑表示噪声N的协方差矩阵，可表示为
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于子载波索引调制的正交协作传输方法，源节点在第一个时隙激活部分子载波进行第一星座图信息传输，并且激活子载波的索引同样被利用以实现数据传输；在第二时隙，中继节点将在第一时隙接收到的第一星座图信息转发到目的节点，同时源节点在第一时隙未激活的子载波上传输第二星座图信息，从而保证了第二时隙目的节点从源节点和中继节点接收到信号的正交性，并通过激活子载波的索引实现了额外的信息传递，从而提升了数据传输速率；并且使得目的节点的接收复杂度较低，可在一定程度地提高数据传输量，进一步补偿协作网络的数据速率损失，丰富协作网络的应用场景；
(2)本发明提供的基于子载波索引调制的正交协作传输方法，采用LCP或者CI技术对调制后的星座图信息进行再处理，从而获取空间分集性能，提升传输可靠性；
(3)本发明提供的基于子载波索引调制的正交协作传输方法，较经典的基于OFDM的协作网络提高了传输速率，当将两个子载波作为一个分组，并在每个时隙利用其中一个子载波传输数据时，可以提高0.5比特每秒每赫兹(bps/Hz)的频谱效率。
附图说明
图1是经典的基于OFDM的协作网络；
图2是非正交的协作网络；
图3是本发明实施例提供的基于OFDM-IM的协作网络；
图4是本发明实施例提供的基于OFDM-IM的协作网络的频域信息传输示意图；
图5是本发明实施例提供的基于OFDM-IM的协作网络的发射端框图；
图6是三种协作网络的BER性能对比结果示意图；
图7是三种协作网络的数据传输量对比结果示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图3所示是本实施例提供的基于OFDM-IM的协作传输网络，在此协作传输网络中，源节点在第一时隙发送数据到中继节点与目的节点；在第二个时隙，中继节点转发其在第一时隙接收到的数据到目的节点，且源节点发送额外的信息到目的节点；在第二时隙从源节点和中继节点传送信号的子载波保持了正交性，使得从中继节点和源节点传输到目的节点的信号不会产生互干扰，使得接收端解调性能更好，计算复杂度更低。
本实施例所提供的一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法，包括以下步骤：
S1：第一时隙：源节点将待发送的信息比特流分为索引信息、第一星座图信息和第二星座图信息；
假定OFDM块的子载波数为N＝256，并将其分为个分组，每个分组包含n＝2个子载波，每个时隙激活其中k＝1个子载波进行数据传输；星座图调制阶数为M＝2，调制方式采用相移键控，信道为平坦信道；则索引信息长度为 第一星座图信息长度为 第二星座图信息长度为 因此，本方法可传输的信息总量为：
较经典的协作网络，本发明方案能够多传输128比特信息。
S2：第一时隙：源节点将索引信息序列(采用b表示)分解成128个子序列，每个子序列包含1个比特，并采用查找表或者组合数的方法，将1比特映射成为一个子载波的索引，由第i个子序列映射得到的子载波索引表示为本实施例给出了当子载波分组长度为2，每个时隙激活一个子载波传输数据k＝1时的一个查找表示例，即(n，k)＝(2，1)时的一个查找表。
表1(n，k)＝(2，1)时的查找表示例
如表1所示，当输入索引信息为0时，利用分组中的第一个子载波传输数据，当输入信息为1时，利用分组中的第二个子载波传输数据。
S3：第一时隙：源节点将由128个子序列索引信息生成的激活子载波索引合并成为整个OFDM数据块的激活子载波索引合成方式可自由选择，本实施例给出一种合成方式如下：
根据合成后的激活子载波索引生成数据排列矩阵，该数据排列矩阵用于将星座图符号向量的符号逐一放置到相应的子载波上，其中，第一个时隙的数据排列矩阵如下
第二时隙的数据排列矩阵如下：
需要说明的是，此处即Γ与互为补集；N1表示在第一时隙激活的子载波个数，N2表示在第二时隙激活的子载波个数。
S4：源节点在第一时隙将第一星座图信息进行星座图调制，得到第一星座图符号矢量s1，并将其逐一放置到数据排列矩阵在第一时隙选择激活的子载波上，进行逆傅里叶变换(IFFT)与数模(DA)转换后传输到目的节点和中继节点；图4是本实施例提供的基于OFDM-IM的协作网络的频域信息传输示意图；
其中，目的节点的接收信号表示为：
中继节点的接收信号表示为：
其中，和分别表示和的信道增益；与分别表示目的节点和中继节点在第一时隙时的加性高斯白噪声，其功率分别为与 是功率补偿因子，用于保证发射信号的平均功率归一化为1。
S5：第二时隙：中继节点将在第一时隙从源节点接收到的第一星座图符号矢量s1放大转发到目的节点；
同时，源节点将第二星座图信息进行星座图调制，得到第二星座图符号矢量s2，并将其逐一放置到数据排列矩阵在第二时隙选择激活的子载波上，进行逆傅里叶变换(IFFT)与数模(DA)转换后传输到目的节点；
此时，目的节点接收到的信号表示为：
其中，表示时隙二时目的节点的加性高斯白噪声；β表示中继节点的增益，
协作网络的作用主要是通过引入中继节点辅助进行信号传输以获取空间分集性能，从而提升传输性能，然而在上述实施例中，第二星座图信息在第二时隙由源节点直接发送到目的节点，没有经过链路，没有获取到空间分集性能；因此，作为本实施例的一个优选，本方法采用线性星座图预编码(Linear constellation precoding，LCP)或者协作交织(Coordinate interleaving，CI)技术获取空间分集性能，从而提升上述实施例方案的传输可靠性；
图5是本发明实施例提供的基于OFDM-IM的协作网络的发射端框图；其中，基于LCPOFDM-IM的协作网络的实现方法为：分别对在第一时隙调制得到的第一星座图符号矢量s1、在第二时隙调制得到的第二星座图符号矢量s2通过一个预编码矩阵进行处理，处理后的信号表示为：
其中，
需要说明的是，预编码矩阵P可以通过最优化编码增益进行优化选取，本实施例仅采用一个具体的2×2矩阵为例进行说明。
进行LCP处理后，源节点在第一时隙将与数据排列矩阵Γ相乘，使得其符号逐一放置在第一时隙选择激活的子载波上，传输至目的节点和中继节点；
此时接收端的接收信号可表示为
中继节点接收到的信号可表示为
源节点在第二时隙将与相乘，将其各符号逐一放置到第二时隙选择激活的子载波上传输至目的节点；
此时目的节点接收到的信号可表示为
基于CI-OFDM-IM的协作网络的实现方法为：分别对在第一时隙调制得到的第一星座图符号矢量s1、在第二时隙调制得到的第二星座图符号矢量s2进行CI处理，处理后的信号表示为：
其中，(·)R与(·)I分别表示取实部与虚部。
CI处理完成后，将与按照上述方法分别于第一时隙与第二时隙在激活子载波上进行传输，此处不再赘述。
S6：目的节点将两个时隙接收到的信号进行联合解调，得到索引信息、第一星座图信息和第二星座图信息；
目的节点在两个时隙内接收到的信号可表示为(以LCP处理为例)：
此处可以采用多种检测方式对信号进行检测，本实施例采用ML方法为例说明，ML检测表示为
其中∑表示噪声N的协方差矩阵，表示为
另外，本实施例采用误比特率(BER)对传输可靠性进行衡量，并对三种传输方案的性能进行对比，三种传输方案分别为：经典的基于OFDM的协作网络(如图1所示，仿真结果中采用Classical OFDM表示)、基于LCPOFDM的非正交协作网络(如图2所示，仿真结果中采用Non-Orthogonal LCPOFDM表示)、本发明中的基于LCPOFDM-IM的正交协作网络(如图3所示，仿真结果中采用Proposed LCPOFDM-IM表示)；图6给出了三种协作网络的BER性能对比，图7给出了三种协作网络在两个时隙内的传输数据量对比；从图6和图7可以看出，本发明的BER性能低于Classical OFDM方案，高于Non-Orthogonal LCPOFDM方案，但是本发明方案的数据传输量高于ClassicalOFDM方案，低于Non-Orthogonal LCPOFDM方案，有效兼顾了信号的传输速率与传输可靠性。
本发明提供的基于子载波索引调制的正交协作传输方法，引入子载波的索引传递信息，保证了目的节点接收信号正交性，使得目的节点的接收复杂度较低，且可以一定程度地提高数据传输量，并进一步补偿协作网络的数据速率损失，丰富协作网络的应用场景。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)
1.一种基于子载波索引调制的正交协作传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：源节点在第一时隙将待发送的信息比特流分为索引信息、第一星座图信息和第二星座图信息，并将所述索引信息映射为子载波索引；
S2：在第一时隙通过所述子载波索引激活部分子载波，并通过激活子载波将所述第一星座图信息传输至中继节点和目的节点；
S3：在第二时隙通过所述子载波索引激活剩余的子载波，通过激活子载波将所述第二星座图信息传输至目的节点；同时中继节点将第一时隙接收的第一星座图信息传输至目的节点；
S4：目的节点将第一时隙和第二时隙接收的信息进行解调，得到完整的信息比特流。
2.如权利要求1所述的正交协作传输方法，其特征在于，步骤S2中包括以下子步骤：
S21：对所述第一星座图信息进行星座图调制，得到第一符号向量s1；
S22：将所述第一符号向量s1逐一放置在激活子载波，进行逆傅里叶变换与数模转换后传输至中继节点和目的节点。
3.如权利要求2所述的正交协作传输方法，其特征在于，步骤S3中包括以下子步骤：
S31：对所述第二星座图信息进行星座图调制，得到第二符号向量s2；
S32：将所述第二符号向量s2逐一放置在第一时隙未激活的子载波上，进行逆傅里叶变换与数模转换后传输至目的节点；
S33：中继节点将在第一时隙接收的第一符号向量s1放大后转发到目的节点。
4.如权利要求3所述的正交协作传输方法，其特征在于，还包括分别对所述第一符号向量s1和第二符号向量s2进行LCP处理的步骤：
其中，P为预编码矩阵，分别表示经LCP处理后的第一符号向量和第二符号向量。
5.如权利要求3所述的正交协作传输方法，其特征在于，还包括分别对所述第一符号向量s1和第二符号向量s2进行CI处理的步骤：
其中，(·)R与(·)I分别表示取实部与虚部，分别表示经CI处理后的第一符号向量和第二符号向量。
6.如权利要求4或5所述的正交协作传输方法，其特征在于，步骤S1中将所述索引信息映射为子载波索引具体包括以下子步骤：
S11：源节点将索引信息b分解成Q个子序列，并将每个子序列映射成为一个子载波组的索引，由第i个子序列映射得到的分组子载波索引表示为其中，i＝1～Q，Q＝N/n，N表示OFDM数据块的子载波个数，每个子载波组中包括n个子载波；
S12：将Q个分组子载波索引合并成为整个OFDM数据块的激活子载波索引；
S13：根据所述激活子载波索引生成数据排列矩阵，所述数据排列矩阵用于将第一符号向量或第二符号向量逐一放置到选择激活的子载波上。
7.如权利要求6所述的正交协作传输方法，其特征在于，步骤S13中，第一时隙的数据排列矩阵Γ为：
第二时隙的数据排列矩阵为：
其中，Γ与互为补集，N1表示在第一时隙激活的子载波个数，N2表示在第二时隙激活的子载波个数。
8.如权利要求7所述的正交协作传输方法，其特征在于，在第一时隙，目的节点的接收信号为：
中继节点的接收信号为：
其中，分别表示源节点→中继节点、源节点→目的节点的信道增益；与分别表示目的节点和中继节点在第一时隙时的加性高斯白噪声，其功率分别为与 是功率补偿因子，用于保证发射信号的平均功率归一化为1。
9.如权利要求8所述的正交协作传输方法，其特征在于，在第二时隙，目的节点的接收信号为：
其中，β表示中继节点的增益， 表示第二时隙时目的节点的加性高斯白噪声。
10.如权利要求9所述的正交协作传输方法，其特征在于，目的节点在两个时隙内接收到的信号为：
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