基于准正交空时编码的异步中继协作传输方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及中继协作系统通信技术领域中的一种基于准正交空时编码的异步中继协作传输方法。本发明基于“正交频分复用OFDM”和“协作分集”技术，通过中继节点采用准正交空时编码技术对接收信号进行编码，用于解决在异步协作通信系统中处理复杂度高以及传输速率低的问题。

背景技术：

在协作通信系统中，通过利用多个中继节点转发源节点的信号，可以获得类似于多输入多输出(MIMO)系统中的空间分集增益，即协作分集增益，从而可以有效提高系统性能。然而，由于中继节点具有分布式特点，导致不同中继节点的转发信号到达目的节点具有不同的延迟，即同步误差，使系统工作在异步状态。当系统工作在异步状态时，同步误差引起符号间干扰，导致目的节点接收到的信号不具有空时分组码的结构，因此不能获得与系统工作在同步状态时相等的分集增益，导致系统性能下降。

现有技术中提供了一些用于提高异步协作通信系统性能的方法。这些方法大多通过中继节点对转发信号添加循环前缀的方法来对抗时间异步影响，但是中继节点处理复杂度高，系统的传输速率低，因此，降低中继节点处理复杂度或提高系统传输速率成为异步协作通信技术研究的关键。

西安交通大学在其申请的专利文献“解码转发协作通信系统中对抗时间异步的发射和接收方法”(专利申请号201410035413.3，公开号CN103780351A)中公开了一种解码转发协作通信系统中对抗时间异步的发射和接收技术。该方法主要是通过中继节点对接收信号进行解码校验，将正确解码的中继节点作为有效协作节点，有效协作节点对源符号添加循环前缀后转发到目的节点，目的节点通过接收和截取信号，得到正确的判决信号。该方法存在的不足之处是，中继节点处理复杂度高，对设备要求严格，并且未通过解码校验的中继节点不再参与协作，导致中继节点的利用率降低。

Xia Xiang-Gen等人在其发表的论文“A Simple Orthogonal Space-Time Coding Scheme for Asynchronous Cooperative Systems for Frequency Selective Fading Channels”(IEEE Transactions On Communications，2010，Vol.58,No.8，2219-2224)中提出了一种将正交频分复用(OFDM)和正交空时分组码相结合的方法。该方法主要是通过源节点利用正交频分复用OFDM技术对信号进行处理，中继节点根据正交空时分组码的编码技术对接收信号编码后再转发，使得目的节点从接收信号中获得正确的判决信号。该方法的不足之处是系统的传输速率低，随着中继节点数量的增加，系统的传输速率变得更低。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于准正交空时编码的异步中继协作传输方法，使本发明应用于中继协作通信系统中，克服了节点工作在异步状态导致系统性能下降的问题，同时降低了中继节点的处理复杂度，提高了系统的传输速率。

实现本发明的具体思路是：在目的节点已知完整信道状态信息的条件下，首先通过源节点发送正交频分复用OFDM符号，中继节点接收信号，再对接收信号重新编码后，按照准正交空时分组码的结构进行转发，最后目的节点接收转发信号，译码后获得判决信号，实现中继协作系统在异步工作状态对信号的高速可靠传输。

本发明采用的协作通信系统模型中包括一个源节点，M个中继节点，一个目的节点，每个节点装配单根天线，且工作于半双工模式。

实现本发明目的的具体步骤如下：

(1)源节点广播正交频分复用OFDM符号：

源节点调制待发送的信号，得到正交频分复用OFDM符号后，源节点广播正交频分复用OFDM符号；

(2)中继节点接收信号：

每一个中继节点接收源节点发送的正交频分复用OFDM符号的信号；

(3)中继节点编码：

(3a)对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号本身形式的信号，进行时间反转操作，得到中继节点的编码信号；

(3b)对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号复共轭形式的信号，做复共轭处理，得到中继节点的编码信号；

(4)中继节点转发编码信号：

将每一个中继节点的编码信号，按照准正交空时分组码的结构进行转发；

(5)获得信号向量：

目的节点接收所有中继节点转发的编码信号，对接收信号去除循环前缀，得到信号向量；

(6)获得移位信号：

(6a)提取信号向量的后L位分量，L的取值与循环前缀长度相等；

(6b)将所提取的后L位分量添加到信号向量的前边，作为信号向量的前L位分量，得到移位信号；

(7)获得判决信号：

(7a)对移位信号做快速傅里叶变换FFT，得到变换后的信号；

(7b)使用准正交空时分组码的译码方法，对变换后的信号进行译码，得到判决信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号本身形式的信号，进行时间反转操作，以及对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号复共轭形式的信号，做复共轭处理，得到中继节点的编码信号，克服了现有技术的中继节点处理复杂度高，对设备要求严格的缺点，使得本发明降低了中继节点处理接收信号的复杂度。

第二，本发明通过目的节点对去除循环前缀的信号向量提取后L位分量，将所提取的后L位分量添加到信号向量的前边，作为信号向量的前L位分量，获得移位信号，保证了对移位信号做快速傅里叶变换FFT后的信号具有准正交空时分组码的结构特点，从而使系统获得了准正交空时分组码的满传输速率，克服了现有技术中系统传输速率低的缺点，使得本发明提高了系统传输速率。

附图说明

图1为本发明采用的协作通信系统模型的示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的描述。

参照附图1，本发明采用的协作通信系统模型中包括一个源节点S，M个中继节点R_i，i＝1,2,…,M，一个目的节点D，上述节点中每一个节点仅装配单根天线，且工作于半双工模式。任意两节点之间的信道为准静态平坦瑞利衰落信道。源节点到任意一个中继节点的衰落系数为f_j，j＝1,2,…,M，任意一个中继节点到目的节点的衰落系数为g_k，k＝1,2,…,M，其中f_j和g_k之间相互独立，且均服从零均值、单位方差的复高斯随机分布。从源节点经过每一个中继节点到达目的节点的每一条传输链路存在时间延迟τ_m，m＝1,2,…,M，最大时间延迟为τ，即τ＝max(τ_m)。目的节点已知完整的信道状态信息，而源节点和中继节点不知道信道状态信息。

协作通信主要分为两个阶段，在协作通信的第一阶段，源节点S向中继节点R_i广播发送信号，每个中继节点R_i接收信号；在协作通信的第二阶段，每个中继节点R_i向目的节点D转发编码信号，目的节点D接收所有中继节点转发的编码信号，从而实现中继节点协助源节点，完成与目的节点之间的通信。

参照附图2，本发明的具体步骤如下：

步骤1，源节点广播正交频分复用OFDM符号。

源节点对待发送信号进行数字调制，得到已调信号。

对已调信号做快速傅里叶变换FFT，得到变换信号。

复制变换信号的后G位分量。

将所复制的后G位分量添加到变换信号的前端，作为循环前缀，得到正交频分复用OFDM符号。

源节点广播正交频分复用OFDM符号。

待发送信号含有J个符号块，每一个符号块含有N位信息比特，N为2的正整数幂，J的取值与中继节点总数M相等，M为大于2的正整数，且为2的整数幂；变换信号的后G位分量，G的取值为不小于τ的正整数，τ表示最大时间延迟，τ的取值为小于M的正整数。

步骤2，中继节点接收信号。

每一个中继节点接收源节点发送的正交频分复用OFDM符号的信号。

步骤3，中继节点编码。

对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号本身形式的信号，进行时间反转操作，得到中继节点的编码信号。

对中继节点接收的满足准正交空时分组码中信号复共轭形式的信号，做复共轭处理，得到中继节点的编码信号。

步骤4，中继节点转发编码信号。

将每一个中继节点的编码信号，按照准正交空时分组码的结构进行转发。

步骤5，获得信号向量。

目的节点接收所有中继节点转发的编码信号，对接收信号去除循环前缀，得到信号向量。

步骤6，获得移位信号。

提取信号向量的后L位分量，L的取值与循环前缀长度相等。

将所提取的后L位分量添加到信号向量的前边，作为信号向量的前L位分量，得到移位信号。

步骤7，获得判决信号。

将移位信号改写成等效信道矩阵左乘正交频分复用OFDM符号的形式，获得等效信道矩阵。

用等效信道矩阵的共轭矩阵左乘等效信道矩阵，获得译码矩阵。

提取译码矩阵中的非零元素，组成低阶矩阵。

对移位信号做快速傅里叶变换FFT，得到变换后的信号。

用低阶矩阵左乘变换后的信号中具有正交性的信号，获得判决信号。

下面结合附图3的仿真图，对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明与现有技术采用正交空时分组码方法的仿真实验均是在运行系统为Intel(R)Core(TM)i3CPU 380@2.53GHz，64位Windows操作系统的仿真条件下进行，仿真软件采用MATLAB。

2.仿真内容：

本发明与现有技术采用正交空时分组码方法的仿真实验，均使用MATLAB软件产生的随机信号作为待发送信号，噪声为高斯白噪声。仿真实验中传输链路的时间延迟服从0到6的均匀分布，OFDM调制器中子载波数为64，循环前缀长度为16。目的节点已知完整的信道状态信息，而源节点和中继节点不知道信道状态信息，信道为准静态平坦瑞利衰落信道。系统发射总功率为P,源节点和中继节点的发射功率分别为P₁＝P/2和P₂＝P₁/(2M)。

3.仿真结果分析：

在相同仿真条件下，采用本发明和现有技术采用正交空时分组码方法的性能对比仿真结果如图3所示。

图3(a)中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。图3(a)中以正方形标示的曲线表示本发明在QPSK调制方式下的误码率性能曲线，以圆形标示的曲线表示现有技术采用正交空时分组码的方法，在16QAM调制方式下的误码率性能曲线。

由图3(a)可见：在传输速率为2bit/s/Hz条件下，随着信噪比的增加，两种方法的误码率均下降，并且在误码率为10-³处，本发明的误码率性能比现有技术采用正交空时分组码方法的误码率性能好1dB。

图3(b)中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。图3(b)中以正方形标示的曲线表示本发明在8PSK调制方式下的误码率性能曲线，以圆形标示的曲线表示现有技术采用正交空时分组码的方法，在64QAM调制方式下的误码率性能曲线。

由图3(b)可见：在传输速率为3bit/s/Hz条件下，随着信噪比的增加，两种方法的误码率均下降，并且在误码率为10^-3处，本发明的误码率性能比现有技术采用正交空时分组码方法的误码率性能好2dB。

综上所述，由仿真结果表明，随着系统传输速率的提高，本发明的误码率性能比现有技术采用正交空时分组码方法的误码率性能更好。因此，本发明能够应用在异步协作通信系统中，实现对信号的高速可靠传输。