基于IHDAF的协作空间调制系统的工作方法与流程

本发明涉及一种基于IHDAF(增量混合译码放大前传)的协作空间调制系统的工作方法，属于无线数字传输技术领域。

背景技术：

空间调制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来传输数据，将一部分发送信息映射到空间域来选择需要激活的天线，其余信息比特映射到传统数字调制星座图上，与其他多输入多输出(MIMO)技术相比，其有效地避免了信道间干扰(ICI)和天线间同步(IAS)的问题，同时在保持系统传输速率和性能的基础上降低了系统的复杂度，是一个非常有潜力的新型多天线技术。

协作中继技术可使若干单天线设备通过共享各自的天线形成一个虚拟的多天线技术，从而获得协作分集增益，提高系统的整体通信质量。基于协作中继技术的空间调制系统充分利用了空间调制和协作中继技术两者的优点，有效地提升了系统的分集增益，克服信道衰落影响，并降低了系统的复杂度，是当前无线通信领域中的研究热点。Y.Yang等(参见Y.Yang and S.Aissa,“Information-guided transmission in decode-and forward relaying systems:spatial exploitation and throughput enhancement,”IEEE Wirel.Commun.,vol.10,no.7,pp.2341-2351,July.2011.)提出了基于中继信息传输的DF协作空间调制方案，其根据信源比特信息从中继节点集合中选择激活节点进行数据的传输，使系统获得更高的吞吐量。A.Afana等(参见A.Afana,R.Mesleh,S.Ikki,I.E.Atawi,“Performance of Quadrature Spatial Modulation in Amplify-and-Forward Cooperative Relaying,”IEEE Commun.Lett.,vol.20,no.2,pp.240-243,2015.)分析了采用AF中继协议的正交空间调制系统性能，理论分析了平均误比特率(ABEP)的严格上界，以上方案在协作中继节点的选择方式及工作方式上单一不够灵活，对实际的应用有一定的局限性。P.Som等(参见P.Som,and A.Chockalingam,“Bit error probability analysis of SSK in DF relaying with threshold-based relay selection and selection combining,”IEEE Commun.Lett.,vol.18,no.1,pp.18-21,Jan.2014.)提出了一种基于最佳中继选择的空移键控调制方案，该方案首先根据门限值选择中继集合，再根据最大最小原则选出最佳中继并采用DF协议将接收到信号发送给目的节点，目的节点采用选择合并的方法对来自信源和中继的信号进行检测，但该方案在信道状态不好的情况下会出现通信中断，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。

技术实现要素：

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，性能更好的基于IHDAF(增量混合译码放大前传)的协作空间调制系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于IHDAF(增量混合译码放大前传)的协作空间调制系统的工作方法，该系统主要包括一个信源节点，一个目的节点和一个中继节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2^m(m＝1,2…)根发射天线，中继节点和目的节点配备单根接收天线，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程包括三个步骤，首先，信源信息比特经串并转换分为两部分进入信源节点的空间调制单元，其中一部分信息比特激活某根发射天线l，另一部分信息比特映射为传统的M阶幅度相位调制(APM)星座符号x_q，如M-PSK星座符号或者M-QAM星座符号；其次，APM星座符号x_q通过被激活的发射天线传送到中继节点和目的节点，并通过将直传瞬时信噪比γ_SD及中继链路的瞬时信噪比γ_SR与对应链路设定的信噪比门限值SNR_SD及SNR_SR比较，选择相应协作传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后，目的节点根据传输方案解调恢复得到原始信号，该方法的具体步骤如下：

1)信源信息按(log₂(N_t)+log₂(M))个bits分组经串并转换分为两部分进入信源节点的空间调制单元，第一部分log₂(N_t)bits信息用来激活发射天线l，后一部分log₂(M)bits信息映射为M阶的APM星座符号x_q，空间调制的发射信号向量可以表示为x＝[0,0,...,0,x_q,0,...,0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活的发射天线同时向中继节点和目的节点广播星座符号x_q，目的节点接收到的信号可以表示为其中h^SD为信源节点到目的节点的信道向量；为信源节点的第l根发射天线到目的节点之间的信道系数；n^SD为信源节点和目的节点之间的信道噪声；中继节点接收到的信号可以表示为其中h^SR为信源节点到中继节点的信道向量；为信源节点的第l根发射天线到中继节点之间的信道系数；n^SR为信源节点和中继节点之间的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点比较信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_SD与对应链路上设定信噪比门限值SNR_SD的大小，如果γ_SD≥SNR_SD，则转入下一步，否则转入步骤5)；其中另外γ_SR和γ_RD分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和分别表示信源节点的第l根发射天线到目的节点之间，信源节点的第l根发射天线到中继节点之间和中继节点的第根发射天线到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_SD≥SNR_SD时，目的节点可以正确译码，中继节点不需要参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个通信时隙传输新的信息，目的节点对接收到的信号根据ML(最大似然)检测公式进行解调恢复，其中| |²表示模值的平方，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号，表示求有最小值时对应的发射天线序号以及星座符号；

5)当γ_SD＜SNR_SD，目的节点不能正确译码，则中继节点参与协作，中继节点继续比较信源节点到中继节点链路上的瞬时信噪比γ_SR与对应链路上设定信噪比门限值SNR_SR的大小，如果γ_SR≥SNR_SR，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_SR≥SNR_SR时，中继节点在第二个通信时隙采用DF(译码前传)的方式，目的节点将第一通信时隙和第二通信时隙接收到的信号合并后采用ML检测解调恢复得到原始信号，并在下一个通信时隙传输新的信息，具体过程如下：

(1)中继节点对接收到的信号根据ML检测公式进行解调恢复，并将解调恢复的星座符号通过发射天线发送给目的节点，其中和分别表示中继节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号；

(2)第二个通信时隙，目的节点接收到的信号表示为其中为中继节点的第根发射天线到目的节点之间的信道系数；n^RD为中继节点和目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源和中继发送的信号合并后检测，合并后的信号以及ML检测的计算公式分别表示为及其中表示中继采用DF协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号；

7)当γ_SR＜SNR_SR时，中继节点在第二个通信时隙采用AF(放大前传)的方式，目的节点将第一通信时隙和第二通信时隙接收到的信号合并后采用ML检测解调恢复得到原始信号，并在下一个通信时隙传输新的信息，具体过程如下：

(1)中继节点放大接收到的信号，并通过中继节点到目的节点链路的信道系数最大的天线发送给目的节点；

(2)第二个通信时隙，目的节点接收到的信号可以表示为其中表示放大因子；此时为中继节点到目的节点链路的最大信道系数；n^RD为中继节点和目的节点之间的信道噪声；为信源节点经中继节点到目的节点之间的信道总噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点发送的信号合并后检测，目的节点合并后的信号以及ML检测的计算公式分别表示为及其中表示中继采用AF协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号。

本发明基于协作中继技术的空间调制的基础上，结合一种基于中继协议切换的增量混合译码放大前传方案，提出了一种更符合实际情况的协作空间调制通信系统模型，根据反馈的信道状态信息选择相应的协作方案，与基于固定协议的协作空间调制方法相比，具有更强的适用性以及更明显的性能提升。

附图说明

图1是本发明系统的结构方框示意图。

图2是本发明的系统中断概率性能仿真图。由图可以看出本发明的系统在所示信噪比范围内的中断概率性能都要优于基于放大前传的和基于译码前传的协作空间调制方法。

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IHDAF(增量混合译码放大前传)的协作空间调制系统的工作方法，如图1所示，该系统主要包括一个信源节点，一个目的节点和一个中继节点，信源节点和中继节点配备N_t＝2^m(m＝1,2…)根发射天线，中继节点和目的节点配备单根接收天线，系统工作在半双工模式下，其数据传输过程包括三个步骤，首先，信源信息比特经串并转换分为两部分进入信源节点的空间调制单元，其中一部分信息比特激活某根发射天线l，另一部分信息比特映射为传统的M阶幅度相位调制(APM)星座符号x_q，如M-PSK星座符号或者M-QAM星座符号；其次，APM星座符号x_q通过被激活的发射天线传送到中继节点和目的节点，并通过将直传瞬时信噪比γ_SD及中继链路的瞬时信噪比γ_SR与对应链路设定的信噪比门限值SNR_SD及SNR_SR比较，选择相应协作传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后，目的节点根据传输方案解调恢复得到原始信号，该方法的具体步骤如下：

1)信源信息按(log₂(N_t)+log₂(M))个bits分组经串并转换分为两部分进入信源节点的空间调制单元，第一部分log₂(N_t)bits信息用来激活发射天线l，后一部分log₂(M)bits信息映射为M阶的APM星座符号x_q，空间调制的发射信号向量可以表示为x＝[0,0,...,0,x_q,0,...,0]^T，其中x_q位于向量x的第l个位置，T表示向量转置；

2)第一通信时隙，信源节点通过被激活的发射天线同时向中继节点和目的节点广播星座符号x_q，目的节点接收到的信号可以表示为其中h^SD为信源节点到目的节点的信道向量；为信源节点的第l根发射天线到目的节点之间的信道系数；n^SD为信源节点和目的节点之间的信道噪声；中继节点接收到的信号可以表示为其中h^SR为信源节点到中继节点的信道向量；为信源节点的第l根发射天线到中继节点之间的信道系数；n^SR为信源节点和中继节点之间的信道噪声，转入下一步；

3)目的节点比较信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比γ_SD与对应链路上设定信噪比门限值SNR_SD的大小，如果γ_SD≥SNR_SD，则转入下一步，否则转入步骤5)；其中另外γ_SR和γ_RD分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和分别表示信源节点的第l根发射天线到目的节点之间，信源节点的第l根发射天线到中继节点之间和中继节点的第根发射天线到目的节点之间的信道系数模值的平方；

4)当γ_SD≥SNR_SD时，目的节点可以正确译码，中继节点不需要参与协作，信源节点采用直接传输的方式，并在下一个通信时隙传输新的信息，目的节点对接收到的信号根据ML(最大似然)检测公式进行解调恢复，其中| |²表示模值的平方，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号，表示求有最小值时对应的发射天线序号以及星座符号；

5)当γ_SD＜SNR_SD，目的节点不能正确译码，则中继节点参与协作，中继节点继续比较信源节点到中继节点链路上的瞬时信噪比γ_SR与对应链路上设定信噪比门限值SNR_SR的大小，如果γ_SR≥SNR_SR，则转入下一步，否则转入步骤7)；

6)当γ_SR≥SNR_SR时，中继节点在第二个通信时隙采用DF(译码前传)的方式，目的节点将第一通信时隙和第二通信时隙接收到的信号合并后采用ML检测解调恢复得到原始信号，并在下一个通信时隙传输新的信息，具体过程如下：

(1)中继节点对接收到的信号根据ML检测公式进行解调恢复，并将解调恢复的星座符号通过发射天线发送给目的节点，其中和分别表示中继节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号；

(2)第二个通信时隙，目的节点接收到的信号表示为其中为中继节点的第根发射天线到目的节点之间的信道系数；n^RD为中继节点和目的节点之间的信道噪声；

(3)目的节点将来自信源和中继发送的信号合并后检测，合并后的信号以及ML检测的计算公式分别表示为及其中表示中继采用DF协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号；

7)当γ_SR＜SNR_SR时，中继节点在第二个通信时隙采用AF(放大前传)的方式，目的节点将第一通信时隙和第二通信时隙接收到的信号合并后采用ML检测解调恢复得到原始信号，并在下一个通信时隙传输新的信息，具体过程如下：

(1)中继节点放大接收到的信号，并通过中继节点到目的节点链路的信道系数最大的天线发送给目的节点；

(2)第二个通信时隙，目的节点接收到的信号可以表示为其中表示放大因子；此时为中继节点到目的节点链路的最大信道系数；n^RD为中继节点和目的节点之间的信道噪声；为信源节点经中继节点到目的节点之间的信道总噪声；

(3)目的节点将来自信源节点和中继节点发送的信号合并后检测，目的节点合并后的信号以及ML检测的计算公式分别表示为及其中表示中继采用AF协议时的有效信道系数，和分别表示目的节点经ML检测估计后得到信源信息比特所映射的发射天线序号和星座符号。