Mimo系統中一種基于中繼協作的空間調制方法
【專利摘要】本發明公開了MIMO系統中一種基于中繼協作的空間調制方法。通過把空間調制方案應用于無線中繼協作網絡，給出了中繼協作的空間調制MIMO系統設計原理與系統模型。源端利用空間調制映射器激活一根發射天線來發送經過星座調制的信息符號到中繼節點和目的端，然后中繼節點完成對信息符號的放大并轉發到目的端。目的端實現信號的合并和分集接收，獲得性能有效提高。基于系統原理和模型，利用性能分析和數值計算，分別給出發射天線序號檢測的錯誤概率和星座符號檢測的錯誤概率計算方法。由此提出中繼協作的空間調制系統中平均誤比特率計算方法，為系統性能評估提供有效方法，避免了通常數值積分和蒙特卡洛仿真的需要。數值結果驗證了方法有效性。
【專利說明】
ΜI MO系統中一種基于中繼協作的空間調制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于移動通信領域，涉及移動通信的中繼協作以及空間調制方法，特別是 涉及ΜΜ0系統中一種基于中繼協作的空間調制方法。
【背景技術】
[0002] 多輸入多輸出(Μπω)技術能夠有效抵抗無線通信中多徑衰落帶來的影響，但是由 于受設備體積、成本和硬件性能等條件限制，難以應用在實際的無線通信終端中，因而ΜΜ0 技術的應用前景并不樂觀。在這種形式驅使下，空間調制（SM)技術和通信協作技術應運而 生。空間調制技術作為一種低復雜度，能量有效的技術，其核心思想是每一時隙只有一根天 線被激活用來傳輸信息，其它天線空閑，接收端實現對發送天線序號和符號的解調，從而， 空間調制ΜΜ0系統可以實現單鏈路收發設計，有效克服信道間的干擾以及同步問題，且降 低功率消耗，是功率消耗更加有效;吞吐量大，利用天線的序號，"隱形"地攜帶信息，傳輸速 率隨著天線數目的增加呈對數增長。協作通信技術通過利用單天線移動終端之間的相互協 作，共享彼此的天線，形成一個虛擬Μπω系統，從而獲得空間分集。因此，協作通信技術的提 出為mMO技術走向實用化提供了一條新的途徑。協作通信技術是在中繼信道模型的基礎上 提出的，根據中繼節點對收到的源端信息處理方式的不同，可以將中繼傳輸方式分為三種， 前向放大(AF)傳輸模式為其中的一種。AF傳輸模式由Laneman等人提出，其主要思想是：中 繼節點在收到源端發送給目的端的帶有噪聲的信號后，對該信號不做任何譯碼或解調處 理，而是直接對該信號直接進行放大，然后將放大后的帶有噪聲的信號轉發到目的端，最后 目的端將兩個階段收到的信號進行合并，從而可以得到源端的發送信息。AF傳輸模式簡單 易于實現，對中繼節點的信號處理能力要求低，只是進行簡單的放大轉發就能使目的端獲 得多路相互獨立的信號副本，最后通過合并可以獲得相應的分集增益，有效地提高系統的 性能。
[0003] 基于以上研究現狀，將中繼協作通信技術應用到空間調制技術中，使兩者有機地 結合起來，提出一種ΜΜ0系統中基于中繼協作的空間調制方法，凸顯各自的優勢，進一步提 高中繼協作通信技術和空間調制技術的靈活性。文獻1(R. Me si eh，S. Ikki，and M.A1wakeel. Performance Analysis of Space Shift Keying with Amplify and Forward Relaying.IEEE Commun.Lett.，vol.l5，no.l2，Dec 2011，1350_1352·)介紹了一 種基于AF中繼協作的空間移相鍵控(SSK)通信系統，并推導了系統平均誤比特率的上界公 式，但該文獻沒有考慮源節點與目的節點之間的信息傳輸。文獻2 ( S . R . H u s s a i η， S.Shakeera?K.R.Naidu.BER Analysis of Amplify and Forward Scheme with Best Relay Selection in Space Shift Keying System.International Conference on Communications and Signal Processing(ICCSP)，April 2015,1722-1726)在文獻 1 的基 礎上增加了源節點到目的端鏈路，也給出了系統平均誤比特率的上界公式。但文獻1和文 獻2均考慮了 SSK技術而不是SM技術，且只考慮了單根接收天線。文獻3(A.Afana，R.Mesleh， S.Ikki ?I.Atawi.Performance of Quadrature Spatial Modulation in Amplify-and- Forward Cooperative Relaying.IEEE Commun.Lett.,νο?.PP,no.99,Dec 2015，1_1.)石開 究了基于AF中繼協議的正交空間調制（QSM)技術，給出了該系統平均誤比特率的閉式表達 式。上述研究均是在MIS0系統中將SSK、QSM技術與AF中繼協作協議相結合，然而很少有文獻 給出MM0系統中基于中繼協作的空間調制方法，因此關于該方法的性能評估方案也沒有。 [0004]因此目前還沒有成熟的方案給出ΜΜ0中聯合中繼協作和空間調制的系統設計以 及相應的性能評估。
【發明內容】
[0005] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種針對ΜΙΜ0系統，設計 基于中繼協作的空間調制方法，并提供基于中繼協作的空間調制ΜΙΜ0系統的性能評估方 案，給出系統平均誤碼率的計算方法。
[0006] 技術方案:為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0007] Μ頂0系統中一種基于中繼協作的空間調制方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1:首先給出基于中繼協作的空間調制系統的物理模型。源端有Nt副發射天 線，目的節點有Nr副接收天線，考慮只有一個中繼節點協助源端的發送。根據空間調制的思 想，每一時隙只激活一根發射天線來發送經過星座調制的信息，其余天線均不發射符號。調 制方式M-QAM和發射天線數目N t共同決定每時隙傳輸的比特數為log2(MNt)，其中log2N t比特 用于選擇被激活的天線j，je[l:Nt]，log2M用于星座符號調制。調制后的信息符號經過激活 的發射天線進行傳輸。
[0009] 步驟2:將信息符號的傳輸過程分為兩個階段。階段1，源端根據步驟1)中被激活的 發射天線將信息符號發送到目的端，同時，中繼節點也收到源端發送的信息符號。階段2，中 繼節點對接收到的信號進行放大處理，并將處理后的信號向目的端轉發。最后目的端合并 兩步接收到的信號。
[0010]步驟3:假定系統能獲得完全的信道狀態信息(CSI)，對目的端的接收信號采用聯 合解調法，同時解調被激活的發射天線序號與星座調制符號。
[0011] 步驟4:根據步驟3反饋的CSI以及瑞利衰落信道下源到中繼、源到目的端和中繼到 目的端鏈路的接收信噪比的概率密度函數(PDF)和累積分布函數(CDF )，系統的有效接收信 噪比γ UP的概率密度函數可以表示為Λ";, (7)。
[0012] 步驟5:在步驟4)的基礎上，給出系統性能評估方案，即系統平均誤碼率(BER)的計 算方法。利用數值分析方法，可以得到系統平均BER的計算方案，并以此來評估系統性能。
[0013] 有益效果:本發明提供了 ΜΜ0系統中一種基于中繼協作的空間調制方法:本發明 所涉及的基于中繼協作的空間調制方法能有效地應用于ΜΜ0系統中，并且發明提供了相應 的性能評估方案，即有效地計算基于中繼協作的空間調制Μ頂0系統的平均BER。
【附圖說明】
[0014] 圖1為基于中繼協作的空間調制ΜΜ0系統的設計原理圖
[0015] 圖2為中繼協作的空間調制ΜΜ0系統模型
[0016] 圖3為4X2基于中繼協作的空間調制系統在不同調制方式下發射天線序號檢測錯 誤概率Pa
[0017] 圖4為4X2基于中繼協作的空間調制系統在不同調制方式下星座符號檢測錯誤概 率Pd
[0018] 圖5為4X2基于中繼協作的空間調制系統在不同調制方式下的平均誤比特率Pe
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0020] 1)基于中繼協作的空間調制ΜΙΜΟ系統
[0021] 附圖1為基于中繼協作的空間調制ΜΜ0系統的設計原理圖。基于該系統設計原理， 考慮源端有Nt副發射天線，目的端有Nr副接收天線，存在一個中繼節點協助源端的信息發 送。根據空間調制的思想，每一時隙只激活一根發射天線來發送經過星座調制的信息，其余 天線均不發射符號。調制后的信息符號經過激活的發射天線進行傳輸。將信息符號的傳輸 過程分為兩個階段。階段1，源端通過被激活的發射天線將信息符號發送到目的端，同時，中 繼節點也收到源端發送的信息符號。階段2,中繼節點對接收到的信號進行放大處理，并將 處理后的信號向目的端轉發，最后目的端合并兩步接收到的信號。假定目的端能獲得完全 的信道狀態信息(CSI)，采用聯合解調法同時解調被激活的發射天線序號與星座調制符號。 系統模型圖如附圖2所示。
[0022] 2)系統有效接收信噪比的PDF
[0023] 為了簡化分析，系統接收端的有效信噪比Yup可以近似表示為：
[0024] yup^ ysD+min( ysr, yrd)= γ sd+γ srd
[0025] γ SD、γ SR和γ RD分別表示源到目的、源到中繼以及中繼到目的的有效接收信噪比。 已知瑞利信道下源節點到目的節點鏈路的有效接收信噪比的PDF為和CDF為 €@0^。再根據瑞利衰落信道下，源到中繼以及中繼到目的鏈路的有效接收信噪比的TOF和 ⑶F可以得到源到中繼再到目的鏈路的有效接收信噪比γ SRD的CDF為，對(6/)進 行求導可以得到γ SRD的TOF為0^)。為了得到系統有效接收信噪比的TOF，需要利用矩生 成函數(MGF)。 按照MGF函數的定義，可以得到γ SD的MGF為(/)以及γ SRD的MGF*M/w)(，）。
[0026] 假設γ sd和γ srd是獨立的，貝丨J有效接收信噪比γ up的MGF為Mysd(s)與（·?)之積。 通過具體運算，yup的MGF表示為：
[0028] 最后，對Myup(s)進行拉布拉斯反變換，即可得到γυρ的PDF:
[0032] 3)基于中繼協作的空間調制ΜΜ0系統的性能評估方法，即系統平均BER的計算方
法
[0033]令Pa表不星座符號檢測完全正確時發射天線序號檢測的錯誤概率，同樣，令Pd表 示發射天線序號檢測完全正確時星座符號檢測的錯誤概率，Pa和Pd均與系統的平均BER有 關。下面給出具體的Pa、Pd以及系統平均BER，即Pe的計算方法。
[0034] 3.1)星座符號檢測完全正確時發射天線序號檢測的錯誤概率Pa
[0035] Pa表示星座符號檢測完全正確時發射天線序號檢測的錯誤概率，對于不同的調制 方式，Pa可由下式計算得到：
[0037]其中，表示實際被激活的發射天線序號與估計的發射天線序號相比錯誤的 比特數，巧)表示成對錯誤概率，為方便計算，取上界近似為：
[0039] 其中& 乙,）。將(5)式帶入⑷式即可得到系統的平均Pa。附圖3給出 了4 X 2基于中繼協作的空間調制系統在4QAM、16QAM、64QAM六種調制方式下的發射天線序 號檢測錯誤概率。由仿真圖可以看出理論與仿真基本吻合，證明理論推導的正確性。另外， 發射天線序號檢測的錯誤概率隨著調制方式階數的增加而增加，這是因為高階調制方式的 星座圖歐氏距離小，信號檢測時容易干擾，導致檢測錯誤概率的上升。
[0040] 3.2)發射天線序號檢測完全正確時星座符號檢測的錯誤概率Pd
[0041] Pd表示發射天線序號檢測完全正確時星座符號檢測的錯誤概率，對于不同的調制 方式，Pd可由加性高斯噪聲(AWGN)信道下，M-QAM調制方式的BER與系統有效接收信噪比的 PDF積分到，即：
[0043]
,erfc( ·)為互補誤差函數， 是與具體調制方式η有關的系數。最終Pd的計算結果為：
[0047] 附圖4給出了4X 2基于中繼協作的空間調制系統在4QAM、16QAM、64QAM六種調制方 式下的平均星座符號檢測錯誤概率。由圖可以看出理論與仿真基本吻合，證明理論推導的 正確性。另外，星座符號檢測的錯誤概率隨著調制方式階數的增加而增加，同樣是因為高階 調制方式的星座圖歐氏距離小，信號檢測時容易發生錯誤，導致檢測錯誤概率的上升。
[0048] 3·3)系統平均BER(Pe)
[0049]由上面獲得的Pa和Pd，我們可計算出系統平均BER，即Pe如下所示：
[0050] Pe^l-(1-Pa)(l-Pb) (8)
[0051 ] 可以得到基于中繼協作的空間調制ΜΜ0系統的平均BER。附圖5給出了 4 X 2基于中 繼協作的空間調制系統在4QAM、16QAM、64QAM六種調制方式下的系統平均誤比特率。由圖可 以看出理論與仿真基本吻合，說明系統的理論Pe可以由（8)式近似得到。與附圖3、附圖4一 樣，系統總的誤比特率隨著調制方式階數的增加而增加，也是因為高階調制方式的星座圖 歐氏距離小，信號檢測時容易干擾，導致平均誤比特率的上升。
[0052]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于中繼協作的空間調制方法，其特征在于包括步驟如下： 步驟1):給出基于中繼協作的空間調制系統的物理模型；考慮只存在一個中繼節點協 助源節點的發送;根據空間調制的思想，每一時隙只激活一根發射天線來發送經過星座調 制的信息，其余天線均不發射符號； 步驟2):將信息符號的傳輸過程分為兩個階段;階段1，源節點根據步驟1)中被激活的 發射天線將信息符號發送到目的節點，同時，中繼節點也收到源節點發送的信息符號;階段 2,中繼節點對步接收到的信號進行放大處理，并將處理后的信號向目的節點轉發； 步驟3):在目的端能獲得完全的信道狀態信息(CSI)的條件下，采用聯合解調法同時解 調被激活的發射天線序號與星座調制符號； 步驟4):根據目的端的等效接收信噪比以及瑞利衰落信道下源到中繼、源到目的和中 繼到目的鏈路的接收信噪比的概率密度函數(PDF)和累積分布函數(CDF)，得到基于中繼協 作的空間調制系統的矩生成函數(MGF)，進而得到系統的TOF; 步驟5):在步驟4)的基礎上，設計系統性能評估方案，即通過數值分析方法，給出系統 平均誤比特率(BER)的計算方法和相應的驗證分析結果。2. 根據權利要求1所述的一種基于中繼協作的空間調制方法，其特征在于： (1) 所述步驟1)和2)中包括基于中繼協作的空間調制系統設計方法;聯合中繼協作技 術和空間調制技術，調制后的信號通過被激活的天線，經由源到目的直達鏈路和源到中繼 再到目的協作鏈路發送到目的節點，最后目的節點合并兩路接收到的信號； (2) 所述步驟5)中包括基于中繼協作的空間調制系統性能評估方法，給出系統平均BER 的計算方法;令Pa為星座符號檢測完全正確時發射天線序號檢測的錯誤概率，Pd為發射天 線序號檢測完全正確時，星座符號檢測的錯誤概率，則系統的平均BER為1-(1-Pa)(l-Pd); 基于此，利用數值分析和計算，給出評估系統錯誤率性能的計算方法和相應的驗證分析結 果。
【文檔編號】H04L27/36GK106027126SQ201610343266
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】虞湘賓, 邱賽男, 王丞, 黎寧, 潘青, 李 赫
【申請人】南京航空航天大學