CN109861738B - 并行qr分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并行QR分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其实现步骤是：首先利用最小二乘公式，得到每个用户的信道矩阵，利用头尾信号均为零的帧格式确定科学卫星信号帧结构和中继卫星信号帧结构，地面站将接收到的信号组成接收信号矩阵，交换位置，得到等效信道矩阵，利用正交分解得到接收信号酉矩阵和上三角等效矩阵，最后利用上三角矩阵判决公式，得到译码后的中继卫星信号。本发明能够不改变现有调制方式与空间复杂度，克服构造矩阵维度较大的问题，改善了中继卫星下行链路通信***中通信的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及中继卫星传输技术领域中的一种并行正交分解QR(Queue Resolve)中继卫星转发***中实现异步传输的方法。本发明可用于由科学卫星、中继卫星、地面站组成的中继卫星转发***，提高传输可靠性。
背景技术
在外太空中，当通信卫星运行至地球背面时，由于受到地球曲率的影响，其与卫星地面站的视距通信链路将会被切断，数据无法实时传输。中继卫星可以同时覆盖该信源卫星及地面站,将其接收到的信号转发给地面站，进而达到中继通信的目的。常用的技术包括发送端调制编码、接收端信号同步或收发端联合处理等。由于接收端信号同步容易受到丢包等影响，因此发送端调制编码成为中继卫星转发***的关注对象。
哈尔滨工业大学深圳研究生院在其拥有的专利技术“一种面向深空通信的网络调制方法”(申请号：201510482172.1申请日：2015.08.03申请公布号：CN105337910B)中提出一种面向深空通信的网络调制方法。该方法的实施步骤为：第一步，将信息比特进行叠加调制传输；第二步，通过中继节点的辅助解调信息，再以适当的调制类型发送给目的节点；第三步，目的节点分别将源节点和中继节点发送的信息解调叠加，进而还原出发送端所发送的信息比特。该方法虽然解决了中继卫星下行链路通信***中通信的可靠性，提高了***吞吐量，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于采用叠加调制，需要利用全部信息逐个比对，导致空间复杂度高。
浙江大学在其拥有的专利技术“带地面中继的卫星移动通信***空时编码的编码方法”(申请号：201410613605.8申请日：2014.11.04申请公布号：CN104363077B)中提出一种提升编码性能的卫星移动通信***空时码的编码方法。该方法的实施步骤为：第一步，确定空时码的长度，以此构造矩阵解决发送信号与接收到的信号之间平均信息最大化的问题；第二步，通过构造用户的等效信道矩阵；第三步，构造空时码的发送码字矩阵。该方法虽然解决了中继卫星下行链路通信***中误码率较高的技术问题，但是，该方法仍然存在的不足之处是，所构造的矩阵维度较大，因此降低了***下行链路的传输性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法。
实现本发明目的的思路是,利用头尾信号均为零的帧格式确定中继卫星信号帧结构，将异步传输等效成同步传输，利用并行正交分解公式获得接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵，根据上三角矩阵判决公式获得译码后的中继卫星信号。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)发送导频训练序列：
(1a)科学卫星向每个中继卫星发送导频训练序列，每个中继卫星将接收的导频训练序列发送给地面站；
(1b)将每个中继卫星发送导频序列到达地面站的时间差，作为该中继卫星中继延迟；
(1c)利用最小二乘公式，计算科学卫星到每个中继卫星的下行信道估计值，将科学卫星到中继卫星的所有下行信道估计值，组成中继卫星的信道矩阵；
(1d)利用最小二乘公式，计算每个中继卫星到地面站的下行信道估计值，将中继卫星到地面站的所有下行信道估计值，组成地面站的信道矩阵；
(2)确定科学卫星信号帧结构：
(2a)科学卫星将M个正交振幅调制QAM符号构成待发送的信号；
(2b)将待发送的科学卫星信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于中继延迟的长度的科学卫星信号帧结构；
(2c)科学卫星将该信号帧结构发送给每个中继卫星；
(3)确定中继卫星信号帧结构：
(3a)利用迫零公式，每个中继卫星对其接收到的信号进行译码；
(3b)将每个中继卫星待发送的信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于最大中继延迟的长度的中继卫星信号帧结构，此帧结构中头尾信号均为零，每个中继卫星将该信号帧结构发送给地面站；
(3c)通过截取不同中继卫星到达地面站的非零信号，将异步传输等效成同步传输；
(3d)地面站将接收的信号组成接收信号矩阵；
(4)获得等效信道矩阵：
从接收信号矩阵中，任意选取一个信号，将所选信号与位于接收信号矩阵底层的信号，交换位置，其对应的信道矩阵，按矩阵初等变换，得到等效信道矩阵；
(5)获得接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵：
(5a)地面站利用正交分解，将等效信道矩阵分解成正交矩阵、上三角矩阵；
(5b)用正交矩阵的共轭转置矩阵，分别左乘接收信号矩阵和等效信道矩阵，得到接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵；
(6)判断是否选取完接收信号矩阵中的所有信号，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(4)；
(7)获得译码后的中继卫星信号：
地面站利用上三角矩阵判决公式，对每个接收信号酉矩阵进行译码，得到译码后的中继卫星信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，由于本发明利用一个零前缀与零后缀之和大于中继延迟的长度的中继卫星信号帧结构，将异步传输等效成同步传输，克服了现有技术中利用叠加调制导致的空间复杂度高的问题，使得本发明能够在不改变现有调制方式与空间复杂度的同时，确保了中继卫星下行链路通信***中通信的可靠性。
第二，由于本发明利用并行正交分解，依次任意选取一个信号，将所选信号与位于接收信号矩阵底层的信号，交换位置，其对应的信道矩阵，按矩阵初等变换，得到等效信道矩阵，再利用正交分解得到正交矩阵、上三角矩阵，再利用上三角矩阵判决公式，对每个接收信号酉矩阵进行译码，克服了现有技术中构造矩阵维度较大的问题，使得本发明能够有效降低矩阵的维度，改善了***下行链路的传输性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参照附图1，对本发明的具体实施步骤做进一步详细描述。
步骤1，发送导频训练序列：
科学卫星向所有中继卫星发送导频训练序列，所有中继卫星将接收的导频训练序列发送给地面站。
将中继卫星发送导频序列到达地面站的时间差，作为中继延迟。
利用最小二乘公式，计算科学卫星到每个中继卫星的下行信道估计值，将科学卫星到中继卫星的所有下行信道估计值，组成中继卫星的信道矩阵。
所述的最小二乘公式如下：
其中，
表示科学卫星S到第j个中继卫星Rj的下行信道估计值，
表示第j个中继卫星Rj接收到的导频训练序列，Xa表示科学卫星发送的导频训练序列，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
利用最小二乘公式，计算每个中继卫星到地面站的下行信道估计值，将中继卫星到地面站的所有下行信道估计值，组成地面站的信道矩阵。
所述的最小二乘公式如下：
其中，
表示第j个中继卫星Rj至地面站D的下行信道估计值，YD表示地面站D接收到的导频训练序列，Xb表示中继卫星发送的导频训练序列，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
步骤2，确定科学卫星信号帧结构。
科学卫星将M个正交振幅调制QAM符号构成待发送的信号；
将待发送的科学卫星信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于中继延迟的长度的科学卫星信号帧结构；
科学卫星将该信号帧结构发送给每个中继卫星；
步骤3，确定中继卫星信号帧结构。
利用迫零公式，每个中继卫星对其接收到的信号进行译码。
所述的迫零公式如下：
其中，Xa表示中继卫星译码后的信号，
表示科学卫星S到第j个中继卫星Rj的下行信道等效矩阵，
表示第j个中继卫星Rj接收到的信号，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
将每个中继卫星待发送的信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于最大中继延迟的长度的中继卫星信号帧结构，此帧结构中头尾信号均为零，每个中继卫星将该信号帧结构发送给地面站。
通过截取不同中继卫星到达地面站的非零信号，将异步传输等效成同步传输；
地面站将接收的信号组成接收信号矩阵。
步骤4，获得等效信道矩阵。
从接收信号矩阵中，任意选取一个信号，将所选信号与位于接收信号矩阵底层的信号，交换位置，其对应的信道矩阵，按矩阵初等变换，得到等效信道矩阵。
步骤5，获得接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵。
地面站利用正交分解，将等效信道矩阵分解成正交矩阵、上三角矩阵。
所述正交分解是指，先将待处理的信号移至接收信号矩阵的底层，得到等效信道矩阵，再利用Gram-Schmidt正交化方法，对等效信道矩阵进行正交分解，得到等效信道矩阵的正交矩阵和上三角矩阵。
用正交矩阵的共轭转置矩阵，分别左乘接收信号矩阵和等效信道矩阵，得到接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵。
步骤6，判断是否选取完接收信号矩阵中的所有信号，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤4。
步骤7，获得译码后的中继卫星信号。
地面站利用上三角矩阵判决公式，对每个接收信号酉矩阵进行译码，得到译码后的中继卫星信号。
所述上三角矩阵判决公式如下：
其中，xm表示中继卫星发送信号的第m个符号，rm表示地面站接收到的第m个符号，M表示中继卫星发送信号中符号的个数，Rmn表示上三角等效信道矩阵的第m行第n列的元素，xn表示中继卫星的第n个发送符号，Rmm表示上三角等效信道矩阵的第m行第m列的元素。
本发明的效果可以通过下面的仿真实验得到进一步证明。
1、仿真条件：
本发明的仿真实验平台采用Intel(R)Core(TM)CPU i3-2120 3.30GHz，内存为4GB，运行Windows 7旗舰版的PC机，仿真软件为Matlab2013a。
2.仿真内容与结果分析：
本发明的仿真实验采用本发明的方法和现有技术传统异步传输方法，分别对中继卫星转发***的信号传输过程进行仿真，仿真实验参数设置如下：科学卫星总数为1，中继卫星总数为2，地面站总数为1。
图2是本发明仿真图，为中继卫星下行链路通信***的***平均误比特率关于传输信道的信噪比之间的示意图。图2中的横坐标表示中继卫星下行链路通信***中传输信道的信噪比，单位为分贝，纵坐标表示中继卫星下行链路通信***的***平均误比特率。图2中以圆圈标示的实线表示采用本发明的方法，得到的***平均误比特率性能的仿真曲线。图2中以方框标示的实线表示采用现有技术的异步传输方法，得到的***平均误比特率性能的仿真曲线。
从图2中可以看出，在同一仿真场景下，本发明的方法得到的仿真曲线在现有技术传统异步传输方法得到的仿真曲线的下方，说明本发明的方法得到的***平均误比特率，比现有技术传统异步传输方法得到的***平均误比特率小，本发明的方法得到的***平均误比特率性能优于现有技术传统异步传输方法得到的***平均误比特率性能。
Claims (6)
1.一种并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，利用头尾信号均为零的帧格式确定中继卫星信号帧结构，将异步传输等效成同步传输，利用并行正交分解公式获得接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵，根据上三角矩阵判决公式获得译码后的中继卫星信号，该方法的具体步骤包括如下：
(1)发送导频训练序列：
(1a)科学卫星向所有中继卫星发送导频训练序列，每个中继卫星将接收的导频训练序列发送给地面站；
(1b)将每个中继卫星发送导频训练序列到达地面站的时间差，作为该中继卫星中继延迟；
(1c)利用最小二乘公式，计算科学卫星到每个中继卫星的下行信道估计值，将科学卫星到中继卫星的所有下行信道估计值，组成中继卫星的信道矩阵；
(1d)利用最小二乘公式，计算每个中继卫星到地面站的下行信道估计值，将中继卫星到地面站的所有下行信道估计值，组成地面站的信道矩阵；
(2)确定科学卫星信号帧结构：
(2a)科学卫星将M个正交振幅调制QAM符号构成待发送的信号；
(2b)将待发送的科学卫星信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于中继延迟的长度的科学卫星信号帧结构；
(2c)科学卫星将该信号帧结构发送给每个中继卫星；
(3)确定中继卫星信号帧结构：
(3a)利用迫零公式，每个中继卫星对其接收到的信号进行译码；
(3b)将每个中继卫星待发送的信号，组成一个零前缀与零后缀之和大于最大中继延迟的长度的中继卫星信号帧结构，此帧结构中头尾信号均为零，每个中继卫星将该信号帧结构发送给地面站；
(3c)通过截取不同中继卫星到达地面站的非零信号，将异步传输等效成同步传输；
(3d)地面站将接收的信号组成接收信号矩阵；
(4)获得等效信道矩阵：
从接收信号矩阵中，任意选取一个信号，将所选信号与位于接收信号矩阵底层的信号交换位置，对交换位置后的信道矩阵进行矩阵初等变换，得到等效信道矩阵；
(5)获得接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵：
(5a)地面站利用正交分解，将等效信道矩阵分解成正交矩阵、上三角矩阵；
(5b)用正交矩阵的共轭转置矩阵，分别左乘接收信号矩阵和等效信道矩阵，得到接收信号酉矩阵和上三角等效信道矩阵；
(6)判断是否选取完接收信号矩阵中的所有信号，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(4)；
(7)获得译码后的中继卫星信号：
地面站利用上三角矩阵判决公式，对每个接收信号酉矩阵进行译码，得到译码后的中继卫星信号。
2.根据权利要求1所述的并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，步骤(1c)中所述的最小二乘公式如下：
其中，
表示科学卫星S到第j个中继卫星Rj的下行信道估计值，
表示第j个中继卫星Rj接收到的导频训练序列，Xa表示科学卫星发送的导频训练序列，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
3.根据权利要求1所述的并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，步骤(1d)中所述的最小二乘公式如下：
其中，
表示第j个中继卫星Rj至地面站D的下行信道估计值，YD表示地面站D接收到的导频训练序列，Xb表示中继卫星发送的导频训练序列，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
4.根据权利要求1所述的并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的迫零公式如下：
其中，Xa表示中继卫星译码后的信号，
表示科学卫星S到第j个中继卫星Rj的下行信道等效矩阵，
表示第j个中继卫星Rj接收到的信号，H表示共轭转置操作，-1表示矩阵取逆操作。
5.根据权利要求1所述的并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，步骤(5a)中所述正交分解是指，先将待处理的信号移至接收信号矩阵的底层，得到等效信道矩阵，再利用Gram-Schmidt正交化方法，对等效信道矩阵进行正交分解，得到等效信道矩阵的正交矩阵和上三角矩阵。
6.根据权利要求1所述的并行正交分解中继卫星转发***中实现异步传输的方法，其特征在于，步骤(7)中所述上三角矩阵判决公式如下：
其中，xm表示中继卫星发送信号的第m个符号，rm表示地面站接收到的第m个符号，M表示中继卫星发送信号中符号的个数，Rmn表示上三角等效信道矩阵的第m行第n列的元素，xn表示中继卫星的第n个发送符号，Rmm表示上三角等效信道矩阵的第m行第m列的元素。
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