CN104994043B - 基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，涉及卫星移动通信下行链路传输领域。本发明方法包括：协作节点选择阶段和信息传输阶段。协作节点选择阶段：目的节点依据准则选择最佳协作节点参与信息传输，未被选择节点进入空闲状态。信息传输阶段分两个时隙完成信息传输：第1时隙，卫星发送信息，选出的协作节点和目的节点接收信息并译码，目的节点向卫星、协作节点反馈译码结果；第2时隙，根据接收到目的节点的译码结果，卫星判断是否发送下一信息，协作节点判断是否转发卫星信息。本方法综合利用节点选择、放大转发、译码转发的优势，不仅能够带来选择分集增益，还可以有效利用系统自由度，提升卫星移动通信系统的传输性能。

Description

基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法
技术领域
本发明涉及卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，用于解决如何提升卫星移动通信系统的可靠性、有效性问题。
背景技术
卫星通信具有覆盖范围广、传输速率高、传输信道稳定、受地形影响小等特点，是实现全球覆盖、支持远程信息传输的主要手段，有时甚至是唯一手段，世界各国竞相发展，在广播电视、宽带多媒体通信、个人移动通信、应急通信及军事通信等领域得到了广泛应用。
卫星移动通信信道是典型的阴影、多径衰落信道，各类衰落都会导致系统差错概率、中断概率的上升，严重影响信息传输的可靠性。协作通信技术已经被证明是能够有效对抗无线信号衰落，提高无线传输可靠性的有效手段。将协作通信技术应用到卫星移动通信系统中，将可为卫星移动通信系统带来一定的可靠性及容量增益。目的节点通过接收、合并经不同路径达到的独立衰落信号，不仅能够获得空间分集增益，抵御多径效应引起的信息接收误码率、中断概率增大的影响，而且能够挖掘协作节点的信息处理能力，提高网络传输吞吐量。根据协作节点的工作方式，协作通信技术分为再生式协作传输与非再生式协作传输。非再生式协作传输系统中，协作节点仅对接收到的源节点信号进行加权放大，然后转发到目的节点，也称作放大转发(Amplify-Forward,AF)方式，再生式协作传输系统中，协作节点首先对接收到的源节点信号进行解调、译码，获得原始信息，然后经重新编码与调制后转发到目的节点，也称作译码转发(Decode-Forward,DF)方式。AF方式实现较简单，能够降低协作节点信号处理的复杂性，然而，协作节点在放大有用信号的同时也放大了源节点与协作节点间信道引入的噪声，因此这种方式存在噪声放大效应，尤其是当源节点与协作节点间的信道质量较差时，噪声放大效应会更加严重，给系统性能带来较大影响。对于DF模式，由于其需要协作节点的解调、译码、编码等处理，实现复杂度较高，在协作节点正确译码的情况下，系统能够获得较好性能。尽管DF方式不会带来噪声放大问题，然而在协作节点译码出现错误的情况下，这种错误会随着跳数的增加不断累积，从而影响到系统的分集效果。混合协作传输(Hybrid Cooperation,HC)将AF方式和DF方式相结合，根据协作节点的译码结果来决定采用AF或DF方式进行传输。若协作节点能够正确译码，则工作于DF模式；否则，工作于AF模式。尽管HC方式能够同时利用AF和DF方式的优势，可有效抑制AF模式中的噪声放大效应及DF模式中的错误传播效应给系统性能带来的影响。然而，无论是AF、DF还是HC模式，协作节点由于受到半双工的约束，会带来系统频谱效率的下降。本发明给出的基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法不仅能够有效提升系统的可靠性，而且能够改善系统的频谱效率。
发明内容
本发明的目的是将协作通信技术引入到卫星移动通信系统中，以充分利用协作无线传输系统的自由度，提升卫星移动通信系统的有效性、可靠性。本发明提供一种基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，以提高卫星移动通信系统的传输性能。
本发明所采取的技术方案为，基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，包括下列步骤：
(1)目的节点在多个协作节点中进行选择，根据选择结果，被选出的协作节点保持激活状态，其它协作节点进入空闲状态；
(2)卫星发送信号，目的节点和被选出的协作节点分别接收卫星信号并译码；
(3)目的节点经反馈控制链路将译码结果发送到卫星和被选出的协作节点；
(4)若卫星和被选出的协作节点接收到目的节点的译码不成功信息，则卫星不发送下一信号，被选出的协作节点采用混合协作方式将接收到的卫星信号转发到目的节点，转入步骤(5)；若卫星和被选出的协作节点接收到目的节点的译码成功信息，则完成卫星到目的节点的信息传输；
(5)目的节点接收被选出的协作节点转发的卫星信号，将卫星发送来的信号和协作节点转发的卫星信号进行合并后译码，完成卫星到目的节点的信息传输。
其中，所述步骤(1)具体包括步骤：
(101)卫星和多个协作节点均发送训练序列，各协作节点和目的节点根据训练序列分别进行信道状态估计，目的节点获得各跳链路的信道状态信息；
(102)目的节点进行协作节点选择，并将选择结果进行广播；
(103)根据选择结果，被选出的协作节点保持激活状态，其它协作节点进入空闲状态。
其中，i*表示被选出的协作节点的序号，N为所有协作节点的数目，为卫星与第i个协作节点之间的信道状态信息，为第i个协作节点与目的节点之间的信道状态信息，arg max(*)表示使目标函数取最大值时的变量值。
其中，所述的目的节点包括卫星移动通信终端，协作节点包括卫星移动通信终端和卫星移动通信中继节点。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法综合利用节点选择、放大转发、译码转发的优势，不仅能够带来选择分集增益，而且能够根据目的节点的译码结果，自适应地调整卫星和协作节点的传输模式，可使协作节点工作于最佳传输模式，所提出的方法可以有效利用系统自由度，提升卫星移动通信系统的传输性能。
附图说明
图1为本发明的基于节点选择的卫星移动通信系统模型图；
图2为本发明的系统频谱效率性能仿真结果图；
图3为本发明的卫星移动通信自适应协作传输方法流程图。
具体实施方式
下面，结合图1至图3对本发明作进一步说明。
如图1所示，卫星移动通信系统下行协作传输链路由1个源节点(卫星S)，1个目的节点(D)和N个协作节点Ri(i＝1,2,…,N)构成，卫星S与目的节点D之间的信息传输在协作节点的辅助下进行。为进一步改善系统性能，在某一时刻仅有一个被选出的协作节点参与协作传输，其它节点处于空闲状态，以节省资源，这样系统能够获得额外的选择分集增益。系统实现分为两个阶段，即协作节点选择阶段和信息传输阶段。在协作节点选择阶段，系统中的卫星、协作节点发送训练序列，使得目的节点获得各个链路的信道状态信息，在此基础上，目的节点依据确定的准则完成最佳协作节点选择，并将选择结果进行发布。根据选择结果，被选定的协作节点处于激活状态，其它节点进入空闲状态。在接下来的信息传输阶段，卫星与目的节点之间的信息传输由选出的协作节点辅助完成。具体过程：在第1时隙，卫星发送信息，选择的协作节点和目的节点D接收信息并译码，目的节点反馈译码结果到卫星S和协作节点在第2时隙，卫星S和协作节点根据目的节点反馈的译码结果执行相应操作。若卫星S、协作节点接收到目的节点的译码不成功信息，则卫星S不发送信息，协作节点采用混合协作传输方式将第1时隙接收到的卫星信息转发到目的节点；若卫星S、协作节点接收到目的节点D的译码成功信息，则协作节点不转发信息，卫星S发送下一信息。
如图2所示，给出了本发明基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法与其它方法的性能对比。由图可以看出，在低信噪比区域，本发明方法相对于直接传输方法获得了容量性能提升，但随着信噪比的提升本发明方法与直接传输方法的性能趋于一致，这是由于在高信噪比的情况下，本发明方法将主要工作于直接传输方式。在整个信噪比区域，本发明方法与传统的AF、DF协作传输方法相比，可获得较大的容量性能提升。
如图3所示，给出了基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法的实现步骤，包括协作节点选择阶段和信息传输阶段，具体包括以下步骤：
(1)协作节点选择阶段
(101)卫星和各协作节点均发送训练序列，各协作节点和目的节点根据训练序列分别进行信道状态估计，目的节点获得各跳链路的信道状态信息；
(103)根据节点选择结果，被选出的协作节点保持激活状态，其它节点进入空闲状态。
(2)信息传输阶段
(201)当前时隙，卫星发送信号，目的节点和被选出的协作节点分别接收卫星信号并译码；
(202)目的节点经反馈控制链路将译码结果发送到卫星和被选出的协作节点；
(203)下一时隙，若卫星和被选出的协作节点接收到目的节点的译码不成功信息，则卫星不发送信息，协作节点采用混合协作方式转发接收到的卫星信息，转入(204)；否则，完成卫星到目的节点的信息传输；
(204)目的节点接收被选出的协作节点转发的卫星信号，将卫星发送来的信号和协作节点转发的卫星信号进行合并并译码，完成卫星到目的节点的信息传输。
其中，合并译码的过程见G.L.Stuber著《Principles of Mobile Communication》第243页，为现有技术。

Claims (4)

1.基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)目的节点在多个协作节点中进行选择，根据选择结果，被选出的协作节点保持激活状态，其它协作节点进入空闲状态；
(2)卫星发送信号，目的节点和被选出的协作节点分别接收卫星信号并译码；
(3)目的节点经反馈控制链路将译码结果发送到卫星和被选出的协作节点；
(4)若卫星和被选出的协作节点接收到目的节点的译码不成功信息，则卫星不发送下一信号，被选出的协作节点采用混合协作方式将接收到的卫星信号转发到目的节点，转入步骤(5)；若卫星和被选出的协作节点接收到目的节点的译码成功信息，则完成卫星到目的节点的信息传输；
(5)目的节点接收被选出的协作节点转发的卫星信号，将卫星发送来的信号和协作节点转发的卫星信号进行合并后译码，完成卫星到目的节点的信息传输。
2.根据权利要求1所述的基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括步骤：
(101)卫星和多个协作节点均发送训练序列，各协作节点和目的节点根据训练序列分别进行信道状态估计，目的节点获得各跳链路的信道状态信息；
(102)目的节点进行协作节点选择，并将选择结果进行广播；
(103)根据选择结果，被选出的协作节点保持激活状态，其它协作节点进入空闲状态。
3.根据权利要求2所述的基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，其特征 在于：所述的目的节点进行协作节点选择具体为:目的节点采用准则进行协作节点选择；
其中，i*表示被选出的协作节点的序号，N为所有协作节点的数目，为卫星与第i个协作节点之间的信道状态信息，为第i个协作节点与目的节点之间的信道状态信息，argmax(*)表示使目标函数取最大值时的变量值。
4.根据权利要求1所述的基于节点选择的卫星移动通信自适应协作传输方法，其特征在于：所述的目的节点包括卫星移动通信终端，协作节点包括卫星移动通信终端和卫星移动通信中继节点。
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