CN104363077B - 带地面中继的卫星移动通信系统空时码的编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带地面中继的卫星移动通信系统空时码的编码方法。在卫星移动通信系统中，常引入中继以获得更高的传输可靠性。本发明方法基于带中继卫星移动通信系统设计空时码，可以在不牺牲传输速率的情况下获得更高的传输可靠性。本发明方法先选定要设计的空时码长度，再设计构造矩阵解决发送符号与接收信号之间的平均互信息最大化问题。在构造矩阵的设计过程中遵循的能量分配准则为：信道每一次使用时，各个发送符号分配到相同的发送功率。采用本发明方法设计的空时码，可以获得接近系统遍历容量的平均互信息并具有良好的误码性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体是信道编码领域中的空时编码技术，涉及一种带地面中继的卫星移动通信系统中采用最大互信息准则进行空时编码的方法。
背景技术
一般情况下，人们可以利用运营商铺设的基站进行移动通信。但是，在某些地点，如飞机上、长途火车或汽车上、远洋轮船上，基站很难甚至不可能覆盖到；在某些时间，如战争期间、自然灾害之后，基站无法在短时间内恢复正常工作。在这些特殊情况下，利用卫星网络来获得移动通信服务成为唯一可行的方式。
利用分集技术来构造多输入多输出系统是一种常用的提高频谱利用效率的方法。卫星移动通信系统中常见的分集技术有利用多个卫星构造多输入多输出系统的轨道分集技术、利用极化天线构造多输入多输出系统的极化分集技术和利用中继设施构造多输入多输出系统的合作分集技术。其中利用中继设施构造多输入多输出系统的合作分集技术因其系统成本低，能有效解决遮挡问题而具有较高的应用价值。
引入中继设施后，常用的转发协议有放大转发协议(AF)，译码转发协议(DF)，和非正交放大转发协议(NAF)。和不采用中继的情况相比，放大转发协议和译码转发协议牺牲了部分传输速率来获得更高的传输可靠性，而非正交放大转发协议则在传输速率保持不变的情况下能够获得更高的传输可靠性。
空时码是一种应用于多输入多输出系统的编码方法，其在时域和多天线的空间域上进行联合编码以获得更高的传输速率或是传输可靠性。因此，将空时码技术应用于带中继的卫星移动通信系统中有着较大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是针对带地面中继的卫星移动通信系统，提出一种空时码设计方法，设计出的空时码方案在发送符号和接送信号间有最大的平均互信息。卫星移动通信系统中的地面中继设施只具有转发的功能。
本发明方法的具体步骤是：
步骤(1)：确定空时码长度T，T为自然数，且T≥2；T越大，所设计的空时码的性能越好，但编译码复杂度也越高；
步骤(2)：通过遍历法设计中间变量α，得到构造矩阵Ak：
利用构造矩阵Ak解决发送符号{sk，k＝1,2…T}与接收到的信号{yk，k＝1,2…T}之间的平均互信息C(T,γ)最大化；
E(·)表示针对信道分布求平均，tr(·)表示求矩阵的迹，I2T为维度为2T的单位矩阵，γ为平均发送信噪比，为等效信道矩阵，由构造矩阵Ak和信道矩阵H计算所得：
其中AR,k表示Ak的实数部分，AI,k表示Ak的虚数部分，HR表示H的实数部分，HI表示H的虚数部分；
步骤(3)：构造空时码的发送码字矩阵
本发明方法的设计原理如下：
在中继工作在简单转发情况下时，对于长度为T的空时码，其传输模型为：
其中Y＝[y1y2…yT]t，为接收向量；为发送码字矩阵，第一列表示卫星发送给移动终端的信号，第二列表示中继发送给移动终端的信号；H＝[h1h2]t为信道矩阵，其中h1表示卫星到移动终端的信道增益，h2表示卫星经中继到移动终端的信道增益；N＝[n1n2…nT]t为移动终端处的加性高斯白噪声。在一般情况下，卫星到中继的信道状况远好于中继到移动终端的信道状况，此时N近似为T维单位复高斯白噪声。
发送矩阵的构造方式为：
将(5)代入(4)中得：
将接收向量表示为实部和虚部的组合形式：
其中YR表示接收向量的实数部分，YI表示接受向量的虚数部分，αk表示sk的实部，βk表示sk的虚部，NR表示噪声向量的实数部分，NI表示噪声向量的虚数部分。
接收向量的实部和虚部分别为：
根据公式(8)和(9)，得到发射符号与接收信号之间关系的等效表达式：
对于给定的码字长度T和构造矩阵Ak，发送符号与接收信号之间的平均互信息为：
其中det(·)表示矩阵的行列式，又因为log det(·)＝tr log(·)，可以得到(11)的一个简化表达式：
在空时码的设计过程中我们遵循以下功率分配原则：信道每一次使用时，各个发送符号分配到相同的发送功率。基于此原则，我们得到构造矩阵Ak的一般表达式：
设计{Ak，k＝1,2…T}以最大化(12)，即可得到一组空时码。我们可以通过遍历搜索方法或数值分析方法设计Ak来解决这一最大化问题。
采用本发明方法设计的空时码，可以获得接近系统遍历容量的平均互信息并具有良好的误码性能。其译码可以采用最大似然译码方法或是球形译码方法。
附图说明
图1为带中继卫星移动通信系统的系统模型；
图2为T＝2时本发明方法设计的空时码所获得的平均互信息与系统遍历容量的对比图；
图3为QPSK调制情况下，T＝2时本发明方法设计的空时码与非正交放大转发方案、直接发送方案的误码率性能比较。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式和所获得的性能。图1为带中继卫星移动通信系统的系统模型，由一个卫星1，一个中继2和一个移动终端3组成。
以T＝2为例，说明本发明方法的空时码的编码步骤：
(1)确定空时码长度T＝2；
(2)通过遍历法设计中间变量α，得到构造矩阵Ak，以解决大化问题。
C(T,γ)为发送符号{sk，k＝1,2…T}与接收到的信号{yk，k＝1,2…T}之间的平均互信息。
我们取γ＝100，此时设计得到的空时码在高信噪比情况下具有普适性；卫星信道采用阴影莱斯信道模型，具体而言，卫星到中继为轻度衰落，卫星到终端为重度衰落；地面信道采用瑞利信道模型。遍历获得最优化问题的一组解为：
(3)构造空时码发送矩阵
发送过程具体为：
第一个时隙，卫星向中继和移动终端发送信号x1＝0.707s1+0.707s2，第二个时隙，卫星向移动终端发送信号x2＝(0.354+0.612i)s1+(0.183-0.683i)s2，中继向移动终端发送信号x1。
图2为设计出的空时码获得的平均互信息与系统遍历容量的对比图。从图中可以看出，本发明方法设计出的空时码所获得的平均互信息接近系统的遍历容量。
图3为QPSK调制情况下，本发明方法设计出的空时码与非正交放大转发方案、直接发送方案的误码率性能比较，译码采用最大似然译码方法。从图中可以看出，在低信噪比情况下，本发明方法设计的空时码的误码率与非正交放大转发方案的误码率接近，低于直接发送方案的误码率；在高信噪比情况下，低于非正交放大转发方案的误码率和直接发送方案的误码率。
从图2和图3的结果看出，采用本发明方法设计的空时码，可以获得接近系统遍历容量的平均互信息并具有良好的误码性能。
Claims (1)
1.带地面中继的卫星移动通信系统空时码的编码方法，其特征在于该方法具体步骤是：
步骤(1)：确定空时码长度T，T为自然数，且T≥2；
步骤(2)：通过遍历法设计中间变量α，得到构造矩阵Ak；
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利用构造矩阵Ak解决卫星发送符号{sk，k＝1,2…T}与移动终端接收到的信号{yk，k＝1,2…T}之间的平均互信息C(T,γ)最大化；
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E(·)表示针对信道分布求平均，tr(·)表示求矩阵的迹，I2T为维度为2T的单位矩阵，γ为平均发送信噪比，为等效信道矩阵，由构造矩阵Ak和信道矩阵H计算所得：
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其中AR,k表示Ak的实数部分，AI,k表示Ak的虚数部分，HR表示H的实数部分，HI表示H的虚数部分；
步骤(3)：构造空时码的发送码字矩阵
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |