CN103684687B - 一种矿井巷道上行mc‑cdma无线传输协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井巷道上行MC‑CDMA无线传输协作方法。首先基于基站接收到矿井巷道各移动用户的瞬时信噪比和用户位置信息，由基站为与基站间信道状况较差矿井巷道移动用户选择一个与基站间信道状况较好的协作伙伴。然后协作双方对要传输的信息进行时频编码：对信源经过调制的数据流进行码元分组，再依次进行循环冗余编码、卷积编码和时频变换，形成时频码的第一、二部分。最后协作双方将上行传输时隙均分成两个时间周期，分别传输自身时频码的第一部分和协作伙伴时频码的第二部分。本发明显著提高了与基站间信道状况较差矿井巷道移动用户的信道容量和误码率性能，从而使井下无线通信系统的性能得到显著改善。

Description

一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法

技术领域

本发明属于井下通信技术领域，具体涉及一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法。

背景技术

相比于地面无线信道，矿井巷道无线信道多径衰落更加严重，严重影响了煤矿井下无线通信系统的性能。高效综合地利用煤矿井下通信系统的空间、时间和频率等各种资源，可以使煤矿井下无线通信系统的无线覆盖性能、容量和速率等得到显著地提高。

多载波调制能有效抗多径衰落，为在移动环境所带来的高度不利的无线信道条件下传输高速数据提供了一种好的解决办法。而码分多址(CodeDivision MultipleAccess,CDMA)具有抗干扰能力强、误码率低和抗多径衰落的突出优点。矿井巷道频率资源是开放的，以多载波技术融合CDMA技术是矿井巷道无线通信的理想基础调制技术之一。在煤矿井下无线传输信道与带状受限空间结构的条件下，在上行链路中采用多载波码分多址(MC-CDMA)无线传输，可以通过充分利用矿井巷道开放的频率资源，克服多径衰落严重对矿井巷道无线传输造成不利的影响。

协作分集利用无线信道的广播特性，通过多个移动用户相互协作获得上行链路发射分集，可以有效对抗无线信道多径衰落，提高数据速率。矿井巷道空间是受限的带状空间，非常适宜采用协作多跳的无线通信方式。通过为与基站间信道状况较差用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，可以显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。这样就不会因为用户移动到信道状况较差的地点，而导致基站与用户间的信道容量衰减过大、通信质量很差甚至通信中断等情况的发生。

协作分集的方式主要有放大转发(AmplifyandForward,AF)、解码转发(DecodeandForward,DF)和编码协作(CodedCooperation,CC)等3种方式。放大转发和解码转发只是重复转发所接收到的信息比特，效率较低。而编码协作在本质上是将码字分为2个部分，每一个部分都由协作伙伴之一进行传送，不仅获得了编码增益，而且还可以在协作伙伴之间十分灵活地分配信道编码符号，编码效率很高。

协作分集的一个关键问题是如何从小区内其他用户中为与基站间信道状况较差的目标用户选择协作伙伴。协作伙伴的选择要综合考虑基站与小区内其他用户及目标用户与小区内其他用户之间的信道状况。煤矿井下巷道为典型的带状结构，矿井巷道移动用户之间的信道状况与用户之间的距离有很大的相关性。这样，基站可以基于矿井巷道移动用户的位置信息对用户之间的信道状况进行度量，基于接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比对自身与用户间的信道状况进行判断。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，在进行矿井巷道上行通信时，首先进行协作伙伴选择，为与基站间信道状况较差目标用户选择一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，然后双方进行矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作。

本发明所采用的技术方案是：

一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，包括矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作和协作伙伴选择两个部分，所述矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作由时频编码模块和协作传输模块实现，包括以下步骤

时频编码模块

对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控(BinaryPhaseShift Keying，BPSK)调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，F=P*R-N；

对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列(FrameCheck Sequence,FCS)，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；

对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为P的卷积编码帧，作为矿井巷道移动用户时频码的第一部分，通过调整F，保证P为2的整数次幂；

对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码的第二部分。

协作传输模块

将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期，用户在第一个时间周期传输自身时频码的第一部分，在第二个时间周期传输协作伙伴或自身时频码的第二部分。在第二个时间周期传输协作伙伴还是自身时频码的第二部分取决于用户对接收到的协作伙伴第一个时间周期的信号能否成功译码，即经循环冗余校验是否正确。若正确，传输协作伙伴时频码的第二部分；若错误，则传输自身时频码的第二部分。协作伙伴时频码的第二部分可由接收到的协作伙伴时频码的第一部分直接经时频变换得到，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分。另外，如果用户没有协作伙伴，则其在第一个和第二个时间周期分别传输自身时频码的第一和第二部分。

a.矿井巷道移动用户在第一个时间周期或第二个时间周期的具体传输

对每个要传输的时频码第一部分或第二部分进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据流，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；

每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G一般取16、32或64；

对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

对频域扩频后的P*G路并行信号进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将各路信号调制到相应的子载波上；

将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射；

基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换(IFFT)对应的快速傅里叶变换(FFT)，恢复出P*G个子载波上的信号；

对基站或协作伙伴恢复出的P*G个子载波上的信号都进行与发射端对应的解扩与匹配滤波处理，得到对应矿井巷道移动用户P*G个子载波解扩与匹配滤波处理后的信号；

将每个扩频支路传输相同信息的G个子载波上的信号进行正交恢复合并，得到矿井巷道移动用户P个扩频支路上发射信号的判决变量；

对P个扩频支路上发送信号的判决变量按发射端码元分组的顺序进行排序，形成每组有P个码元的并行数据流；

对每个码字组进行P:1的并串变换，形成串行数据流；

对串行数据流进行与发射相对应的卷积解码、循环冗余校验并去除N位帧检验序列及BPSK解调，恢复出数据信号。对第二个时间周期接收到的信号，在卷积解码前还要进行与发射相对应的时频逆变换，即将位于后半部分的码字移回至前半部分，将位于前面部分的码字移回至后半部分。

b.基站对接收到的矿井巷道各移动用户信号的最终处理

基站将第二个时间周期接收到的矿井巷道各移动用户的数据信号与第一个时间周期接收到的各用户的数据信号进行匹配，确定用户在第二个时间周期传输的是协作伙伴还是自身时频码的第二部分；

将传输同一矿井巷道移动用户数据的卷积解码前的信号，进行等增益的信号直接相加合并得到判决变量；

将得到的判决变量进行与发射相对应的卷积解码、去除N位帧检验序列及BPSK解调，得到矿井巷道移动用户的信宿。

一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作方法，所述协作伙伴选择包括以下步骤

在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基于误比特率对基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比设置一个门限值η；

当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比大于门限值η时，该用户进入协作伙伴备选组；当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比小于门限值η时，需要基站为其选择协作伙伴；

对于需要分配协作伙伴的矿井巷道移动用户，基站根据矿井巷道中各移动用户位置信息，从协作伙伴备选组为该矿井巷道移动用户选择一个距其最近的用户，作为其协作伙伴。

有益效果

首先，在矿井巷道上行MC-CDMA无线传输中，通过为与基站间信道状况较差矿井巷道移动用户寻找一个与基站间信道状况较好的协作伙伴，能显著提高信道状况较差用户的信道容量和误码率性能。这样就不会因为矿井巷道移动用户移动到信道状况较差的地点，而导致基站与用户间的信道容量衰减过大、通信质量很差甚至通信中断等情况的发生。从而增强了井下无线通信系统信道容量的鲁棒性和通信的可靠性，使井下无线通信系统的性能得到显著改善。

其次，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，进行集中式协作伙伴选择，由基站为与基站间的信道状况较差的目标用户分配一个与基站间的信道状况较好的协作伙伴，可以充分利用矿井巷道蜂窝网络中基站强大的处理能力。

附图说明

图1为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统；

图2为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统发射机框图；

图3为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统接收机框图；

图4为矿井巷道上行MC-CDMA无线传输时频编码过程；

图5为矿井巷道上行MC-CDMA无线传输时频编码协作与时频编码非协作传输方式对比；

图6为矿井巷道上行MC-CDMA无线传输时频编码协作与时频编码非协作误比特率性能对比；

图7为矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统仿真参数；

图8巷道中随机分布有120个用户时矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输目标用户性能图；

图9巷道中随机分布有24个用户时矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输目标用户性能图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，包括无线传输协作和无线协作伙伴选择的两个部分，所述无线传输协作由时频编码模块和协作传输模块实现。

实施例1：以下对本发明的方法加以论述：

考虑图1显示的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输系统，采用图2和图3显示的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA收发机进行传输。基站已知其小区范围内所有矿井巷道移动用户的位置信息，如用户位于其哪一侧以及距离信息等。所有矿井巷道移动用户都有数据要发，收发双方均已知信道的状态信息。当目标用户与基站间信道状况较差时，基站按一定的规则为其选择一个与基站间信道状况较好协作伙伴。

1.发射信号

考察系统中有K(K＞0)个用户的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，任一用户k的发射过程。将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期。用户k的信源经过二相移相键控(BPSK)调制后首先分为符号组，每组有F个比特或码元，将任一符号组的F个符号表示为[a_k ⁽¹⁾,…,a_k ^(F)]，取值为+1或-1，周期为T₁。图4给出了矿井巷道上行MC-CDMA无线传输时频编码过程，每组的F个符号依次经过循环冗余编码即插入N位帧检验序列、码率为R的卷积编码和时频变换形成时频码。时频码包括两个部分，分别在两个时间周期传输。

假定用户k由卷积码编码形成的编码帧为：

$S_k^1=[S_1,...,S_{P/2},S_{P/2+1},....S_P]$ [公式1]

那么，经过时频变换后，时频码字可以表示为：

$C_k=[S_k^1,S_k^2]=\left[\begin{array}{c}{S}_1,...,S_{P/2},S_{P/2+1},...,S_P\\ {-S}_{P/2+1},...,{-S}_P,S_1,...,S_{P/2}\end{array}\right]$ [公式2]

式中，第一行和第二行分别对应时频码码字的第一部分和第二部分。

图5（a）给出了矿井巷道上行MC-CDMA无线传输的时频编码协作传输方式。用户在第一个时间周期传输自身时频码的第一部分，在第二个时间周期传输协作伙伴或自身时频码的第二部分。在第二个时间周期传输协作伙伴还是自身时频码的第二部分取决于用户对接收到的协作伙伴第一个时间周期的信号能否成功译码，即经循环冗余校验是否正确。若正确，传输协作伙伴时频码的第二部分；若错误，则传输自身时频码的第二部分。协作伙伴时频码的第二部分可由接收到的协作伙伴时频码的第一部分直接经时频变换得到，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分。另外，图5（b）给出了如果用户没有协作伙伴，在第一个和第二个时间周期分别传输自身时频码的第一和第二部分的传输方式。

简单起见，将用户k由P个码元组成的时频码任一部分记为[S_k ¹,…,S_k ^P]，取值为+1或-1，周期为T₂=P*T₁/F。每组的P个符号经过1:P的串并变换后分割成P路独立的数据流，串并变换后的符号周期为T_b=P*T₂，将分别由P个扩频支路发送出去。串并变换后每一路的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，然后进行频域扩频，再对频域扩频后的P*G路并行信号通过快速傅里叶逆变换(IFFT)运算调制到相应的N_c=P*G个子载波上，各子载波信号相加后发射，即每个符号都经过MC-CDMA调制后由用户天线发射出去。对上述发射过程，用户k在发射天线上所发射的信号为：

$x_k\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{2E}_s}{S}_k^p\left(t\right)c_{k_{,g}}\left(t\right)\exp \left(j2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{nc}}t\right),n_v=(p-1)*G+g$ [公式3]

式中，每个用户每个子载波具有相同的比特功率E_s，f_nc为第n_c个子载波的中心频率，n_c=(p-1)*G+g，c_k(t)=[c_k,1(t),…,c_k,G(t)]是用户k的扩频码波形。

2.信道模型

假设将矿井巷道等价成如图1所示宽为2a，高为2b的长方体，巷道长度为L，巷道中随机分布有K个用户，基站位于巷道中部，系统工作在UHF频段，这时矿井巷道壁可视为低损耗介质，其电导率σ一般在10^-2～10^-3量级，介电常数一般在5～10之间，巷道可视为非理想空心介质矩形波导。以巷道中心点为原点建立笛卡尔坐标系，用(x_k,y_k,z_k)表示发射点用户k的坐标；用(x_q,y_q,z_q)表示接收点基站或用户k的协作伙伴q的坐标。

由于矿井巷道上行MC-CDMA无线传输系统各子载波是窄带的，因此对各子载波可采用矿井巷道单载波窄带信道模型。利用边界条件解麦克斯韦方程，可以得到电磁场分布的多个解，每个解对应于一个传播模型(m,n)，m和n是模型阶数，分别表示经巷道垂直墙壁和水平墙壁反射的次数。这里，水平墙壁指的是地面和顶板。考虑发射天线为x极化，每个传播模型对应不同的电磁场分布和衰减速率，分别用电磁场波动方程对应的特征方程和衰减系数及相移系数来表示，它们分别为：

[公式4]

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{a}{\left(\frac{\mathrm{m\π}}{{2\mathrm{ak}}_0}\right)}^2\mathrm{Re}\frac{\stackrel{\‾}{k_v}}{\sqrt{\stackrel{\‾}{k_v}-1}}+\frac{1}{b}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{{2\mathrm{ak}}_0}\right)}^2\mathrm{Re}\frac{1}{\sqrt{\stackrel{\‾}{k_h}-1}}$ [公式5]

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{mn}}=\sqrt{k_0^2-{\left(\frac{\mathrm{m\π}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{2b}\right)}^2}$ [公式6]

当m为偶数时，当m为奇数时，当n为奇数时，当n为偶数时，公式4-公式6中，电磁波波数和巷道墙壁相对电气参数分别为：

$k_0={2\mathrm{\πf}}_{n_c}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_a}$ [公式7]

$\stackrel{\‾}{k_v}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_v+\frac{{\mathrm{\σ}}_v}{{j2\mathrm{\πf}}_{n_c}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_a+\frac{{\mathrm{\σ}}_a}{{j2\mathrm{\πf}}_{n_c}}}$ [公式8]

$\stackrel{\‾}{k_h}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_h+\frac{{\mathrm{\σ}}_h}{{j2\mathrm{\πf}}_{n_c}}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_a+\frac{{\mathrm{\σ}}_a}{{j2\mathrm{\πf}}_{n_c}}}$ [公式9]

其中，ε_v,ε_h,ε_a分别为垂直墙壁、水平墙壁和巷道中空气相对介电常数；σ_v,σ_h,σ_a分别为垂直墙壁、水平墙壁和巷道中空气电导率;f_nc为MC-CDMA第n_c个窄带子载波的中心频率。

巷道内发射点(x_k,y_k,z_k)与接收点(x_q,y_q,z_q)之间第n_c个子载波对应信道增益，可以通过接收点处所有强度足够大的传播模型的增益的叠加得到，大多数情况下,考虑前50个模型即m+n<10即可。

用户k与其协作伙伴或基站q之间第n_c个子载波信道的脉冲响应可以表示为：

$h_{k,q}\left(n_c\right)=\sqrt{G_t{G}_r}\underset{(m,n)\&Element;N\mathrm{mode}}{\mathrm{\&Sigma;}}{G}_{\mathrm{mn}}\&CenterDot;E_{m,n}^{\mathrm{eign}}(x_k,y_k)\&CenterDot;e^{-(a_{\mathrm{mn}}+{\mathrm{j\&beta;}}_{\mathrm{mn}})\&CenterDot;}|z_k-z_p|$ [公式10]

其中，G_t、G_r分别是发射天线和接收天线的增益，C_mn是传播模型(m,n)的强度：

$C_{\mathrm{mn}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{ab}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{m\&pi;}}{{2\mathrm{ak}}_0}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{n\&pi;}}{{2\mathrm{bk}}_0}\right)}^2}}{E}_{m,n}^{\mathrm{eign}}(x_q,y_q)$ [公式11]

3.接收信号

经历了公式10和公式11所描述的信道后，基站或用户k的协作伙伴q接收到的信号可表示为：

$y_q\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt{{2E}_s}{h}_{\text{k,q}}\left(n_c\right)S_k^p(t-{\mathrm{\&tau;}}_{k,q})c_{k,g}(t-{\mathrm{\&tau;}}_{k,q})$

[公式12]

$\&CenterDot;\exp \left({j2\mathrm{\&pi;f}}_{n_c}t\right)+v^q\left(t\right),n_c=(p-1)*G+g$

其中，τ_k,q为用户k到其协作伙伴或基站q的的传播时延，v^q(t)表示基站或用户k的协作伙伴q均值为零，双边功率谱密度为N₀2的加性高斯白噪声。

4.信号的解调

接收到的信号经过快速傅里叶变换(FFT)恢复出各子载波的信号，对用户每一子载波的信号都进行与发射端对应的解扩与匹配滤波处理，得到用户每一子载波解扩与匹配滤波处理后的信号。

不失一般性，假设第一个用户的第i组第p个数据符号为其协作伙伴或基站q的期望信号，令τ_1,q=0。对上述接收过程，第l（l=(p-1)*G+1,…,p*G）个子载波解扩与匹配滤波处理后的输出信号x_1,l ^q(i)为：

$\begin{array}{c}{x}_{1,l}^q\left(i\right)=\frac{2}{T_b}{\&Integral;}_{(i-1)T_b}^{{\mathrm{iT}}_b}{y}_q\left(t\right)c_{1,g}\left(t\right)\exp (-j2\mathrm{\&pi;}{f}_{l}t)\mathrm{dt}\\ =\sqrt{{2E}_s}{h}_{1,q}\left(l\right)S_1^p\left(i\right)\\ +\sqrt{{2E}_s}\underset{k=2}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{k,q}\left(l\right)S_k^p\left(i\right)c_{1,g}{c}_{k,g}\\ +\frac{2\sqrt{{2E}_s}}{T_b}{\&Integral;}_{(i-1)T_b}^{{\mathrm{iT}}_b}{v}^q\left(t\right)c_{1,g}\cos \left(2{\mathrm{\&pi;f}}_{l}t\right)\mathrm{dt}\\ =D_{1,l}^q+I_{1,l}^q+v_{1,l}^q,g=l-(p-1)*G\end{array}$ [公式13]

公式13中，D_1,l ^q表示基站或第一个用户的协作伙伴q接收到第一个用户的第i组第p个数据符号在第l(l=(p-1)*G+1,…,p*G)个子载波上的期望信号：

$D_{1,l}^q=\sqrt{{2E}_s}{h}_{{1,}_q}\left(l\right)S_1\left(i\right)$ [公式14]

系统的噪声和干扰特性对所提出接收方法的性能具有重要的影响。下面对公式13中的噪声和干扰先进行分析。

对公式10和公式11所描述的信道，由于各子载波之间具有正交关系，仅存在其他用户相同载波之间的干扰I_1,l ^q：

$I_{1,l}^q=\sqrt{{2E}_s}\underset{k=2}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{k,q}\left(l\right)S_k^p\left(i\right)c_{1,g}{c}_{k,g},g=l-(p-1)*G$ [公式15]

根据中心极限定理，当K较大时，I1,lq可以近似为均值为零的高斯随机变量。

v_1,l ^q为噪声项：

$v_{1,l}^q=\frac{2\sqrt{{2E}_s}}{T_b}{\&Integral;}_{(i-1)T_b}^{{\mathrm{iT}}_b}{v}^q\left(t\right)c_{1,g}\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{l}t\right)\mathrm{dt},g=l-(p-1)*G$ [公式16]

由于干扰项I_1,l ^q和噪声项v_1,l ^q互不相关，总的干扰也可以近似为零均值的高斯随机变量，其方差记为σ²。

5.频域合并方案

每个扩频支路对应一个频域合并模块，将属于同一扩频支路的输出数据流并行送入与该扩频支路对应的频域合并模块进行信号的频域合并，得到用户在每一个扩频支路上发射信号的判决变量。频域合并可采用最大比合并(Maximal RatioCombining，MRC)方案和正交恢复合并(OrthogonalityRestoring Combining，ORC)方案，下面进行相关讨论。

在最大比合并方案中，每个频域合并模块尽可能利用信噪比高的数据流支路的信息，它的各个数据流支路的合并权重正比于该数据流支路信号的幅值。因此，该方案适用于用户较少，加性噪声影响占主导的情况。正交恢复合并方案是尽量恢复各用户信号之间的正交性，每个频域合并模块各个数据流支路的合并权重与各数据流支路对应的子载波的信道状况成反比。因此，该方案适用于用户较多，多址干扰较强的情况。考虑到矿井巷道移动用户分布比较密集，本发明采用了正交恢复合并方案。

假设第p个频域合并模块输入的第g个数据流支路的合并权重为G_g，则频域合并后期望用户1的第p个扩频支路发射信号的判决变量为：

$Z_1^p=\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_g{x}_{1,l}^q,j=(p-1)*G+g$ [公式17]

总的干扰和噪声功率W_T ^p为各支路的干扰和噪声功率的加权和，有

$W_T^p=\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{G}_g^2{\mathrm{\&sigma;}}^2(h_{1,q}^{*}\left(l\right)h_{1,q}{\left(l\right))}^{-1},l=(p-1)*G+g$ [公式18]

6.数据恢复

将频域合并得到的用户k的输出信号按发射端码元分组的顺序进行排序，然后进行P:1的并串变换，形成串行数据流[Z_k ¹,…,Z_k ^P]，再对串行数据流进行与发射相对应的卷积解码、循环冗余校验并去除N位帧检验序列及BPSK解调，恢复出数据信号对第二个时间周期接收到的信号，在卷积解码前还要进行与发射相对应的时频逆变换，即将位于后半部分的码字移回至前半部分，将位于前面部分的码字移回至后半部分。

7.基站对用户数据的最终处理

基站将第二个时间周期接收到的矿井巷道各移动用户的数据信号与第一个时间周期接收到的各用户的数据信号进行匹配，确定用户在第二个时间周期传输的是协作伙伴还是自身时频码的第二部分。然后将传输同一矿井巷道移动用户数据的卷积解码前的信号，进行等增益的信号直接相加合并得到判决变量。再将得到的判决变量进行与发射相对应的卷积解码、去除N位帧检验序列及BPSK解调，得到矿井巷道移动用户的信宿

8.协作伙伴选择

针对图1（b）和图1（c）矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基站与目标用户间信道状况较差的情况，在为目标用户从小区其他矿井巷道移动用户中选择协作伙伴时，要综合考虑基站与小区其他矿井巷道移动用户之间的信道状况以及目标用户与小区其他矿井巷道移动用户之间的信道状况。前者决定协作分集的效果，而后者则决定协作能否正常进行。例如，当图1（b）中目标用户与协作伙伴间的信道状况太差，导致协作伙伴不能成功译码目标用户时频编码码字的第一部分时，协作伙伴在第二个时间周期会发送自身时频编码码字第二部分。这样，协作将无法正常进行，也就无法通过协作提高目标用户的信道容量和误码率性能。

对于图1给出的矿井巷道带状结构，基站可根据接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比，判断自身与矿井巷道各移动用户间的信道状况。然而，由于矿井巷道中移动用户数目及所处位置的随机性，基站很难获知矿井巷道各移动用户之间的瞬时接收信噪比。因而，基站难以利用矿井巷道各移动用户之间的瞬时接收信噪比判断各用户之间的信道状况。但对带状结构的煤矿井下巷道而言，矿井巷道各移动用户之间的信道状况通常决定于用户之间的距离，为此提出了基站基于矿井巷道各移动用户位置信息对各用户之间信道状况进行度量的策略。这样，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基站就可以基于接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比和用户位置信息，动态为与基站间信道状况较差的矿井巷道移动用户选择一个与基站间信道状况较好的矿井巷道移动用户作为协作伙伴来保证通信质量。

实施例2：

本发明的方法适用于任何在上行链路采用时频编码协作MC-CDMA传输方案的矿井巷道移动通信系统。

参照图1、图2、图3、图4和图5，一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法的具体步骤包括：

1)时频编码模块

步骤1，任一矿井巷道移动用户k信源经过二相移相键控（BPSK）调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，每组的F个码元表示为[a_k ⁽¹⁾,…,a_k ^(F)]，取值为+1或-1，周期为T₁；

步骤2，对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列(FCS)；

步骤3，对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为P的卷积编码帧，作为矿井巷道移动用户时频码的第一部分；

步骤4，对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码的第二部分。将由P个码元组成的时频码任一部分记为[S_k ¹,…,S_k ^P]，取值为+1或-1，周期为T₂=P*T₁/F。

2)协作传输模块

将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期，用户在第一个时间周期传输自身时频码的第一部分，在第二个时间周期传输协作伙伴或自身时频码的第二部分。在第二个时间周期传输协作伙伴还是自身时频码的第二部分取决于用户对接收到的协作伙伴第一个时间周期的信号能否成功译码，即经循环冗余校验是否正确。若正确，传输协作伙伴时频码的第二部分；若错误，则传输自身时频码的第二部分。协作伙伴时频码的第二部分可由接收到的协作伙伴时频码的第一部分直接经时频变换得到，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分。另外，如果用户没有协作伙伴，则其在第一个和第二个时间周期分别传输自身时频码的第一和第二部分。

a.矿井巷道移动用户在第一个时间周期或第二个时间周期的具体传输

步骤1，对每个要传输的时频码第一部分或第二部分[S_k ¹,…,S_k ^P]进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据流[S_k ¹,…,S_k ^P]^T，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射，串并变换后的码元周期为T_b=P*T₂，[]^T表示转置运算；

步骤2，每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；

步骤3，对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码，得到用户k第p路独立数据流复制后得到的任一支路g频域扩频后的信号为：

$S_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)$

其中，c_k(t)=[c_k,1(t),…,c_k,G(t)]是用户k的扩频码波形；

步骤4，对频域扩频后的P*G路并行信号进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将各路信号调制到相应的子载波上，得到用户k第p个符号调制后任一子载波n_c(n_c=(p-1)*G+1,…,p*G)上所发射的信号：

$\sqrt{{2E}_s}{S}_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)\exp \left(j2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{nc}}t\right),g=n_c-(p-1)*G$

其中，E_s为用户每个子载波的比特功率，f_nc为第n_c个子载波的中心频率；

步骤5，将调制后N_c=P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射，用户k在发射天线上所发射的信号为：

$x_k\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt{{2E}_s}{S}_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)\exp \left(j2\mathrm{\&pi;}{f}_{\mathrm{nc}}t\right),n_c=(p-1)*G+g$

步骤6，基站或协作伙伴q接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换(IFFT)对应的快速傅里叶变换(FFT)，恢复出P*G个子载波上的信号，任一子载波n_c上的信号为：

$y_q\left(t\right)\exp (-j2\mathrm{\&pi;}{f}_{n_c}t)$

其中，y_q(t)为接收信号；

步骤7，对基站或协作伙伴q恢复出的P*G个子载波上的信号都进行与发射端对应的解扩与匹配滤波处理，得到对应矿井巷道移动用户k的P*G个子载波解扩与匹配滤波处理后的信号，与用户k第i组第p个数据符号对应的任一子载波l(l=(p-1)*G+1,…,p*G)上的解扩与匹配滤波处理后的信号为：

$x_{k,l}^q\left(i\right)=\frac{2}{T_b}{\&Integral;}_{(i-1)T_b}^{{\mathrm{iT}}_b}{y}_q\left(t\right)c_{1,g}\left(t\right)\exp (-12\mathrm{\&pi;}{f}_{l}t)\mathrm{dt},g=l-(p-1)*G$

步骤8，将每个扩频支路传输相同信息的G个子载波上的数据流送入相应的频域合并模块进行信号的频域合并，频域合并采用正交恢复合并，得到矿井巷道移动用户在P个扩频支路上发射信号的判决变量，用户k的第p个扩频支路发射信号的判决变量为：

$Z_k^q=\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{1,l}^q,l=(p-1)*G+g$

步骤9，对P个扩频支路上发送信号的判决变量按发射端码元分组的顺序进行排序，形成每组有P个码元的并行数据流[Z_k ¹,…,Z_k ^P]^T；

步骤10，对每个码字组进行P:1的并串变换，形成串行数据流[Zk1,…,ZkP]；

步骤11，对串行数据流进行与发射相对应的卷积解码、循环冗余校验并去除N位帧检验序列及BPSK解调，恢复出数据信号对第二个时间周期接收到的信号，在卷积解码前还要进行与发射相对应的时频逆变换，即将位于后半部分的码字移回至前半部分，将位于前面部分的码字移回至后半部分。

b.基站对接收到的矿井巷道各移动用户信号的最终处理

步骤1，基站将第二个时间周期接收到的矿井巷道各移动用户的数据信号与第一个时间周期接收到的各用户的数据信号进行匹配，确定用户在第二个时间周期传输的是协作伙伴还是自身时频码的第二部分；

步骤2，将传输同一矿井巷道移动用户数据的卷积解码前的信号，进行等增益的信号直接相加合并得到判决变量；

步骤3，将得到的判决变量进行与发射相对应的卷积解码、去除N位帧检验序列及BPSK解调，得到矿井巷道移动用户的信宿

在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基于基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比和用户位置信息，由基站为与基站间信道状况较差目标用户动态选择协作伙伴。参照图1，一种矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作方法所述协作伙伴选择的具体步骤包括：

步骤1，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基于误比特率对基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比设置一个门限值η；

步骤2，当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比大于门限值η时，该用户进入协作伙伴备选组，如图1中椭圆内的用户；当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比小于门限值η时，需要基站为其选择协作伙伴，如图1中椭圆外的用户；

步骤3，对于图1中椭圆外需要分配协作伙伴的矿井巷道移动用户，基站根据矿井巷道中各移动用户位置信息，从协作伙伴备选组为该矿井巷道移动用户选择一个距其最近的用户，作为其协作伙伴。

为评估所提出的矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法的性能，对矿井巷道移动用户信道容量进行仿真计算，并对用户误比特率进行蒙特卡洛仿真。如图1所示，假设巷道宽度2a为10m，高度2b为6m，基站和矿井巷道移动用户均处于巷道1/4轴线上，则基站在矿井巷道笛卡尔坐标系中的坐标为(2.5,1.5,0)，各矿井巷道移动用户的坐标为(2.5,-1.5,z)，z为矿井巷道移动用户距原点或基站的轴向距离。取载波中心频率为900MHz，目标用户和协作伙伴的z坐标分别为200和100。图4中进行循环冗余编码即插入FCS的生成多项式为G(x)=x3+x2+1,卷积编码的生成器为(7,[171,133])，表1给出了系统仿真参数。

图6给出了在矿井巷道上行MC-CDMA无线传输中，分别采用所提出的协作传输方式与传统非协作传输方式，目标用户及协作伙伴信道容量随发射信噪比变化情况的对比。为了比较的合理性，假设上述两种传输系统采用相同时频编码方式。从图6可以看出，采用所提出的协作传输方式虽牺牲了信道状况较好的协作伙伴的一部分信道容量，但显著提高了信道状况较差的目标用户的信道容量，即保证了信道容量不会因不同用户信道衰减变化而剧烈波动，从而有效保证了矿井巷道移动用户信道容量的鲁棒性。

图7给出了在矿井巷道上行MC-CDMA无线传输中，分别采用所提出的协作传输方式与传统非协作传输方式，目标用户及协作伙伴误码率性能随发射信噪比变化情况的对比。从图7可以看出在非协作情况下，由于目标用户信道条件较差，即使在发射信噪比较大的情况BER性能都很差，无法正常工作。但采用所提出的协作传输方式，当发射信噪比提高到34dB，目标用户的BER性能显著改善，而协作伙伴的BER性能损失并不很大。可见，采用所提出的协作传输方式，虽然牺牲信道状况较好的协作伙伴的一小部分误码率性能，但能显著提高信道状况较差的目标用户的误码率性能，即保证误码率性能不会因不同用户信道衰减变化而剧烈波动，从而有效保证了矿井巷道移动用户通信的可靠性。

图8和图9分别给出了巷道长度L取为1200m，瞬时接收信噪比的门限值η取为35dB，当巷道小区中随机分布的用户数K分别取120个和24个，采用所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作方法所述协作伙伴选择策略，目标用户在基站右侧并向远离基站的方向移动时，传输方式、信道容量及误比特率随目标用户距基站距离即目标用户z坐标的变化情况。传输方式描述的是目标用户是否与矿井巷道中其他移动用户协作传输信息。当目标用户如图1（a）所示，与基站间的瞬时接收信噪比大于门限值η，不需要协作伙伴时，采用图5（a）的传输方式，用0表示；当目标用户如图1（b）所示，与基站间的瞬时接收信噪比小于门限值η，并成功分得协作伙伴时，采用图5（b）的传输方式，用1表示。

从图8（a）和图9（a）以看出，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，当目标用户移动到距基站240m的位置时，基站与目标用户间的信道状况开始变差，需要通过协作来提高基站与目标用户间的信道容量和误码率性能，即图8（a）和图9（a）当目标用户移动到距基站240m以外的位置时，其传输方式主要是标号为“1”的协作传输。仅在部分位置，如距基站450m的位置，由于与基站间距离虽较大，信道状况却较好，传输方式是标号为“0”的非协作传输。从图8（b）和图9（b）可以看出，通过采用所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作伙伴选择算法，目标用户的信道容量一直保持在5Mbps以上。而图8（c）和图9（c）则表明了除在极个别位置外，目标用户的误比特率一直趋于0。可见，所提出的矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作方法所述协作伙伴选择策略简单、有效，保证了基站与目标用户间的信道容量和误比特率不会因目标用户移动到距基站较远的位置，与基站间的信道状况变差而产生剧烈的波动。从而有效保证了目标用户信道容量的鲁棒性和通信的可靠性。

从图8与图9还可以看出，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，矿井巷道中随机分布的用户数无论是120个还是24个，对该矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输协作方法所述协作伙伴选择策略有效性的影响不大。原因在于，只有在巷道中移动用户非常少时才会出现图1（c）目标用户需要协作伙伴，却分配不到的情况。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，其特征在于：包括矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作和协作伙伴选择两个部分，所述矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作由时频编码模块和协作传输模块实现，包括以下步骤

(1)时频编码模块

对矿井巷道每个移动用户信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，F＝P*R-N；

对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列，N的大小为编码所采用生成多项式的长度减1；

对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为P的卷积编码帧，作为矿井巷道移动用户时频码的第一部分，通过调整F，保证P为2的整数次幂；

对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码的第二部分；

(2)协作传输模块

将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期，用户在第一个时间周期传输自身时频码的第一部分，在第二个时间周期传输协作伙伴或自身时频码的第二部分，在第二个时间周期传输协作伙伴还是自身时频码的第二部分取决于用户对接收到的协作伙伴第一个时间周期的信号能否成功译码，即经循环冗余校验是否正确，若正确，传输协作伙伴时频码的第二部分；若错误，则传输自身时频码的第二部分；协作伙伴时频码的第二部分可由接收到的协作伙伴时频码的第一部分直接经时频变换得到，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分；另外，如果用户没有协作伙伴，则其在第一个和第二个时间周期分别传输自身时频码的第一和第二部分；

其中，

a.矿井巷道移动用户在第一个时间周期或第二个时间周期的具体传输

对每个要传输的时频码第一部分或第二部分进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据流，将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射；

每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流，G为16、32或64；

对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码；

对频域扩频后的P*G路并行信号进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上；

将调制后P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射；

基站或协作伙伴接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换对应的快速傅里叶变换，恢复出P*G个子载波上的信号；

对基站或协作伙伴恢复出的P*G个子载波上的信号都进行与发射端对应的解扩与匹配滤波处理，得到对应矿井巷道移动用户P*G个子载波解扩与匹配滤波处理后的信号；

将每个扩频支路传输相同信息的G个子载波上的信号进行正交恢复合并，得到矿井巷道移动用户P个扩频支路上发射信号的判决变量；

对P个扩频支路上发送信号的判决变量按发射端码元分组的顺序进行排序，形成每组有P个码元的并行数据流；

对每个码字组进行P:1的并串变换，形成串行数据流；

对串行数据流进行与发射相对应的卷积解码、循环冗余校验并去除N位帧检验序列及BPSK解调，恢复出数据信号，对第二个时间周期接收到的信号，在卷积解码前还要进行与发射相对应的时频逆变换，即将位于后半部分的码字移回至前半部分，将位于前面部分的码字移回至后半部分；

b.基站对接收到的矿井巷道各移动用户信号的最终处理

基站将第二个时间周期接收到的矿井巷道各移动用户的数据信号与第一个时间周期接收到的各用户的数据信号进行匹配，确定用户在第二个时间周期传输的是协作伙伴还是自身时频码的第二部分；

将传输同一矿井巷道移动用户数据的卷积解码前的信号，进行正交恢复合并得到判决变量；

将得到的判决变量进行与发射相对应的卷积解码、去除N位帧检验序列及BPSK解调，得到矿井巷道移动用户的信宿。

2.根据权利要求1所述矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，其特征在于：对任一用户k，包括以下时频编码协作步骤

(1)所述时频编码模块中，

步骤1，任一矿井巷道移动用户k信源经过二相移相键控调制的数据流进行码元分组，每组有F个码元，每组的F个码元表示为取值为+1或-1，周期为T₁；

步骤2，对每个码组进行循环冗余编码即插入N位帧检验序列；

步骤3，对插入FCS的码组进行码率为R的卷积编码，最终形成码元个数为P的卷积编码帧，作为矿井巷道移动用户时频码的第一部分；

步骤4，对作为矿井巷道移动用户时频码第一部分的卷积编码帧进行时频变换，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，作为矿井巷道移动用户时频码的第二部分，将由P个码元组成的时频码任一部分记为取值为+1或-1，周期为T₂＝P*T₁/F；

(2)所述协作传输中，

将矿井巷道移动用户上行传输时隙均分成两个时间周期，用户在第一个时间周期传输自身时频码的第一部分，在第二个时间周期传输协作伙伴或自身时频码的第二部分，在第二个时间周期传输协作伙伴还是自身时频码的第二部分取决于用户对接收到的协作伙伴第一个时间周期的信号能否成功译码，即经循环冗余校验是否正确，若正确，传输协作伙伴时频码的第二部分；若错误，则传输自身时频码的第二部分，协作伙伴时频码的第二部分可由接收到的协作伙伴时频码的第一部分直接经时频变换得到，即将位于后半部分的码字移至前半部分，将位于前面部分的码字移至后半部分，另外，如果用户没有协作伙伴，则其在第一个和第二个时间周期分别传输自身时频码的第一和第二部分；

a.矿井巷道移动用户在第一个时间周期或第二个时间周期的具体传输

步骤1，对每个要传输的时频码第一部分或第二部分进行1:P的串并变换，数据流被分成P路独立的并行数据流将被分配在MC-CDMA的P个扩频支路上分别独立发射，串并变换后的码元周期为T_b＝P*T₂，[]^T表示转置运算；

步骤2，每一路独立的数据流都经过1:G的复制，形成G路相同的并行数据流；

步骤3，对复制后的G路并行数据流用长度为G的扩频码进行频域扩频，不同的矿井巷道移动用户采用不同的扩频码，得到用户k第p路独立数据流复制后得到的任一支路g频域扩频后的信号为：

$S_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)$

其中，c_k(t)＝[c_k,1(t),…,c_k,G(t)]是用户k的扩频码波形；

步骤4，对频域扩频后的P*G路并行信号进行快速傅里叶逆变换，将各路信号调制到相应的子载波上，得到用户k第p个符号调制后任一子载波n_c，n_c＝(p-1)*G+1,…,p*G上所发射的信号：

$\sqrt{2E_s}{S}_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)\exp \left(j2{\mathrm{\&pi;f}}_{nc}t\right),g=n_c-(p-1)*G$

其中，E_s为用户每个子载波的比特功率，f_nc为第n_c个子载波的中心频率；

步骤5，将调制后N_c＝P*G路子载波上的信号相加后在矿井巷道移动用户的天线上发射，用户k在发射天线上所发射的信号为，

$x_k\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt{2E_s}{S}_k^p\left(t\right)c_{k,g}\left(t\right)\exp \left(j2{\mathrm{\&pi;f}}_{nc}t\right),n_c=(p-1)*G+g$

步骤6，基站或协作伙伴q接收到的信号是矿井巷道各移动用户的信号和噪声的叠加，对接收到的信号进行与发射端快速傅里叶逆变换对应的快速傅里叶变换，恢复出P*G个子载波上的信号，任一子载波n_c上的信号为：

$y_p\left(t\right)\exp (-j2\mathrm{\&pi;}{f}_{n_c}t)$

其中，y_q(t)为接收信号；

步骤7，对基站或协作伙伴q恢复出的P*G个子载波上的信号都进行与发射端对应的解扩与匹配滤波处理，得到对应矿井巷道移动用户k的P*G个子载波解扩与匹配滤波处理后的信号，与用户k第i组第p个数据符号对应的任一子载波l，l＝(p-1)*G+1,…,p*G上的解扩与匹配滤波处理后的信号为：

$x_{k,l}^q\left(i\right)=\frac{2}{T_b}{\&Integral;}_{(i-1)T_b}^{{\mathrm{iT}}_b}{y}_q\left(t\right)c_{1,g}\left(t\right)\exp (-j2{\mathrm{\&pi;f}}_{l}t)dt,g=l-(p-1)*G$

步骤8，将每个扩频支路传输相同信息的G个子载波上的数据流送入相应的频域合并模块进行信号的频域合并，频域合并采用正交恢复合并，得到矿井巷道移动用户在P个扩频支路上发射信号的判决变量，用户k的第p个扩频支路发射信号的判决变量为：

$Z_k^p=\underset{g=1}{\overset{G}{\&Sigma;}}{x}_{1,l}^q,l=(p-1)*G+g$

步骤9，对P个扩频支路上发送信号的判决变量按发射端码元分组的顺序进行排序，形成每组有P个码元的并行数据流

步骤10，对每个码字组进行P:1的并串变换，形成串行数据流

步骤11，对串行数据流进行与发射相对应的卷积解码、循环冗余校验并去除N位帧检验序列及BPSK解调，恢复出数据信号对第二个时间周期接收到的信号，在卷积解码前还要进行与发射相对应的时频逆变换，即将位于后半部分的码字移回至前半部分，将位于前面部分的码字移回至后半部分；

b.基站对接收到的矿井巷道各移动用户信号的最终处理

步骤1，基站将第二个时间周期接收到的矿井巷道各移动用户的数据信号与第一个时间周期接收到的各用户的数据信号进行匹配，确定用户在第二个时间周期传输的是协作伙伴还是自身时频码的第二部分；

步骤2，将传输同一矿井巷道移动用户数据的卷积解码前的信号，进行等增益的信号直接相加合并得到判决变量；

步骤3，将得到的判决变量进行与发射相对应的卷积解码、去除N位帧检验序列及BPSK解调，得到矿井巷道移动用户的信宿

3.根据权利要求1所述的矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，其特征在于：所述协作伙伴选择包括以下具体步骤

在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基于误比特率对基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比设置一个门限值η；

当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比大于门限值η时，该用户进入协作伙伴备选组；当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比小于门限值η时，需要基站为其选择协作伙伴；

对于需要分配协作伙伴的矿井巷道移动用户，基站根据矿井巷道中各移动用户位置信息，从协作伙伴备选组为该矿井巷道移动用户选择一个距其最近的用户，作为其协作伙伴。

4.根据权利要求3所述的矿井巷道上行MC-CDMA无线传输协作方法，其特征在于：对任一用户k，包括以下协作伙伴选择步骤

步骤1，在矿井巷道上行时频编码协作MC-CDMA无线传输中，基于误比特率对基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比设置一个门限值η；

步骤2，当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比大于门限值η时，该用户进入协作伙伴备选组；当基站接收到矿井巷道移动用户的瞬时信噪比小于门限值η时，需要基站为其选择协作伙伴；

步骤3，对于需要分配协作伙伴的矿井巷道移动用户，基站根据矿井巷道中各移动用户位置信息，从协作伙伴备选组为该矿井巷道移动用户选择一个距其最近的用户，作为其协作伙伴。