CN101207621B - Af-dstc协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信领域的AF-DSTC协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法，步骤为：各协作节点在收到自源节点的消息后，各协作节点计算其选取决定系数SDP，并以此判断其选取状态即是否能够参与通信第二阶段；各协作节点向源节点反馈其SDP系数以及选取状态；源节点根据反馈信息，对各协作节点进行功率分配，并广播功率分配信息；被选取的协作节点以分配到的功率向目标节点中继源信息。本发明能够显著降低AF-DSTC协作通信的中断概率，计算复杂度低，并且仅需要知道协作节点到目标节点信道增益的均值。

Description

AF-DSTC协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的功率分配方法，具体是一种AF-DSTC(放大转发分布式空时编码)协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法。

背景技术

多天线技术能够很大程度地改善无线通信系统的容量以及可靠性。近年来，由单天线用户通过相互协作形成虚拟天线阵的协作通信技术，作为多天线技术的延伸，引起了各界的广泛关注。在移动通信系统中，各单天线移动终端，通过相互协作，即可获得类似多天线技术中的分集增益，在不增加终端成本的前提下，提高了通信的可靠性，因此协作通信技术在将来的4G移动通信系统中有很好的应用前景；在ad-hoc、无线传感器网络等分布式网络中，协作通信技术能够提高系统资源分配的公平性，减少系统的总功率损耗，改善通信链路的稳定性，并提高网络的吞吐量。

DSTC(分布式空时编码)是一种协作通信技术中无线网络中各节点的协作协议。它将多天线技术中的空时编码思想应用到协作通信领域，能获得分集度为协作节点数目的分集增益，且有较高的频谱利用率。根据各协作节点对接收到信号不同的处理方式：放大转发(AF)、译码转发(DF)，可将DSTC分为AF-DSTC和DF-DSTC。然而，在某些实际的通信系统中，出于通信安全的考虑，除了通信的目标节点外，其他的协作节点是不允许或不能对源信息进行译码的。并且，协作节点对源信息进行译码，不仅增加了协议的复杂度，还有可能造成译码错误的后向传播，影响通信质量。因此相对于DF-DSTC，AF-DSTC协作通信具有更广泛的适用性与更低的应用复杂度。

2006年Yindi Jing等在“IEEE Trans.On Wireless Communications”(《电气电子工程师协会无线通信通讯》)(2006年12月第5卷)发表的“DistributedSpace-Time Coding in Wireless Relay Networks”(《无线中继网络中的分布式空时编码》)中提出了AF-DSTC协作通信协议：第一阶段由源节点广播信息到各协作节点，第二阶段由协作节点将收到的信息重新编码后发送到目标节点，但文中假设所有协作节点所处信道状况相同，并没有提到怎样根据各协作节点不同的信道信息，合理地对其分配功率。

中断概率即指系统通信发生中断的概率，是衡量通信可靠性的重要指标。AF-DSTC协作通信协议具有很广泛的应用前景，但目前的AF-DSTC协作通信协议中，还缺乏简单有效的根据各协作节点所处的不同信道状况对其进行功率分配的方案。

经对现有技术的文献检索发现，J.Luo等在“IEEE Trans.On WirelessCommunications”(《电气电子工程师协会无线通信通讯》)(2007年3月第6卷)发表的“Decode-and-Forward Cooperative Diversity with Power Allocation inWireless Networks”(《无线网络中译码转发协作分集的功率分配》)提出了一种在发射机已知信道增益均值的情况下的各协作节点间的功率分配方案。该方案能够有效降低系统的中断概率，并且复杂度低，其不足在于：协作节点必须能够对源节点进行译码，只能适用于DF-DSTC协议。传统的均分分配和择优分配方法虽然简单，但均不能有效降低AF-DSTC系统的中断概率。本发明所要解决的问题即：寻找一种适用于AF-DSTC通信协议的功率分配方法，该方法仅具有较低的复杂度，并且能显著降低系统的中断概率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种AF-DSTC协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法。本发明是一种在AF-DSTC协作通信协议中，仅知协作节点到目标节点信道功率增益均值的情况下，协作节点间的功率分配方法，能很大程度地降低系统的中断概率，并且复杂度较低。

本发明通过以下技术方案实现，具体包括如下步骤：

步骤一：各协作节点在收到自源节点的消息后，各协作节点计算其SDP(Selection Decision Parameter，选取决定系数)系数，并以此判断其选取状态即是否能够参与通信第二阶段。

步骤二：各协作节点向源节点反馈其SDP系数以及选取状态。

步骤三：源节点根据反馈信息，对各协作节点进行功率分配，并广播功率分配信息。

步骤四：被选取的协作节点以分配到的功率向目标节点中继源信息。

在实际采用AF-DSTC协议的协作通信系统中，步骤二与步骤三并不一定在每一次的通信过程中进行，可以在系统的初始化阶段或者有新节点进入网络时，根据信道的变化快慢以设定的时间间隔进行。

本发明步骤一中，所述各协作节点计算其SDP系数，并以此判断其选取状态，具体实现如下：

设源节点所需发送到目标节点的源信息为s＝[s₁ s₂ s₃…s_T]，满足E[s*s]＝1，T表示信息长度。源节点和协作节点通过协作的方式用总发射功率P将源信息发送给目标节点，P＝P₁+P₂。通信第一阶段由源节点以功率P₁向各协作节点广播源信息。在此阶段，协作节点i收到的信息为：

$r_i=\sqrt{P_{1}T}{f}_{i}s+v_i---\left(1\right)$

f_i表示从源节点到协作节点i的信道衰落系数，v_i为协作节点接收的噪声向量，本系统模型中的噪声均为均值0，方差1的高斯白噪声。在通信第二阶段，各协作节点对接收到的数据重新编码并发送给目的节点将源信息中继到目标节点：

$t_i=\sqrt{\frac{P_{2i}}{P_1+1}}{A}_i{r}_i---\left(2\right)$

P_2i表示节点i所分配到的发射功率，A_i表示节点i所采用的编码矩阵，且A_i为酉矩阵。假定有R个协作节点，目标节点收到通过协作节点中继的信息：

w表示目标节点的接收噪声向量。由式(3)可以计算得到目标节点的接收信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_d=\frac{P_1\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{2i}{\left|f_i\right|}^2{\left|g_i\right|}^2}{\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{2i}{\left|g_i\right|}^2+P_1+1}---\left(4\right)$

式(4)中，R为协作节点数目，f_i，g_i分别为源节点到协作节点i以及协作节点i到目标节点的信道衰落系数。当目标节点的接收信噪比小于一定门限η，即SNR_d＜η时将导致通信的中断。通信系统中发生通信中断的概率是衡量其可靠性的重要指标。本发明功率分配方案以降低AF-DSTC协作通信的中断概率为目标，在维持发射总功率不变的前提下，对各协作节点间的功率分配进行优化，即：

$\left\{\begin{array}{c}\min P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Pr}\{{\mathrm{SNR}}_d<\mathrm{\&eta;}\}\\ \mathrm{subject}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{2i}=P_2\end{array}\right.---\left(5\right)$

P_2i为节点i分配到的发射功率，P₂为AF-DSTC通信协议第二阶段所有协作节点的发射总功率。

本发明定义了选取决定系数：

SDP_i＝(P₁|f_i|²-η)m_i    (6)

P₁|f_i|²为协作节点收到的来自源节点的信号功率，m_i为协作节点i到目标节点信道衰减|g_i|²的均值。协作节点的SDP系数反映了该节点作为协作节点的优劣程度，并且决定了该节点是否会被分配功率实际参与协作通信的第二阶段。

在本步骤中，各协作节点收到来自源节点的信息后，计算其SDP系数，并与选取决定门限比较，若：

${\mathrm{SDP}}_i>\frac{\mathrm{\&xi;\&eta;}(P_1+1)}{P_2}---\left(7\right)$

则该节点被选上，将参与通信的第二阶段；否则该节点落选。式(7)中SDP_i为协作节点i的选取决定系数，P₁，P₂分别为通信第一、二阶段的发射功率，η为通信中断的目标节点接收信噪比门限，ξ为1～2.7之间的数值，ξ的选取会对方案性能产生一定影响，可以通过实验仿真来确定其值。通过本步骤，各协作节点可以预先确定其是否能够参与协作通信的第二阶段，并能够提前为后面的中继任务做准备。

本发明的步骤二和步骤三在通信的初始化阶段或者由于节点分布发生变化等原因，需要对各协作节点重新进行功率分配时进行。在步骤二中，各协作节点依次向源节点反馈其当前的SDP系数以及选取状态。

本发明上述步骤三中，源节点根据协作节点的反馈信息制定功率分配方案。功率分配方案中包含参加AF-DSTC协作通信第二阶段的节点编号，以及其分配得到的具体功率。源节点在本步中将功率分配方案广播给所有协作节点。

N表示通过反馈信息所知的SDP系数高于选取门限的协作节点数目。考虑到有可能存在所有节点的SDP均低于选取门限的情况，本发明分两种情况对协作节点进行功率分配：

1当N＝0时

没有一个协作节点SDP系数大于选取门限，则：

即选取SDP系数最大的协作节点分配通信第二阶段的所有功率。

2当N≥1时

若有N个协作节点的SDP大于选取门限，则：

即这N个协作节点均分通信第二阶段的总功率。

在确定功率分配方案后，由源节点向所有协作节点广播功率分配信息。

本发明在上述三个步骤完成后，进入步骤四，即被选取的协作节点以其分配所得的功率，按照式(2)向目标节点中继源信息。

本发明提出了反映协作节点优劣的选取决定系数SDP，以及判断节点是否参与AF-DSTC协作通信协议第二阶段的选取门限，并以此为基础，在发射总功率不变的前提下，对各协作节点进行合理的功率分配，从而达到降低系统的通信中断概率的目的。

本发明的优点在于：各协作节点仅需要知道其到目标节点间信道的增益均值以及其收到的来自源节点的信号功率，即能独立计算其SDP系数；各协作节点可以独立判断其能否被选取参与通信第二阶段；本发明中分配算法复杂度很低；相对于均分功率分配以及择优功率分配方案，在同等中断概率时，本发明方案所需的发射总功率要分别减少约4dB以及2dB，即在同等发射总功率时，本方案能够显著降低采用AF-DSTC协议的协作通信系统的中断概率。

附图说明

图1AF-DSTC协作通信协议模型

图2本发明功率分配流程图

图3节点分布实例图

图4用于AF-DSTC协作通信协议的四种功率分配方案中断概率性能比较

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明采用的放大转发分布式空时编码协作通信协议模型如图1。其中S为源节点，D为目标节点，共有R个协作节点{1，2，……R}。f_i，g_i分别为源节点到协作节点i以及协作节点i到目标节点的信道衰落系数。源节点所需发送的信息为s，协作节点收到的信息为r_i，转发的信息为t_i，x表示目标节点收到的信息。

下面给出一个具体的AF-DSTC协作通信参数配置，来阐述本发明的实现步骤。需要说明的是，下例中的参数并不影响本发明的一般性。

节点数目	R＝10个协作节点、1个源节点、1个目标节点
		节点分布	协作节点在(-1，-1)到(1，1)的方形区域均匀分布，源节点位置为(-0.5，0)，目标节点位置为(0.5，0)，具体如图3
信道模型	瑞利信道，其功率增益|g|<sup>2</sup>服从指数分布，均值m＝d<sup>-2</sup>

噪声	均值0，方差1的加性高斯白噪声
		P<sub>1</sub>/P<sub>2</sub>	1，即P<sub>1</sub>＝P<sub>2</sub>＝P/2
通信中断的接收SNR门限η	0dB
		ξ	1.5

根据节点的分布，得到源节点到协作节点SR信道以及协作节点到目标节点RD信道功率衰减均值如下：

协作节点编号	SR信道功率衰减均值	RD信道功率衰减均值m<sub>i</sub>
			1	0.5928	6.9450
2	0.9857	1.8612
			3	1.1661	2.5990
4	30.3561	1.1602
			5	0.6077	1.0595
6	0.4431	3.8663
			7	20.4198	1.0997
8	0.5038	1.0554
			9	0.6218	9.9100

10

0.6782

2.6358

下面根据附图2中描述的本发明功率分配方案，对各协作节点进行功率分配：

1.源节点以功率P₁向各协作节点广播源信息，各协作节点收到的信号经过了SR信道衰落并受到了噪声干扰，接收的信号功率为P₁|f_i|²，噪声功率为1。各协作节点根据接收到的信号功率及它到目标节点RD信道功率衰减均值m_i由式(6)计算其SDP系数，并由式(7)判断其选取状态。在一次实验中，总发射功率P＝6dB，P₁＝P₂＝1.9906时，选取门限为 $\frac{\mathrm{\&xi;\&eta;}(P_1+1)}{P_2}=2.2536.$ 各协作节点得到如下的计算结果：

协作节点编号	接收信号功率	RD信道增益均值m<sub>i</sub>	SDP	选取状态
					1	0.7587	6.9450	-1.6759	0
2	1.6354	1.8612	1.1827	0
					3	0.3877	2.5990	-1.5915	0
4	23.2371	1.1602	25.7988	1
					5	0.1611	1.0595	-0.8888	0
6	1.9044	3.8663	3.4966	1
					7	12.2868	1.0997	12.4116	1
8	0.9996	1.0554	-0.0004	0
					9	0.5141	9.9100	-4.8153	0
10	2.9598	2.6358	5.1657	1

因此，共有编号为4、6、7、10共4个协作节点的SDP值高于选取门限，它们将参与通信的第二阶段。

2.在所有协作节点完成各自的SDP系数计算以及选取状态判定后，依次将其SDP系数与选取状态反馈给源节点。

3.源节点在收到来自协作节点的反馈信息后，根据SDP系数与选取状态由式(8)和式(9)进行功率分配。在本例中，共有4个节点SDP高于选取门限，即N＝4，根据式(9)，本发明的功率分配方案为：

节点编号i	分配功率P<sub>2i</sub>
		1	0
2	0

3	0
		4	0.4976
5	0
		6	0.4976
7	0.4976
		8	0
9	0
		10	0.4976

即节点4，6，7，10均分通信第二阶段的发射总功率P₂。作为对比，下面列出均分功率分配方案和择优功率分配方案。

均分功率分配方案：

节点编号i	分配功率P<sub>2i</sub>
		1	0.1991
2	0.1991
		3	0.1991
4	0.1991
		5	0.1991
6	0.1991

7	0.1991
		8	0.1991
9	0.1991
		10	0.1991

该方案所有协作节点均分通信第二阶段的总发射功率P₂。

择优功率分配方案1(Best Select 1)：

节点编号i

分配功率P<sub>2i</sub>

1	0
		2	0
3	0
		4	1.991
5	0
		6	0
7	0
		8	0
9	0
		10	0

该方案选取SDP最大的协作节点4分配所有功率P₂。

择优功率分配方案2(Best Select 2)：

节点编号i	分配功率P<sub>2i</sub>
		1	0

2	0
		3	0
4	0.9950
		5	0
6	0
		7	0.9950
8	0
		9	0
10	0

该方案选取SDP最大的两个协作节点4和7均分功率P₂。

源节点在确定功率分配方案后，将功率分配信息广播给各协作节点。

4.被选取的协作节点以分配的功率P_2i按照式(2)将源信息重新编码后中继到目标节点。

通过仿真，比较了采用均分功率分配方案、择优功率分配方案1、择优功率分配方案2与本发明功率分配方案的AF-DSTC协作通信的中断概率性能。仿真结果如图4。

由图4可以看到，本发明功率分配方案相对于其他三种功率分配方案有显著的优势。例如，在总发送功率P为4dB时，采用本发明功率分配方案的系统中断概率为7.3E-3，而相比之下，均分功率分配方案为3.2E-1，择优功率分配方案1为6.4E-2，择优功率分配方案2为3.5E-2；随着发送功率的增加，本发明功率分配方案的优势将更加明显，在总发送功率为10dB时，采用本发明功率分配方案的系统中断概率为1.0E-6，相比之下，均分功率分配方案为2.8E-3，择优功率分配方案1为9.8E-3，择优功率分配方案2为7.0E-4。无论总发送功率P为多少，本发明功率分配方案均优于其它3种功率分配方案，达到了降低系统中断概率的目的。

通过本例说明，本发明功率分配方案中的SDP系数有效反映了AF-DSTC通信协议中协作节点的优劣程度；相比于其他的方案，本方案能够有效降低了AF-DSTC协作通信系统的中断概率，并且计算复杂度低；本功率分配方案仅需要知道协作节点到目标节点信道增益的均值，易于实现，在AF-DSTC协作通信系统中具有很高的应用价值。

Claims (1)

1.一种放大转发分布式空时编码协作通信协议中降低中断概率的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：各协作节点在收到自源节点的消息后，各协作节点计算其选取决定系数，并与选取决定门限比较，并判断其选取状态：当其选取决定系数高于选取决定门限时，才能够参与协作通信第二阶段；

步骤二：各协作节点向源节点反馈其选取决定系数以及选取状态；

步骤三：源节点根据反馈信息，对各协作节点进行功率分配，并广播功率分配信息；

(1)当N＝0时，即没有协作节点选取决定系数大于选取决定门限时，则：

即将通信第二阶段的所有功率P_2i分配至决定系数最大的协作节点；

(2)当N≥1时，即有N个协作节点的选取决定系数大于选取决定门限，则：

其中：N为协作节点个数，SDP_i为协作节点i的选取决定系数，P₁，P₂分别为通信第一阶段和第二阶段的发射功率，η为通信中断的目标节点接收信噪比门限，ξ为1～2.7之间的数值；

步骤四：被选取的协作节点以分配到的功率向目标节点中继源信息；

所述的选取决定系数：

SDP_i＝(P₁|f_i|²-η)m_i；

其中：f_i表示从源节点到协作节点i的信道衰落系数，P₁|f_i|²为协作节点i收到的来自源节点的信号功率，m_i为协作节点i到目标节点信道衰减|g_i|²的均值；

所述的选取决定门限为：

$\frac{\mathrm{\&xi;\&eta;}(P_1+1)}{P_2};$

所述的第一阶段由源节点广播信息到各协作节点；

所述的第二阶段由协作节点将收到的信息重新编码后发送到目标节点。

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