CN108337200A - 一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，包括确定中继节点以及单个接收节点分别在时隙k内的接收信号；确定中继节点将接收到的信号，并放大或解码后转发至单个接收节点上，得到单个节点经转发后的接收信号；通过均衡器对单个节点转发后的接收信号进行源信号恢复，得到恢复出来的源信号；根据恢复出来的源信号，构造无约束的优化模型；根据RCA性能函数求优化模型的近似解函数；根据均衡器的输出序列以及近似解函数，建立一个平均误差函数；将每一个发射节点的信号序列代入平均误差函数求解并对比，确定每一个发射节点的信号干扰强度。实施本发明，能及时发现海上与岸基通信系统通信信道质量的差异，为后续通信提供保障。

Description

一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法。
背景技术
随着现代海洋运输业务的大幅增长，运行在海上的船舶数量急剧增加，海运安全变得非常重要。可靠的海上与岸基通信系统是保障海运安全的重要手段。利用该类通信系统可以准确及时有效地获取各类船舶运行的位置、实时信息、及时掌握航道情况信息等，一方面确保航行安全，另一方面还可以指导船舶防碰撞。
但是，由于海上与岸基通信系统受天气、距离以及其它物体等干扰因素的影响较大，使得通信过程中信道质量不是特别稳定。因此，亟需一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，能及时发现海上与岸基通信系统通信信道质量的差异，为后续通信提供保障。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，能及时发现海上与岸基通信系统通信信道质量的差异，为后续通信提供保障。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，其在包括多个海上船舶、卫星以及多个岸基通信基站的海上与岸基多源中继通信系统上实现，且作为发射节点的每一个海上船舶均通过作为中继节点的卫星中继后与作为接收节点的多个岸基通信基站实现通信，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定单个发射节点S向单个接收节点D发送信号时，所述中继节点R在时隙k内的接收信号为xS,R(k)＝hS,RsS,R(k)+vS,R(k)以及所述单个接收节点D在时隙k内的接收信号为xS,D(k)＝hS,DsS,D(k)+vS,D(k)；其中，
sS,R(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,R+1)]T，sS,D(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,D+1)]T，hS,D＝[hS,D(0),hS,D(1),…,hS,D(MS,D-1)]；hS,R＝[hS,R(0),hS,R(1),…,hS,R(MS,R-1)]，MS,R为所述单个发射节点S与所述中继节点R之间的信道阶数，MS,D为所述单个发射节点S与所述单个接收节点D之间的信道阶数；vS,D(k)和vS,R(k)均为信号噪声；记sS＝[s(N-1),s(N-2),…,s(0)]T为从所述单个发射节点S所发送的信号序列，N表示序列长度；使得且
步骤S2、确定所述中继节点R将接收到的信号xreceive(k)进行放大或解码得到sreceive(k)，并将所述放大或解码的信号sreceive(k)继续转发至所述单个接收节点D上，使得所述单个节点D经转发后的接收信号为xR,D(k)＝hR,Dsreceive(k)+vR,D(k)，并进一步将所述单个节点D经转发后的接收信号转换为其中，hR,D＝[hR,D(0),hR,D(1),…,hR,D(MR,D-1)]，MR,D为所述中继节点R与所述单个接收节点D之间的信道阶数，vR,D(k)为信号噪声；记信道为h＝[h(0),h(1),…,h(M-1)]，源信号为{s(k)}，噪声为{v(k)}；
步骤S3、令接收端复数域均衡器为w＝[w(0),w(1),…,w(L-1)]T，并通过所述均衡器w对所述单个节点D经转发后的接收信号进行源信号恢复，使得恢复出来的源信号为其中，L为均衡器长度；
步骤S4、根据所述恢复出来的源信号，构造出一个无约束的优化模型并进一步将所述优化模型变换为矩阵形成其中，α＞0为拉格朗日因子，y(k)为所述均衡器w的输出；δ为一非零正标量；为惩罚项；H为矩阵或向量的共轭转置运算；为2-范数；所述均衡器w的输出序列为y＝[y(L-1),y(L),…,y(N)]T，接收序列矩阵为X＝[x(L-1),x(L),…,x(N)]T；D＝diag[d(0),d(1),…,d(L-1)]，diag为主对角元素d(0),d(1),…,d(L-1)，其它任意元素均为0的对角阵，这里P为递归次数；
步骤S5、根据预设的RCA性能函数CFRCA＝E[|y-QRCA·csgn(y)|2]对所述优化模型求得近似解函数为其中，csgn(y)＝sgn(Re(y))+j·sgn(Im(y))，sgn(·)为符号函数；QRCA是理想信号星座点的符号集统计而来的；
步骤S6、根据所述均衡器w的输出序列以及所述近似解函数，建立一个平均误差函数为其中，QRCA为长度为N的实数域单位向量，即由N个元素QRCA构成的向量，E[·]为求数学期望运算，mod(·)为求模值运算，yj＝aj+ibj表示输出信号序列y的第j个信号点，i为虚数单位，aj和bj分别为yj的实数部分和虚数部分；
步骤S7、根据所述平均误差函数，对每一个发射节点的信号序列分别进行计算，并将计算结果与预设的限值进行对比，确定每一个发射节点的信道干扰强度。
其中，每一发射节点和每一接收节点均具有单个收发天线，且任一发射节点与所述中继节点R及其对的接收节点之间均采用正交幅度调制方式进行通信。
其中，所述每一发射节点的信号序列与其对应信道噪声序列均为鞅差序列且互不相关。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用物理层盲均衡方法(仅通过接收信号{x(k)}恢复出源信号{s(k)})构造基于信道估计代价函数，将海上与岸基协作通信系统的节点间信道估计问题转化为一个无约束最优化求解问题，融合精简星座信息(RCA性能函数)进入该优化问题，然后通过求解该优化问题获得各个信道情况，进而实时获得接收与发送节点间的信道质量信息，用以控制节点选择优质信道发送与接收信号，最终提高通信质量与可靠性，能及时发现海上与岸基通信系统通信信道质量的差异，为后续通信提供保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法中海上与岸基多源中继通信系统的应用场景图；
图3为本发明实施例提供的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法中发射节点、中继节点及接收节点的信道强度变化的应用场景图；
图4为本发明实施例提供的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法在16QAM调制方式下，非协作通信方式时，本发明方法性能与数据量之间的关系；
图5为本发明实施例提供的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法在16QAM调制方式下，非协作通信、放大转发协作通信和解码转发协作通信方式下获得的平均比特误码率性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，其在包括多个海上船舶、卫星以及多个岸基通信基站的海上与岸基多源中继通信系统上实现，且作为发射节点的每一个海上船舶均通过作为中继节点的卫星中继后与作为接收节点的多个岸基通信基站实现通信(如图2所示)。该海上与岸基多源中继通信系统由n个节点对{(S1,D1),(S2,D2),…,(SK,DK)}，这里Sm，m＝1,2,…K表示第m个发射节点，Dm，m＝1,2,…K表示相应的第m个接收节点，只存在1个中继节点R。每一发射节点和每一接收节点均具有单个收发天线，且任一发射节点与所述中继节点R及其对的接收节点之间均采用正交幅度调制方式进行通信，无线信道为频率选择性时变瑞利衰落信道。并作如下约定：(a)每一发射节点的信号序列与其对应信道噪声序列均为鞅差序列且互不相关；(b)每一发射节点的信号序列为一零均值欠高斯序列。为了不失一般性，记任意发射节点为S与接收节点为D。
所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定单个发射节点S向单个接收节点D发送信号时，所述中继节点R在时隙k内的接收信号为xS,R(k)＝hS,RsS,R(k)+vS,R(k)以及所述单个接收节点D在时隙k内的接收信号为xS,D(k)＝hS,DsS,D(k)+vS,D(k)；其中，
sS,R(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,R+1)]T，sS,D(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,D+1)]T，hS,D＝[hS,D(0),hS,D(1),…,hS,D(MS,D-1)]；hS,R＝[hS,R(0),hS,R(1),…,hS,R(MS,R-1)]，MS,R为所述单个发射节点S与所述中继节点R之间的信道阶数，MS,D为所述单个发射节点S与所述单个接收节点D之间的信道阶数；vS,D(k)和vS,R(k)均为信号噪声；记sS＝[s(N-1),s(N-2),…,s(0)]T为从所述单个发射节点S所发送的信号序列，N表示序列长度；使得且
步骤S2、确定所述中继节点R将接收到的信号xreceive(k)进行放大或解码得到sreceive(k)，并将所述放大或解码的信号sreceive(k)继续转发至所述单个接收节点D上，使得所述单个节点D经转发后的接收信号为xR,D(k)＝hR,Dsreceive(k)+vR,D(k)，并进一步将所述单个节点D经转发后的接收信号转换为其中，hR,D＝[hR,D(0),hR,D(1),…,hR,D(MR,D-1)]，MR,D为所述中继节点R与所述单个接收节点D之间的信道阶数，vR,D(k)为信号噪声；记信道为h＝[h(0),h(1),…,h(M-1)]，源信号为{s(k)}，噪声为{v(k)}；
步骤S3、令接收端复数域均衡器为w＝[w(0),w(1),…,w(L-1)]T，并通过所述均衡器w对所述单个节点D经转发后的接收信号进行源信号恢复，使得恢复出来的源信号为其中，L为均衡器长度；
步骤S4、根据所述恢复出来的源信号，构造出一个无约束的优化模型并进一步将所述优化模型变换为矩阵形成其中，α＞0为拉格朗日因子，y(k)为所述均衡器w的输出；δ为一非零正标量；为惩罚项；H为矩阵或向量的共轭转置运算；为2-范数；所述均衡器w的输出序列为y＝[y(L-1),y(L),…,y(N)]T，接收序列矩阵为X＝[x(L-1),x(L),…,x(N)]T；D＝diag[d(0),d(1),…,d(L-1)]，diag为主对角元素d(0),d(1),…,d(L-1)，其它任意元素均为0的对角阵，这里P为递归次数；
步骤S5、根据预设的RCA性能函数CFRCA＝E[|y-QRCA·csgn(y)|2]对所述优化模型求得近似解函数为其中，csgn(y)＝sgn(Re(y))+j·sgn(Im(y))，sgn(·)为符号函数；QRCA是理想信号星座点的符号集统计而来的；
步骤S6、根据所述均衡器w的输出序列以及所述近似解函数，建立一个平均误差函数为其中，QRCA为长度为N的实数域单位向量，即由N个元素QRCA构成的向量，E[·]为求数学期望运算，mod(·)为求模值运算，yj＝aj+ibj表示输出信号序列y的第j个信号点，i为虚数单位，aj和bj分别为yj的实数部分和虚数部分；
步骤S7、根据所述平均误差函数，对每一个发射节点的信号序列分别进行计算，并将计算结果与预设的限值进行对比，确定每一个发射节点的信道干扰强度。
应当说明的是，在步骤S3中，采用盲均衡技术，即不依靠任何训练或导频序列，仅通过接收信号{x(k)}就能恢复出源信号{s(k)}。
在步骤S4中，引入的σ目的是为了递归最小化wHw项，该值并不参与算法迭代，而是在每次递归时逐步缩小范数的阶数“2”；换句话说，将最小化wHw项转变为最小化
在步骤S5中，调制方式不同，QRCA该值也随之不同，其值如表1：
表1调制方式与QRCA的关系
在步骤S7中，预设的限值可以为0.5和0.1，Amoe≥ICmax＝0.5时，信号干扰强度最大；0.5＝ICmax≥Amoe>ICmin＝0.1时，信号干扰强度中等；0.1＝Amoe≤ICmin时，信号干扰最小。
图3给出了本发明实施例中发射节点、中继节点及接收节点的信道强度变化的应用场景图。图4给出了本发明实施例在16QAM调制方式下，非协作通信方式时，本发明方法性能与数据量之间的关系；从该结果可知，本发明适用于协作与非协作通信场合。图5给出了本发明实施例在16QAM调制方式下，非协作通信、放大转发协作通信和解码转发协作通信方式下，500次蒙特卡洛实验情况下获得的平均比特误码率性能；从该结果可知，本发明实施例工作情况良好，而且协作中继通信方式下，性能更加优越。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用物理层盲均衡方法(仅通过接收信号{x(k)}恢复出源信号{s(k)})构造基于信道估计代价函数，将海上与岸基协作通信系统的节点间信道估计问题转化为一个无约束最优化求解问题，融合精简星座信息(RCA性能函数)进入该优化问题，然后通过求解该优化问题获得各个信道情况，进而实时获得接收与发送节点间的信道质量信息，用以控制节点选择优质信道发送与接收信号，最终提高通信质量与可靠性，能及时发现海上与岸基通信系统通信信道质量的差异，为后续通信提供保障。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种识别海上与岸基多源中继通信信道质量的方法，其特征在于，其在包括多个海上船舶、卫星以及多个岸基通信基站的海上与岸基多源中继通信系统上实现，且作为发射节点的每一个海上船舶均通过作为中继节点的卫星中继后与作为接收节点的多个岸基通信基站实现通信，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、确定单个发射节点S向单个接收节点D发送信号时，所述中继节点R在时隙k内的接收信号为xS,R(k)＝hS,RsS,R(k)+vS,R(k)以及所述单个接收节点D在时隙k内的接收信号为xS,D(k)＝hS,DsS,D(k)+vS,D(k)；其中，
sS,R(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,R+1)]T，sS,D(k)＝[s(k),s(k-1),…,s(k-MS,D+1)]T，hS,D＝[hS,D(0),hS,D(1),…,hS,D(MS,D-1)]；hS,R＝[hS,R(0),hS,R(1),…,hS,R(MS,R-1)]，MS,R为所述单个发射节点S与所述中继节点R之间的信道阶数，MS,D为所述单个发射节点S与所述单个接收节点D之间的信道阶数；vS,D(k)和vS,R(k)均为信号噪声；记sS＝[s(N-1),s(N-2),…,s(0)]T为从所述单个发射节点S所发送的信号序列，N表示序列长度；使得且
步骤S2、确定所述中继节点R将接收到的信号xreceive(k)进行放大或解码得到sreceive(k)，并将所述放大或解码的信号sreceive(k)继续转发至所述单个接收节点D上，使得所述单个节点D经转发后的接收信号为xR,D(k)＝hR,Dsreceive(k)+vR,D(k)，并进一步将所述单个节点D经转发后的接收信号转换为其中，hR,D＝[hR,D(0),hR,D(1),…,hR,D(MR,D-1)]，MR,D为所述中继节点R与所述单个接收节点D之间的信道阶数，vR,D(k)为信号噪声；记信道为h＝[h(0),h(1),…,h(M-1)]，源信号为{s(k)}，噪声为{v(k)}；
步骤S3、令接收端复数域均衡器为w＝[w(0),w(1),…,w(L-1)]T，并通过所述均衡器w对所述单个节点D经转发后的接收信号进行源信号恢复，使得恢复出来的源信号为其中，L为均衡器长度；
步骤S4、根据所述恢复出来的源信号，构造出一个无约束的优化模型并进一步将所述优化模型变换为矩阵形成其中，α＞0为拉格朗日因子，y(k)为所述均衡器w的输出；δ为一非零正标量；为惩罚项；H为矩阵或向量的共轭转置运算；为2-范数；所述均衡器w的输出序列为y＝[y(L-1),y(L),…,y(N)]T，接收序列矩阵为X＝[x(L-1),x(L),…,x(N)]T；D＝diag[d(0),d(1),…,d(L-1)]，diag为主对角元素d(0),d(1),…,d(L-1)，其它任意元素均为0的对角阵，这里P为递归次数；
步骤S5、根据预设的RCA性能函数CFRCA＝E[|y-QRCA·csgn(y)|2]对所述优化模型求得近似解函数为其中，csgn(y)＝sgn(Re(y))+j·sgn(Im(y))，sgn(·)为符号函数；QRCA是理想信号星座点的符号集统计而来的；
步骤S6、根据所述均衡器w的输出序列以及所述近似解函数，建立一个平均误差函数为其中，QRCA为长度为N的实数域单位向量，即由N个元素QRCA构成的向量，E[·]为求数学期望运算，mod(·)为求模值运算，yj＝aj+ibj表示输出信号序列y的第j个信号点，i为虚数单位，aj和bj分别为yj的实数部分和虚数部分；
步骤S7、根据所述平均误差函数，对每一个发射节点的信号序列分别进行计算，并将计算结果与预设的限值进行对比，确定每一个发射节点的信道干扰强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一发射节点和每一接收节点均具有单个收发天线，且任一发射节点与所述中继节点R及其对的接收节点之间均采用正交幅度调制方式进行通信。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每一发射节点的信号序列与其对应信道噪声序列均为鞅差序列且互不相关。
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