CN101282199B - 用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，是根据当前的实时信道状况，为每个中继节点分别选择适宜的转发方式，并分配相应的发射功率；或决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提供满足设定可靠性条件下的高效通信。主要操作步骤是：(1)估计信道，(2)选择合作伙伴，(3)利用信道估计和伙伴选择的结果，为每个中继选择最佳中继策略，(4)根据信道容量公式，分别计算直传信道容量和所选择的中继方案信道容量，(5)以等价信道容量较大的方案为最终选择结果。该方法依据当前信道状况，判断是否使用中继；并在兼顾通信可靠性和有效性的前提下，为每个中继选择最佳转发策略，同时在信源和各中继之间合理分配功率。

Description

用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信网络的协作传输的实现方法，确切地说，涉及一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，属于无线通信中的协作通信技术领域。

背景技术

协作通信(Cooperative Communication)又称合作通信。虚拟MIMO技术是其中一个子集。在协作通信系统中，每个移动终端都有一个或多个合作伙伴(Partner)，或称为中继(Relay)。合作伙伴在传输自己信息的同时，还协助其伙伴传输信息。这样，在传输信息的过程中，每个终端同时利用了自己和合作伙伴的空间信道，从而获取一定的空间分集增益。通过协作，使单天线的移动终端也能够实现空域分集，即协作分集(Cooperative Diversity)，这是一种全新的空间分集技术。由于协作的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的多天线系统，即称为虚拟MIMO。协作通信解决了难以在移动终端安装多根天线的问题，不必受限于终端尺寸，可推进MIMO技术的实用化进程。

MIMO系统的优点已经众所周知，并已被大多数主流协议所采纳。在理想情况下，接收天线的间隔d≥波长λ/2，就能够保证各支路接收的信号互不相关。但是，移动通信系统中MIMO的现状是：天线阵列维数较小，富散射环境。此时电磁波波长较长，移动台由于其尺寸或其他约束条件不能支持多天线(例如3G系统工作频率在2GHz左右，波长为15cm，需要接收天线的间隔d≥7.5cm)，因此无法利用本地空时编码实现上行链路的传输分集。此时通过各个单天线终端之间的协作处理，构成虚拟的天线阵VAA(Virtual Antenna Array)，可以采用虚拟MIMO的空时信号处理技术、分布式天线、穿戴式天线等协作处理系统来提高系统性能。

随着多种无线通信技术和系统的发展，作为不可再生资源的无线电频谱，已经很难在2GHz以下找到足够的频率带宽用于地面移动通信，未来通信系统的频点逐渐向高频发展。随着载频的升高到3GHz以上，未来系统采用MIMO的状况必然是：天线阵列维数较大，散射环境较差。此时波长较短，终端可以安装多天线(例如5GHz系统，波长为6cm，接收天线的间隔d≥3cm)。但是由于频率较高，主要以直射径LOS(Line of Sight)方式传播信号，散射环境变差，MIMO空时编码仍然无法取得较好的性能。此时必须通过部分用户充当主动散射物(协作伙伴)，来改善散射环境，以便使得MIMO系统能够正常工作。因此，从改善信道状况、促进MIMO实用化，以及解决高速传输与覆盖的矛盾角度，协作通信技术均已被公认为是未来移动通信系统的候选技术方案。

在协作通信中，中继节点可以采用多种转发方式来辅助信源将信号发送至信宿，包括解码转发DF(Decode-and-Forward，即中继译出来自信源的信号后，采用与信源端相同的编码方式进行编码，再转发给信宿)，放大转发AF(Amplify-and-Forward，即中继将来自信源的信号放大后转发给信宿)，编码协作CC(Coded Cooperation，即中继译码后采用与信源端不同的编码方式，按需只转发冗余部分)，增量中继(Incremental Relaying，中继根据目的端反馈的直传成功与否的信息来决定是否转发)等等。且中继节点的数目可以是一个或多个。

在一个可选用多个空闲节点作为中继的多中继系统中(单中继系统被视为其特例)，现有技术通常是考虑所有中继都采用相同转发方式(DF、AF等)，并在发送总功率(即信源发送功率与各中继转发功率之和)受限的情况下，首先通过信道估计来估算当前各信道状态，并将结果反馈到发送端；然后进行最优的或次最优的转发方式选择、功率分配、比特分配、编码方式选择等等，使系统能够在满足设定的可靠性要求条件下，传输效率实现最大化。

这种现有技术的缺点是：在多中继系统中，不同的中继所经历的信道状况可能差别很大，最佳的中继方式也可能各不相同，如果让所有的中继都采用相同的中继方式，势必要限制系统的性能。如果为每个用户只选择一个中继，即单中继系统，就没有为不同的中继选择不同中继方式的问题。但是在无线网络中，有些用户往往同时可能有多个空闲的用户适合作为它的中继，这样也会制约其传输性能的提高。

中继的引入能给通信链路带来空间分集增益，但是必然也会造成一定的额外开销，在某些情况下，这些开销甚至会抵消掉协作增益，也就是说并非在任何情况下都适合采用协作通信，为此必须做出各种相应的选择。这个问题已经成为业内技术人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，该方法用于支持协作通信的无线网络中，为不同用户分别选择不同数目的中继；并根据当前信道状况，在兼顾通信的可靠性和有效性的前提下，为每个中继选择最佳的转发策略，并在信源和各个中继之间合理地分配功率；以及判断是否使用中继。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：该方法是根据当前的实时信道状况，为每个中继节点分别选择适宜的转发方式，并分配相应的发射功率；或者决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提供满足设定可靠性条件下的高效通信；包括下列操作步骤：

(1)估计信道：对系统进行信道估计，得到当前的信道状况参数，并将这些信道参数反馈给信源，供其在后续步骤中做出相应决策；

(2)选择合作伙伴：根据信道估计结果，系统选用一种伙伴选择策略，以便为当前正要通信的信源选择适宜的空闲终端作为其合作伙伴；

(3)利用信道估计和伙伴选择的结果，为每个中继节点选择中继转发方式组合和分配发射功率：在发射总功率受限、并设置所有中继节点的发射功率都相同的基础上，根据协作通信中实际使用的中继节点数目及其可能采取的转发方式组合的数量都是有限的情况，逐一分别计算多中继系统在采用各种转发方式组合下的最佳功率分配方案，使得信宿能够得到将来自信源和各中继节点的信号进行最大比合并后的等价系统信噪比的最大化数值，以及这些最大化的等价系统信噪比中的最大值所对应的中继策略：转发方式组合和功率分配方案即为所要选择的中继策略；所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)选择一种尚未处理过的中继转发方式组合；

(32)假设总功率受限和所有中继节点的发射功率都相同，利用信道估计和伙伴选择的结果，得到中继链路信噪比的计算公式：以转发方式和信源功率/中继节点功率两个变量为自变量的函数；

(33)将步骤(31)所选用的转发方式组合作为已知变量，以及每条链路的信道估计结果，代入上述中继链路信噪比的计算公式，分别得到每条中继链路在采用该中继节点转发方式组合时的链路信噪比，以及直传链路信噪比，再进行最大比合并；又将合并后的等价系统信噪比的计算公式表示为以信源功率或中继功率为自变量的一元函数；

(34)用微分方法、以信源功率或中继节点功率为自变量求解在步骤(31)所选用的转发方式组合下的等价系统信噪比，得到等价系统信噪比的最大值及其相对应的功率分配方案；

(35)判断是否对所有可能的转发方式组合都执行了上述处理？若是，则顺序执行后续操作；否则，返回执行步骤(31)的操作；

(36)得到所有不同中继转发方式组合下的最大化的等价系统信噪比的最大值，该最大化等价系统信噪比的最大值所对应的中继转发方式组合及其相应的功率分配方案就是最终选择的中继策略；

(4)根据信道容量公式，分别计算直传信道容量和所选择的中继方案信道容量：根据归一化信道容量C的计算公式：C＝log₂(1+γ)，式中，γ为信噪比，以及所选择的转发方式组合和功率分配结果，计算在信宿端经过最大比合并后的系统等价信噪比γ_eq；再将该等价信噪比代入信道容量公式，得到经过自适应的策略选择和功率分配后的等价系统信道容量C_eq＝log₂(1+γ_eq)，式中，γ_eq是系统等价信噪比；再计算信源与信宿间的直传链路的等价系统信道容量C_dir＝2log(1+γ_SD)，式中，γ_SD是信源与信宿间的直传信道的信噪比；

(5)以等价信道容量较大的方案为最终选择结果。

所述步骤(1)中估计的信道包括信源到信宿之间的直传链路，以及中继链路：信源到各个中继节点或空闲终端、再从各个中继节点或空闲终端到信宿的这两跳链路的合称。

所述选择的中继转发方式包括下列两种：解码转发DF：中继节点译出来自信源的信号后，采用与信源端相同的编码方式进行编码后，再转发给信宿；放大转发AF：中继节点将来自信源的信号放大后转发给信宿。

所述最大比合并MRC是将每个分支信号分别乘以各自分支链路的信噪比，再对所有分支信号求和，该合并后的输出信号的信噪比为各分支信噪比之和。

所述步骤(5)进一步包括下列操作内容：根据仙农的信道编码理论，在已经研究出来的、包括Turbo码和LDPC码的高性能信道编码中选择一种编码方式，以便使得实际的信号传输速率尽可能地接近信道容量。

所述方法能够用于支持协作通信的无线网络的上行传输和下行传输。

本发明是一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，其创新之处是以多中继系统信道容量最大化为判断标准，通过穷举的方法为各个中继分别选择不同的中继转发方式(在某些信道条件下，最后选择结果可能是相同的)，再假设所有的中继节点都使用相同的功率，为系统提供一种相应简化的功率分配方法。

本发明方法为多中继协作通信系统中的各个中继节点提供了较好的转发方式的自适应选择和功率自适应分配策略，并给出了什么情况下不使用中继的判断标准，使得多中继系统更加智能化，进一步提高其传输性能而进入实用化。本发明既能用于支持协作通信的无线网络的上行传输，也能用于下行传输；虽然它定位于多中继系统，同样也适用于单中继系统。由于协作通信技术已被公认为是未来移动通信系统的候选技术方案，因此，随着协作通信相关技术的不断发展和完善，本发明将有很好的推广、应用前景。

附图说明

图1是本发明用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法的操作步骤流程图。

图2是本发明用于协作蜂窝网络中的一个下行传输的示意图。该图是在经过了信道估计和伙伴选择后得出的结果，图中h_AB表示从A节点到B节点的传输链路的信道增益，L为中继数目。

图3是本发明方法操作步骤(3)进行中继策略自适应选择的操作流程图。

图4是本发明的一实施例的性能比较：双中继系统中不同中继策略下的信道容量的示意图。

图5是图4的仿真实施例中，本发明进行自适应中继策略的功率分配结果示意图。其中信源功率为1时中继功率为0，表示所有功率都分配给了信源，即系统选择了直传模式。

图6是图4的仿真实施例中，使用本发明进行自适应中继策略的转发方式的选择结果示意图。其中竖轴5表示所选择的通信策略为直传，4表示中继R₁和R₂的转发方式分别为DF、DF，3表示中继R₁和R₂的转发方式分别为AF、DF，2表示中继R₁和R₂的转发方式分别为DF、AF，1表示中继R₁和R₂的转发方式分别为AF、AF(图中未示)。

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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种用于多中继(也适用于单中继)通信系统的中继策略的自适应选择方法，该方法是根据当前的实时信道状况，为每个中继节点分别选择适宜的转发方式，并分配相应的发射功率；或者决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提供满足设定可靠性条件下的高效通信。

参见图1，介绍本发明方法的各个操作步骤：

步骤(1)估计信道：对系统进行信道估计，得到当前的信道状况参数，并将这些信道参数反馈给信源，供其在后续步骤中做出相应决策。这里的信道包括信源到信宿之间的直传信道(直传链路)和各个中继信道(中继链路)，即信源到各个空闲终端、再从各个空闲终端到信宿的这两跳链路的合称(如图2所示)。

步骤(2)选择合作伙伴：根据信道估计结果，系统选用一种伙伴选择策略，以便为当前正要通信的信源选择适宜的空闲终端作为其中继，即合作伙伴。

步骤(3)利用信道估计和伙伴选择的结果，为每个中继选择最佳中继策略，即选择中继转发方式组合和分配发射功率：在发射总功率受限、并设置所有中继节点的发射功率都相同的基础上，根据协作通信中实际使用的中继数目及其可能采取的转发方式组合的数量都是有限的情况，逐一分别计算多中继系统在采用各种转发方式组合下的最佳功率分配方案，使得信宿能够得到将来自信源和各中继的信号进行最大比合并后的输出信噪比，即等价系统信噪比的最大化数值，这些最大化的等价系统信噪比中的最大值所对应的中继策略：转发方式组合和功率分配方案即为所要选择的中继策略。

因为该步骤是本发明的关键，下面对其作具体说明：

为了节约发送功率，通常要求系统的发送总功率受限，这就涉及到在信源和各中继间如何合理分配该总功率，而功率分配又会直接影响到中继策略的最佳选择，所以选择转发方式要和功率分配问题结合在一起同时考虑、处理。

确定具体的中继或伙伴后，每个中继要根据自己经历的信道状况来选择合适的中继转发方式。但是，研究表明，当中继数目大于2时，即使所有中继都采用相同的转发方式(AF或DF)，很难得出最优解，即最佳的功率分配方案。不同中继采用不同转发方式的多中继系统肯定要比采用相同转发方式的多中继系统更加复杂和难以分析。而对于单中继系统，可以通过数学推导得出最佳功率分配方案。因此本发明方法作出下述调整：让所有的中继节点都使用相同大小的发射功率。这样能够将多中继系统的功率分配问题简化为单中继系统的功率最佳分配问题，使其复杂度大大简化，还能保证系统工作在一个较高水平上。

对于每条中继链路，利用信道估计结果，可以得到该中继链路采用DF或AF时的链路信噪比的计算公式：以信源功率和中继功率两个变量为自变量的函数。所有中继链路的信噪比和直传链路信噪比之和就是在信宿端经过理想的最大比合并后的等价系统信噪比，这个信噪比的计算公式是有关信源功率、中继功率和所有中继采用的转发方式组合等多个变量为自变量的函数。由于协作通信中实际使用的中继数目非常有限，它们能采取的转发方式组合的数目也是有限的，这样就可以利用穷举方法得到在所有不同转发方式组合下的等价系统信噪比的计算公式。又因为总功率受限，中继功率可表示为以信源功率为单自变量的函数，信源功率也可表示为以中继功率为单自变量的函数，于是可将等价系统信噪比的计算公式简化成以信源功率或中继功率为自变量的一元函数。再通过微分方法，就可得到在所有不同中继组合下的最大等价系统信噪比及其相应的功率分配方案。这些最大等价系统信噪比中的最大值所对应的转发方式组合和功率分配方案就是本发明最终选择的中继策略。

参见图3，介绍该关键操作步骤的各个具体操作内容：

(31)选择一种尚未处理过的中继转发方式组合；

(32)假设总功率受限和所有中继节点的发射功率都相同，利用信道估计和伙伴选择的结果，得到中继链路信噪比的计算公式：以转发方式和信源功率/中继功率两个变量为自变量的函数；

(33)将步骤(31)所选用的转发方式组合作为已知变量，以及每条链路的信道估计结果，代入上述中继链路信噪比的计算公式，分别得到每个中继链路在采用该中继转发方式组合时的链路信噪比，以及直传链路信噪比，再进行最大比合并；又将合并后的等价系统信噪比的计算公式表示为以信源功率或中继功率为自变量的一元函数；

(34)用微分方法、以信源功率或中继功率为自变量求解在步骤(31)所选用的转发方式组合下的等价系统信噪比，得到等价系统信噪比的最大值及其相对应的功率分配方案；

(35)判断是否对所有可能的转发方式组合都执行了上述处理？若是，则顺序执行后续操作；否则，返回执行步骤(31)的操作；

(36)得到所有不同中继转发方式组合下的最大化的等价系统信噪比的最大值，该最大化等价系统信噪比的最大值所对应的中继转发方式组合及其相应的功率分配方案就是最终选择的中继策略。

步骤(4)根据信道容量公式，分别计算直传信道容量和所选择的中继方案信道容量：根据归一化信道容量C的计算公式：C＝log₂(1+γ)，式中，γ为信噪比，以及所选择的转发方式组合和功率分配结果，计算在信宿端经过最大比合并后的系统等价信噪比γ_eq；再将该等价信噪比代入信道容量公式，得到经过自适应的策略选择和功率分配后的等价系统信道容量C_eq＝log₂(1+γ_eq)，式中，γ_eq是系统等价信噪比；

中继只有在接收到来自信源的信号后，才能向信宿转发处理后的信息。所以协作通信的完成时间要有两个时隙：在第一时隙内信源向各中继和信宿广播信息，在第二时隙内各中继向信宿转发信息。上面得出的等价信道容量实际上是在两个时隙内的信道容量大小。如果是在信源与信宿之间的直接传输，不使用协作通信，那么在采用协作通信的两个时隙内信源与信宿间的直传链路的等价信道容量为C_dir＝2log(1+γ_SD)，其中γ_SD表示信源与信宿间信道的信噪比。

步骤(5)根据上述步骤的计算结果，以等价信道容量较大的方案为最终选择结果。此时，还可执行下列操作内容：根据仙农的信道编码理论，在已经研究出来的包括Turbo码和LDPC码等高性能信道编码中选择一种编码方式，以便使得实际的信号传输速率尽可能地接近信道容量。

为了进一步阐明本发明步骤(3)的中继策略自适应选择方法，下面结合图2和图3，以二进制移相键控(BPSK)调制方式为例，采用数学分析方法来说明该步骤(3)的理论推导过程、具体实现方法和结果。

需要说明的是：由于采用DF转发方式的中继链路的信噪比与调制方式有关，不同调制方式所对应的结果一般都不相同，但是其推导方法和实施流程大致相同。

参见图2所示的协作蜂窝网络的一个小区内，假设当前时刻由基站向某个用户X发送信息，信源和信宿分别用S和D表示。经过信道估计和合作伙伴选择后，可以得到系统分配给用户X的合作伙伴(中继)：其他空闲用户，并且得到信源与各中继、各中继与信宿以及信源与中继间信道的参数。令自然数L表示中继数目(L＝0表示没有分配中继)，R_i表示中继节点，自然数下标i表示其序号，

表示信源S与各中继R_i之间信道的增益(或衰落系数)，

表示各中继R_i与信宿D之间信道的增益，h_SD表示信源S与信宿D之间直传信道的增益。下面的分析推导适用于至少有一个中继的情况。

不失一般性，假设各传输信道为加性白高斯噪声信道，在时间上表现为块衰落，在工作频带内表现为平坦衰落。块衰落意味着每经过一个时间块信道状况就会发生改变，就要重新进行信道估计和重新实施本发明方法。令

n_D(t)分别表示在t时刻R_i、D处接收到的信号中的加性噪声分量，它们都服从均值为0的高斯分布，方差分别为

另外，设系统总功率大小为P_T。为简化功率分配，规定所有中继都使用相同功率。假设分配给信源S和每个中继的功率分别为P_S、P_R，且满足P_S+L·P_R＝P_T。设χ表示平均能量归一化的发送信号星座点集合，那么在t时刻信源S发送的信号可表示为

，s(t)∈χ，则在中继R_i和信宿D处接收信号分别为： $y_{{\mathrm{SR}}_i}\left(t\right)=h_{{\mathrm{SR}}_i}\sqrt{P_S}s\left(t\right)+n_{R_i}\left(t\right),$

$y_{\mathrm{SD}}\left(t\right)=h_{\mathrm{SD}}\sqrt{P_S}s\left(t\right)+n_D\left(t\right).$

下面，再以第i条中继链路为例，分析当中继R_i分别采用AF或DF转发方式时，该条中继链路的信噪比大小。

(一)AF模式：当R_i采用AF方式转发接收到来自信源S的信号

时，该信号的平均功率为为了保证中继节点发射功率为P_R，可令R_i的转发放大因子为

则D端接收到的来自中继R_i的转发信号为

则该第i条中继链路采用AF转发模式时的信噪比为： ${\mathrm{\γ}}_i^{\mathrm{AF}}=\frac{{\mathrm{\μ}}^2{h}_{{\mathrm{SR}}_i}^2{h}_{R_{i}D}^2{P}_S}{{\mathrm{\μ}}^2{\mathrm{\σ}}_{R_i}^2+{\mathrm{\σ}}_D^2}=\frac{P_R{h}_{{\mathrm{SR}}_i}^2{h}_{R_{i}D}^2{P}_S}{P_R{\mathrm{\σ}}_{R_i}^2+{\mathrm{\σ}}_D^2(P_S{h}_{{\mathrm{SR}}_i}^2+{\mathrm{\σ}}_{R_i}^2)}.$

(二)DF模式：在DF模式中，中继首先从接收到的来自发送端S的信号

中，检测出发送信号，然后转发出去。假设P_BPSK(γ)表示采用BPSK调制方式时，接收信噪比为γ时的误码率。S到R_i之间信道的信噪比为则信源S发送信号s(t)时，R_i能够正确接收的概率为

。对于BPSK调制有：

式中，函数Q(·)的计算公式为：

令x(t)表示中继R_i要转发的信号，且x(t)∈χ，则x(t)可表示为为x(t)＝s(t)+n_eq(t)；其中，n_eq(t)表示等价的噪声，它只取两种值：-2s(t)(此时x(t)＝-s(t)，即R_i译码错误)和零(此时x(t)＝s(t)，正确解码无差错)；它取值为-2s(t)的概率为

，取值为零的概率为1-P_BPSK(γ_SR)，所以其均值为

转发信号x(t)可进一步写为： $x\left(t\right)=s\left(t\right)+E\left[n_{\mathrm{eq}}\left(t\right)\right]+n_{\mathrm{eq}}\left(t\right)-E\left[n_{\mathrm{eq}}\left(t\right)\right]$

$=[1-2P_{\mathrm{BPSK}}\left({\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\right)]s\left(t\right)+{\hat{n}}_{\mathrm{eq}}\left(t\right),$

式中，

是等价的均值为零的噪声。另外，根据E[s²(t)]＝1，

的方差可表示为： ${\mathrm{\σ}}_{\hat{n}}^2=E\left\{{[n_{\mathrm{eq}}\left(t\right)+2P_{\mathrm{BPSK}}\left({\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\right)s\left(t\right)]}^2\right\}$

$=4P_{\mathrm{BPSK}}\left({\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\right)[1-P_{\mathrm{BPSK}}\left({\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\right)].$

这样，R_i采用DF模式时，D端接收到的来自R_i的再生转发信号为：

$y_{\mathrm{RD}}^{\mathrm{DF}}\left(t\right)=h_{R_{i}D}\sqrt{P_R}x\left(t\right)+n_D\left(t\right)$

$=h_{R_{i}D}\sqrt{P_R}[1-2P_{\mathrm{BPSK}}\left({\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\right)]s\left(t\right)+h_{R_{i}D}\sqrt{P_R}{\hat{n}}_{\mathrm{eq}}\left(t\right)+n_D\left(t\right).$

则第i条中继链路的信噪比为对该式进行整理，可得到：

由于信源功率P_S和中继功率P_R满足系统总功率约束关系式P_S+L·P_R＝P_T，因为P_T为系统设定的固定数值，故P_R的大小决定于P_S，其计算公式为

(同样地，P_S的大小可由P_R确定)，这样在当前信道状况下，每条中继链路的链路信噪比γ_i都能够表示为P_S(或P_R)和该链路所用的中继转发方式的两个自变量的二元函数：

直传链路的信噪比也可表示为P_S(或P_R)的一元函数：

信宿端D把来自信源和L个中继的信号经过理想的最大比合并后的等价系统信噪比为

则该等价系统信噪比就是关于P_S(或P_R)和所有中继使用的转发方式组合的函数，其中变量P_S的取值范围为P_S∈(0，P_T]。

令K表示L个中继可能采用的各种转发方式组成的集合，则K中有N＝2^L个元素，即N种转发方式组合，故可将K表示为K＝{k₁，k₂，…，k_N}。对于某一种转发方式组合k_i∈K(i＝1，2，…，N)，可得出系统采用k_i时的系统等价信噪比

再采用一元函数求最大值的方法得到采用k_i时的系统最大信噪比

及其对应的最佳功率分配

。这里需要将各种转发方式组合的集合K中所有元素穷举一遍，才能得到N种组合方式各自对应的最佳中继策略。在协作通信中，因为所选用的中继数目通常很小(一般≤5)，所以组合方式N的数值也很小，所需的计算复杂度完全能够控制在一个可接受的范围。

这N种转发方式组合下的最大等价系统信噪比中的最大值对应的组合k_optimal，就是本发明所要选择的中继策略，k_optimal所对应的最佳功率分配结果

即为所选择的功率分配结果，其对应的等价系统信噪比

然后，根据步骤(4)来判断所选取的这种中继策略是否优于不使用中继的策略。要注意的是：如果不使用中继的话，全部发送功率都应该分配给信源S，即P_S＝P_T，此时直传信道的信噪比

本发明方法已经进行了实施试验，图4～图6是该试验实施例的各种性能比较示意图。图4是本发明在双中继系统中不同中继策略下的一实施例的信道增益比较图。实施例所采用的传输策略有四种：传统的所有中继采用相同转发方式(信源和中继都使用相同的DF或AF发送功率)、直传模式和本发明功率优化分配的自适应策略选择模式。其仿真环境为：系统总发送功率受限为1，直传信道增益为1.7dB，信源到两个中继R₁和R₂的信道增益分别为7dB和6dB，并假设两个中继到信宿的信道增益之和为15dB。图4说明采用本发明自适应策略选择方法所得的系统信道容量明显大于采用统一转发方式、等功率分配的中继策略，但是在某些情况下，点对点的直传具有更好的性能。

图5和图6的结果说明当中继经历的信道状况不同时，为使系统达到最大化的信道容量，所选择的中继策略亦各不相同：信源信宿的功率和各中继的转发方式会随着信道状况的改变而改变。

Claims (6)

1.一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：该方法是根据当前的实时信道状况，为每个中继节点分别选择适宜的转发方式，并分配相应的发射功率；或者决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提供满足设定可靠性条件下的高效通信；包括下列操作步骤：

(1)估计信道：对系统进行信道估计，得到当前的信道状况参数，并将这些信道参数反馈给信源，供其在后续步骤中做出相应决策；

(2)选择合作伙伴：根据信道估计结果，系统选用一种伙伴选择策略，以便为当前正要通信的信源选择适宜的空闲终端作为其合作伙伴；

(3)利用信道估计和伙伴选择的结果，为每个中继节点选择中继转发方式组合和分配发射功率：在发射总功率受限、并设置所有中继节点的发射功率都相同的基础上，根据协作通信中实际使用的中继节点数目及其可能采取的转发方式组合的数量都是有限的情况，逐一分别计算多中继系统在采用各种转发方式组合下的最佳功率分配方案，使得信宿能够得到将来自信源和各中继节点的信号进行最大比合并后的等价系统信噪比的最大化数值，以及这些最大化的等价系统信噪比中的最大值所对应的中继策略：转发方式组合和功率分配方案即为所要选择的中继策略；所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)选择一种尚未处理过的中继转发方式组合；

(32)假设总功率受限和所有中继节点的发射功率都相同，利用信道估计和伙伴选择的结果，得到中继链路信噪比的计算公式：以转发方式和信源功率/中继节点功率两个变量为自变量的函数；

(33)将步骤(31)所选用的转发方式组合作为已知变量，以及每条链路的信道估计结果，代入上述中继链路信噪比的计算公式，分别得到每条中继链路在采用该中继节点转发方式组合时的链路信噪比，以及直传链路信噪比，再进行最大比合并；又将合并后的等价系统信噪比的计算公式表示为以信源功率或中继功率为自变量的一元函数；

(34)用微分方法、以信源功率或中继节点功率为自变量求解在步骤(31)所选用的转发方式组合下的等价系统信噪比，得到等价系统信噪比的最大值及其相对应的功率分配方案；

(35)判断是否对所有可能的转发方式组合都执行了上述处理？若是，则顺序执行后续操作；否则，返回执行步骤(31)的操作；

(36)得到所有不同中继转发方式组合下的最大化的等价系统信噪比的最大值，该最大化等价系统信噪比的最大值所对应的中继转发方式组合及其相应的功率分配方案就是最终选择的中继策略；

(4)根据信道容量公式，分别计算直传信道容量和所选择的中继方案信道容量：根据归一化信道容量C的计算公式：C＝log₂(1+γ)，式中，γ为信噪比，以及所选择的转发方式组合和功率分配结果，计算在信宿端经过最大比合并后的系统等价信噪比γ_eq；再将该等价信噪比代入信道容量公式，得到经过自适应的策略选择和功率分配后的等价系统信道容量C_eq＝log₂(1+γ_eq)，式中，γ_eq是系统等价信噪比；再计算信源与信宿间的直传链路的等价系统信道容量C_dir＝2log(1+γ_SD)，式中，γ_SD是信源与信宿间的直传信道的信噪比；

(5)以等价信道容量较大的方案为最终选择结果。

2.根据权利要求1所述的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：所述步骤(1)中估计的信道包括信源到信宿之间的直传链路，以及中继链路：信源到各个中继节点或空闲终端、再从各个中继节点或空闲终端到信宿的这两跳链路的合称。

3.根据权利要求1所述的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：所述选择的中继转发方式包括下列两种：解码转发DF：中继节点译出来自信源的信号后，采用与信源端相同的编码方式进行编码后，再转发给信宿；放大转发AF：中继节点将来自信源的信号放大后转发给信宿。

4.根据权利要求1所述的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：所述最大比合并MRC是将每个分支信号分别乘以各自分支链路的信噪比，再对所有分支信号求和，该合并后的输出信号的信噪比为各分支信噪比之和。

5.根据权利要求1所述的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：所述步骤(5)进一步包括下列操作内容：根据仙农的信道编码理论，在已经研究出来的、包括Turbo码和LDPC码的高性能信道编码中选择一种编码方式，以便使得实际的信号传输速率尽可能地接近信道容量。

6.根据权利要求1所述的中继策略的自适应选择方法，其特征在于：所述方法能够用于支持协作通信的无线网络的上行传输和下行传输。

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