CN104821864B - 一种协作通信方法及目标用户端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协作通信方法及目标用户端，属于通信技术领域。该方法包括：接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；根据最小均方根误差法对所述信号矢量进行检测，得到第一检测信号；对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；对所述第二检测信号进行对数似然比计算；对经过对数似然比计算的信号进行去交织和卷积码解码，得到原始发射信号。本发明通过中继用户端与目标用户端的协作通信，在每个用户端可以利用单天线进行信号收发，有效地解决了MIMO通信方式在通信终端例如手持通信终端、飞机、汽车等加改装、成本以及功耗等方面的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种协作通信方法及目标用户端。
背景技术
在过去的航空通信中，无线通信系统主要采用基于VHF(Very High Frequency，甚高频)为主的模拟语音通信技术。但随着民航业务的发展，目前即使对VHF信道间隔最小化也无法完全满足机场场面的运行需求。为此，ICAO(International Civil AviationOrganization，国际民航组织)为了提高机场场面的运行效率以及通信容量，提出了AeroMACS(Aeronautical Mobile Airport Communications System，航空移动机场通信系统)技术，它将成为航空通信基础设施数据链路的组成部分。
在整个机场场面AeroMACS信号覆盖区域，为了能够满足提供各个移动用户端，例如飞机、服务车辆等高速且可靠的无线宽带业务，如何克服场面建筑物、树木等障碍物引起的通信NLOS(Non Line of Sight，非视距传播)的影响是首要考虑的问题。在NLOS通信情况下，无线信号只能通过反射、散射等方式进行传播。接收端收到的信号为不同路径信号的总和，这将导致多径信号衰落从而影响接收信号的解调。
现有技术MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output，多输入多输出)是解决上述问题的一种方法。在中国专利申请号为CN200810088724.0，题为“多输入多输出系统的信号检测方法和装置”的专利中，通过发射端和接收端采用多天线或阵列天线架构实现不同天线接收信号的非相关性，从而有效地提高了系统抗噪声能力。在中国专利申请号为200610005286.8，题为“宽带无线接入的中转系统及其方法”的专利中，利用互助中转节点的分布式MIMO编解码传输系统，采用空时/空频/空时频/空间复用编码方法，充分利用空分复用的优点，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统无线信道的容量和频谱利用率来实现通信质量的改善。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术MIMO针对于民用航空领域，特别是机载端或手持终端引入多天线系统会遇到加改装、安全以及功耗等方面的限制。同时，在信道估计方面，传统MIMO中信道估计算法无法直接应用于级联信道情况。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种协作通信方法及目标用户端。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供的一种协作通信方法包括：
接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；
根据最小均方根误差法对所述信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
对所述第二检测信号进行对数似然比计算；
对经过对数似然比计算的信号进行去交织处理；
对去交织后的信号进行卷积码解码，得到原始发射信号。
在第一方面的一种可能实现方式中，所述第一检测信号包括：
在第一方面的一种可能实现方式中，对所述第二检测信号进行对数似然比计算包括：对第二检测信号的实部根据正交相移键控调制方式进行对数似然比计算。
在第一方面的一种可能实现方式中，所述部分信道状态信息采用源用户端和目标用户端均已知的探测脉冲对信道进行估计。
在第一方面的一种可能实现方式中，所述方法还包括：
中继用户端接收来自源用户端的信号矢量，对所述信号矢量进行分布式空时分组编码处理；
所述中继用户端对分布式空时分组编码处理后的信号矢量进行放大，得到发射信号矢量；
所述中继用户端通过信道转发所述发射信号矢量。
第二方面，本发明实施例提供的一种目标用户端，包括：
接收单元，用于接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；
解调单元，用于根据最小均方根误差对所述信号矢量进行近似，得到第一检测信号；对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；对所述第二检测信号进行对数似然比计算；
去交织单元，用于对经过对数似然比计算后的信号进行去交织处理；
卷积码解码单元，用于对去交织后的信号进行卷积码解码，得到原始发射信号。
在第二方面的一种实施方式中，所述解调单元包括：
第一信号检测单元，用于根据最小均方根误差法对信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
第二信号检测单元，用于对第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
对数似然比计算单元，用于对所述第二检测信号进行对数似然比计算。
在第二方面的一种实施方式中，所述目标用户端还包括获取单元，用于采用源用户端和目标用户端均已知的探测脉冲对信道进行估计，获取部分信道状态信息。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过中继用户端与目标用户端的协作通信，在每个用户端可以利用单天线进行信号收发，有效地解决了MIMO通信方式在通信终端例如手持通信终端、飞机、汽车等加改装、成本以及功耗等方面的局限性。同时，利用高斯趋近后能够仅对源-中继-目标的级联信道估计，简化了对各个独立信道分别估计的复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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是本发明实施例一提供的协作通信系统结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的NLOS通信场景下的协作通信系统结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的协作通信系统结构示意图；
图4是本发明实施例三提供的协作通信架构示意图；
图5是本发明实施例三提供的协作通信方法流程图；
图6是本发明实施例三提供的又一协作通信方法流程图；
图7是本发明实施例四提供的一种目标用户端结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种协作通信系统，参见图1，该系统包括：
源用户端11，用于发射信号；
中继用户端12，用于接收来自源用户端11发射的信号，根据中继用户端之间的协作通信策略对信号进行处理，转发处理后的信号；
目标用户端13，接收来自中继用户端12的信号，对信号进行解调与解码处理，获得源用户端11的原始发射信号。
其中，中继用户端12的数量根据具体的应用实施场景可以是至少两个。本发明实施例以两个中继用户端为例说明，但并不对具体实施应用中的中继用户端数量构成限制。
在具体的实施方式中，该协作通信系统可用于机场场面的移动/静止用户，例如，滑行飞机，车辆以及场面维护人员等的信息交互。对于该协作通信系统而言，用户端的角色可以根据不同时刻的通信需要在上述三类终端中间变化，即用户端可能在需要进行信号发射时充当源用户端，在协作其他用户端转发信号时作为中继用户端，在接收信号时充当目标用户端。
图2所示的协作通信系统是NLOS通信场景下的协作通信系统。如图2所示，源用户端为机场场面飞机，目标用户端为管控塔台，机场场面飞机与管控塔台之间存在建筑物遮挡。在该系统中，使用与源用户端即机场场面飞机以及目标用户端即管控塔台均存在LOS(Line of Sight，视距传播)通信条件下的用户充当中继用户端。当中继用户端接收到来自源用户端发射的信号后，通过中继用户端间的协作通信策略对信号进行处理，之后转发给目标用户端，由目标用户端对接收信号进行解调解码等处理后，获得源用户端发射的原始信号，完成一次完整的通信过程。
本发明实施例提供的协作通信系统，通过中继用户端间的协作通信，在每个用户端可以利用单天线进行信号收发，有效地解决了MIMO通信方式在通信终端例如手持通信终端、飞机、汽车等加改装、成本以及功耗等方面的局限性。
实施例二
本发明实施例提供了一种协作通信系统，参见图3，该系统包括：
源用户端31，用于对信号进行预处理后，发射信号；
其中，源用户端31在信号发射前对信号采用BICM(Bit InterleavedConvolutional Modulation，比特交织编码调制)对信号进行预处理，之后再发射；
具体地，源用户端31包括：
信道编码单元311，对信号进行信道编码处理；
其中，该信道编码可以利用卷积码。
交织处理单元312，对经过信道编码处理后的信号进行交织处理；
信号调制单元313，对经过交织处理的信号进行信号调制。
进一步地，源用户端还包括发射机，用于发射调制后的信号。
中继用户端32，用于接收来自源用户端31发射的信号，根据中继用户端之间的协作通信策略对信号进行处理，转发处理后的信号；
其中，中继用户端32接收信号后，对信号进行Alamouti DSTBC(DistributedSpace-Time Block Codes，分布式空时分组编码)处理后，经过放大，再转发；
具体地，中继用户端32包括：
DSTBC处理单元321，用于对接收的信号进行Alamouti DSTBC处理；
信号放大单元322，用于对经过DSTBC处理单元321处理后的信号进行放大并转发。
目标用户端33，接收来自中继用户端32的信号，对信号进行解调解码处理，获得源用户端31的原始发射信号。
具体地，目标用户端33包括：
信号解调单元331，用于对收到的信号进行解调；
其中，对信号进行解调包括：信号检测以及LLR(Logarithm Likelihood Ratio，对数似然比)计算；
去交织处理单元332，用于对解调后的信号进行去交织处理；
其中，由于交织处理单元312对信号交织处理用于抑制信道选择性衰落，因此，对应地，去交织处理单元332对信号进行去交织处理；
软解码处理单元333，用于对去交织后的信号进行卷积码解码得到源用户端31发射的信号。
本发明实施例中，中继用户端32的数量根据具体的应用实施场景可以是至少两个。本发明实施例以两个中继用户端为例说明，但并不对具体实施应用中的中继用户端数量构成限制。
将本发明实施例提供的协作通信系统应用于图2所示的NLOS通信场景之中，中继用户端采用基于Alamouti DSTBC的协作通信方式，可以有效地降低由于非视距通信中多径衰落带来的影响。
实施例三
参见图5，为本发明实施例三提供的一种协作通信方法流程图，包括：
501：目标用户端接收由多个中继用户端通过信道转发的信号矢量；
具体地，该信号矢量具体可以表示为:
其中，α1，α2分别为源用户端和中继用户端发射信号放大因子，为中继用户端i的加性高斯白噪声，s为源用户端利用两个时隙经由信道Ⅰ发出的信号矢量，s＝[s1,s2]t，Ci为构建Alamouti DSTBC的参数矩阵；(*)代表该变量根据Alamouti编码要求应该求共轭或保持不变。
本发明实施例定义了PCSI(Partial Channel State Information，部分信道状态信息)以hi表示。将上式(1)简化后可得到：
y＝α1α2Ph+z (2)
并且：
在本发明实施例中，参见图6，501之前还可以包括：
61：中继用户端接收信号矢量，对信号矢量进行DSTBC处理；
62：中继用户端对DSTBC处理后的信号矢量进行放大，得到发射信号矢量；
在本发明实施例61和62中，具体地，中继用户端i接收到信号矢量ri＝[ri1,ri2]t：
其中，α1为源用户端发射信号放大因子，为中继用户端i的加性高斯白噪声，s1和s2为源用户端利用两个时隙经由信道Ⅰ发出的信号矢量s＝[s1,s2]t；
中继用户端i利用DSTBC对接收的信号矢量ri编码操作，而后得到发射信号矢量ti：
中继用户端编码后，再经过放大，得到发射信号矢量，并发射该信号矢量，该信号矢量经过信道Ⅱ到达目标用户端，其中，α2为中继用户端发射信号放大因子。
502：目标用户端利用MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方根误差)对信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
其中，第一检测信号为：
其中，(…)H表示对括号内矢量进行转置共轭处理；此外可以表示为：
503:目标用户端对第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
具体地，由公式(7)～(8)可知，若要对信号进行解调需要获得hi和gi的信息，而本发明实施例提供仅在获得hi的基础上进行信号检测的方法。从公式(8)可知无法获得，因为gi未知。同时，假设信道符合瑞利衰减条件且gi满足复数圆高斯分布时，由公式(1)可知，目标用户端噪声矢量z中的元素均包含有两个高斯变量的乘积项，因此z不满足高斯随机过程。为了计算本发明实施例提供对z进行高斯趋近的方法，具体包括：
利用一个高斯变量来趋近zi，并且两个变量之间满足一定关系，即具有相同方差并且期望值均为0，如下式所示：
基于上述公式，可由如下计算值代替：
其中，T为信号从源用户端到中继用户端，或中继用户端到目标用户端过程中的信道利用数；R为中继用户端数目，在Alamouti DSTBC策略中R＝2；通过上述趋近方法近似处理并计算公式(7)获得第二检测信号。
504：对第二检测信号进行LLR计算；
具体地，对于解调出的比特b1的LLR计算对应于s1的实部，针对于QPSK(QuadraturePhase Shift Keying，正交相移键控)调制方式LLR可以表示如下：
其中，为的实部，并且：
505：对LLR计算后的信号进行去交织和卷积码解码，得到原始发射信号。
其中，该原始发射信号为源用户端发射的信号矢量。
本发明实施例中，在对接收信号进行解调时需要首先获得信道状态信息h。对于Alamouti DSTBC协作通信方案，本发明实施例采用源用户端和目标用户端均已知的探测脉冲对信道进行估计，并假定在Np个数目为2的探测脉冲条件下，利用LS(Least Square，最小二乘法)即可获得信道估计如下：
其中P0与公式(4)中P定义类似，只是对应于探测2×1的脉冲矢量s0；Np为每帧信号中基于探测脉冲的DSTBC分组编码数目。
需要说明的是，此处LS可以替换为利用LMMSE(Linear Minimum Mean SquareError，线形最小均方根误差)、ML(Maximum Likelihood，最大似然)获得信道估计
本发明实施例提供的协作通信方法，在目标用户端通过由源用户端发射的探测脉冲估计出部分信道信息，根据部分信道信息即可进行接收信号的检测。相比于完整信道估计，本发明实施例提供的方法有效降低了中继用户端在信道估计中的复杂度，并有效地提高了通信系统的整体运行效率。
实施例四
本发明实施例提供一种目标用户端，参见图7，包括：
接收单元71，用于接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；
具体地，该信号矢量如实施例三501中所述，本发明实施例此处不再赘述。
解调单元72，用于根据最小均方根误差对所述信号矢量进行近似，得到第一检测信号；对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；对所述第二检测信号进行对数似然比计算；；
具体地，该解调单元72包括：
第一信号检测单元721，用于根据MMSE对信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
第二信号检测单元722，用于对第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
其中，第一检测信号、第二检测信号以及具体的检测方法详细在本发明实施例三中描述，本发明实施例此处不再赘述。
LLR计算单元723，用于对第二检测信号进行LLR计算；
去交织单元73，用于对LLR计算后的信号进行去交织处理；
卷积码解码单元74，用于对去交织后的信号进行卷积码解码，得到原始发射信号。
其中，该原始发射信号为源用户端发射的信号矢量。
本发明实施例提供的目标用户端，基于本发明实施例三提供的一种协作通信方法，通过由源用户端发射的探测脉冲估计出部分信道信息，根据部分信道信息即可进行接收信号的检测。相比于完整信道估计，本发明实施例提供的目标用户终端有效降低了中继用户端在信道估计中的复杂度，并有效地提高了通信系统的整体运行效率。
最后需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种协作通信方法，其特征在于，所述方法包括：
接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；
根据最小均方根误差法对所述信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
对所述第二检测信号进行对数似然比计算；
对经过对数似然比计算的信号进行去交织处理；
对去交织后的信号进行卷积码解码，得到原始发射信号；
所述第一检测信号包括：其中，为源用户端利用两个时隙经由信道Ⅰ发出的信号矢量s＝[s1,s2]t经过最小均方根误差法的检测，α1为源用户端发射信号放大因子，α2为中继用户端发射信号放大因子，hi表示部分信道状态信息，h表示部分信道状态信息矩阵，yi表示收到的由中继用户端通过信道转发的信号矢量，(…)H表示对括号内矢量进行转置共轭处理，(*)代表变量根据Alamouti编码要求应该求共轭或保持不变，z表示目标用户端噪声，σ2表示高斯白噪声的方差，表示目标用户端噪声的方差，gi表示中继用户端与目标用户端之间的信道；
对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号包括：以高斯变量代替目标用户端噪声zi，根据高斯变量与目标用户端噪声zi具有相同方差并且期望值均为0，近似为其中，为信道模型方差，T为信号从源用户端到中继用户端或中继用户端到目标用户端过程中的信道利用数；R为中继用户端数目；
所述部分信道状态信息采用源用户端和目标用户端均已知的探测脉冲对信道进行估计。
2.根据权利要求1所述的协作通信方法，其特征在于，对所述第二检测信号进行对数似然比计算包括：
对第二检测信号的实部根据正交相移键控调制方式进行对数似然比计算。
3.根据权利要求1-2任一项所述的协作通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
中继用户端接收来自源用户端的信号矢量，对所述信号矢量进行分布式空时分组编码处理；
所述中继用户端对分布式空时分组编码处理后的信号矢量进行放大，得到发射信号矢量；
所述中继用户端通过信道转发所述发射信号矢量。
4.一种目标用户端，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收由中继用户端通过信道转发的信号矢量；
解调单元，用于根据最小均方根误差法对所述信号矢量进行检测，得到第一检测信号；对所述第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；对所述第二检测信号进行对数似然比计算；
去交织单元，用于对经过对数似然比计算后的信号进行去交织处理；
卷积码解码单元，用于对去交织后的信号进行卷积码解码，得到原始发射信号；
所述解调单元包括：
第一信号检测单元，用于根据最小均方根误差法对信号矢量进行检测，得到第一检测信号；
第二信号检测单元，用于对第一检测信号中的目标用户端噪声矢量根据高斯趋近方法进行近似，得到第二检测信号；
对数似然比计算单元，用于对所述第二检测信号进行对数似然比计算；
所述第二信号检测单元用于以高斯变量代替目标用户端噪声zi，根据高斯变量与目标用户端噪声zi具有相同方差并且期望值均为0，近似为
其中，σ2表示高斯白噪声的方差，表示目标用户端噪声的方差，gi表示中继用户端与目标用户端之间的信道，为信道模型方差，T为信号从源用户端到中继用户端或中继用户端到目标用户端过程中的信道利用数，R为中继用户端数目，α2为中继用户端发射信号放大因子。
5.根据权利要求4所述的目标用户端，其特征在于，所述目标用户端还包括获取单元，用于采用源用户端和目标用户端均已知的探测脉冲对信道进行估计，获取部分信道状态信息。
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2015
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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