单天线中继系统中的ml解码方法
【专利摘要】一种单天线中继系统中的ML解码方法，包括以下步骤：(1)设每个节点都只有一根天线，可以用来发送和接收信号；(2)在发送节点S和接受节点D之间没有直接的信道，所有通信都要借助于中继节点并且所有中继节点是符号同步的；(3)记从发送端到第i个中继的信道参数为Ji，从第i个中继到接收端的信道参数记为gi；(4)从发送端到接收端之间通信过程采用两步协议：第一步，发送端发送一个长度为T的信息符号矢量，计算出第i个中继接收到的信号；第二步，在中继端采用AF方案，经过放大处理后得到第i个中继发送的信号；根据两步得到接收端接收到的信号，得出在这个系统中的ML解码。
【专利说明】
单天线中继系统中的ML解码方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及无线中继网络中的解码与编码。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线通信技术发展迅速，手机似乎已成为人们日常生活中不可或缺的通 信工具。另一方面，人们对通信的内容和质量的要求也越来越高。目前大部分手机的通信 速度都还在9. 6Kb/s~2Mb/s范围内。与主要传送语音业务的第1代第2代无线通信系 统不同，第3代及第4代无线通信系统还将支持速率高达100Mb/ S~lGb/s的多媒体宽带 数据业务。对于如此快速的通信要求，我们必须寻找新的技术来满足快速增长的要求。但 是众所周知，无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的重要原 因。由此，人们提出了分集的概念，即在不相关的多个信道传输多个信号样本，在接受端合 并这些样本，以对抗无线信道中的衰落。目前常用的分集方式有三种：
[0003] (1)时间分集：在不同的时隙传送相同的信息符号。
[0004] (2)频率分集：相同的信息符号采用不同的载波频率发送。
[0005] (3)空间分集：在不同的天线上传输相同的信息符号。
[0006] 其中空间分集从不同的位置发送信号，从而在接收端得到经历独立衰落的多个信 号副本，可以有效地消除多径衰落的影响。并且由于不需要占用额外的时间和频带资源，并 且可以和其他信号处理方式相结合，因此得到了广泛的关注。空间分集也称为天线分集，其 基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信号样本产生多个不相关的 信道来对抗多径衰落。在未来的无线通信中，多输入多输出（MHTO)系统的优势已经得到了 广泛的认同。多天线技术在通信链路的发送端与接收端都使用多根天线。它能够将传统通 信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素。在抗多径衰落，提高通信链路 的通信速率和质量方面有着明显的优势，因此被纳入下一代B3G的技术规范中。虽然多天 线技术有很多优势，但还是存在很多问题。现有的多天线都设置在基站，通信终端很难配置 多根天线。这是由于理想的ΜΜ0多天线系统要求相邻天线之间的间距要大于电波波长的 一半，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的，或至少是不相关的，可是对于实际的无 线通信网络而言，终端由于受体积限制，根本无法做到这一点。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是在一定的信道状态下，研究系统的最大似然解码，推导出在极大 似然解码下的成对错误概率的Chernoff上界，然后得到码本的设计准则，根据设计准则进 行编码，从而有效的提高系统的可靠性。
[0008] 1、一种单天线中继系统中的ML解码方法，其特征在于：
[0009] (1)设每个节点都只有一根天线，可以用来发送和接收信号；
[0010] ⑵发送节点S和接受节点D之间没有直接的信道，所有通信都要借助于中继节点 并且所有中继节点是符号同步的；
[0011] (3)记从发送端到第i个中继的信道参数为A，从第i个中继到接收端的信道参 数记为 gl，并且假设fi，^是独立复高斯随机变量，其均值为0,方差为1 ;
[0012] (4)从发送端到接收端之间通信过程采用两步协议：第一步，发送端发送一个长 度为T的信息符号矢量，计算出第i个中继接收到的信号；第二步，在中继端采用AF方案， 经过放大处理后得到第i个中继发送的信号；根据两步得到接收端接收到的信号，得出在 这个系统中的ML解码。
[0013] 本发明针对的是无线中继网络，它采用协作分集技术来提高数据传输的速率和可 靠性。协作分集的基本思想是：系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴 之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其它伙伴传输信息。这样每个终端在传输自己信 息的过程中既利用了自己的空间信道又利用了合作伙伴的空间信道，从而获得一定的空间 分集增益。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的ΜΜ0多天线系 统。将协作的思想引入通信领域将具有非常广阔的应用前景。与此同时，协作传输技术不 仅能够应用于蜂窝移动通信系统，而且无线ad-hoc网络，无线局域网以及无线感知网络等 都有它的用处。本发明通过实例证明，两种编码的方式能够很好地降低系统的误码率，提高 系统的可靠性。
【附图说明】
[0014] 图1无线中继网络示意图
【具体实施方式】
[0015] -个无线中继网络如图1所示。这个网络包含R+2个节点，其中一个发送节点S， 一个接收节点D，R个中继节点，分别记为Gi，…，G R。
[0016] 假设：
[0017] 1.每个节点都只有一根天线，可以用来发送和接收信号；
[0018] 2.发送节点S和接受节点D之间没有直接的信道，所有通信都要借助于中继节点 并且所有中继节点是符号同步的；
[0019] 3.记从发送端到第i个中继的信道参数为A，从第i个中继到接收端的信道参数 记为gl。并且假设A，^是独立复高斯随机变量，其均值为0,方差为1。
[0020] 4.接收端仅知中继到接收端的CSI，包括gl，…，gR，但不知道从发送端到中继的 CSI，但发送端和中继不知道任何CSI。
[0021] 从发送端到接收端之间通信过程采用两步协议。第一步，发送端发送一个长度为 T的信息符号矢量，记为s = [Sl，. . .，sT]t，且满足fs = 1，Pi是发送端在每个发送过程的 平均功率，第i个中继接收到的信号矢量： _2]
(2. 1)
[0023] 其中，[r u ryrjt，Vi= [v n vi2···viT；T为第i个中继产生的加性高斯白 噪声，Vl的每个分量都服从均值为0,方差为1的独立复高斯分布CN(0,1)。
[0024] 第二步，在中继端采用AF方案，经过放大处理后第i个中继发送的信号为
[0025]
(2. 2)
[0026] 其中，t1= [tu ?ι2···?ιΤΓ，Ρ2是每个中继在每个发送过程的平均功率，假设每个中 继消耗的平均功率相同。
[0027] 假设R个中继同步发送信号，这样接收端的接收信号为：
[0028] (2.3)
[0029] 其中，y = h y2…yT!T，w = h w2…wT；T是接收端产生的加性高斯白噪声，w的 每个分量都服从均值为〇,方差为1的独立复高斯分布CN(0,1)。
[0030] 极大似然解码
[0031] 根据式（2. 1)，（2. 2)，（2. 3)可以得到接收端接收到的信号为：
[0032]
(2.4)
[0033] 显然，当8;与s给定时，y是高斯随机变量的线性组合，因而，y也应该是服从高斯 分布。从而，要求得y的密度函数，只要求得均值和方差即可。
[0034] 假设接收端仅知中继到接收端的CSI，则从上式可知，
[0035] 信号部分的均值：
[0036] V. * - (2. 5)[0037] 信号部分的方差：
. (2.6)[0039] 噪声部分的均值：
[0038]
[0040] (2.7)
[0042]
[0041] 噪声部分的方差：
(2.8)
[0043] 根据式（2. 5)，（2. 6)，（2. 7)，（2. 8)可以得到接收信号矢量的均值和协方差矩阵 Σ 1：
[0044] E(y) = 0TX1 (2. 9)
, - * (2. 10)[0046] 那么在给定gl，s的条件下，y的概率密度函数：
[0045]
[0047] , 、 (2. 11)
[0048] 根据 det (cIn+AB) = cn mdet (cIm+BA)，其中 c 是一个常数，A 是一个 nXm 的矩阵， B是一个mXη的矩阵。
[0049] 令
[0050]
[0051]
[0052] 那么根据式（2. 10)，[0053] Σ != ass *+bIT (2. 14)
[0054] (2. 15)
[0055] 因此，我们可以得到det Σ J与发送的信号s无关，这样概率密度函数的最大化 等价于/Σ /y的最小化：
[0056] args e ζ?ααχρ (y | s) = args e ζηι?ηγ*Σ ! V (2. 16)
[0057] 我们继续来简化式（2. 16):
[0058] 根据 其中Cl，c2都是常数，
[0060] 这样可以得到：
[0061] (2.18)
[0062] 因此，在这个系统中的ML解码为
[0063] 成对错误概率上界：
[0064] 下面我们来计算ML解码下的成对错误概率的Chernoff上界。假设我们的码本为 {sp s2}，同时假设sJP s 2被等概率地发送。定义P Jsr s 2| gj是当Si被发送，解码成s 2 的错误概率。在gi(i = 1，2，···，!?）给定的情况下，
[0065]
(2. 19)
[0066] 最后，对gl做平均，我们就能得到IV也就是说，Pe= E gl (PjSl- s 21 gl，s))。
[0067] 假设系统等概率地发送两个码字^和s 2，同时假设
（P是整个系 统的总功率），在高信噪比的情况下，成对错误概率的Chernoff上界为：
[0068] (2. 20)
[0069] 其中 d = |Sl*s2|，T 彡 2。
[0070] 我们可以得到如下结论：
[0071] (1)上界中，R代表中继的个数。这个上界是R的减函数，但是下降的速度很慢。 所以在我们目前考虑的系统中，中继的个数不是很重要，换句话说就是，增加中继个数不能 很大地提高性能。这也给了我们启示：在这样的假设下，中继选择可能是一个好方法。
[0072] (2)接着让我们来考虑P。很明显，这个上界以P1下降，不管用多少个中继，系统 的分集为1。为了得到更高的分集，空时码还是需要的。
[0073] (3)让我们来考虑d。从上界可以得到，d要尽可能地小。那么，设计一个大小为L 的码本的准则如下：找到L个T维的单位矢量，使得
[0074] max {| s^Sj | ; 1 < i 辛 j < L} (2. 21)
[0075] 尽可能地小。
[0076] 我们令 I s^Sj I = I Si I I s.j I cos ( Θ ^)，Θ u (〇 彡 σ ij彡 JT /2)是矢量 s ;和 s J之间 的夹角。于是，上述的设计准则变为：
[0077] 码本的设计准则：找到L个T维的单位复矢量，使得
[0078] min{ Θ ij;l 彡 i 乒 j 彡 L} (2. 22)
[0079] 尽可能地大。
[0080] 从上面的准则，我们可以看到它与酉空时码（当发送天线为1根时）的设计准则 是一样的。
[0081] 码本的设计：
[0082] 下面我们根据码本的设计准则，介绍两种码本的设计方法，码本的大小为L。
[0083] (1) 一种基于Foruier变换的酉空时码，具体的设计方法。
[0084]
[0085]
[0086] 巧=^Φ，找到整数u!，u2，…，uT(l彡u!，u2，…，u T彡L)使得矢量间的最小夹角 越大越好。
[0087] (2)下面我们来介绍一下等斜面酉空时码的理论。
[0088] 要增大两个子空间之间的最小角度，必然要增大它们之间的每一个角度。而当子 空间的个数很多时，相互之间会受到制约，即增大某一对之间的最小角度，势必挤压别的子 空间的相互位置。因而一种比较理想的状态是任何一对子空间之间的Μ个角度都是相同 的。这就有了以下等斜面酉空时码的定义。
[0089] -个酉空时码本{Φρ Φ2，…，，如果任何两个码字Φ^Ρ Φ j之间的Μ个临界 角0i.j,i，θ?,2，…，0i.j,M是相等的，即 θ i.j,i= 0i.j,2=…θ i.j,M，则此被称为是等斜面的。
[0090] 下面我们介绍一种基于Hurwitz-Radon理论的等斜面酉空时码。
[0091] Hurwitz-Radon矩阵的定义：假设MXM矩阵仙，U2，…，14)满足下列 Hurwitz-Radon 方程：
[0092] U.UZ+UjU,^ 2 δ iSIM (2. 25)
[0093] 其中，1 < i，j < r，δ u是 Kronec ker 符号（即如果 i = j，δ 1，否则 δ " = 〇)，则称仙，U2，…，14)是一个Hurwitz-Radon矩阵类。每个码字是一个ΤΧ1的矢量， [ Φι Φ2···(^]是一个TX(MXL)的矩阵，我们取它的每一列作为我们的码字，所以可以得 到MXL个码字。
[0094] 以下通过实施例对本发明的方法进行验证。
[0095] 实施例1 :本发明通过实施例进行模拟实现，在实施例中，我们让T = 4, ζ = {Sl， s2}其中 Si= [l，0,0,0]t，s 2= [0,1，0,0] 1。于是，d = 0。我们取中继个数 R = 2 和 R = 4。结果错误概率的下降趋势跟上界是一致的。
[0096] 实施例2 :在这个实施例中，我们还让T = 4,码本的大小| ζ | = 16。码字由2. 4 中的方法（1)构造。因此，我们令Φ = [1，1，1，1]V2，
[0097]
[0098] 其中（Ul，u2，u3，u4) = (14,2,7，1)。于是，码字 Sl(l = 1，2，…，16)构造如下：
[0099] Si= Θ 4，1 = 1，2，…16
[0100] 我们令中继个数R = 2,4,8。结果看到当由2个中继增加到4个中继的时候，性能 提高ldB左右，而当中继个数由4个中继增加到8个中继的时候，性能提高还不到0. 5dB。 这也验证了中继的个数在提高性能上不是一个很重要的因素。
[0101] 实施例3 :在这个实施例中，我们要来比较2. 4中介绍的两种编码方案的性能。
[0102] 我们取中继个数R = 2。分别取T = 2和T = 4。从图我们可以看到，当T = 2时， 方法2比方法1要好，当Τ = 4时，两种方法性能相近。
【主权项】
1. 一种单天线中继系统中的ML解码方法，其特征在于： (1) 设每个节点都只有一根天线，可以用来发送和接收信号； (2) 发送节点S和接受节点D之间没有直接的信道，所有通信都要借助于中继节点并且 所有中继节点是符号同步的； (3) 记从发送端到第i个中继的信道参数为A，从第i个中继到接收端的信道参数记 为gl，并且假设A，^是独立复高斯随机变量，其均值为〇,方差为1 ; (4) 从发送端到接收端之间通信过程采用两步协议：第一步，发送端发送一个长度为T 的信息符号矢量，计算出第i个中继接收到的信号；第二步，在中继端采用AF方案，经过放 大处理后得到第i个中继发送的信号；根据两步得到接收端接收到的信号，得出在这个系 统中的ML解码。
【文档编号】H04L1/06GK105897372SQ201410727968
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】戴志强, 马连轶, 杨廷雷, 郝文娟, 赵帆, 赵一帆
【申请人】北京航天长峰科技工业集团有限公司