一种基于符号级预编码的蓝牙自组网预编码方法及装置

本发明属于通信，尤其涉及一种基于符号级预编码的蓝牙自组网预编码方法及装置。

背景技术：

1、蓝牙5.1规范将估计接收和发射信号的到达角(angle of arrival,aoa)和离地角(angle of departure,aod)纳入已有的规范。这个信息是针对位置服务的，但是也可能被mesh部署利用。aoa和aod要求接收机和发射机分别具有一组天线，同时引入利用波束成型即预编码的这些方案可以提高效率、性能和网络范围。并导致较低的误码率概率，低消耗，使路由协议可以根据拓扑实现。

2、一般来说，预编码技术可分为两大类：块级预编码(block level precoding,blp)技术和符号级预编码(symbol level precoding,slp)技术。blp技术采用线性预编码器，只依赖于信道状态信息进行编码，预编码操作在一个符号块上执行，并且可以根据信道的相干时间进行更新。其中最常用的blp方案是线性zf预编码，它是一种最简单的次优解求解方案，可以将多用户信道解耦为单用户信道，从而消除多用户间的干扰。而slp技术采用非线性预编码器，并基于信道状态信息和向用户传输的信息符号进行编码，可以提供具有增强功能的预编码解决方案，如相长干扰(constructive interference,ci)的利用，从而实现无干扰通信。

3、ci被定义为能够将接收信号推离调制符号星座的所有相应决策边界的这样一类干扰，即ci能够将接收到的符号推离星座的检测阈值，从而更加有利于系统的符号判决，进一步增强通信系统的检测能力和抗噪性能。同时，由于ci方案会使得相长干扰信号和期望信号相累加，能够达到不断减少多用户系统发射功率的效果，使得通信系统更加节能高效。

4、现有的研究通常将ci分为两大类：第一类的ci方案是将所有的ci信号的相位全部强迫旋转至与期望数据符号同相，这样可以增加数据符号的幅值，实现对于ci的利用，这种干扰方案被称为严格相位旋转的ci；第二类的ci方案引入了一个被称为相长区域)的先进理念，在相长区域内的所有干扰信号都被证明是有益于判决的，这种宽松的相长度量方式使得ci信号不必再被旋转至和期望数据符号同相位，也可以起到增加有用信号功率和提高检测性能的作用，这种方案被称为非严格相位旋转ci。

技术实现思路

1、发明目的，本发明针对蓝牙自组网信号中，估计接收和发射信号的aoa和aod时会受到不同干扰的影响。在本发明中采用基于spr-ci和nspr-ci的slp算法，对于蓝牙自组网信号进行预编码。本发明利用符号级预编码，找寻到最优的发送矢量，能够进一步降低蓝牙发射模块的传输功耗，可以增强抗干扰能力，降低误码率并实现基于拓扑的路由协议。

2、技术方案：本发明提出一种基于符号级预编码的蓝牙自组网预编码方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、获取的信道矩阵h与蓝牙发送符号序列s＝{s1，s2，…，sk}，sk为第k个用户接收到的符号，k∈{1，2，…k}；

4、步骤二、依据信道矩阵h和发送符号s解出spr-ci的预编码矩阵；

5、步骤三、根据信道信息获得nspr-ci的符号级预编码矩阵；

6、步骤四、根据步骤二和步骤三的预编码矩阵对于蓝牙发送信号进行逐符号的预编码。

7、进一步的，步骤二的具体方法如下：

8、2.1在图1(a)中，本文给出了qpsk星座图的严格相位旋转ci；记其中，为向量oa的模值，spr-ci的slp方案首先最大化t，设向量为第k个用户在无噪声时的接收信号，则对于相位旋转，该信号与oa是共线性的，nt代表基站发射天线的数量，k代表单天线用户数量，满足k≤nt，表示第k个用户到基站的平坦衰落瑞利信道向量，是预编码矩阵，c代表复数集；

9、

10、2.2对于公式(1)，通过引入一个实值的比例因子λk，被进一步表示为：

11、

12、由此，实值比例因子λk满足相位旋转的条件如下：

13、

14、2.3将严格相位旋转的slp优化问题构造为如下形式：

15、

16、

17、

18、

19、上式中，p0是总可用发射功率，该优化问题利用拉格朗日乘数法和kkt条件进行求解，并得到了相位预编码的最优预编码矩阵闭合解形式，其闭合解形式如下：

20、

21、公式(4)中，(·)h和(·)t分别代表共轭转置与转置运算；h和s分别代表信道矩阵和蓝牙发送符号序列；u∈rk×1；代表取实部，t被定义为diag(sh)(hhh)-1diag(s)，r代表实数集。

22、进一步的，步骤三的方法如下：

23、3.1具体的，与严格相位slp不同，非严格相位slp方案的比例因子可以为复数，在这种情况下，记等于

24、

25、上式中，j代表90°相位旋转；代表取虚部，代表即取的实部，代表即取的虚部；

26、3.2设定图中节点o，a和c共线性，则进一步表示为：

27、

28、在非严格相位slp方案中，为了确保接收信号落在建设性干扰区域当中，向量和的夹角θab应该满足如下条件：

29、

30、其中，对于m-psk调制信号，其中，m为psk调制的阶数，可观测阈值θt表示为：

31、

32、3.3最大化向量的幅度t，并将3.2中的不等式作为优化问题的约束条件，基于nspr-ci的slp优化问题构造为如下形式：

33、

34、

35、

36、

37、利用拉格朗日乘数法和kkt条件进行求解，得到非严格相位预编码的最优预编码矩阵闭合解形式如下：

38、

39、式中，u＝[ij·i]

40、其中，i代表单位阵。

41、进一步的，步骤四的方法如下：

42、具体地分别用wspr-ci和wnspr-ci对发送符号矩阵s进行相乘得到最终的发送矢量为：

43、xspr-ci＝wspr-ci*s

44、xnspr-ci＝wnspr-ci*s。

45、此外，本发明还提出一种基于符号级预编码的蓝牙自组网预编码装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现任一项所述的基于符号级预编码的蓝牙自组网预编码方法。

46、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

47、无论是spr-slp还是nspr-slp，其性能都远优于传统的zf-blp技术，并且nspr-slp的ber性能增益相较spr-slp更显著。在蓝牙自组网4×4mimo场景下，在10-2这一ber量级上，spr-slp相较zf-blp有2db的性能增益，而nspr-slp则有6db的ber性能增益。在蓝牙自组网8×8mimo场景下在10-2这一ber量级上，spr-slp相较zf-blp有5db的性能增益，而nspr-slp则有10db的ber性能增益。