時變信道雙向中繼系統的Alamouti編碼的解碼方法與流程

2023-04-25 06:28:51 2

本發明屬於無線通信技術領域，尤其涉及一種時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法。

背景技術：

隨著高速移動業務的不斷發展和高品質生活的不斷需求，人們對高速移動環境下通信的可靠性和數據速率等要求也越來越高。為了提高系統容量和無線鏈路的通信質量，人們引入了多輸入多輸出mimo技術。相比於單天線通信系統，mimo通信系統能夠顯著地提升信道容量，從而增加系統的傳輸速率和提高傳輸的可靠性。採用合適的編碼並結合多天線陣技術形成的空時編碼技術可以提高系統的性能。alamouti空時編碼是一種簡單的利用兩根天線的發射分集方案，由於其具有相對簡單的編碼結構和解碼算法，同時具有全編碼速率等優勢，alamouti空時編碼技術得到廣泛的應用與研究。如今，使用無線終端的用戶數量急劇增加，當用戶乘坐高速公共運輸工具(例如，轎車，公共汽車，火車，地鐵或飛機)時，對處於高速移動的無線終端的信道環境，時間選擇性衰落的假設更加合理。在時間選擇性衰落信道中，信道矩陣不再是正交的，這意味著發射天線間彼此幹擾，alamouti編碼的傳統最大似然解碼方法不再是最優的。並且，當信道是時間選擇性衰落時，最大似然解碼方法的複雜度隨著信號星座的大小成指數增長。在時間選擇性衰落信道中，針對點對點通信，現有的基於最小均方誤差的解碼方法和基於迫零的解碼方法，計算複雜度高，且都沒有涉及到雙向中繼系統。因此，針對時間選擇性衰落信道的雙向中繼系統，提出能夠提供良好性能的用於alamouti編碼的低複雜度解碼算法是有必要的。

綜上所述，現有技術存在的問題是：傳統的解碼方法抗衰落能力低、系統誤碼率性能差。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法。

本發明是這樣實現的，一種時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法，所述時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法包括：兩源節點分別對調製後的信號進行alamouti編碼，得到發送信號矩陣；兩源節點分別按照一定的規則同時向中繼節點發送各自的信號矩陣；中繼節點將兩源節點發來的信息進行放大處理後，廣播給兩源節點；兩源節點分別根據相應的等效信道矩陣計算出解碼矩陣；兩源節點分別將解碼矩陣左乘以中繼節點接收到的信號，得到判決統計量；對判決統計量計算歐式距離，得到期望的信號；

所述發送信號矩陣xa，xb分別表示為：

所述解碼矩陣qa＝[q1,a,…ql,a,…qm,a]，qb＝[q1,b,…ql,b,…qm,b]；

所述判決統計向量分別表示為：

其中和為等效噪聲。

進一步，所述時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法包括以下步驟：

第一步，對源節點a和源節點b的調製信號分別進行alamouti編碼，得到編碼後的發送信號矩陣xa和xb；

第二步，源節點a和源節點b分別按照一定的規則在兩個連續的符號周期內同時向m個中繼節點發送信號矩陣xa和xb；

第三步，中繼節點對在兩個符號周期內接收到的信號yr進行放大g倍處理後，廣播給兩個源節點；

第四步，源節點a和源節點b分別根據接收到的信號ya和yb得到等效信道矩陣ha和hb，計算解碼矩陣qa和qb，使之滿足：

qbhb＝diag(ψ1,ψ2)；

其中diag(·)表示對角矩陣，和ψ1和ψ2是對角矩陣的對角元素；

第五步，用解碼矩陣qa和qb分別左乘以信號ya和yb，得到判決統計向量和

第六步，源節點a和源節點b分別對判決統計向量計算歐式距離，得到期望的信號，完成信息交互。

進一步，所述第一步中對源節點a和源節點b的調製信號分別進行alamouti編碼，步驟如下：

(1)源節點a對調製信號xa進行alamouti編碼，得到編碼後的發送信號矩陣xa；其中xa＝[xa,1,xa,2]t，(·)t表示轉置運算；

(2)源節點b對調製信號xb進行alamouti編碼，得到編碼後的發送信號矩陣xb；其中xb＝[xb,1,xb,2]t，

進一步，所述第二步中的發送規則如下：

(a)在第一個符號周期內，源節點a的兩根天線分別發送符號xa,1和xa,2，源節點b的兩根天線分別發送符號xb,1和xb,2；

(b)在第二個符號周期內，源節點a的兩根天線分別發送符號和源節點b的兩根天線分別發送符號和其中*表示共軛運算。

進一步，所述第三步中中繼節點對在兩個符號周期內接收到的信號表示為其中和分別表示第l個中繼節點在第一個和第二個符號周期內接收到的信號；

所述第三步中的放大增益g＝[g1,g2,…gl,…gm]t，其中和分別表示第l個中繼節點在第一個和第二個符號周期內的放大增益，表示為：

其中γl,s(τ)＝|hl,s,1(τ)|2+|hl,s,2(τ)|2，s∈{a,b}，τ∈{1,2}，hl,s,1(τ)表示第l個中繼節點與源節點s的第1根天線在第τ個符號周期間的信道衰落係數，hl,s,2(τ)表示第l個中繼節點與源節點s的第2根天線在第τ個符號周期間的信道衰落係數，pa、pb和pr分別為源節點a、源節點b和中繼節點的發送功率，n0為復高斯白噪聲的方差，|·|2為向量的模平方。

進一步，所述第四步中計算解碼矩陣qa，步驟如下：

(1)根據源節點a的第i根天線接收的來自第l個中繼節點的信號yl,ia得到等效信道矩陣計算解碼矩陣使之滿足：

其中yl,a,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源節點a的第i根天線接收的來自第l個中繼節點的信號，和是對角矩陣的對角元素；

(2)根據(4a)中的得到源節點a的所有天線接收的來自第l個中繼節點的信號的解碼矩陣

(3)根據(2)中的ql,a得到所需的解碼矩陣qa＝[q1,a,…ql,a,…qm,a]；

所述第四步中計算解碼矩陣qb，步驟如下：

1)根據源節點b的第i根天線接收的來自第l個中繼節點的信號得到等效信道矩陣計算解碼矩陣使之滿足：

其中yl,b,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源節點b的第i根天線接收的來自第l個中繼節點的信號，和是對角矩陣的對角元素；

2)根據1)中的得到源節點b的所有天線接收的來自第l個中繼節點的信號的解碼矩陣

3)根據(4e)中的ql,b得到所需的解碼矩陣qb＝[q1,b,…ql,b,…qm,b]，完成解碼矩陣的計算。

進一步，所述第五步中的判決統計向量分別表示為：

其中和為等效噪聲。

進一步，所述第六步中的分別對判決統計向量計算歐式距離，得到期望的信號，步驟如下：

(1)源節點a將調製星座圖中的所有信號點分別與(5)中得到的判決統計向量進行歐式距離比較，找出與和距離最小的信號點，得到源節點b所發符號的解碼結果和

其中x是星座圖中所有信號點的集合，x為集合x中的元素，argmin是使目標函數取最小值時的變量值，d2(·)是歐式距離運算；

(2)源節點b將調製星座圖中的所有信號點分別與得到的判決統計向量進行歐式距離比較，找出與和距離最小的信號點，得到源節點a所發符號的解碼結果和

本發明的另一目的在於提供一種應用所述時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法的雙向中繼通信系統。

本發明的優點及其效果為：本發明充分考慮了實際通信環境中節點的相互運動，而不局限於節點靜止的通信場景，且與現有的基於迫零的解碼算法相比，本發明只涉及模值的平方運算，不涉及矩陣偽逆等複雜的數學運算，因此本發明具有更低的計算複雜度。本發明方法與傳統最優的解碼方法相比，消除了時變信道中發送天線間的相互幹擾，能獨立對符號進行解碼；由於在時間選擇性衰落信道中，信道矩陣不再是正交的，使用傳統最優的解碼方法時，符號間的解碼相互存在影響，會存在錯誤累積效應，導致解碼錯誤的機率大大增加，因此本發明方法更適用於實際通信系統。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法流程圖，

圖2是本發明實施例提供的雙向中繼通信系統模型圖。

圖3是本發明實施例提供的本發明方法和傳統最優方法的誤符號率對比圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的時變信道雙向中繼系統的alamouti編碼的解碼方法包括以下步驟：

s101：兩源節點分別對調製後的信號進行alamouti編碼，得到發送信號矩陣；

s102：兩源節點分別按照一定的規則同時向中繼節點發送各自的信號矩陣；

s103：中繼節點將兩源節點發來的信息進行放大處理後，廣播給兩源節點；

s104：兩源節點分別根據相應的等效信道矩陣計算出解碼矩陣；

s105：兩源節點分別將解碼矩陣左乘以中繼節點接收到的信號，得到判決統計量；

s106：對判決統計量計算歐式距離，得到期望的信號。

下面結合附圖對本發明的應用原理作進一步的描述。

如圖2所示，本發明採用的雙向中繼通信系統模型包括m個中繼節點和兩個源節點，即源節點a和源節點b。源節點a和源節點b配置兩根天線，中繼節點配置單天線，且都在半雙工方式下工作。源節點a和源節點b利用中繼節點進行信息交互，其中，中繼節點採用的協議是放大轉發協議。

本發明根據圖2的雙向中繼通信系統中的alamouti編碼的解碼方法步驟如下：

步驟1，分別對兩個源節點的調製信號進行編碼。

與波束賦形，即最大比傳輸(mrt)或其它預編碼傳輸方案相比，基於正交空時編碼(stbc)的傳輸不需要知道發送端的信道狀態信息來實現發送分集。stbc在保證分集增益的基礎上能夠實現較高的數據傳輸速率，緩解頻譜資源緊張的壓力。alamouti碼是一種簡單的針對兩發送天線的全速率ostbc方案，它在任何調製方式下都能獲得滿分集增益，所以本發明實例採用alamouti編碼對調製信號進行編碼，其步驟為：

(1a)源節點a對調製信號xa進行alamouti編碼，得到編碼後的發送信號矩陣xa；其中xa＝[xa,1,xa,2]t，(·)*表示共軛運算，(·)t表示轉置運算；

(1b)源節點b對調製信號xb進行alamouti編碼，得到編碼後的發送信號矩陣xb；其中xb＝[xb,1,xb,2]t，

步驟2，兩個源節點分別按照一定的規則同時向m個中繼節點發送xa和xb。

(2a)在第一個符號周期內，源節點a的兩根天線分別發送符號xa,1和xa,2，源節點b的兩根天線分別發送符號xb,1和xb,2；

(2b)在第二個符號周期內，源節點a的兩根天線分別發送符號和源節點b的兩根天線分別發送符號和

步驟3，中繼節點對在兩個符號周期內接收到的信號yr放大處理後，廣播給兩個源節點。

(3a)第l個中繼節點在第一個和第二個符號周期內接收到的信號分別為和記其中l＝1,…,m，則所有的中繼節點在兩個符號周期內接收到的信號可以表示為

(3b)第l個中繼節點對其接收到的信號和分別放大和倍後廣播給兩個源節點a、b，記其中l＝1,…,m，則所有的中繼節點在兩個符號周期內的放大增益可以表示為g＝[g1,g2,…gl,…gm]t，其中：

其中γl,s(τ)＝|hl,s,1(τ)|2+|hl,s,2(τ)|2，s∈{a,b}，τ∈{1,2}，hl,s,1(τ)表示第l個中繼節點與源節點s的第1根天線在第τ個符號周期間的信道衰落係數，hl,s,2(τ)表示第l個中繼節點與源節點s的第2根天線在第τ個符號周期間的信道衰落係數，pa、pb和pr分別為源節點a、源節點b和中繼節點的發送功率，n0為復高斯白噪聲的方差，|·|2為向量的模平方。

步驟4，分別計算解碼矩陣qa和qb。

(4a)計算解碼矩陣qa；

(4a1)根據源節點a的第i根天線接收的來自第l個中繼節點的信號得到等效信道矩陣計算解碼矩陣使之滿足：

其中yl,a,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源節點a的第i根天線在第τ個符號周期內接收來自第l個中繼節點的信號，和是對角矩陣的對角元素，則源節點a接收到的信號

(4a2)根據(4a1)中的得到源節點a的所有天線接收來自第l個中繼節點的信號的解碼矩陣

(4a3)根據(4a2)中的ql,a得到所需的解碼矩陣qa＝[q1,a,…ql,a,...qm,a]。

(4b)計算解碼矩陣qb：

(4b1)根據源節點b的第i根天線接收來自第l個中繼節點的信號得到等效信道矩陣計算解碼矩陣使之滿足：

其中yl,b,i(τ)，τ∈{1,2}，表示源節點b的第i根天線在第τ個符號周期內接收來自第l個中繼節點的信號，和是對角矩陣的對角元素，則源節點b接收到的信號

(4b2)根據(4b1)中的得到源節點b的所有天線接收的來自第l個中繼節點的信號的解碼矩陣

(4b3)根據(4b2)中的ql,b得到所需的解碼矩陣qb＝[q1,b,…ql,b,…qm,b]，完成解碼矩陣的計算。

步驟5，獲取判決統計向量和

(5a)用解碼矩陣qa左乘以信號ya，得到判決統計向量表示為：

其中為等效噪聲；

(5b)用解碼矩陣qb左乘以信號yb，得到判決統計向量表示為：

其中為等效噪聲。

步驟6，分別對判決統計向量計算歐式距離，得到期望的信號。

(6a)源節點a將調製星座圖中的所有信號點分別與步驟(5a)中得到的判決統計向量進行歐式距離比較，找出與和距離最小的信號點，得到源節點b所發符號的解碼結果和

其中x是星座圖中所有信號點的集合，x為集合x中的元素，argmin是使目標函數取最小值時的變量值，d2(·)是歐式距離運算。

(6b)源節點b將調製星座圖中的所有信號點分別與步驟(5b)中得到的判決統計向量進行歐式距離比較，找出與和距離最小的信號點，得到源節點a所發符號的解碼結果和

下面結合仿真對本發明的應用效果作詳細的描述。

(1)仿真條件：

假設所有信道均為時間選擇性的rayleigh衰落信道，各節點的發送功率都相等且各節點處的噪聲方差均為1，載波頻率fc＝2.4ghz，符號傳輸速率rs＝9.6kbps，系統採用4qam調製。節點運動的相對速度為v，v＝0表示節點相對靜止，分別對中繼節點數目m＝{1,2}，v＝{0,300}km/h做了仿真；

(2)仿真內容與結果：

在上述仿真條件下，使用本發明方法和傳統最優方法，分別對雙向中繼通信系統的誤符號率進行仿真比較，結果如圖3所示。圖3中橫坐標為系統的信噪比snr，單位為db，縱坐標為誤符號率。由圖3可以看出，節點的高速移動，會使系統的誤符號率性能急劇衰減，當節點相對靜止，即信道處於平坦衰落時，本發明方法的誤符號率性能逼近傳統最優方法的誤符號率；當節點高速移動時，本發明方法的誤符號率性能優於傳統最優方法的誤符號率，說明本發明方法更加適用於節點運動的通信場景。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。