本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種異步中繼協(xié)作傳輸方法，具體涉及一種基于alamouti編碼的異步中繼協(xié)作傳輸方法，可用于異步傳輸模式下兩中繼協(xié)作通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在多輸入多輸出mimo系統(tǒng)中，發(fā)射端采用alamouti編碼對發(fā)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?shù)目煽啃?。然而，傳輸可靠性的提高以發(fā)射端和接收端天線數(shù)量的增加為代價，使得移動終端的尺寸、成本和收發(fā)端天線距離成為編碼技術(shù)在現(xiàn)實mimo系統(tǒng)中應用的制約因素。因此，協(xié)作通信技術(shù)應運而生。

協(xié)作通信技術(shù)是一種新型的空間分集技術(shù)。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，通過利用中繼節(jié)點協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點發(fā)送的信號，能夠獲得類似mimo系統(tǒng)中的空間分集增益，即協(xié)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(jié)點采用的基本轉(zhuǎn)發(fā)方式有放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式，由于放大轉(zhuǎn)發(fā)方式比較簡單，因而得到廣泛應用。

協(xié)作通信系統(tǒng)在實際通信中具有分布式特性：協(xié)作通信節(jié)點在空間上分布于若干不同的物理位置，導致目的節(jié)點接收到的不同中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號存在不同的時間延遲，使協(xié)作系統(tǒng)工作在異步傳輸模式。對于采用空時編碼技術(shù)進行信息傳輸?shù)膮f(xié)作通信系統(tǒng)，在異步傳輸模式下，目的節(jié)點的接收信號不滿足空時編碼結(jié)構(gòu)，從而使協(xié)作通信系統(tǒng)能夠獲得的分集增益下降，導致協(xié)作通信系統(tǒng)誤碼率升高，系統(tǒng)傳輸可靠性下降。

現(xiàn)有技術(shù)中源節(jié)點或中繼節(jié)點對待發(fā)送信號添加循環(huán)前綴，中繼節(jié)點對接收到的源節(jié)點所發(fā)送的信號進行再編碼處理，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)或譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式對處理后的信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，使目的節(jié)點接收的信號結(jié)構(gòu)免遭異步傳輸?shù)钠茐?，從而避免使異步協(xié)作通信產(chǎn)生中斷，實現(xiàn)正常通信。此外，為了提高異步協(xié)作通信可靠性，現(xiàn)有技術(shù)在中繼節(jié)點對接收信號的再編碼過程中通常會采用分集性能好的空時分組編碼技術(shù)。2014年5月作者mojtabarahmati和tolgam.duman在ieeesignalprocessingletters21(5)上發(fā)表的論文“spectrallyefficientalamouticodestructureinasynchronouscooperativesystems”，名稱為“異步協(xié)作通信系統(tǒng)的高效alamouti編碼結(jié)構(gòu)”，公開了一種異步協(xié)作傳輸方法，該方法主要是通過源節(jié)點采用補零方法對發(fā)送信號添加前綴，中繼節(jié)點對接收到的信號進行復共軛運算和時間反轉(zhuǎn)操作，并對處理后的信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)，使目的節(jié)點接收的信號免遭異步傳輸?shù)母蓴_，實現(xiàn)異步協(xié)作通信系統(tǒng)的正常通信。但該方法的缺陷是不能使異步協(xié)作通信系統(tǒng)獲得最大分集增益，誤碼率較高，并且中繼節(jié)點需要對接收信號進行復共軛運算和時間反轉(zhuǎn)操作，增加了中繼節(jié)點的計算復雜度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種基于alamouti編碼的異步中繼協(xié)作傳輸方法，旨在解決異步傳輸模式下協(xié)作通信系統(tǒng)誤碼率高的技術(shù)問題。

本發(fā)明的具體思路是：在目的節(jié)點已知完整信道狀態(tài)信息的條件下，源節(jié)點采用正交頻分復用ofdm技術(shù)對待發(fā)送信號進行處理，對處理后的信號添加長度大于時間延遲的循環(huán)前綴，并將其發(fā)送給中繼節(jié)點，中繼節(jié)點對接收的信號進行放大，再根據(jù)alamouti編碼結(jié)構(gòu)對放大信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，使目的節(jié)點接收到的信號具有alamouti空時結(jié)構(gòu)，從而獲得滿分集增益，降低誤碼率，提高系統(tǒng)傳輸可靠性。

根據(jù)上述技術(shù)思路，實現(xiàn)本發(fā)明目的采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)設計協(xié)作通信系統(tǒng)模型：包括工作于半雙工模式的源節(jié)點s、中繼節(jié)點r1、中繼節(jié)點r2和目的節(jié)點d，每個節(jié)點裝配有單根天線；

(2)源節(jié)點s獲取已調(diào)信號和復共軛信號：

(2a)源節(jié)點s對待發(fā)送的2n比特信息進行調(diào)制，得到已調(diào)信息比特，其中，n為2的正整數(shù)次冪；

(2b)源節(jié)點s將已調(diào)信息比特平均分成兩組，得到含有相等比特數(shù)的已調(diào)信號x1和已調(diào)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(zhuǎn)置運算；

(2c)源節(jié)點s對已調(diào)信號x1和已調(diào)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(jié)點s通過廣播信道將ofdm符號ck發(fā)送給兩個中繼節(jié)點r1和r2：

(3a)源節(jié)點s對已調(diào)信號x1、已調(diào)信號x2、復共軛信號和復共軛信號分別進行n點ifft，得到變換后的信號sk，其中，k表示信號數(shù)量，且k＝1,2,3,4；

(3b)源節(jié)點s獲取ofdm符號ck：源節(jié)點s復制變換后的信號sk的后g位分量，并將所復制的后g位分量作為循環(huán)前綴分別添加到變換后的信號sk的前端，得到ofdm符號ck，其中，g表示ofdm符號信息位，且其取值為不小于τ的正整數(shù)，τ表示最大時間延遲，且為小于n的正整數(shù)；

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

(4)兩個中繼節(jié)點r1和r2獲取放大信號rkj：

(4a)兩個中繼節(jié)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(jié)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(jié)點r1和r2根據(jù)alamouti編碼，分別通過中繼信道將放大信號rkj轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d：

(5a)在第1個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號r11轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r32轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

(5b)在第2個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號-r21轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r42轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

(5c)在第3個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號r31轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r12轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

(5d)在第4個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號-r41轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r22轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

(6)目的節(jié)點d獲取合并信號：

(6a)目的節(jié)點d在第1個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合并信號y1；

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

(6c)目的節(jié)點d在第3個ofdm符號間隔，接收放大信號r31和放大信號r12，得到合并信號y3；

(6d)目的節(jié)點d在第4個ofdm符號間隔，接收放大信號-r41和放大信號r22，得到合并信號y4；

(7)目的節(jié)點d獲取有效信號：目的節(jié)點d對合并信號y1、合并信號y2、合并信號y3和合并信號y4分別去除循環(huán)前綴，得到四組有效信號；

(8)目的節(jié)點d獲取譯碼信號：

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

(8b)目的節(jié)點d采用alamouti編碼的譯碼方法，對變換后的有效信號zk進行譯碼，得到譯碼信號；

(9)目的節(jié)點d對譯碼信號進行解調(diào)，得到解調(diào)信號。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

第一、本發(fā)明通過源節(jié)點對已調(diào)信號及其復共軛信號添加循環(huán)前綴，獲得ofdm符號，然后將ofdm符號發(fā)送給中繼節(jié)點，中繼節(jié)點根據(jù)alamouti編碼對接收信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)，使得目的節(jié)點接收到的信號具有alamouti空時結(jié)構(gòu)，能夠獲得滿分集增益，降低誤碼率，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效地提升了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

第二、本發(fā)明為了使目的節(jié)點接收的信號具有alamouti編碼結(jié)構(gòu)，需要中繼節(jié)點對接收信號進行放大，根據(jù)alamouti編碼對放大后的信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，避免了現(xiàn)有技術(shù)中繼節(jié)點對接收信號進行復共軛運算和時間反轉(zhuǎn)操作，降低了中繼節(jié)點的計算復雜度，使得協(xié)作通信變得更加簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；

圖2為本發(fā)明適用的協(xié)作通信系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有異步協(xié)作傳輸方法誤碼率的仿真對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步詳細描述。

參照圖1，基于alamouti編碼的異步中繼協(xié)作傳輸方法，包括如下步驟：

步驟1，設計協(xié)作通信系統(tǒng)模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：包括工作于半雙工模式的源節(jié)點s、中繼節(jié)點r1、中繼節(jié)點r2和目的節(jié)點d，每個節(jié)點裝配有單根天線；在第1個和第2個ofdm間隔內(nèi)，廣播信道s→r1和s→r2的衰落系數(shù)分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落系數(shù)分別為和在第3個和第4個ofdm間隔內(nèi)廣播信道s→r1和s→r2的衰落系數(shù)分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落系數(shù)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(jié)點s獲取已調(diào)信號和復共軛信號：

步驟2a，源節(jié)點s對待發(fā)送的2n比特信息進行調(diào)制，得到已調(diào)信息比特，其中，n為2的正整數(shù)次冪；

步驟2b，源節(jié)點s將已調(diào)信息比特平均分成兩組，得到含有相等比特數(shù)的已調(diào)信號x1和已調(diào)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(zhuǎn)置運算；

步驟2c，源節(jié)點s對已調(diào)信號x1和已調(diào)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(jié)點s通過廣播信道將ofdm符號ck發(fā)送給兩個中繼節(jié)點r1和r2：

步驟3a，源節(jié)點s對已調(diào)信號x1、已調(diào)信號x2、復共軛信號和復共軛信號分別進行n點ifft，得到變換后的信號sk，其中，k表示信號數(shù)量，且k＝1,2,3,4，則變換后的信號sk的具體表達式分別為：

步驟3b，源節(jié)點s獲取ofdm符號ck：源節(jié)點s復制變換后的信號sk的后g位分量，并將所復制的后g位分量作為循環(huán)前綴分別添加到變換后的信號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，且其取值為不小于τ的正整數(shù)，τ表示最大時間延遲，且為小于n的正整數(shù)；

步驟3c，源節(jié)點s通過廣播信道將ofdm符號ck發(fā)送給兩個中繼節(jié)點r1和r2。

步驟4，兩個中繼節(jié)點r1和r2獲取放大信號rkj：

步驟4a，兩個中繼節(jié)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(jié)點，且j＝1,2，p1表示源節(jié)點的發(fā)射功率，和分別表示在第a個和第b個ofdm符號間隔內(nèi)廣播信道的衰落系數(shù)，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(tài)平坦瑞利衰落信道時，信號會產(chǎn)生不同程度的衰落，信號衰落的幅值受信道衰落系數(shù)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(chǎn)生干擾；

步驟4b，兩個中繼節(jié)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(jié)點的發(fā)射功率。

步驟5，兩個中繼節(jié)點r1和r2根據(jù)alamouti編碼，分別通過中繼信道將放大信號rkj轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d：

步驟5a，在第1個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號r11轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r32轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

步驟5b，在第2個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號-r21轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r42轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

步驟5c，在第3個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號-r41轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r12轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

步驟5d，在第4個ofdm符號間隔，中繼節(jié)點r1將放大信號r31轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d，中繼節(jié)點r2將放大信號r22轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點d；

上述步驟5中，兩個中繼節(jié)點r1和r2對放大信號的轉(zhuǎn)發(fā)具有一定的順序，此轉(zhuǎn)發(fā)順序是根據(jù)alamouti編碼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，若改變轉(zhuǎn)發(fā)順序，則不能使協(xié)作通信系統(tǒng)獲得最大分集增益，會導致系統(tǒng)誤碼率變高。

步驟6，目的節(jié)點d獲取合并信號：

步驟6a，目的節(jié)點d在第1個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合并信號y1；

步驟6b，目的節(jié)點d在第2個ofdm符號間隔，接收放大信號-r21和放大信號r42，得到合并信號y2；

步驟6c，目的節(jié)點d在第3個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合并信號y3；

步驟6d，目的節(jié)點d在第4個ofdm符號間隔，接收放大信號r11和放大信號r32，得到合并信號y4；

由于步驟5中兩個中繼節(jié)點r1和r2對信號的轉(zhuǎn)發(fā)具有固定順序，故目的節(jié)點接收到的信號也具有相應的順序。

步驟7，目的節(jié)點d獲取有效信號：目的節(jié)點d對合并信號y1、合并信號y2、合并信號y3和合并信號y4分別去除循環(huán)前綴，得到四組有效信號；

其中，由于目的節(jié)點接收到的兩個中繼節(jié)點r1和r2所轉(zhuǎn)發(fā)的信號存在不同的時間延遲τ，故接收信號的循環(huán)前綴會受到相鄰信號的干擾，所以需要將受干擾的循環(huán)前綴去除，獲得沒有被干擾的有用信號。

步驟8，目的節(jié)點d獲取譯碼信號：

步驟8a，目的節(jié)點d對四組有效信號分別進行n點fft，得到變換后的有效信號zk；

步驟8b，目的節(jié)點d采用alamouti編碼的譯碼方法，對變換后的有效信號zk進行譯碼，得到譯碼信號：

步驟8b1，目的節(jié)點d分別對變換后的有效信號z2和變換后的有效信號z4進行復共軛運算，得到變換后的復共軛信號和變換后的復共軛信號

步驟8b2，將變換后的有效信號z1、變換后的有效信號z3、變換后的復共軛信號和變換后的復共軛信號進行聯(lián)合，得到等效信號y，其表達式為其列向量表示形式為并且具有以下性質(zhì)：

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(nèi)中繼信道的衰落系數(shù)，相互獨立，且服從分布，nn表示等效信道噪聲；

步驟8b3，目的節(jié)點d對等效信道矩陣h進行共軛轉(zhuǎn)置運算，得到等效信道矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣h^h，其中，h表示共軛轉(zhuǎn)置運算；

步驟8b4，目的節(jié)點d對等效信號y的列向量左乘等效信道矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣h^h，得到譯碼信號：

步驟9，目的節(jié)點d對譯碼信號進行解調(diào)，得到解調(diào)信號。

以下結(jié)合仿真實驗，對本發(fā)明的技術(shù)效果作進一步的描述。

1.仿真條件和內(nèi)容

本發(fā)明與現(xiàn)有的異步協(xié)作傳輸方法的誤碼率仿真對比實驗均是在運行系統(tǒng)為intel(r)core(tm)i3cpu380@2.53ghz，64位windows操作系統(tǒng)的硬件平臺進行，均采用matlab仿真軟件產(chǎn)生的隨機信號作為待發(fā)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(diào)制器中子載波數(shù)為n＝64，循環(huán)前綴長度為g＝16。目的節(jié)點已知完整的信道狀態(tài)信息，而源節(jié)點和中繼節(jié)點不知道信道狀態(tài)信息，信道均為準靜態(tài)平坦瑞利衰落信道，信道衰落系數(shù)在兩個ofdm符號間隔內(nèi)保持不變，即在第1個和第2個ofdm間隔內(nèi)，廣播信道s→r1和s→r2的衰落系數(shù)分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落系數(shù)分別為和在第3個和第4個ofdm間隔內(nèi)廣播信道s→r1和s→r2的衰落系數(shù)分別為和中繼信道r1→d和r2→d的衰落系數(shù)分別為和且衰落系數(shù)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(tǒng)發(fā)射總功率為p，源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)射功率分別為p1＝p/2和p2＝p1/2。本發(fā)明與現(xiàn)有的異步協(xié)作傳輸方法的誤碼率仿真實驗結(jié)果如圖3所示。

2.仿真結(jié)果分析

參照圖3，本發(fā)明與現(xiàn)有的異步協(xié)作傳輸方法的誤碼率仿真實驗結(jié)果分析如下：

圖3給出的是在bpsk調(diào)制方式下，本發(fā)明與現(xiàn)有的異步協(xié)作傳輸方法的誤碼率仿真對比結(jié)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(xiàn)有的異步協(xié)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(fā)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(xiàn)有的異步協(xié)作傳輸方法能夠獲得2階分集增益，本發(fā)明能夠獲得4階分集增益。由于本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)方法的誤碼率性能相比，本發(fā)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(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>