基於Alamouti編碼的異步中繼協作傳輸方法與流程

2023-05-30 08:11:16 2

本發明屬於無線通信技術領域，涉及一種異步中繼協作傳輸方法，具體涉及一種基於alamouti編碼的異步中繼協作傳輸方法，可用於異步傳輸模式下兩中繼協作通信系統。

背景技術：

在多輸入多輸出mimo系統中，發射端採用alamouti編碼對發送信號進行編碼，通過無線衰落信道進行傳輸，能夠獲得空間分集增益，提高信號傳輸的可靠性。然而，傳輸可靠性的提高以發射端和接收端天線數量的增加為代價，使得移動終端的尺寸、成本和收發端天線距離成為編碼技術在現實mimo系統中應用的制約因素。因此，協作通信技術應運而生。

協作通信技術是一種新型的空間分集技術。在協作通信系統中，通過利用中繼節點協作轉發源節點發送的信號，能夠獲得類似mimo系統中的空間分集增益，即協作分集增益，有效降低傳輸損耗，提高通信可靠性。目前中繼節點採用的基本轉發方式有放大轉發和解碼轉發方式，由於放大轉發方式比較簡單，因而得到廣泛應用。

協作通信系統在實際通信中具有分布式特性：協作通信節點在空間上分布於若干不同的物理位置，導致目的節點接收到的不同中繼節點轉發的信號存在不同的時間延遲，使協作系統工作在異步傳輸模式。對於採用空時編碼技術進行信息傳輸的協作通信系統，在異步傳輸模式下，目的節點的接收信號不滿足空時編碼結構，從而使協作通信系統能夠獲得的分集增益下降，導致協作通信系統誤碼率升高，系統傳輸可靠性下降。

現有技術中源節點或中繼節點對待發送信號添加循環前綴，中繼節點對接收到的源節點所發送的信號進行再編碼處理，採用放大轉發或解碼轉發方式對處理後的信號進行轉發，使目的節點接收的信號結構免遭異步傳輸的破壞，從而避免使異步協作通信產生中斷，實現正常通信。此外，為了提高異步協作通信可靠性，現有技術在中繼節點對接收信號的再編碼過程中通常會採用分集性能好的空時分組編碼技術。2014年5月作者mojtabarahmati和tolgam.duman在ieeesignalprocessingletters21(5)上發表的論文「spectrallyefficientalamouticodestructureinasynchronouscooperativesystems」，名稱為「異步協作通信系統的高效alamouti編碼結構」，公開了一種異步協作傳輸方法，該方法主要是通過源節點採用補零方法對發送信號添加前綴，中繼節點對接收到的信號進行復共軛運算和時間反轉操作，並對處理後的信號進行放大轉發，使目的節點接收的信號免遭異步傳輸的幹擾，實現異步協作通信系統的正常通信。但該方法的缺陷是不能使異步協作通信系統獲得最大分集增益，誤碼率較高，並且中繼節點需要對接收信號進行復共軛運算和時間反轉操作，增加了中繼節點的計算複雜度。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術存在的缺陷，提出了一種基於alamouti編碼的異步中繼協作傳輸方法，旨在解決異步傳輸模式下協作通信系統誤碼率高的技術問題。

本發明的具體思路是：在目的節點已知完整信道狀態信息的條件下，源節點採用正交頻分復用ofdm技術對待發送信號進行處理，對處理後的信號添加長度大於時間延遲的循環前綴，並將其發送給中繼節點，中繼節點對接收的信號進行放大，再根據alamouti編碼結構對放大信號進行轉發，使目的節點接收到的信號具有alamouti空時結構，從而獲得滿分集增益，降低誤碼率，提高系統傳輸可靠性。

根據上述技術思路，實現本發明目的採取的技術方案包括如下步驟：

(1)設計協作通信系統模型：包括工作於半雙工模式的源節點s、中繼節點r1、中繼節點r2和目的節點d，每個節點裝配有單根天線；

(2)源節點s獲取已調信號和復共軛信號：

(2a)源節點s對待發送的2n比特信息進行調製，得到已調信息比特，其中，n為2的正整數次冪；

(2b)源節點s將已調信息比特平均分成兩組，得到含有相等比特數的已調信號x1和已調信號x2：其中，x1＝[x1[0],x1[1],...,x1[n-1]]t，x2＝[x2[0],x2[1],...,x2[n-1]]t，t表示轉置運算；

(2c)源節點s對已調信號x1和已調信號x2分別進行復共軛運算，得到復共軛信號和復共軛信號其中，*表示復共軛運算；

(3)源節點s通過廣播信道將ofdm符號ck發送給兩個中繼節點r1和r2：

(3a)源節點s對已調信號x1、已調信號x2、復共軛信號和復共軛信號分別進行n點ifft，得到變換後的信號sk，其中，k表示信號數量，且k＝1,2,3,4；

(3b)源節點s獲取ofdm符號ck：源節點s複製變換後的信號sk的後g位分量，並將所複製的後g位分量作為循環前綴分別添加到變換後的信號sk的前端，得到ofdm符號ck，其中，g表示ofdm符號信息位，且其取值為不小於τ的正整數，τ表示最大時間延遲，且為小於n的正整數；

(3c)源節點s通過廣播信道將ofdm符號ck發送給兩個中繼節點r1和r2；

(4)兩個中繼節點r1和r2獲取放大信號rkj：

(4a)兩個中繼節點r1和r2分別接收通過廣播信道的ofdm符號ck，得到衰落信號yaj和衰落信號ybj；

(4b)兩個中繼節點r1和r2分別對衰落信號yaj和衰落信號ybj進行放大，得到放大信號rkj；

(5)兩個中繼節點r1和r2根據alamouti編碼，分別通過中繼信道將放大信號rkj轉發至目的節點d：

(5a)在第1個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號r11轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r32轉發至目的節點d；

(5b)在第2個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號-r21轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r42轉發至目的節點d；

(5c)在第3個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號r31轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r12轉發至目的節點d；

(5d)在第4個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號-r41轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r22轉發至目的節點d；

(6)目的節點d獲取合併信號：

(6a)目的節點d在第1個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合併信號y1；

(6b)目的節點d在第2個ofdm符號間隔，接收放大信號-r21和放大信號r42，得到合併信號y2；

(6c)目的節點d在第3個ofdm符號間隔，接收放大信號r31和放大信號r12，得到合併信號y3；

(6d)目的節點d在第4個ofdm符號間隔，接收放大信號-r41和放大信號r22，得到合併信號y4；

(7)目的節點d獲取有效信號：目的節點d對合併信號y1、合併信號y2、合併信號y3和合併信號y4分別去除循環前綴，得到四組有效信號；

(8)目的節點d獲取解碼信號：

(8a)目的節點d對四組有效信號分別進行n點fft，得到變換後的有效信號zk；

(8b)目的節點d採用alamouti編碼的解碼方法，對變換後的有效信號zk進行解碼，得到解碼信號；

(9)目的節點d對解碼信號進行解調，得到解調信號。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

第一、本發明通過源節點對已調信號及其復共軛信號添加循環前綴，獲得ofdm符號，然後將ofdm符號發送給中繼節點，中繼節點根據alamouti編碼對接收信號進行放大轉發，使得目的節點接收到的信號具有alamouti空時結構，能夠獲得滿分集增益，降低誤碼率，與現有技術相比，有效地提升了系統傳輸的可靠性。

第二、本發明為了使目的節點接收的信號具有alamouti編碼結構，需要中繼節點對接收信號進行放大，根據alamouti編碼對放大後的信號進行轉發，避免了現有技術中繼節點對接收信號進行復共軛運算和時間反轉操作，降低了中繼節點的計算複雜度，使得協作通信變得更加簡單。

附圖說明

圖1為本發明的實現流程圖；

圖2為本發明適用的協作通信系統模型的結構示意圖；

圖3為本發明與現有異步協作傳輸方法誤碼率的仿真對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細描述。

參照圖1，基於alamouti編碼的異步中繼協作傳輸方法，包括如下步驟：

步驟1，設計協作通信系統模型，其結構如圖2所示：包括工作於半雙工模式的源節點s、中繼節點r1、中繼節點r2和目的節點d，每個節點裝配有單根天線；在第1個和第2個ofdm間隔內，廣播信道s→r1和s→r2的衰落係數分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落係數分別為和在第3個和第4個ofdm間隔內廣播信道s→r1和s→r2的衰落係數分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落係數分別為和信道s→r1→d和s→r2→d的時間延遲分別為τ1和τ2，且0＝τ1＜τ2。

步驟2，源節點s獲取已調信號和復共軛信號：

步驟2a，源節點s對待發送的2n比特信息進行調製，得到已調信息比特，其中，n為2的正整數次冪；

步驟2b，源節點s將已調信息比特平均分成兩組，得到含有相等比特數的已調信號x1和已調信號x2：其中，x1＝[x1[0],x1[1],...,x1[n-1]]t，x2＝[x2[0],x2[1],...,x2[n-1]]t，t表示轉置運算；

步驟2c，源節點s對已調信號x1和已調信號x2分別進行復共軛運算，得到復共軛信號和復共軛信號其中，*表示復共軛運算。

步驟3，源節點s通過廣播信道將ofdm符號ck發送給兩個中繼節點r1和r2：

步驟3a，源節點s對已調信號x1、已調信號x2、復共軛信號和復共軛信號分別進行n點ifft，得到變換後的信號sk，其中，k表示信號數量，且k＝1,2,3,4，則變換後的信號sk的具體表達式分別為：

步驟3b，源節點s獲取ofdm符號ck：源節點s複製變換後的信號sk的後g位分量，並將所複製的後g位分量作為循環前綴分別添加到變換後的信號sk的前端，得到ofdm符號ck，其中ofdm符號ck的表達式可以表示為ck＝[sk[n-g],sk[n-1],sk[0],sk[1],...,sk[n-1]]t，g表示ofdm符號信息位，且其取值為不小於τ的正整數，τ表示最大時間延遲，且為小於n的正整數；

步驟3c，源節點s通過廣播信道將ofdm符號ck發送給兩個中繼節點r1和r2。

步驟4，兩個中繼節點r1和r2獲取放大信號rkj：

步驟4a，兩個中繼節點r1和r2分別接收通過廣播信道的ofdm符號ck，得到衰落信號yaj和衰落信號ybj，其表達式分別為：

其中，a表示第a個ofdm符號間隔，且a＝1,2，b表示第b個ofdm符號間隔，且b＝3,4，j表示第j個中繼節點，且j＝1,2，p1表示源節點的發射功率，和分別表示在第a個和第b個ofdm符號間隔內廣播信道的衰落係數，且相互獨立，服從分布，naj,nbj分別表示廣播信道的高斯白噪聲，服從cn(0,n0)分布，當信號通過準靜態平坦瑞利衰落信道時，信號會產生不同程度的衰落，信號衰落的幅值受信道衰落係數影響，同時信道中的加性高斯白噪聲也會從不同程度上對信號產生幹擾；

步驟4b，兩個中繼節點r1和r2分別對衰落信號yaj和衰落信號ybj進行放大，得到放大信號rkj，其表達式為：rkj＝ρykj，其中，ρ表示放大因子，且p2表示中繼節點的發射功率。

步驟5，兩個中繼節點r1和r2根據alamouti編碼，分別通過中繼信道將放大信號rkj轉發至目的節點d：

步驟5a，在第1個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號r11轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r32轉發至目的節點d；

步驟5b，在第2個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號-r21轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r42轉發至目的節點d；

步驟5c，在第3個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號-r41轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r12轉發至目的節點d；

步驟5d，在第4個ofdm符號間隔，中繼節點r1將放大信號r31轉發至目的節點d，中繼節點r2將放大信號r22轉發至目的節點d；

上述步驟5中，兩個中繼節點r1和r2對放大信號的轉發具有一定的順序，此轉發順序是根據alamouti編碼結構產生的，若改變轉發順序，則不能使協作通信系統獲得最大分集增益，會導致系統誤碼率變高。

步驟6，目的節點d獲取合併信號：

步驟6a，目的節點d在第1個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合併信號y1；

步驟6b，目的節點d在第2個ofdm符號間隔，接收放大信號-r21和放大信號r42，得到合併信號y2；

步驟6c，目的節點d在第3個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合併信號y3；

步驟6d，目的節點d在第4個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合併信號y4；

由於步驟5中兩個中繼節點r1和r2對信號的轉發具有固定順序，故目的節點接收到的信號也具有相應的順序。

步驟7，目的節點d獲取有效信號：目的節點d對合併信號y1、合併信號y2、合併信號y3和合併信號y4分別去除循環前綴，得到四組有效信號；

其中，由於目的節點接收到的兩個中繼節點r1和r2所轉發的信號存在不同的時間延遲τ，故接收信號的循環前綴會受到相鄰信號的幹擾，所以需要將受幹擾的循環前綴去除，獲得沒有被幹擾的有用信號。

步驟8，目的節點d獲取解碼信號：

步驟8a，目的節點d對四組有效信號分別進行n點fft，得到變換後的有效信號zk；

步驟8b，目的節點d採用alamouti編碼的解碼方法，對變換後的有效信號zk進行解碼，得到解碼信號：

步驟8b1，目的節點d分別對變換後的有效信號z2和變換後的有效信號z4進行復共軛運算，得到變換後的復共軛信號和變換後的復共軛信號

步驟8b2，將變換後的有效信號z1、變換後的有效信號z3、變換後的復共軛信號和變換後的復共軛信號進行聯合，得到等效信號y，其表達式為其列向量表示形式為並且具有以下性質：

其中，m表示信號的第m個元素，m＝0,1,...,n-1，h表示等效信道矩陣，表示時間延遲τ在頻域中表示形式的第m個元素，分別表示在第a個和第b個ofdm符號間隔內中繼信道的衰落係數，相互獨立，且服從分布，nn表示等效信道噪聲；

步驟8b3，目的節點d對等效信道矩陣h進行共軛轉置運算，得到等效信道矩陣的共軛轉置矩陣hh，其中，h表示共軛轉置運算；

步驟8b4，目的節點d對等效信號y的列向量左乘等效信道矩陣的共軛轉置矩陣hh，得到解碼信號：

步驟9，目的節點d對解碼信號進行解調，得到解調信號。

以下結合仿真實驗，對本發明的技術效果作進一步的描述。

1.仿真條件和內容

本發明與現有的異步協作傳輸方法的誤碼率仿真對比實驗均是在運行系統為intel(r)core(tm)[email protected]，64位windows作業系統的硬體平臺進行，均採用matlab仿真軟體產生的隨機信號作為待發送信號，復高斯隨機變量作為高斯白噪聲。

仿真實驗中傳輸鏈路的時間延遲τ服從0到15的均勻分布，ofdm調製器中子載波數為n＝64，循環前綴長度為g＝16。目的節點已知完整的信道狀態信息，而源節點和中繼節點不知道信道狀態信息，信道均為準靜態平坦瑞利衰落信道，信道衰落係數在兩個ofdm符號間隔內保持不變，即在第1個和第2個ofdm間隔內，廣播信道s→r1和s→r2的衰落係數分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落係數分別為和在第3個和第4個ofdm間隔內廣播信道s→r1和s→r2的衰落係數分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落係數分別為和且衰落係數之間相互獨立，均服從j＝1,2的復高斯隨機分布，仿真中令系統發射總功率為p，源節點和中繼節點的發射功率分別為p1＝p/2和p2＝p1/2。本發明與現有的異步協作傳輸方法的誤碼率仿真實驗結果如圖3所示。

2.仿真結果分析

參照圖3，本發明與現有的異步協作傳輸方法的誤碼率仿真實驗結果分析如下：

圖3給出的是在bpsk調製方式下，本發明與現有的異步協作傳輸方法的誤碼率仿真對比結果，橫坐標表示信噪比，縱坐標表示誤碼率。圖3中以正方形標示的曲線表示現有的異步協作傳輸方法的誤碼率性能曲線，以三角形標示的曲線表示本發明的誤碼率性能曲線。

由圖3可以看出：隨著信噪比的增加，現有的異步協作傳輸方法能夠獲得2階分集增益，本發明能夠獲得4階分集增益。由於本發明獲得的分集增益更大，所以誤碼率曲線下降更明顯。在誤碼率為10-3處，與現有技術方法的誤碼率性能相比，本發明的誤碼率性能獲得了5db增益，顯著降低了誤碼率，有效提高了系統傳輸的可靠性。