一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法及系统与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法及系统。

背景技术：

在协作通信系统中，通过利用不同的中继节点转发源节点的信号进行协作通信，可以获得协作分集增益，从而有效提高系统性能。然而，由于中继节点具有地理分散以及具有相互独立的晶振的特点，导致不同中继节点转发到目的节点的信号具有不同的传输时延，即延时误差，给系统带来了巨大的开销，因此，系统通常工作在异步状态。而系统工作在异步状态时，延时误差会带来符号间干扰，破坏分布式编码结构，削弱分集增益，导致系统性能下降。

现有一些用于提高异步协作通信系统性能的方法，这些方法都是基于从中继节点到目的节点的信道是慢衰落信道的条件下，可以获得满异步协作分集增益。然而，在一些情况下，目的节点移动速度极快，这就导致了从中继节点到目的节点的信道变为快衰落信道。这种情况下，中继节点对信号的编码转发处理是影响协作通信性能的关键。因此，比较常见的是中继节点对接收信号进行解码校验，正确解码的中继节点对信号添加循环前缀，转发到目的节点，目的节点通过判决反馈滤波器得到判决信号。但是中继节点转发的信号间会存在延迟干扰，信噪比较小，同时，目的节点处理信号的复杂度高，对设备要求严格。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法及系统，用于提高分集增益、降低误码率和提高系统的传输速率。

本发明第一方面公开了一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法，所述基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法所对应的协作中继传输系统包括一源节点、n个中继节点和一目的节点，所述源节点分别与所述n个中继节点无线连接，所述n个中继节点分别与所述目的节点无线连接，所述源节点、所述n个中继节点和所述目的节点均配置单独天线且工作于半双工模式，所述n为大于或者等于2的正整数，所述方法包括：

所述源节点在协作传输网络中广播符号序列；

所述n个中继节点分别接收所述符号序列，解调所述符号序列得到符号块，通过循环冗余校验(cyclicredundancycheck,crc)校验所述符号块是否正确并将校验出来的正确符号块作为待编码符号块，所述n个中继节点中检测出所述待编码符号块的多个所述中继节点分别作为协作中继节点以获得r个协作中继节点，所述r为小于或者等于所述n的正整数且为大于或者等于2的正整数；

所述r个协作中继节点分别对其校验得到的所述待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码(distributedlinearconvolutionalspace-timecode，dlc-stc)，获得编码符号序列，对所述编码符号序列进行零填充处理得到编码信号，向所述目的节点发送所述编码信号；

所述目的节点利用最大似然(maximumlikelihood，ml)接收机接收所述r个协作中继节点分别发送的所述编码信号。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，对所述编码符号序列进行零填充的填充长度大于或者等于特定传输时延，所述特定传输时延为所述r个协作中继节点中所有所述协作中继节点到所述目的节点的传输时延中的最大传输时延。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述r个协作中继节点中的第r个所述协作中继节点在所述第m个时隙的信道响应为hrm，其中，所述r＝1,2,...,r，所述m＝1,2,...,m。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述编码符号序列表示为：其中，所述s为所述待编码符号块，所述表示为：

其中，所述以矢量表示为：

其中，所述r＝1,2,...,r，所述l＝1,2,...,l。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，从所述源节点经任一所述协作中继节点到达所述目的节点的传输时延为广播所述符号序列的周期的整数倍。

本发明第二方面公开了一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输系统，包括一源节点、n个中继节点和一目的节点，所述源节点分别与所述n个中继节点无线连接，所述n个中继节点分别与所述目的节点无线连接，所述源节点、所述n个中继节点和所述目的节点均配置单独天线且工作于半双工模式，其中，所述n个中继节点中包括r个协作中继节点，所述n为大于或者等于2的正整数，所述r为小于或者等于所述n的正整数且为大于或者等于2的正整数，其中：

所述源节点，用于在协作传输网络中广播符号序列；

每一个所述中继节点，用于接收所述符号序列，解调所述符号序列得到符号块，通过循环冗余校验所述符号块是否正确并将校验出来的正确符号块作为待编码符号块，所述n个中继节点中检测出所述待编码符号块的多个所述中继节点分别作为协作中继节点以获得r个协作中继节点，所述r为小于或者等于所述n的正整数且为大于或者等于2的正整数；

每一个所述协作中继节点，用于对其校验得到的所述待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码，获得编码符号序列，对所述编码符号序列进行零填充处理得到编码信号，向所述目的节点发送所述编码信号；

所述目的节点，用于利用最大似然接收机接收所述r个协作中继节点分别发送的所述编码信号。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，对所述编码符号序列进行零填充的填充长度大于或者等于特定传输时延，所述特定传输时延为所述r个协作中继节点中所有所述协作中继节点到所述目的节点的传输时延中的最大传输时延。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述r个协作中继节点中的第r个所述协作中继节点在所述第m个时隙的信道响应为hrm，其中，所述r＝1,2,...,r，所述m＝1,2,...,m。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述编码符号序列表示为：其中，所述s为所述待编码符号块，所述表示为：

其中，所述以矢量表示为：

其中，所述r＝1,2,...,r，所述l＝1,2,...,l。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，从所述源节点经任一所述协作中继节点到达所述目的节点的传输时延为广播所述符号序列的周期的整数倍。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

在本发明实施例中，源节点通过在协作传输网络中广播符号序列，接收到该符号序列的中继节点对符号序列进行解调，得到符号块，并且如果crc检验得到正确的符号块时，将正确的符号块作为待编码符号块，然后将校验出待编码符号块的中继节点作为协作中继节点，参与后续协作传输，确定符号块的正确性，克服了现有技术中中继节点处理复杂度高且对设备要求严格的缺点，使得本发明能够降低中继节点处理接收信号的复杂度，提高了系统的传输速率。进一步地，协作中继节点对待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码，获得编码符号序列，以及对编码符号序列进行零填充，得到协作中继节点需要传输的编码信号，降低了协作中继节点转发信号时符号块间的干扰，而且目的节点接收到的编码信号不是空时分组码的结构，能够提高了分集增益，降低了误码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的协作中继传输系统模型示意图；

图2为本发明一些实施例公开的基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法的流程示意图；

图3为本发明实施例公开的协作传输模型示意图；

图4为本发明实施例公开的基于快衰落瑞利信道的协作中继传输系统的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的两个协作中继节点的协作传输网络在快速衰落瑞利信道下的误码性能比较图；

图6为本发明实施例公开的三个协作中继节点的协作传输网络在快速衰落瑞利信道下的误码性能比较图；

图7为本发明实施例公开的对编码符号序列进行零填充的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开了一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法，用于提高分集增益、降低误码率和提高系统的传输速率。本发明实施例还相应地公开了一种基于快衰落瑞利信道的分集增益系统。

首先，在对本发明技术方案进行详细描述之前，先简单介绍一下本发明实施例所提供的协作中继传输系统。请参阅图1，图1为本发明实施例公开的协作中继传输系统模型示意图。结合图1所示，本发明实施例所提供的协作中继传输系统包括一源节点、n个中继节点和一目的节点。其中，源节点分别与n个中继节点无线连接，n个中继节点分别与目的节点无线连接，该源节点配置单独天线且工作于半双工模式、n个中继节点均配置单独天线且工作于半双工模式和目的节点配置单独天线且工作于半双工模式，通常而言，n可以为大于或者等于2的正整数。

可以理解的是，本发明实施例所提供的源节点可以为用户终端，中继节点可以是用户终端也可以是中继设备，目的节点可以为基站等网络侧设备，本发明对此不做限定。

基于上述介绍，下面将结合具体实施例，对本发明技术方案进行详细说明。请结合图1，一并参阅图2，图2为本发明一些实施例公开的基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法的流程示意图；如图2所示，一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法可包括：

201、源节点在协作传输网络中广播符号序列。

其中，源节点在协作传输网络中广播符号序列，该符号序列可以包括若干符号块，为s，且s＝[s0,s1,…,sn-1]，其中，i＝0,1,2,3…n-1，为符号功率，n为正整数且为2的整数幂，e为符号块的均方误差。

作为一种可选的实施方式，源节点可以在每个符号块中加入循环冗余校验位(crc位)，以便中继节点能够通过crc位校验所接收到的信号是否正确，克服现有技术中中继节点处理复杂度高且对设备要求严格的缺点，能够降低中继节点处理接收信号的复杂度，提高了系统的传输速率。

202、n个中继节点中的每一个中继节点接收源节点广播的符号序列，解调该符号序列得到符号块，通过crc校验符号块是否正确并将校验出来的正确符号块作为待编码符号块，其中，n个中继节点中检测出待编码符号块的多个中继节点分别作为协作中继节点以获得r个协作中继节点，r为小于或者等于n的正整数且为大于或者等于2的正整数。

其中，每一个中继节点将接收源节点广播的序号序列，然后对其进行解调，解调得到若干符号块，为s＝[s0,s1,…,sn-1]。如基于符号块对符号序列的每一个符号块进行校验，若校验正确，将得到正确的源符号块，并将其当作待编码符号块，即待编码符号块同样可以表示为s＝[s0,s1,…,sn-1]。

校验得到待编码符号块的中继节点可以参与后续的协作传输，称之为协作中继节点，其它校验失败的中继节点不会参与后续的协作传输，并且可以断开中继节点到目的节点的无线连接链路，以确保这些校验失败的中继节点不会将错误的信号发送给目的节点，从而降低误码率。

203、r个协作中继节点中的每一个协作中继节点对其校验得到的待编码符号块进行dlc-stc编码，获得编码符号序列，对该编码符号序列进行零填充处理得到编码信号，向目的节点发送该编码信号。

结合步骤202中的解释并进一步参阅图3，图3为本发明实施例公开的协作传输模型示意图；如图3所示，在协作传输模型示意图中给出两个阶段：第一阶段和第二阶段，其中，在第一阶段中，源节点在协作传输网络中广播符号序列，中继节点将会接收到所广播的符号序列，能够校验正确的中继节点将作为协作中继节点。在第二阶段中，校验正确的r个协助中继节点协作传输，将编码信号发送给目的节点，而校验失败的中继节点停止工作，也可以断开与目的节点之间的无线连接链路。

需要说明的是，在进入第二阶段时，源节点将暂停符号序列的广播。而且协作中继节点在第二阶段的信号转发独立于从源节点到目的节点的通道。

下面将对协作中继节点对校验得到的待编码符号块进行dlc-stc编码，获得编码符号序列进行详细说明。对待编码符号块进行dlc-stc编码，表示为其中,s是由源节点通过协作中继节点r并且是协作中继节点r正确接收到的待编码符号块，表示为s＝[s0，s1，…sn-1]，是托普里兹矩阵,r＝1,2,...,r。可以表示为公式1：

在公式1中，是dlc-stc生成多项式的系数，r＝1,2,...,r，l＝1,2,...,l，它可以表示为矢量r＝1,2,...,r，l为正整数，满足空间响应频率(spatialfrequencyresponse，sfr)矩阵的性能。

可以理解的是，对于本发明实施例所提供的所有节点都配置单天线，且工作于半双工模式，加性噪声服从零均值、方差为n0/2的复高斯随机随机分布。因此，从源节点经过协作中继节点到达目的节点的第r个协作中继链路τr(即第r个协作中继节点所对应的无线链路)的传输时延是源节点广播符号序列的周期ts的整数倍，其中，r＝1,2,...,r。最大传输时延为τmax，在不失一般性的情况下，假设τ1＝0且τ1≤τ2≤...≤τr≤τmax，那么对于协作中继节点r在第m个时隙的信道响应为hrm，其中，m＝1,2,...,m，m为正整数，随着时隙m在一个符号块内的变化，可以确定该协作中继节点与目的节点之间的信道是快衰落瑞利信道。即本发明实施例所提供的协作中继节点与目的节点之间的信道是快衰落瑞利信道。

进一步再介绍对该编码符号序列进行零填充处理得到编码信号的方式。在本发明实施例对编码符号序列进行零填充，填充长度大于或等于特定传输时延，该特定传输时延为r个协作中继节点中所有协作中继节点到目的节点的传输时延中的最大传输时延。

可以进一步结合图7，图7为本发明实施例公开的对编码符号序列进行零填充的示意图。在图7中，编码符号序列中编码符号块的长度为n，在编码符号块之前进行零填充，比如填充长度为l，那么填充后的编码符号块的长度为n+l。由于每个编码符号块之前都会进行长度l的零填充，使得填充得到的编码符号块变成为n+l长度。那么在目的节点接收到编码信号之后，能够去除前面l个受干扰的零填充符号，那么后面的n个符号即为目的节点需要接收的信号。

进一步地，通过零填充后得到的编码信号，还是为dlc-stc编码格式，能够降低中继节点转发信号时符号间的干扰，目的节点接收到的信号不具有空时分组码的结构，从而导致分集增益较低，误码率较高的缺点，能够提高了分集增益，降低了误码率。

204、目的节点利用最大似然接收机接收该r个协作中继节点分别发送的编码信号。

其中，目的节点利用最大似然接收机，还可以进一步结合mmse和mmse-dfe均衡器，将提高协作分集增益。

结合上述介绍，目的节点在接收到编码信号后，将零填充的符号去除，然后得到正确的需要接收的信号。由于编码符号块中零填充的长度为所有协作中继节点到目的节点的传输时延中最大的传输时延，因此，能够刚好将相邻的编码符号块中的干扰符号去除，得到正确的信号，从而降低了误码率，提高了分集增益。

可以看出，源节点通过在协作传输网络中广播符号序列，接收到该符号序列的中继节点对符号序列进行解调，得到符号块，并且如果crc检验得到正确的符号块时，将正确的符号块作为待编码符号块，然后将校验出待编码符号块的中继节点作为协作中继节点，参与后续协作传输，确定符号块的正确性，克服了现有技术中中继节点处理复杂度高且对设备要求严格的缺点，使得本发明能够降低中继节点处理接收信号的复杂度，提高了系统的传输速率。进一步地，协作中继节点对待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码，获得编码符号序列，以及对编码符号序列进行零填充，得到协作中继节点需要传输的编码信号，降低了协作中继节点转发信号时符号间的干扰，而且目的节点接收到的编码信号不是空时分组码的结构，能够提高了分集增益，降低了误码率。

请参阅图4，图4为本发明实施例公开的基于快衰落瑞利信道的协作中继传输系统的结构示意图；如图4所示，一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输系统可包括：一源节点、n个中继节点和一目的节点，源节点分别与所述n个中继节点无线连接，所述n个中继节点分别与所述目的节点无线连接，所述源节点、所述n个中继节点和所述目的节点均配置单独天线且工作于半双工模式，其中，所述n个中继节点中包括r个协作中继节点，所述n为大于或者等于2的正整数，所述r为小于或者等于所述n的正整数且为大于或者等于2的正整数，其中：

所述源节点，用于在协作传输网络中广播符号序列；

每一个所述中继节点，用于接收所述符号序列，解调所述符号序列得到符号块，通过循环冗余校验所述符号块是否正确并将校验出来的正确符号块作为待编码符号块，所述n个中继节点中检测出所述待编码符号块的多个所述中继节点分别作为协作中继节点以获得r个协作中继节点，所述r为小于或者等于所述n的正整数且为大于或者等于2的正整数；

每一个所述协作中继节点，用于对其校验得到的所述待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码，获得编码符号序列，对所述编码符号序列进行零填充处理得到编码信号，向所述目的节点发送所述编码信号；

所述目的节点，用于利用最大似然接收机接收所述r个协作中继节点分别发送的所述编码信号。

其中，对所述编码符号序列进行零填充的填充长度大于或者等于特定传输时延，所述特定传输时延为所述r个协作中继节点中所有所述协作中继节点到所述目的节点的传输时延中的最大传输时延。且从所述源节点经任一所述协作中继节点到达所述目的节点的传输时延为广播所述符号序列的周期的整数倍。

所述r个协作中继节点中的第r个所述协作中继节点在所述第m个时隙的信道响应为hrm，其中，所述r＝1,2,...,r，所述m＝1,2,...,m。所述编码符号序列表示为：其中，所述s为所述待编码符号块，所述表示为：

其中，所述以矢量表示为：

其中，所述r＝1,2,...,r，所述l＝1,2,...,l。

其中，更多有关于源节点、中继节点、协作中继节点和目的节点的说明请参阅上述方法实施例，在此不再赘述。

请参阅图5和图6，图5为本发明实施例公开的两个协作中继节点的协作传输网络在快速衰落瑞利信道下的误码性能比较图；图6为本发明实施例公开的三个协作中继节点的协作传输网络在快速衰落瑞利信道下的误码性能比较图。在图5和图6中，本发明采用matlab仿真软件，对本发明技术方案和现有技术采用译码转发方法进行仿真实验。

仿真的内容包括协作中继节点的延迟均匀分布在[1,τmax]。最大延迟τmax和零填充长度都是4，各符号块的长度是20。

方针结果分析：

图5中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。协作中继节点个数为2。图5中以正方形、叉号以及菱形标识的曲线表示本发明在正交相移键控(quadraturephaseshiftkeyin，qpsk)调制方式下，分别使用最小均方误差估计(minimummeansquareerror，mmse)算法、基于最小均方误差估计的判决反馈均衡(minimummeansquareerror_decisionfeedbackequalization，mmse_dfe)算法以及最大似然接收机的误码率性能曲线，以圆形、星号以及倒三角形表示的曲线表示现有技术采用译码转发的方法，在qpsk调制方式下，分别使用mmse、mmse_dfe以及最大似然接收机的误码率性能曲线的误码率性能曲线。

由图5可见：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^-5处，本发明的误码率性能比现有技术采用译码转发方法的误码率性能好15db。

图6中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。协作中继节点个数为3。图6中以正方形、叉号以及菱形标识的曲线表示本发明在qpsk调制方式下，分别使用mmse、mmse_dfe以及最大似然接收机的误码率性能曲线，以圆形、星号以及倒三角形表示的曲线表示现有技术采用译码转发的方法，在qpsk调制方式下，分别使用mmse、mmse_dfe以及最大似然接收机的误码率性能曲线的误码率性能曲线。

由图6可见：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^-5处，本发明的误码率性能比现有技术采用译码转发方法的误码率性能好12db。

综上所述，由仿真结果表明，随着系统传输速率的提高，随着协作中继节点个数的增加，本发明的误码率性能比现有技术采用译码转发方法的误码率性能更好。因此，本发明能够应用在异步协作中继传输系统中，实现对信号的高速可靠传输。

可见，实施本发明实施例，能够通过crc确定符号块的正确性，克服了现有技术中中继节点处理复杂度高且对设备要求严格的缺点，使得本发明能够降低中继节点处理接收信号的复杂度，提高了系统的传输速率。进一步地，协作中继节点对待编码符号块进行分布式线性卷积空时码编码，获得编码符号序列，以及对编码符号序列进行零填充，得到协作中继节点需要传输的编码信号，降低了协作中继节点转发信号时符号间的干扰，而且目的节点接收到的编码信号不是空时分组码的结构，能够提高了分集增益，降低了误码率。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存储器(randomaccessmemory，ram)、可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammablereadonlymemory，eprom)、一次可编程只读存储器(one-timeprogrammableread-onlymemory，otprom)、电子抹除式可复写只读存储器(electrically-erasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)、只读光盘(compactdiscread-onlymemory，cd-rom)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

以上对本发明实施例公开的一种基于快衰落瑞利信道的协作中继传输方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。