CN109921833A - 基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法，该系统包括一个信源节点S，一个目的节点D和N个中继节点，第n个中继节点为R_n，n＝1,2,…,N，S配N_t根发射天线，R_n和D配单根天线。信源发送的信息比特经过串并转换为三部分，根据信道状态信息(CSI)计算得到的余弦相似度，分别选择中继节点R_n，信源发射天线l，调制符号x_m；其次，x_m由所选信源天线l发送到中继R_n，中继R_n采用放大前传或者译码前传协议，将信号转发给目的节点；最后，目的节点采用最大似然检测算法对接收信号进行解调恢复。本发明根据CSI对中继节点、发送天线和调制符号进行联合映射，有效提高系统频谱效率，改善系统性能。

Description

基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法，属于射频通信领域。

背景技术

无线通信发展到今天，用户对当前无线通信的传输速率、可靠性的要求越来越高。面对这样的需求背景，具有更高速率、更低能耗和更加可靠的传输性能是未来无线通信技术的研究热点。空间调制(SM)技术作为一种新型的多天线传输技术，在发送端激活一根天线传输数据，有效的避免信道间干扰(ICI)和天线间同步(IAS)等问题。SM系统不可避免的受到信道衰落及阴影效应的影响，导致通信质量下降。协作通信技术可利用多个单天线移动设备共享各自的天线参与协作转发而形成虚拟多输入多输出(MIMO)系统，实现空间分集和复用增益，有效的克服信道衰落问题，扩大传输距离和覆盖面积，进一步提升系统的性能。基于协作中继技术的空间调制系统，将空间维度调制从天线扩展到协作中继节点及二者的结合，发挥空间调制技术和协作通信技术的优势，提升系统的分集增益，克服信道衰落影响，同时还通过优化设计来节省系统功耗及降低复杂度，进一步改善系统性能，在未来的无线通信中具有重要的科研价值和应用前景。

S.Sugiura等(参见S.Sugiura,S.Chen,H.Haas,P.M.Grant,and L.Hanzo,“Coherent versus non-coherent decode-and-forward relaying aided cooperativespace-time shift keying,”IEEE Trans.Commun.,vol.59,no.6,pp.1707-1719,June2011.)提出了基于DF中继协作的空时移键控(STSK)系统，文中提出了相干协作STSK方案，每个中继节点采用DF协议传输数据，利用基于循环冗余校验的差分矢量进行误比特率检测，可实现传输速率与分集增益的折中。S.R.Hussain等(参见S.R.Hussain,S.Shakeera,and K.R.Naidu,“BER analysis of amplify and forward scheme with best relayselection in space shift keying system,”IEEE Int.Conf.Commun.&Sig.Proc.,pp.1722-1726,Apr.2015.)介绍了基于最佳中继选择的空移键控(SSK)调制调制方案，根据信道链路瞬时信噪比选择参与协作转发的最佳中继节点，并采用AF协议将信号放大后转发到目的节点。P.Som等(参见P.Som,and A.Chockalingam,“Bit error probabilityanalysis of SSK in DF relaying with threshold-based relay selection andselection combining,”IEEE Commun.Lett.,vol.18,no.1,pp.18-21,Jan.2014.)提出了基于最佳中继选择的SSK调制方案，根据门限值选择出最佳中继节点，并采用DF协议将接收到信号先译码再转发到目的节点，并给出了该系统端到端的误码率闭式表达式。以上方案在中继选择的方式上不够灵活，频谱效率低，系统资源不能充分利用，使得系统的使用场景受到了一定的限制，不能有效的提高系统的性能。

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应性更强，频谱效率更高，系统性能更好的多中继协作空间调制系统映射方案的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法，该系统主要包括一个信源节点(S)，一个目的节点(D)和N个中继节点，第n个中继节点为R_n，n＝1,2,…,N，信源节点S配备N_t根发射天线，中继节点R_n和目的节点D配备单根天线，设系统工作在半双工模式下，不同节点间链路都经历独立瑞利衰落，各链路信道状态信息(CSI)可通过训练序列获得，星座图的调制阶数为M阶，在发送端，随机产生的信源信息比特经串并转换分组后进入信源空间调制映射单元，第一部分信息比特根据比特到中继节点的映射规则来选择参与协作的中继节点，第二部分信息比特根据比特到发射天线的映射规则来激活发射天线，第三部分信息比特根据比特到星座符号的映射方案来选择调制符号；随后，信源经激活天线向参与协作的中继发送调制符号，而参与协作的中继采用放大转发(AF)协议或者译码转发(DF)协议向目的节点转发信息，针对不同中继转发协议，中继和目的节点均采用最大似然(ML)检测算法对接收信号进行解调恢复，该工作方法的具体步骤如下：

1)在发送端，将log₂N+log₂N_t+log₂M个信源信息比特分成三部分，其中第一部分log₂N个比特选择中继节点，其序号记为n，第二部分log₂N_t个比特选择发射天线，其序号记为l，第三部分log₂M个比特选择星座图符号，记为x_m，仅激活一根信源发射天线l和一个中继节点R_n，因此，信源发送矢量表示为x＝[0,0,...,0,x_m,0,...,0]^T，其中x_m位于向量x的第l个位置，T表示矢量转置，即第l行是非零元素x_m，其余行均是零元素，信源比特到符号映射的过程如下：(1)计算信源到N个中继节点的信道增益向量的Frobenius-范数，选取最大值，即其中为信源到第k个中继节点的信道增益向量，表示信源第l根发射天线到第k个中继之间的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布，考虑路径损耗，表示为为S到中继节点R_k的距离，α∈[3，5]为路径衰落因子，||·||_F表示求向量的Frobenius-范数，表示求有最大值时所对应的中继序号，把具有最大Frobenius-范数的中继节点R_k记为参考中继节点；(2)根据余弦相似度的定义式计算信源S到第n个中继节点R_n的信道增益向量与S到参考中继节点R_k的信道增益向量之间的余弦相似度，其中H表示共轭转置，|·|表示模值运算，cosθ_nk和θ_nk为信道增益向量与之间的余弦相似度值和夹角，假定α_nk表征信道增益向量与之间的余弦相似度相关信息，且设α_kk＝1，接下来，将计算所得的余弦相似度按升序排列，如果和之间的余弦相似度排在第p位，则α_nk＝p+1，1≤p≤N_t且p≠k；

(3)信道系数表示为其中和分别是第l根发射天线到第n个中继之间信道系数的幅度和相位，设信道系数幅度最大的发射天线称为参考发射天线i，即把信道系数的相位称为参考相位，确定表征中继节点CSI参数α_nk后，信源每根发射天线到各个中继节点R_n(n＝1,2,…,N)的CSI用参数β_ln和γ_ln表示，分别代表着信源第l根发射天线到中继节点R_n所对应的信道系数幅度信息以及相位信息，β_ln定义为信道系数幅度按降序排序的顺序，如果信源第l根发射天线到第n个中继节点链路间的信道系数为第q大的值，则β_ln＝q，1≤l≤N_t且β_in＝1；相位信息参数γ_ln表示为其中，「·」表示四舍五入到最近的整数，γ_ln表示信源第l根发射天线距参考发射天线i发送第一个符号的最近符号的序号，1≤γ_ln≤M，得到γ_in＝1；

(4)先选择中继节点的log₂N个比特映射表示为G^(N)(α_nk)，其中，G^(x)表示x阶PSK调制方式相对应的格雷码；再对中继节点R_n选择发射天线的log₂N_t个比特映射关系为最后，相应的星座图符号的选择的log₂M个比特映射表示为信源发送的log₂N+log₂N_t+log₂M个信息比特映射为信源第l根发射天线发送至中继节点R_n的第m个调制符号的关系确定，所有可能的信息比特到符号的映射都能由上述步骤构建得到，进而构成映射表；

2)在通信传输过程的第一时隙，根据比特到符号的映射关系，信源将发送矢量x发送至中继节点R_n，中继节点R_n接收到的信号表示为其中是信源第l根发射天线到中继节点R_n的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布，为S到R_n链路之间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_S＝δP是信源的发送功率，P为系统的总功率，δ∈(0,1]为功率分配比；

3)在通信传输过程的第二个时隙，中继节点采用AF协议或者DF协议向目的节点转发信息，目的节点采用ML检测算法解调接收到的信号，其具体过程步骤如下：

(1)中继节点R_n采用AF协议：中继节点R_n将接收到的信号放大后转发至目的节点D，则目的节点D在第二个传输时隙接收到中继放大转发的信号表示为其中，为放大系数，是中继节点R_n到D的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布且为中继节点R_n到D的距离，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_R是中继的发送功率，设置为P_R＝(1-δ)P，经噪声归一化后表示为其中为归一化噪声，最后目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为其中表示求有最小值时所对应的中继节点序号，信源发射天线序号和调制符号；

(2)中继节点R_n采用DF协议：中继节点R_n将接收到的信号译码再编码发送到目的节点D，D接收到的信号表示为其中，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为

本发明基于协作空间调制的基础之上，结合了一种比特到中继节点、发射天线以及调制符号的联合映射方案，提出了一种更高效的多中继协作空间调制系统，根据CSI选择比特符号映射方案，本发明提出的联合映射方案与传统的映射方案相比，在AF协作空间调制系统以及DF协作空间调制系统中都能够取得很好的性能增益。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意框图。

图2是本发明方法的基于AF的系统中误码率性能仿真图。由图2看出本发明的系统所示信噪比范围内的误码率性能明显优于基于AF的传统协作空间调制方法。

图3是本发明方法的基于DF的系统中误码率性能仿真图。由图3看出本发明的系统所示信噪比范围内的误码率性能明显优于基于DF的传统协作空间调制方法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法，如图1所示，该系统主要包括一个信源节点(S)，一个目的节点(D)和N个中继节点，第n个中继节点为R_n，n＝1,2,…,N，信源节点S配备N_t根发射天线，中继节点R_n和目的节点D配备单根天线，设系统工作在半双工模式下，不同节点间链路都经历独立瑞利衰落，各链路CSI可通过训练序列获得，星座图的调制阶数为M阶，在发送端，随机产生的信源信息比特经串并转换分组后进入信源空间调制映射单元，第一部分信息比特根据比特到中继节点的映射规则来选择参与协作的中继节点，第二部分信息比特根据比特到发射天线的映射规则来激活发射天线，第三部分信息比特根据比特到星座符号的映射方案来选择调制符号；随后，信源经激活天线向参与协作的中继发送调制符号，而参与协作的中继采用AF协议或者DF协议向目的节点转发信息，针对不同中继转发协议，中继和目的节点均采用ML检测算法对接收信号进行解调恢复，该工作方法的具体步骤如下：

1)在发送端，将log₂N+log₂N_t+log₂M个信源信息比特分成三部分，其中第一部分log₂N个比特选择中继节点，其序号记为n，第二部分log₂N_t个比特选择发射天线，其序号记为l，第三部分log₂M个比特选择星座图符号，记为x_m，仅激活一根信源发射天线l和一个中继节点R_n，因此，信源发送矢量表示为x＝[0,0,...,0,x_m,0,...,0]^T，其中x_m位于向量x的第l个位置，T表示矢量转置，即第l行是非零元素x_m，其余行均是零元素，信源比特到符号映射的过程如下：

(1)计算信源到N个中继节点的信道增益向量的Frobenius-范数，选取最大值，即其中为信源到第k个中继节点R_k的信道增益向量，表示信源第l根发射天线到第k个中继之间的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布，考虑路径损耗，表示为为S到中继节点R_k的距离，α∈[3，5]为路径衰落因子，||·||_F表示求向量的Frobenius-范数，表示求有最大值时所对应的中继序号，把具有最大Frobenius-范数的中继节点R_k记为参考中继节点；

(2)根据余弦相似度的定义式计算信源S到第n个中继节点R_n的信道增益向量与S到参考中继节点R_k的信道增益向量之间的余弦相似度，其中，H表示共轭转置，|·|表示模值运算，cosθ_nk和θ_nk为信道增益向量与之间的余弦相似度值和夹角，假定α_nk表征信道增益向量与之间的余弦相似度相关信息，且设α_kk＝1，接下来，将计算所得的余弦相似度按升序排列，如果和之间的余弦相似度排在第p位，则α_nk＝p+1，1≤p≤N_t且p≠k；

(3)信道系数可表示为其中和分别是信源第l根发射天线到第n个中继之间信道系数的幅度和相位，设信道系数幅度最大的发射天线称为参考发射天线i，即把信道系数的相位称为参考相位，确定表征中继节点CSI参数α_nk后，信源每根发射天线到各个中继节点R_n(n＝1,2,…,N)的CSI用参数β_ln和γ_ln表示，分别代表着信源第l根发射天线到中继节点R_n所对应的信道系数幅度信息以及相位信息，β_ln定义为信道系数幅度按降序排序的顺序，如果信源第l根发射天线到第n个中继节点链路间的信道系数为第q大的值，则β_ln＝q，1≤l≤N_t且β_in＝1；相位信息参数γ_ln表示为其中「·」表示四舍五入到最近的整数，γ_ln表示信源第l根发射天线距参考发射天线i发送第一个符号的最近符号的序号，1≤γ_ln≤M，得到γ_in＝1；

(4)先选择中继节点的log₂N个比特映射表示为G^(N)(α_nk)，其中，G^(x)表示x阶PSK调制方式相对应的格雷码；再对中继节点R_n选择发射天线的log₂N_t个比特映射关系为最后，相应的星座图符号的选择的log₂M个比特映射表示为信源发送的log₂N+log₂N_t+log₂M个信息比特映射为信源第l根发射天线发送至中继节点R_n的第m个调制符号的关系确定，所有可能的信息比特到符号的映射都能由上述步骤构建得到，进而构成映射表；

2)在通信传输过程的第一时隙，根据比特到符号的映射关系，信源将发送矢量x发送至中继节点R_n，中继节点R_n接收到的信号表示为其中是信源第l根发射天线到中继节点R_n的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布，为S到R_n链路之间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_S＝δP是信源的发送功率，P为系统的总功率，δ∈(0,1]为功率分配比；

3)在通信传输过程的第二个时隙，中继节点采用AF协议或者DF协议向目的节点转发信息，目的节点采用ML检测算法解调接收到的信号，其具体过程步骤如下：

(1)中继节点R_n采用AF协议：中继节点R_n将接收到的信号放大后转发至目的节点D，则目的节点D在第二个传输时隙接收到中继放大转发的信号表示为其中，为放大系数，是中继节点R_n到D的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布且为中继节点R_n到D的距离，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_R是中继的发送功率，设置为P_R＝(1-δ)P，经噪声归一化后表示为其中为归一化噪声，最后目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为其中表示求有最小值时所对应的中继节点序号，信源发射天线序号和调制符号；

(2)中继节点R_n采用DF协议：中继节点R_n先将接收到的信号译码再编码发送到目的节点D，D接收到的信号表示为其中，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布；目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为

Claims (1)

1.一种基于多中继协作空间调制系统的联合映射的工作方法，该系统主要包括一个信源节点S，一个目的节点D和N个中继节点，第n个中继节点为R_n，n＝1,2,…,N，信源节点S配备N_t根发射天线，中继节点R_n和目的节点D配备单根天线，设系统工作在半双工模式下，不同节点间链路都经历独立瑞利衰落，各链路CSI即信道状态信息通过训练序列获得，星座图的调制阶数为M阶，在发送端，随机产生的信源信息比特经串并转换分组后进入信源空间调制映射单元，第一部分信息比特根据比特到中继节点的映射规则来选择参与协作的中继节点，第二部分信息比特根据比特到发射天线的映射规则来激活发射天线，第三部分信息比特根据比特到星座符号的映射方案来选择调制符号；随后，信源经激活天线向参与协作的中继发送调制符号，而参与协作的中继采用放大前传即AF协议或者译码前传即DF协议向目的节点转发信息，针对不同中继转发协议，中继和目的节点均采用最大似然即ML检测算法对接收信号进行解调恢复，该工作方法的具体步骤如下：

1)在发送端，将log₂N+log₂N_t+log₂M个信源信息比特分成三部分，其中第一部分log₂N个比特选择中继节点，其序号记为n；第二部分log₂N_t个比特选择发射天线，其序号记为l，第三部分log₂M个比特选择星座图符号，记为x_m，仅激活一根信源发射天线l和一个中继节点R_n，因此，信源发送矢量表示为x＝[0,0,...,0,x_m,0,...,0]^T，其中x_m位于向量x的第l个位置，T表示矢量转置，即第l行是非零元素x_m，其余行均是零元素，信源比特到符号映射的过程如下：

(1)计算信源到N个中继节点的信道增益向量的Frobenius-范数，选取最大值，即其中为信源到第k个中继节点的信道增益向量，表示信源第l根发射天线到第k个中继之间的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯分布，考虑路径损耗，表示为 为S到中继节点R_k的距离，α∈[3，5]为路径衰落因子，||·||_F表示求向量的Frobenius-范数，表示求有最大值时所对应的中继序号，把具有最大Frobenius-范数的中继节点R_k记为参考中继节点；

(2)根据余弦相似度的定义式计算信源S到第n个中继节点R_n的信道增益向量与S到参考中继节点R_k的信道增益向量之间的余弦相似度，其中，H表示共轭转置，|·|表示模值运算，cosθ_nk和θ_nk为信道增益向量与之间的余弦相似度值和夹角，假定α_nk表征信道增益向量与之间的余弦相似度相关信息，且设α_kk＝1，接下来，将计算所得的余弦相似度按升序排列，如果和之间的余弦相似度排在第p位，则α_nk＝p+1，1≤p≤N_t且p≠k；

(3)信道系数表示为其中和分别是第l根发射天线到第n个中继之间信道系数的幅度和相位，设信道系数幅度最大的发射天线称为参考发射天线i，即把信道系数的相位称为参考相位，确定表征中继节点CSI参数α_nk后，信源每根发射天线到各个中继节点R_n，n＝1,2,…,N，的CSI用参数β_ln和γ_ln表示，分别代表着信源第l根发射天线到中继节点R_n所对应的信道系数幅度信息以及相位信息，β_ln定义为信道系数幅度按降序排序的顺序，如果信源第l根发射天线到第n个中继节点链路间的信道系数为第q大的值，则β_ln＝q，1≤l≤N_t且β_in＝1；相位信息参数γ_ln表示为其中表示四舍五入到最近的整数，γ_ln表示信源第l根发射天线距参考发射天线i发送第一个符号的最近符号的序号，1≤γ_ln≤M，得到γ_in＝1；

(4)先选择中继节点的log₂N个比特映射表示为G^(N)(α_nk)，其中，G^(x)表示x阶PSK调制方式相对应的格雷码；再对中继节点R_n选择发射天线的log₂N_t个比特映射关系为G^(Nt)(β_ln)；最后，相应的星座图符号的选择的log₂M个比特映射表示为信源发送的log₂N+log₂N_t+log₂M个信息比特映射为信源第l根发射天线发送至中继节点R_n的第m个调制符号的关系确定，所有可能的信息比特到符号的映射都能由上述步骤构建得到，进而构成映射表；

2)在通信传输过程的第一时隙，根据比特到符号的映射关系，信源将发送矢量x发送至中继节点R_n，中继节点R_n接收到的信号表示为其中是信源第l根发射天线到中继节点R_n的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布，为S到R_n链路之间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_S＝δP是信源的发送功率，P为系统的总功率，δ∈(0,1]为功率分配比；

3)在通信传输过程的第二个时隙，中继节点采用AF协议或者DF协议向目的节点转发信息，目的节点采用ML检测算法解调接收到的信号，其具体过程步骤如下：

(1)中继节点R_n采用AF协议：中继节点R_n将接收到的信号放大后转发至目的节点D，则目的节点D在第二个传输时隙接收到中继放大转发的信号表示为其中，为放大系数，是中继节点R_n到D的信道系数，服从均值为0，方差为的复高斯随机分布且 为中继节点R_n到D的距离，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，P_R是中继的发送功率，设置为P_R＝(1-δ)P，经噪声归一化后表示为其中 为归一化噪声，最后目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为其中表示求有最小值时所对应的中继节点序号，信源发射天线序号和调制符号；

(2)中继节点R_n采用DF协议：中继节点R_n将接收到的信号译码再编码发送到目的节点D，D接收到的信号表示为其中，为R_n到D链路间的信道噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布，目的节点采用ML检测得到参与协作的中继节点信源发射天线序号以及调制符号的估计值ML检测准则为