基于准正交空时码的中继系统最优功率分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于准正交空时码的中继系统最优功率分配方法，主要解决现有中继系统等功率分配误符号率低的问题，其实现步骤为：第一阶段，源端将信息发送到中继端和目的端；第二阶段，目的端向中继端发送反馈因子；中继端将接收到的信息解调，若正确解调，则使用带反馈的准正交空时码将信息发送到目的端，目的端将接收到的信息进行共轭处理并与第一阶段接收到的信息进行最大比合并后译码；若中继端不能正确解调，目的端直接对第一阶段接收到的信息进行译码；根据上述两种情况下目的端的译码结果，求出系统的误符号率并计算出最优功率分配。本发明能使中继系统获得更好的误符号率性能，提了中继系统传输可靠性，可用于无线网络中的中继通信。
【专利说明】基于准正交空时码的中继系统最优功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，具体涉及一种中继系统的最优功率分配方法，用于无 线网络中的中继通信。
【背景技术】
[0002] 中继通信的基本思想是使用中继节点将基站的信号重新处理后再发送出去。经过 中继节点的时候，有可能经过一个中继节点，也可能经过多个中继节点。中继节点处理过程 可以很简单，也可以很复杂。例如：中继节点只是接收信号，直接放大后发送给移动台，就很 简单；又如，中继节点本身有协议栈，对接收信号进行解调和基带处理，完成差错控制、功率 调整、信道测量、干扰协调后再生成发射信号发送给移动台，就很复杂。具体采用何种方式 取决于实际应用的场景以及需要解决的问题。
[0003] 无线中继是下一代网络的趋势，因为中继传输很好地适应了人们对未来网络大覆 盖范围高传输速率的需求，解决了传统无线网络一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多 问题。
[0004] 在实际的应用中，中继端通常配备多根天线，因此，如果中继使用空时码对信息进 行转发，可以得到多天线系统的分集增益，从而提高系统性能。当中继端天线数目大于2 时，通常使用准正交空时分组码。
[0005] 图1显示了一种中继系统的常用模型，该模型中假设有1个源端、1个中继端和1 个目的端，其中中继端有4根天线。在中继系统传输的第一阶段，由源端发送信息到中继端 和目的端。在第二阶段，如果中继端能够正确解调信息，则采用带反馈的准正交空时码发送 信息到目的端，目的端将两个阶段接收到的信息合并后译码得出所需要的信息。否则中继 端不发送信息，目的端直接对第一阶段接收到的信息进行译码得出所需要的信息。
[0006] 在上述的中继系统中，源端与中继端的发送功率之和是固定的。由于传统的功率 分配方法是不考虑源、中继和目的端之间的信道状态等信息，直接将源端和中继端进行等 功率分配，因而导致中继系统误码率性能较差，传输的可靠性也较低。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于上述已有技术的不足，提出一种基于准正交空时码的中继系统 最优功率分配方法，以获得中继系统的最优误码率，进一步提高中继系统传输可靠性。
[0008]实现本发明的技术方案是：在中继系统第一阶段，由源端发送信息到中继端和目 的端；在第二阶段，中继端根据是否能够正确接收到源端的发送信息，判断是否对目的端发 送信息，目的端再将接收到的所有信息进行相应处理，获取所需要的信息；目的端根据上述 两种情况下的译码结果，求出系统的误符号率Ppsk，求出Ppsk最小情况下的最优功率分配系 数a，由此得出源端的发送功率P1和中继端每根天线的发送功率P2。其具体步骤包括如下：
[0009] (1)在中继系统第一阶段，源端S将信息S= [81，82,83,84]1发送到中继端1?和目 的端D，中继端R的接收信息yw，j= 1，2, 3, 4,目的端D的接收信息ysd分别为： _0] Vsj=^LrlS + nJi
[0011] Jsrf =^/> + ?,?*
[0012] 其中"Τ"表示转置运算，fsd和fs"_分别为源端与目的端、源端与中继端的信道衰 落系数，他们之间相互独立，且服从<ΓΛφ，4)和CW(〇,C)分布，nSd和η」分别为源端与目的 端、源端与中继端间的高斯白噪声，服从CN(0,Ntl)分布，P1为源端的发射功率χ
[0013] (2)在第二阶段，目的端D向中继端R发送反馈因子r，用于后续准正交空时码的 编码；
[0014] (3)中继端R对第一阶段接收到的信息yKj进行解调，如果能正确解调，则使用带反 馈的准正交空时码将信息s编码，发送到目的端D，目的端执行步骤（4);否则，中继端R不 对目的端D发送信息，目的端执行步骤（5);
[0015] (4)目的端D接收到第二阶段中继端发送的信息;:后，将;:进行共轭处理得到信息 y，并将y与中继在第一阶段接收到的信息ysd进行最大比合并后译码，得到自己所需的信 息；
[0016] (5)目的端D直接对第一阶段接收到的信息ysd进行译码，得到自己所需的信息；
[0017] (6)根据上述两种情况下目的端D的译码结果，求出系统的误符号率Ppsk ;
[0018] (7)求出Ppsk最小情况下的最优功率分配系数a，由此得出源端的发送功率P1和中 继端每根天线的发送功率P2。
[0019] 本发明将带反馈的准正交空时码引入到中继系统并且对源端和中继端进行最优 功率分配，与传统的等功率分配的中继系统相比，可以获得更好的误码率性能，从而进一步 提高中继系统传输的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明适用的系统模型图；
[0021] 图2是本发明的实现流程图；
[0022] 图3是本发明中的中继系统的误符号率的仿真值和理论值的比较图；
[0023] 图4是本发明中的源端到中继端的信道方差为10,中继端到目的端的信道方差为 1时的最优功率分配和平均功率分配的误符号率性能比较图；
[0024] 图5是本发明中的源端到中继端的信道方差为1，中继端到目的端的信道方差为 10时的最优功率分配和平均功率分配的误符号率性能比较图。
【具体实施方式】
[0025] 下面参照附图对本发明做进一步详细描述。
[0026] 参照图1，本发明使用的系统模型包含1个源端S、1个目的端D和1个中继端R，其 中该中继端有4根天线，源端和目的端是单天线配置。假设任意两个节点间的信道为准静 态平坦瑞利衰落信道，其衰落系数相互独立，且由源端S到目的端D的直传链路是有效的。 接收端已知完全信道状态信息，而发送端未知。
[0027] 参照图2,本发明的实现步骤如下：
[0028] 步骤I:在第一阶段源端S发送信号。
[0029] 在中继系统第一阶段，源端S将信息s= [81，82,83,84]1发送到中继端1?和目的端 D，中继端R的接收信息yw，j= 1，2, 3, 4,目的端D的接收信息ysd分别为：
[0030] Vrj = 4^1 L·/+?/?./= ^2,3,4， <1>
[0031 ] Jirf + <2>
[0032] 其中，fsd和fs"_分别为源端与目的端、源端与中继端4根天线间的信道衰落系数， 他们之间相互独立，且服从CN(〇，私)和CN分布，nsd和Iij分别为源端与目的端、源端 与中继端4根天线间的高斯白噪声，服从CN(0,Ntl)分布，P1为源端的发射功率。
[0033] 步骤2 :在第二阶段目的端D发送信号。
[0034] 在第二阶段，目的端D向中继端R发送反馈因子r，用于后续准正交空时码的编码。
[0035]反馈因子r为：r = exp (k Θ)， <3>
[0036] 其中，沒=/r/2+z(g,g·:-g2g^，k表示虚数，gi是四条等效信道的衰落系数，i= 1，2, 3, 4,这四条等效信道的衰落系数相互独立，且服从CN(0,Ntl)分布，表示共轭运算。
[0037] 步骤3 :中继端R和目的端D对第一阶段接收信号的处理。
[0038] 中继端R对第一阶段接收到的信息.进行解调，如果能正确解调，则使用带反馈 的准正交空时码将信息s编码，发送到目的端D，目的端执行步骤4;否则，中继端R不对目 的端D发送信息，目的端执行步骤5。
[0039] 步骤4:目的端D接收到第二阶段中继端发送的信息;;后，将;:进行共轭处理得到 信息y，并将y与中继在第一阶段接收到的信息ysd进行最大比合并后译码，得到自己所需 的信息。
[0040] (4a)计算目的端D接收到第二阶段中继端发送的信息;:：
[0041] (4al)对于中继端的正确解调，计算带反馈的准正交空时码的编码矩阵C为：
【权利要求】
1. 一种基于准正交空时码的中继系统最优功率分配方法，包括以下步骤： (1) 在中继系统第一阶段，源端S将信息s = [Sl，s2, s3, s4]T发送到中继端R和目的端 D，中继端R的接收信息yw，j = 1，2, 3, 4,目的端D的接收信息ysd分别为：
其中，"T"表示转置运算，fsd和fs"_分别为源端与目的端、源端与中继端的信道衰落系 数，他们之间相互独立，且服从GV(0,祀)和分布，nsd和Iij分别为源端与目的端、 源端与中继端间的高斯白噪声，服从CN(0, Ntl)分布，P1为源端的发射功率； (2) 在第二阶段，目的端D向中继端R发送反馈因子r，用于后续准正交空时码的编码； (3) 中继端R对第一阶段接收到的信息.进行解调，如果能正确解调，则使用带反馈 的准正交空时码将信息s编码，发送到目的端D，目的端执行步骤（4);否则，中继端R不对 目的端D发送信息，目的端执行步骤（5); (4) 目的端D接收到第二阶段中继端发送的信息f后，将；进行共轭处理得到信息y，并 将y与中继在第一阶段接收到的信息ysd进行最大比合并后译码，得到自己所需的信息； (5) 目的端D直接对第一阶段接收到的信息ysd进行译码，得到自己所需的信息； (6) 根据上述两种情况下目的端D的译码结果，求出系统的误符号率Ppsk ; (7) 求出Ppsk最小情况下的最优功率分配系数a，由此得出源端的发送功率PdP中继端 每根天线的发送功率P2。
2. 根据权利要求书1中所述的方法，其中步骤（4)所述的目的端D接收到第二阶段中 继端发送的信息f后，将;:进行共轭处理得到信息y，并将y与中继在第一阶段接收到的信 息ysd进行最大比合并后译码，得到自己所需的信息，按如下步骤进行： (4a)计算目的端D接收到第二阶段中继端发送的信息;:：
其中，P2为中继端每根天线的发射功率，I为中继4根天线与目的端间的高斯白噪声， e = 1，2, 3, 4,服从CN(0, Ntl)分布，C为准正交空时码编码矩阵，gi是四条等效信道的衰落 系数，i = 1，2, 3, 4,这四条等效信道的衰落系数相互独立，且服从CN(O1Ntl)分布，表示 共轭运算； (4b)计算将;:进行共轭处理后得到信息的y :
其中，n'为中继端与目的端间的高斯白噪声，服从CN(O1Ntl)分布，G为准正交空时码的 等效信道矩阵；
示PSK调制方式下所有星座点的集合，sw G Y表示sw取集合Y中的所有星座点值进行搜索，
表示对h进行平方运算后将取值最小的星座点值作为判决信号。
3. 根据权利要求书1中所述的方法，其中步骤（5)所述的目的端D直接对第一阶段接 收到的信息ysd进行译码，通过如下公式进行：
4. 根据权利要求书1中所述的方法，其中步骤（6)所述的根据上述两种情况下目的端 D的译码结果，求出系统的误符号率Ppsk，通过如下公式进行：
其中，M为相位移频键控PSK调制的阶数，b = sin2 〇/M), Y1和Y2分别为上述两种 情况下的各个符号的信噪比，Pk为中继端正确解调每个符号的概率。
5.根据权利要求书1中所述的方法，其中步骤（7)所述的求出Ppsk最小情况下的最优 功率分配系数a，由此得出源端的发送功率P1和中继端每根天线的发送功率匕，按如下步骤 进行： (7a)计算关于最优功率分配系数a的方程：
端到中继端的信道方差，是中继端到目的端的信道方差； (7b)计算源端的发送功率P1和中继端每根天线的发送功率P2 : P1 = (l-4a)P, P2 = aP〇
【文档编号】H04W52/34GK104363646SQ201410674644
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】高明, 陈琛, 张林林, 熊芳琦, 蔡武君, 葛建华 申请人:西安电子科技大学