CN101355409A - 结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法，该方法是直接利用协作通信系统的协作定位技术获取各节点的位置信息，再根据信息传输的大尺度衰落情况，提出一种伙伴选择策略：信源先计算其与各候选中继节点间的距离，再结合已经获得的各候选中继节点的位置信息及这些候选中继节点与基站间的距离信息，信源分别将信源－各中继节点间的距离和各中继节点－基站间的距离对应相加，获知每个中继节点的中继信道的总距离值后，选择中继信道总距离值最小的一个中继节点作为该信源的协作伙伴，协助该信源传输信息，以实现基站对信息的空间分集接收增益，减小路径损耗，达到降低传输过程中的误比特率、提高信号质量和扩大网络覆盖的目的。

Description

结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法

技术领域

本发明涉及一种在无线网络中选择伙伴实现协作式传输的方法，确切地说，涉及一种首先采用协作定位的方法获取网络节点的位置信息，然后结合该位置信息为用户选择中继信道距离最短的中继作为伙伴，从而实现协作传输的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)技术是使用多个发送和接收天线，在无线信道中产生多个彼此独立的并行传输信道来同时传输多路数据信息。该技术能够在有限的频谱上实现高速率和大容量的信息传输，有效提高频谱利用率。相对于传统的通信系统，MIMO系统充分利用了空域资源，在相同带宽上传输信息和对抗衰落的能力大大增强，MIMO技术的出现带来了现代无线通信技术的突破性发展。

在蜂窝移动通信系统中，空间分集技术可以很好地应用于基站，通过安装多天线来获得分集增益。但是，对于用户设备来说，由于移动终端受到体积、功率、复杂度、成本等诸多因素的限制，在用户设备上使用多天线是不现实的。

近年来，为了确保网络传输功能，研制出一种新的协作通信技术：基于MIMO的空间分集技术(参见图1)，其基本原理是多用户系统中的单天线用户终端在传输自身数据的同时，也能传送其所接收和检测到的协作用户的信息。该技术的实质是终端利用自身天线与协作伙伴的天线构成多发射天线，产生虚拟的MIMO系统来实现分集增益，从而降低信号传输的误码率，改善网络的抗衰落性能，克服阴影效应，增强通信质量，推进了MIMO技术的实用化。

协作通信技术具备很多优点，但是，目前该技术还有一些亟待解决的问题。例如：协作伙伴的选取(参见图2)会对系统传输性能产生重大影响，因此如何选择协作伙伴，选择的准则是什么，都成为业内技术人员关注和研究的焦点。

另外，由于协作通信是一种空间分集技术，对于用户终端来说，获取其候选协作伙伴的位置信息至关重要，对于没有位置信息的伙伴选择方法的研究往往是没有意义的。所以在协作通信系统中对用户伙伴进行选择时，首先要获得候选协作伙伴的位置信息，即对多用户网络中的空闲中继节点进行定位，这也是无线网络中的一个研究热点。

无线通信领域中的定位技术已经成为现代社会生活和工业生产上的一个重要问题，随着人们对基于位置信息的服务需求逐渐增多，无线定位技术受到了更为深入的关注和研究，在军用和民用领域都得到了广泛应用。全球定位系统GPS(Global Position System)的出现更是使得该领域技术产生了质的飞跃，定位精度得到了大幅度提高。然而，尽管GPS的定位精度比较高，但是它需要专门的接收设备，而且，在室内的定位效果比较差；考虑到其经济性、方便性和设备局限性的诸多问题，对大多数用户来说，GPS定位不甚方便、易行。

近年来，随着蜂窝移动通信系统的进一步发展和普及，已经能够利用接收信号强度RSS(Received Signal Strength)或接收信号强度差RSSD(ReceivedSignal Strength Difference)、到达角度AOA(Angle Of Arrival)和时间测量值：到达时间TOA(Time Of Arrival)或到达时间差TDOA(Time Difference OfArrival)等参数及其组合进行定位估算，以得到用户所需的位置信息。扩展到无线传感器网络，还引入了协作定位的思想，因为对于大规模的无线传感器网络来说，传感器低能耗的特性要求运用多跳传输数据，未知节点不仅可以和目标节点通信，而且还可以与其它未知节点通信，协作定位就是要充分利用节点间互相发送的信息，来获得更高的定位精度。而传统的定位方法只能由锚节点来确定未知节点的位置，当某些节点远离锚节点且能量不足，发射的信号到达不了锚节点时，就无法实现定位。相比之下，协作定位方式中任何节点都可以参与测量，能够估算所有节点的位置，充分利用各个节点资源，定位系统的准确性和鲁棒性更高。

所以，在实际系统中，如果网络中的用户终端数目足够多时，在某个需要定位的用户终端周围，就很可能存在一个或多个信道条件比较好的用户终端。如果选择这些用户终端作为伙伴来协作定位，与传统的单用户多基站参与的网络定位系统相比较，这种方式可以提供多重用于定位的RSS、AOA、TOA、TDOA等信息，能够进一步提高系统的定位精度。

在通过定位技术获得用户周围各个节点的位置信息后，通常可以通过评价系统性能(传输可靠性或系统容量等方面)的一些准则(如误比特率BER最小等)来对协作传输模式的用户伙伴进行选择。

目前，学术界对伙伴选择问题的研究也有一定进展，但是，他们的研究通常是不考虑各个节点的位置信息，而是主要从带宽效率或通信中断概率等角度出发，通过选择合适的协作伙伴来实现提高带宽效率或者降低中断概率的目的，这种方法与结合位置信息进行的伙伴选择的思路有所不同。

现在，从提高带宽效率角度出发的伙伴选择方案是通过获取信源至中继之间的部分信道状态信息进行的，更精确地说，就是信源要决定什么时候需要协作传输信息，而且要在任意多个中继中选择一个作为伙伴进行协作传输；选择的规则是在信源-中继和中继-信宿这两部分信道的信道增益的瞬时调和平均数值最大的一个中继选为信源的最佳协作伙伴。当中继都工作在对称信道、时分双工TDD模式和译码转发机制DF下，采取正交相移键控QPSK调制的任意两个节点间的链路服从信道增益慢变化、单位噪声方差，不考虑传播路径损耗的条件下，仿真结果证明这个方案可以有效提高带宽效率。

而从降低中断概率的角度出发的伙伴选择方案则是用户选择自身向基站BS或接入点AP的方向上最近的相邻节点作为协作伙伴，协助信源进行数据传输。在用户均匀分布、链路服从窄带瑞利衰落且各自统计独立、存在传播路径损耗和加性白高斯噪声、节点工作在半双工模式的条件下，室内无线局域网的仿真结果证明：这个方案可以有效降低通信的中断概率。

但是，对于无线网络来说，没有位置信息的监控信息是没有意义的，对于协作通信系统的伙伴选择也是如此，伙伴选择的策略不能离开位置信息的获取，而且对于实际的通信系统，大尺度衰落也是不可避免的，由此带来的路径损耗也是一个重要的影响因素，应该列入考虑范围。因此，通过估算节点的位置信息为用户选择中继信道距离最短的伙伴协作传输信息，能够降低传输误比特率，提高通信质量和网络可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法，该方法是结合位置信息选择伙伴，实现信息的协作传输；准确地说，该方法是根据协作通信系统自身的协作特性，通过协作定位的思想获取节点位置信息，再结合这些节点位置信息和综合考虑信道的大尺度衰落情况，为信源选择合适的协作伙伴，接收该信源发送的信息，再将其重新发送至目的端，实现空间分集，以提高信号传输质量、扩大网络覆盖和优化系统的整体性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法，其特征在于：该方法直接利用协作通信系统的协作定位技术获取各个节点的位置信息，不需额外的定位设备；再根据信息传输的大尺度衰落情况，提出一种伙伴选择策略：信源先计算其与各候选中继节点之间的距离，再结合之前获得的各候选中继节点的位置信息及这些候选中继节点与基站之间的距离信息，信源分别将信源与各候选中继节点之间的距离、各候选中继节点与基站之间的距离的两种距离信息对应相加，获知每个中继节点的中继信道的总距离值后，信源选择其中的中继信道总距离值最小的一个中继节点作为其协作伙伴，协助信源传输信息；被选中的协作中继节点要给基站发出一个控制信号，以实现基站对信息的空间分集接收增益，减小路径损耗，达到降低传输过程中的误比特率、提高信号质量和扩大网络覆盖的目的。

所述方法包括下列操作步骤：

(1)综合考虑路径传播损耗和信道衰落效应对信息传输的影响，建立协作通信系统进行传输的数学模型；

(2)采用基于网格描述和投票机制的协作定位系统的协作定位方法，获取各个节点的位置信息，用作候选中继节点的精确位置信息；

(3)根据中继节点和基站分别对其接收到的信号质量要求的差异，寻找和确定信源的协作区域，以便能够在该协作区域里寻找最佳协作伙伴作为中继节点，实现分集接收和获得有效分集增益；

(4)选择和确定信源的协作伙伴，即选择信源-中继和中继-信宿所组成的中继信道总距离最短的节点作为伙伴协作传输信息。

所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)在无中继节点的直接传输系统中，对基站BS接收到的信号y₀建立数学模型： $y_0=\sqrt{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，x是信源直接向BS发送的信息，P是信源的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

(12)在单中继节点译码转发机制的协作传输系统中，因该机制的信源发射总功率P是受限的，对各个阶段的工作状况分别建立各自的数学模型；其中：

协作传输时的信源总发射功率P是分别分配给信源发送信息的发射功率P₁和中继节点转发信息的发射功率P₂之和，即：P＝P₁+P₂；

BS接收到来自信源的信号y_sd的数学模型为： $y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

中继节点接收到来自信源的信号y_sr的数学模型为： $y_{\mathrm{sr}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{h}_{1}x+{\mathrm{\η}}_1,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₁是信源至中继节点的距离，n是路径损耗指数，h₁是信源至中继节点之间的信道衰落系数，η₁是相应的加性高斯噪声；

如果中继节点接收到的信号能够正确译码时，则该时段的中继节点向BS转发其接收到的信号，BS接收到来自中继节点的信号y_rd的数学模型为： $y_{\mathrm{rd}}={\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}h}_{2}x+{\mathrm{\η}}_2,$ 式中，中继节点转发信号的发射功率

与系统分配给中继节点转发信息的发射功率P₂相等，即 $\widetilde{P_2}=P_2;$ K是接收增益常数，D₂是中继节点至BS的距离，n是路径损耗指数，h₂是中继节点至BS之间的信道衰落系数，η₂是相应的加性高斯噪声；

如果中继节点接收到的信号不能正确译码时，则该时段的中继节点不再工作而保持空闲，即 $\widetilde{P_2}=0;$

BS根据最大比率合并MRC准则接收信源和中继节点的两路信号y_MRC： $y_{\mathrm{MRC}}=\frac{\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_0^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{sd}}+\frac{\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{h}_2^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{rd}},$ 式中，N₀是高斯噪声方差，h₀ ^*和h₂ ^*分别是信道衰落系数h₀和h₂的复共轭；

上述各个信道衰落系数h₀、h₁、h₂都建模为零均值、方差分别为δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²的相互独立的复高斯随机变量，各个信道加性高斯噪声η₀、η₁、η₂都建模为零均值、方差统一为N₀的相互独立的复高斯随机变量。

所述步骤(2)中的协作定位系统是一种自组织和自适应的定位算法，该算法是采用系统为每个节点定义的一张表格来存储各个节点的位置信息，并使用一种新的投票机制对来自网络中其它节点处所获得的位置信息进行合并处理：通过减小网格大小、放弃某种程度的定位估计准确性，以简化算法复杂度；网格中每个单元的值是在一次协作定位运算中所有投票节点投向该单元的权值总和，其中数值最大的某个单元是被大多数节点认为待定位节点最可能所在的位置。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)各个待定位的候选中继节点分别利用其自身节点与已知位置节点之间的接收信号强度RSS或接收信号强度差RSSD、以及路径衰减模型求解，得到各自初步的测距d，这些待定位的候选中继节点分别将包括各自的测距d、位置和误差估计ε参数的信息广播发送出去；

(22)根据系统的区域网格协作信息，对收到上述协作信息的各个投票节点建立网格，并将网格中每个单元网格的值初始化为0，再对每个投票节点赋予其投票权值，其中位置确定的节点的投票权值较高；对位于投票节点信息传输范围R内、即处于无线设备的最大通信覆盖范围内的待定位的候选中继节点，投票节点分别对位于测距误差范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格进行投票；对于位于投票节点信息传输范围R以外的待定位的候选中继节点，则由位置已知以及位置准确度较高的投票节点分别对位于范围(R，∞)中的每个单元格进行投票；然后，将在该次投票过程中所有参加投票的投票节点的投票权值都累加到对应的单元格，即位于范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格或位于范围(R，∞)的每个单元格，最后统计该网格中各单元格获得的投票值总和；

(23)将具有最大权值的单元格设置为待定位的候选中继节点的所在位置；此时，若有多个单元格的投票权值总和相同、且皆为最大值时，则计算这些单元格的质心，并将该质心作为该待定位的候选中继节点的估计位置；

(24)这些已被定位的候选中继节点分别将自己定位精度较高的位置信息广播至网络中的各节点，以便有利于后续进行的协作伙伴选择操作。

所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)为了实现接收分集，中继节点必须转发其接收到的信号，即中继节点接收到的信号质量必须优于BS接收到的信号质量，也就是中继节点接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sr}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}$ 要比BS接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sd}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0}$ 更高，即γ_sr≥γ_sd；所以 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}\≥\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $D_1^{-n}\≥D_0^{-n},$ 而n为正整数，因此：D₁≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₁是信源至中继节点的距离；

(32)为使分集增益有效，BS用MRC准则接收的信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}$ 必须大于该BS在无中继节点时接收的、直接来自信源发送信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_0}=\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}\≥\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0};$ 假设中继节点译码正确，则有 $\widetilde{P_2}=P_2,$ 也就是 $P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+P_2{\mathrm{KD}}_2^{-n}\≥{\mathrm{PKD}}_0^{-n},$ 即 $P_2{D}_2^{-n}\≥(P-P_1)D_0^{-n},$ 推导得到：D₂≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₂是中继节点至BS的距离；

(33)根据上述计算，确定用户协作区域为D₁≤D₀，且D₂≤D₀，即信源到中继节点的距离D₁要小于信源到基站的距离D₀，且中继节点到基站的距离D₂要小于信源到基站的距离D₀，以便在该协作区域内寻找和确定空闲中继节点作为用户的候选中继。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)先根据上述传输过程的数学模型进行误比特率的计算和推导：对于协作传输模式，接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式为： $P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^{2}P{D}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd}\mathrm{\θ}\right)}^2}{r{\mathrm{\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2}),$ 此时，在对应的慢衰落条件下的每帧内的误比特率为： $P_{r\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 其中， $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 因此，在协作传输模式下，误比特率上界的计算公式为：P_{b_upper}＝P_{f_error}×P_{f_upper}，即目标函数；

在上述计算公式中，M是多进制数字相位调制M-PSK的相位数，一旦确定了信号调制方式，M也就确定了；另外，接收增益常数K、受限的总发射功率P、高斯噪声功率N₀、路径损耗指数n和功率分配因子r都被设置为固定数值，即对任何一个中继节点都保持相同；也就是假设该场景相当于所有节点位置都保持瞬时静止的一幅网络照片：其中，由候选中继节点集合中的中继节点数量所决定的功率分配因子r的数值是确定的，信源的发射功率P₁与协作伙伴的发射功率

也是确定数值：P₁＝P×r，P₂＝P-P₁，

(42)为了降低误比特率，考虑从传输过程中各个数学模型的公式出发，寻找能否通过调整这些数学模型公式中的某些参数，使得藉由误比特率上界的计算公式得到的误比特率数值降低；

其中，信道衰落系数的方差δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²都单位化为一，信源距离基站的实际距离D₀对所有中继都是相同的；

此时，对于各个中继节点，其差异就是在信源至中继节点的距离D₁、中继节点至基站D₂的距离均不相同；为了尽量提高接收信号质量，理论上要使误比特率上界的数值减小，因此，在传输过程中，当调制方式设定时，因其他因素对各中继节点都相同，其中能调整和控制的因素只有D₁和D₂；

(43)选择信源至中继节点的距离D₁和中继节点至基站D₂的距离所组成的中继信道总距离最短的候选中继节点作为信源的协作伙伴，协作传输信息：

在接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式

$P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^{2}P{D}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd}\mathrm{\θ}\right)}^2}{r{\mathrm{\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2})$ 中，能够进行调整的因素只有信源至中继节点的距离D₁；

为使误帧率P_{f_upper}越小，则要求D₁ ^-n越大，因为n为自然数，则D₁应尽量小；

再将误比特率 $P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})$ 化解为：

$P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}-1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})=\frac{1}{2}(1-\sqrt{1-\frac{1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 该公式表明：为使误比特率P_{f_error}越小，则要求γ越大，而 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 其中能够进行调整的因素只有中继节点至BS的距离D₂，如果要求D₂ ^-n越大，因为n为自然数，则D₂应尽量小。

所述方法在为系统中的各个移动终端选择协作伙伴时，先为基站所接收到的信号瞬时信噪比最小的信源选择和分配协作伙伴，使传输质量最差的该移动终端信源拥有最高的优先选择权；当该移动终端完成伙伴选择后，就在信源集合中将其删除，继续为下一个接收信号瞬时信噪比最小的移动终端信源选择协作伙伴，直到所有信源都完成伙伴选择，以便在基站接收到的各个移动终端所发送信号的强度不同的基础上，能够保证系统的可靠性和提升传输性能。

本发明结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法的创新点是：在进行伙伴选择时结合了中继节点的位置信息。由于中继节点的定位是协作实现的，该定位信息能够在某种程度上反应出该中继节点与周围节点的信道之间的传输性质，所以根据该位置信息进行选择相当于结合了信道的衰落特性；另外，选择中继信道总距离最小的节点作为协作伙伴，可以减小路径损耗；因此，在选择伙伴的过程中，同时也估测了信道条件，从而能够提高传输信号的信噪比，使得分集增益提高，传输信号的质量得以保证，能够获得较低的误码率。

本发明方法的技术特点是：首先实现了区域的格形描述及投票算法对中继节点的定位，并在获取定位信息后，分别计算各个中继节点转发路径的距离和反馈给信源，由信源对这些信息集中处理，选择中继信道距离最短的一个中继节点作为最佳协作伙伴，协助该信源来传输信息。仿真结果验证了选择协作伙伴进行传输，能够显著改善接收信号的质量，降低误码率水平。

此外，本发明立足于对结合位置信息的伙伴选择问题的解决，不同于现有技术分别在通信和定位领域的协作算法研究，该方法是将两个领域的相关问题交叉统一作为整体进行探讨，对于提高接收信号质量和扩大网络覆盖范围具有重要意义和实用价值。

本发明的有益效果是：在对网络和设备没有其他额外要求的前提下，采用该方法能够实现获取定位信息和选择伙伴协作传输信息，获得分集增益，有效提高信号传输质量和扩大网络覆盖范围；在蜂窝网的上行链路中综合考虑大尺度衰落和信道服从块衰落(瑞利平坦衰落)的条件下，该方法可以显著降低传输信号的误比特率，对用户来说，不需安装额外的设备就可以提供更高的上行链路质量，获得更好的网络接入性能。

随着定位服务的需求量越来越大，本发明提出的结合位置信息的伙伴选择协作传输的技术：在用户的协作区域内选择转发距离最短的中继节点作为最佳伙伴进行协作式传输，以实现分集增益和提高接收信号的质量。因此本发明具有很好的实用价值和推广应用前景。

附图说明

图1(A)、(B)分别是传统通信方式与协作通信方式的示意图；传统通信方式下用户1与用户2都是分别直接与基站进行通信，而在协作通信方式下，除了直接通信，用户1和用户2还互相协助彼此与基站之间的通信。

图2是在蜂窝网络中，移动用户在多个候选中继节点中选择一个最佳伙伴进行信息的协作式传输示意图。

图3是本发明结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法的流程图。

图4是本发明方法中的信源的协作区域示意图。

图5是本发明选择中继信道距离最小的节点作为协作伙伴协助信源传输信息的示意图。

图6是本发明实施例中结合位置信息选择中继信道距离最小的伙伴协助传输的方法在蜂窝移动通信系统的上行链路中仿真应用的操作流程图。

图7是本发明实施例中对50个空闲中继节点进行协作定位获得的定位误差结果图。

图8是实施例在不同数量(分别为10、30、50)空闲中继节点下选择中继信道距离最短的节点为协作伙伴时的传输误比特率(QPSK调制)仿真结果图。

图9是实施例中在50个空闲中继节点时，BS接收信号信噪比SNR(Signal-to-Noise Ratio)最低的一个信源根据三种不同的伙伴选择算法选择到的协作伙伴的示意图。

图10是图9中相应选择不同的伙伴协助信号传输的误比特率性能仿真图。

图11是实施例中系统内所有信源都选择中继信道距离最小的节点作为各自相应的协作伙伴的位置分布示意图。

图12是图11的系统内所有信源的信号传输的平均误比特率性能仿真图。

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。

本发明是一种结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法，它是直接利用协作通信系统的协作定位技术获取各个节点的位置信息，不需额外的定位设备；再根据信息传输的大尺度衰落情况，提出一种伙伴选择策略：信源先计算其与各候选中继节点之间的距离，再结合之前获得的各候选中继节点的位置信息及这些候选中继节点与基站之间的距离信息，信源分别将信源与各候选中继节点之间的距离、各候选中继节点与基站之间的距离的两种距离信息对应相加，获知每个中继节点的中继信道的总距离值后，信源选择其中的中继信道总距离值最小的一个中继节点作为其协作伙伴，协助信源传输信息；被选中的协作中继节点要给基站发出一个控制信号，以实现基站对信息的空间分集接收增益，减小路径损耗，达到降低传输过程中的误比特率、提高信号质量和扩大网络覆盖的目的。

参见图3，具体介绍本发明方法的各个操作步骤：

步骤(1)、基于无线信道的传播特性和空间分集技术能够有效抵抗瑞利平坦衰落的情况，综合考虑路径传播损耗和信道衰落效应对信息传输的影响，建立协作通信系统进行传输的数学模型。

该步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)在无中继节点的直接传输系统中，对基站BS接收到的信号y₀建立数学模型： $y_0=\sqrt{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，x是信源直接向BS发送的信息，P是信源的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

(12)在单中继节点译码转发机制的协作传输系统中，因该机制的信源发射总功率P是受限的，对各个阶段的工作状况分别建立各自的数学模型；其中：

协作传输时的信源总发射功率P是分别分配给信源发送信息的发射功率P₁和中继节点转发信息的发射功率P₂之和，即：P＝P₁+P₂；

BS接收到来自信源的信号y_sd的数学模型为： $y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

中继节点接收到来自信源的信号y_sr的数学模型为： $y_{\mathrm{sr}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{h}_{1}x+{\mathrm{\η}}_1,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₁是信源至中继节点的距离，n是路径损耗指数，h₁是信源至中继节点之间的信道衰落系数，η₁是相应的加性高斯噪声；

而中继节点是否转发其接收到的信息，有两种可能：取决于其接收信号的质量(在仿真中，该判断接收信号的质量的操作是通过将接收信号的瞬时信噪比与一个预先设置的阈值进行比较来进行的：若信噪比高于该阈值，认为译码正确；反之，则为译码错误。)。如果中继节点接收到的信号能够正确译码时，则该时段的中继节点向BS转发其接收到的信号，BS接收到来自中继节点的信号y_rd的数学模型为： $y_{\mathrm{rd}}={\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}h}_{2}x+{\mathrm{\η}}_2,$ 式中，中继节点转发信号的发射功率

与系统分配给中继节点转发信息的发射功率P₂相等，即 $\widetilde{P_2}=P_2;$ K是接收增益常数，D₂是中继节点至BS的距离，n是路径损耗指数，h₂是中继节点至BS之间的信道衰落系数，η₂是相应的加性高斯噪声；

如果中继节点接收到的信号不能正确译码时，则该时段的中继节点不再工作而保持空闲，即 $\widetilde{P_2}=0;$

最后，BS根据最大比率合并MRC准则接收信源和中继节点的两路信号y_MRC： $y_{\mathrm{MRC}}=\frac{\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_0^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{sd}}+\frac{\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{h}_2^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{rd}},$ 式中，N₀是高斯噪声方差，h₀ ^*和h₂ ^*分别是信道衰落系数h₀和h₂的复共轭；

上述各个信道衰落系数h₀、h₁、h₂都建模为零均值、方差分别为δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²的相互独立的复高斯随机变量，各个信道加性高斯噪声η₀、η₁、η₂都建模为零均值、方差统一为N₀的相互独立的复高斯随机变量。

步骤(2)、采用基于网格描述和投票机制的协作定位系统的协作定位方法，获取各个节点的位置信息，用作候选中继节点的精确位置信息；这种协作定位方法与传统的定位方法相比较，定位精度比较高。

这种协作定位系统是一种自组织和自适应的定位算法，该算法是采用系统为每个节点定义的一张表格来存储各个节点的位置信息，并使用一种新的投票机制对来自网络中其它节点处所获得的位置信息进行合并处理：如通过减小网格大小、放弃某种程度的定位估计准确性，以简化算法复杂度；网格中每个单元的值是在一次协作定位运算中所有投票节点投向该单元的权值总和，其中数值最大的某个单元是被大多数节点认为待定位节点最可能所在的位置。

该步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)各个待定位的候选中继节点分别利用其自身节点与已知位置节点之间的接收信号强度RSS或接收信号强度差RSSD、以及路径衰减模型求解，得到各自初步的测距d，这些待定位的候选中继节点分别将包括各自的测距d、位置和误差估计ε参数的信息广播发送出去；

(22)根据系统的区域网格协作信息，对收到上述协作信息的各个投票节点建立网格，并将网格中每个单元网格的值初始化为0，再对每个投票节点赋予其投票权值(其中位置确定的节点的投票权值较高)；对位于投票节点信息传输范围R内、即处于无线设备的最大通信覆盖范围内的待定位的候选中继节点，投票节点分别对位于测距误差范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格进行投票；对于位于投票节点信息传输范围R以外的待定位的候选中继节点，则由位置已知以及位置准确度较高的投票节点分别对位于范围(R，∞)中的每个单元格进行投票；然后，将在该次投票过程中所有参加投票的投票节点的投票权值都累加到对应的单元格，即位于范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格或位于范围(R，∞)的每个单元格，最后统计该网格中各单元格获得的投票值总和；

(23)将具有最大权值的单元格设置为待定位的候选中继节点的所在位置；此时，若有多个单元格的投票权值总和相同、且皆为最大值时，则计算这些单元格的质心，并将该质心作为该待定位的候选中继节点的估计位置；

(24)这些已被定位的候选中继节点分别将自己定位精度较高的位置信息广播至网络中的各节点，以便有利于后续进行的协作伙伴选择操作。

步骤(3)、根据中继节点和基站分别对其接收到的信号质量要求的差异，寻找和确定信源的协作区域，以便能够在该协作区域里寻找最佳协作伙伴作为中继节点，实现分集接收和获得有效分集增益；

该步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)为了实现接收分集，中继节点必须转发其接收到的信号，即中继节点接收到的信号质量必须优于BS接收到的信号质量，也就是中继节点接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sr}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}$ 要比BS接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sd}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0}$ 更高，即γ_sr≥γ_sd；所以 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}\≥\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $D_1^{-n}\≥D_0^{-n},$ 而n为正整数，因此：D₁≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₁是信源至中继节点的距离；

(32)为使分集增益有效，BS用MRC准则接收的信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}$ 必须大于该BS在无中继节点时接收的、直接来自信源发送信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_0}=\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}\≥\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0};$ 假设中继节点译码正确，则有 $\widetilde{P_2}=P_2,$ 也就是 $P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+P_2{\mathrm{KD}}_2^{-n}\≥{\mathrm{PKD}}_0^{-n},$ 即 $P_2{D}_2^{-n}\≥\left(P{-P}_1\right)D_0^{-n},$ 推导得到：D₂≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₂是中继节点至BS的距离；

(33)根据上述计算，确定用户协作区域为D₁≤D₀，且D₂≤D₀，即信源到中继节点的距离D₁要小于信源到基站的距离D₀，且中继节点到基站的距离D₂要小于信源到基站的距离D₀，以便在该协作区域内寻找和确定空闲中继节点作为用户的候选中继。该步骤是由信源通过计算其自身与基站之间的距离D₀，然后信源再根据获得的各个待定位中继节点的位置信息，在上述方法所确定的协作区域内寻找符合相应位置关系的空闲中继节点，用作该信源的候选中继节点(参见图4所示)。

步骤(4)、选择和确定信源的协作伙伴，即选择信源-中继和中继-信宿所组成的中继信道总距离最短的节点作为伙伴协作传输信息。

协作的目的是要提高接收信号的质量，也就是降低传输的误比特率，为此，在选择和确定信源的最佳协作伙伴时，要尽量选择距离信源和距离基站都比较近的空闲中继节点，这样一方面能够保证中继节点接收到的信号质量，另一方面也是考虑最大程度地减小信号传播的总的路径损耗。由于前面的操作步骤已经完成对网络中空闲中继节点的定位，获得了这些节点的位置信息；而且，由于采用协作定位的技术，任意一个节点的定位信息都是通过周围节点对其接收信号的强度来换算得到的，因此定位过程中获得的位置信息也从一定程度上反映该中继节点与周围节点之间的信道的传输特性，定位精度越高说明该中继与周围节点之间的信道条件越好。

本发明提出的伙伴选择策略，是信源先计算其与各候选中继节点之间的距离，再结合已经获得的各候选中继节点的位置信息，以及这些候选中继节点与基站之间的距离信息，信源将这两部分距离信息进行对应地相加，获得每个中继节点的信源-中继节点、中继节点-基站的中继信道的总距离值后，信源其中的中继信道总距离最小的一个中继节点作为其协作伙伴，协助信源传输信息(参见图5所示)。被选中的协作中继节点要发出一个控制信号通知基站，用于实现基站对信息的分集接收。因此，该步骤(4)是从误比特率的计算公式中推导出寻找和选择协作伙伴的策略，它进一步包括下列操作内容：

(41)先根据上述传输过程的数学模型进行协作传输模式下误比特率的计算和推导：

对于协作传输模式，接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式为： $P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^{2}P{D}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd}\mathrm{\θ}\right)}^2}{r{\mathrm{\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2}),$ 此时，在对应的慢衰落条件下的每帧内的误比特率为： $P_{r\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 其中， $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 因此，在协作传输模式下，误比特率上界的计算公式为：P_{b_upper}＝P_{f_error}×P_{f_upper}；

在计算中认为以下一些参数在仿真中是固定的、对任何一个中继都保持相同(假设该场景是网络的一幅快照，所有节点的位置都保持瞬时静止)：

在上述计算公式中，M是多进制数字相位调制M-PSK的相位数，当信号调制方式确定后，M也就为确定数值；另外，接收增益常数K、受限的总发射功率P、高斯噪声功率N₀、路径损耗指数n和功率分配因子r都被设置为固定数值，即对任何一个中继节点都保持相同；也就是假设该场景相当于所有节点位置都保持瞬时静止的一幅网络照片：其中，由候选中继节点集合中的中继节点数量所决定的功率分配因子r的数值是确定的，信源的发射功率P₁与协作伙伴的发射功率也是确定数值：P₁＝P×r，P₂＝P-P₁，

(42)为了降低误比特率，考虑从传输过程中各个数学模型的公式出发，寻找能否通过调整这些数学模型公式中的某些参数，使得藉由误比特率上界的计算公式得到的误比特率数值降低；其中，信道衰落系数的方差δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²都单位化为一，信源距离基站的实际距离D₀对所有中继都是相同的；此时，对于各个中继节点，其差异就是在信源至中继节点的距离D₁、中继节点至基站D₂的距离均不相同；为了尽量提高接收信号质量，理论上要使误比特率上界的数值减小，因此，在传输过程中，当调制方式设定时，因其他因素对各中继节点都相同，其中能调整和控制的因素只有D₁和D₂；

(43)选择信源至中继节点的距离D₁和中继节点至基站D₂的距离所组成的中继信道总距离最短的候选中继节点作为信源的协作伙伴，协作传输信息：

在接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式

$P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^{2}P{D}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd}\mathrm{\θ}\right)}^2}{r{\mathrm{\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2})$ 中，能够进行调整的因素只有信源至中继节点的距离D₁；

为使误帧率P_{f_upper}越小，则要求D₁ ^-n越大，因为n为自然数，则D₁应尽量小；

再将误比特率 $P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})$ 化解为：

$P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}-1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})=\frac{1}{2}(1-\sqrt{1-\frac{1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 该公式表明：为使误比特率P_{f_error}越小，则要求γ越大，而 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 其中能够进行调整的因素只有中继节点至BS的距离D₂，如果要求D₂ ^-n越大，因为n为自然数，则D₂应尽量小。

总之，本发明方法用于蜂窝移动通信系统中的上行链路，对用户来讲，引入协作意味着移动终端不必安装多天线也能够获得高质量的上行链路信号，更高的网络接入性能及网络可用性。

本发明方法已经进行了仿真实施试验，参见图6，介绍该仿真实施例的操作流程。

在蜂窝移动通信系统中，根据用户的分布密度，每个小区的半径通常是在1～5km左右。实施例的仿真区域设置为一个1km×1km的正方形区域(便于定位系统的网格化)，其中设立一个基站为本小区范围内的用户服务，基站位于该正方形区域的中央，而信源节点和空闲中继节点都均匀分布在该区域中。

仿真区域被划分为100×100的网格，即每格的尺寸是10m×10m。网格数量将决定计算的复杂度，网格数量越多，计算越复杂，但是，定位误差也越小，所以，网格数量是计算复杂度和定位精确度之间的折衷。根据仿真验证，以上100×100的网格划分能够获得比较满意的定位精度，同时复杂度也不会太高。

系统执行协作定位的计算时，所有的信源节点连同基站(称为投票节点)参与对空闲中继节点的投票过程，投票节点分别测量各自节点与空闲中继节点的距离及测距误差(假设已通过RSS结合路径衰减模型得到该数值)，对在测距范围内的网格投票时，基站具有较高的投票权值，其余节点中随机分布10％的锚节点(锚节点被认为是配置GPS设备、可精确定位的节点)，锚节点的投票权值设为基站投票权值的1/2。在仿真过程中，多次运行该算法而取其定位坐标的平均值，这样能够获得较好的定位精度。

经过定位计算后，基站获得所有用户的位置，根据这些位置信息，可以为各用户计算出哪个候选中继节点的中继信道路径最短，为用户选择出最佳的伙伴协作传输信息。

另外，系统传输信号是采用QPSK调制方式，发送的数据帧长度为1000，每帧内的比特数为1000，无信源、信道编码，中继节点仅对信号进行解调，如果数据正确，就按照信源的调制方式将信号进行调制后，再发送至基站；如果验证数据错误，则该帧不参与协同传输。在仿真中，这步骤是根据协作伙伴接收信号的信噪比与一个预先设置的常数进行比较而实现的，若高于该门限值，中继节点转发信号，否则，中继节点保持空闲。

假设所有终端都是工作于半双工模式，即不能同时发送和接收信号。信道是对称的，即各支路信道信噪比SNR相同，SNR定义为SNR：＝10×1g(P/N₀)，单位dB，信道衰落类型为准静态的慢瑞利衰落(块衰落)，存在路径传播损耗和高斯加性噪声。各个参数设置为：

参与协作定位的投票主机数：10(1个基站和9个信源节点)，空闲中继数量：10/30/50(为比较不同数量空闲中继下的系统误码性能)，投票节点的最大通信距离：750m，测距误差：1％(定位位置到实际位置的距离与最大通信距离的百分比)，仿真信噪比：0～30dB，信道的高斯噪声功率：统一为1dBm。

下面给出仿真结果及其性能分析：由于本发明是研究结合位置信息进行伙伴选择对信号传输性能的改善，采用协作定位方法获取定位信息。因此，初步的RSS结合路径衰减模型的定位方法不是研究的重点，所以直接在设置仿真参数时就假设已得到初步定位位置，并且固定测距误差为1％。仿真得到了50个空闲中继的定位误差(其数值如图7所示)，该协作定位系统的定位误差基本都在1％以下，精确度比较好。

在系统中为用户分配协作伙伴时，先要确定各信源的协作区域，这是根据之前获得的定位信息判断有多少空闲中继节点位于该协作区域内，成为信源的候选中继节点。通常候选中继节点的数量对伙伴选择也有一定的影响，由于空闲中继节点在整个仿真区域中是均匀分布的，所以一般认为空闲中继节点数量越多，信源在其协作区域内能够选择到协作伙伴或能选择到更优的协作伙伴的概率就越大，对传输误码性能的改善也就越好，所以在仿真中，还对在不同数量空闲中继节点下系统所有信源传输的平均误比特率进行比较，其仿真结果如图8所示。在空闲中继节点数量分别为10、30、50时，传输的误比特率都不相同，整体趋势是空闲中继节点数量越多时，误比特率越低，这说明信源的协作程度越高，因为信源能选择到协作伙伴或选择到更优的协作伙伴的概率越大。

在为系统中的用户分配协作伙伴时，考虑到各用户所处的不同位置，基站接收到其发送信号的强度也不相同。为了保证系统的可靠性和提升传输性能，首先为接收信号瞬时信噪比最小的信源分配协作伙伴，使传输质量最差的用户拥有最高的优先选择权。当该信源进完成伙伴选择后，就在信源集合中将其删除，继续处理下一个接收信号瞬时信噪比最小的信源，直到所有信源都经过和完成伙伴选择的过程。

下面先评测一下协作机制对整个系统中的接收信号信噪比最小的一个信源传输误码性能的改善情况。因为划定协作区域后，肯定有D₂≤D₀，且中继节点已译码成功，则协作传输的平均信噪比γ_MRC与直接传输的平均信噪比γ₀的关系为： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+P_2{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}\≥\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+(P-P_1){\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0}=\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_0},$ 所以有γ_MRC≥γ₀成立，也就是中继协作传输模式肯定能获得比直接传输模式更低的误码率，接收信号的质量更好。

在仿真实施过程中，同时将选择中继信道距离最短的协作伙伴策略与传统技术的两种伙伴选择策略进行了比较和理论分析，结论如下：

由于信道增益的瞬时调和平均数值最大的伙伴选择策略只对信道条件进行估计，没有考虑路径传播损耗造成的能量丢失的影响，其选择的中继信道的路径有可能不是最短的，使得接收信号的信噪比偏小，误比特率会比较大。

传输方向上距离信源最近的伙伴选择策略与本发明相比较，假设两种方法分别选择了两个不同的中继节点R1、R2(R1为传输方向上距离信源最近的伙伴、R2为中继信道距离最短的伙伴)，则应用MRC准则接收信号的平均信噪比分别是： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{1_{\mathrm{MRC}}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_{s,d}^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_{r_1,d}^{-n}}{N_0}$ 和 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2_{\mathrm{MRC}}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_{s,d}^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_{r_2,d}^{-n}}{N_0},$ 其中，K是常数，P₁KD_s，d ^-n和N₀部分都相同，信源选择的两个不同中继都位于协作区域内，所以认为中继节点都能正确译码并转发信息，则 $\widetilde{P_2}=P_2$ 也相同，因此，只需比较D_r，d ^-n部分。

R1与信源的距离最近： $D_{1_1}\≤D_{1_2},$

R2的中继信道的距离最短： $(D_{1_1}+D_{2_1})\≤(D_{1_2}+D_{2_2}),$

由以上分析可知：必然存在 $D_{2_1}\≥D_{2_2},$ 由此推导得出： $D_{2_1}^{-n}\≤D_{2_2}^{-n},$ 即 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{1_{\mathrm{MRC}}}}\≤\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2_{\mathrm{MRC}}}},$ 所以选择中继信道距离最短的协作伙伴能获得较高信噪比，理论上误码率更低。

参见图9和图10，图9是仿真传输质量最差的信源与选择到的三个不同的协作伙伴的位置分布图。图10是信源直接传输的误比特率仿真曲线，以及三种不同伙伴选择方法下协作传输的误比特率仿真曲线和理论上界。从中可以看出，由于三种协作传输机制都实现了空间分集增益，基站应用MRC准则合并两路信号获得的信噪比要高于直接传输的信噪比，误码性能也优于用户直接传输的情形，使得信号传输质量明显改善。另外，对于三种伙伴选择方法的比较，由于选择中继信道距离最短的伙伴选择策略在中继信道上的传播路径损耗最小，能够保证信号的传输功率，误码性能也比其他两种伙伴选择方法更优，这与前面的理论分析是一致的。

随着信噪比的逐渐增大，协作传输的误比特率下降趋势越显著，当信噪比达到12dB时，中继信道距离最短的伙伴选择算法最多可使误比特率降低3个数量级(10^-3降至10^-6)，而距离信源最近的伙伴选择算法能够使误比特率下降2个数量级(10^-3降至10^-5)。直接传输的误比特率若要降至10^-6，其发射信号的信噪比必须达到18dB以上，这对发射功率有限的用户设备来说是不可能的。

因此，就整个系统而言，与单个信源的误码性能改善情况类似，由于三种伙伴选择机制都提供了协作分集增益，所以其误码性能都优于直接传输。图11展示了使用本发明选择中继信道距离最短的协作伙伴选择方法为系统中所有信源分配协作伙伴的位置分布图。

根据系统仿真结果(如图12所示)及系统在不同算法下的传输性能仿真的平均误比特率统计表(即下面的系统在不同算法下的传输误码性能仿真值(平均误比特率)的表格所示)

可以看出：协作传输能够比直接传输提供更高的上行链路信号质量，当信噪比达到10dB以上时，能使平均误比特率下降两个数量级左右；并且选择中继信道距离最短的节点作协作伙伴能比其他两种伙伴选择方法获得更低的平均误比特率；它使得用户设备能以较低的功耗实现高质量的上行链路传输，有效抵抗信道的衰落效应。

仿真结果表明：在达到相同的传输信号质量下，协作传输能将网络的覆盖范围扩展至原来直接传输条件下的200％，有效地提高了网络的覆盖率。

由于协作通信实现了空间分集，可显著改善接收信号的质量，降低信号传输的误比特率约2至3个数量级，或者在相同的接收信号质量下扩展网络覆盖至原来的200％，而选择最佳的伙伴协助传输可使传输误比特率更小，对提升系统性能起着关键作用。本发明的仿真试验是成功的，实现了发明目的，证明了在对空闲中继节点协作定位的基础上，结合其定位位置信息，选择中继信道距离最短的节点作为协作伙伴的本发明方法，能够使系统用户在低功耗的情况下就能获得较高的信号质量，平均误比特率更低，对于提高系统的上行链路质量、使用户获得更好的网络接入性能和传输可靠性有者重要意义。

Claims (8)

1、一种结合位置信息的伙伴选择与协作传输的实现方法，其特征在于：该方法直接利用协作通信系统的协作定位技术获取各个节点的位置信息，不需额外的定位设备；再根据信息传输的大尺度衰落情况，提出一种伙伴选择策略：信源先计算其与各候选中继节点之间的距离，再结合之前获得的各候选中继节点的位置信息及这些候选中继节点与基站之间的距离信息，信源分别将信源与各候选中继节点之间的距离、各候选中继节点与基站之间的距离的两种距离信息对应相加，获知每个中继节点的中继信道的总距离值后，信源选择其中的中继信道总距离值最小的一个中继节点作为其协作伙伴，协助信源传输信息；被选中的协作中继节点要给基站发出一个控制信号，以实现基站对信息的空间分集接收增益，减小路径损耗，达到降低传输过程中的误比特率、提高信号质量和扩大网络覆盖的目的。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)综合考虑路径传播损耗和信道衰落效应对信息传输的影响，建立协作通信系统进行传输的数学模型；

(2)采用基于网格描述和投票机制的协作定位系统的协作定位方法，获取各个节点的位置信息，用作候选中继节点的精确位置信息；

(3)根据中继节点和基站分别对其接收到的信号质量要求的差异，寻找和确定信源的协作区域，以便能够在该协作区域里寻找最佳协作伙伴作为中继节点，实现分集接收和获得有效分集增益；

(4)选择和确定信源的协作伙伴，即选择信源-中继和中继-信宿所组成的中继信道总距离最短的节点作为伙伴协作传输信息。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)在无中继节点的直接传输系统中，对基站BS接收到的信号y₀建立数学模型： $y_0=\sqrt{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，x是信源直接向BS发送的信息，P是信源的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

(12)在单中继节点译码转发机制的协作传输系统中，因该机制的信源发射总功率P是受限的，对各个阶段的工作状况分别建立各自的数学模型；其中：

协作传输时的信源总发射功率P是分别分配给信源发送信息的发射功率P₁和中继节点转发信息的发射功率P₂之和，即：P＝P₁+P₂；

BS接收到来自信源的信号y_sd的数学模型为： $y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_{0}x+{\mathrm{\η}}_0,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₀是信源至BS的距离，n是路径损耗指数，h₀是信源至BS之间的信道衰落系数，η₀是相应的加性高斯噪声；

中继节点接收到来自信源的信号y_sr的数学模型为： $y_{\mathrm{sr}}=\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{h}_{1}x+{\mathrm{\η}}_1,$ 式中，P₁是信源发送信息的发射功率，K是接收增益常数，D₁是信源至中继节点的距离，n是路径损耗指数，h₁是信源至中继节点之间的信道衰落系数，η₁是相应的加性高斯噪声；

如果中继节点接收到的信号能够正确译码时，则该时段的中继节点向BS转发其接收到的信号，BS接收到来自中继节点的信号y_rd的数学模型为： $y_{\mathrm{rd}}=\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{h}_{2}x+{\mathrm{\η}}_2,$ 式中，中继节点转发信号的发射功率

与系统分配给中继节点转发信息的发射功率P₂相等，即 $\widetilde{P_2}=P_2;$ K是接收增益常数，D₂是中继节点至BS的距离，n是路径损耗指数，h₂是中继节点至BS之间的信道衰落系数，η₂是相应的加性高斯噪声；

如果中继节点接收到的信号不能正确译码时，则该时段的中继节点不再工作而保持空闲，即 $\widetilde{P_2}=0;$

BS根据最大比率合并MRC(Maximum Ratio Combining)准则接收信源和中继节点的两路信号 $y_{\mathrm{MRC}}:y_{\mathrm{MRC}}=\frac{\sqrt{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{h}_0^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{sd}}+\frac{\sqrt{\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{h}_2^{*}}{N_0}{y}_{\mathrm{rd}},$ 式中，N₀是高斯噪声方差，h₀ ^*和h₂ ^*分别是信道衰落系数h₀和h₂的复共轭；

上述各个信道衰落系数h₀、h₁、h₂都建模为零均值、方差分别为δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²的相互独立的复高斯随机变量，各个信道加性高斯噪声η₀、η₁、η₂都建模为零均值、方差统一为N₀的相互独立的复高斯随机变量。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的协作定位系统是一种自组织和自适应的定位算法，该算法是采用系统为每个节点定义的一张表格来存储各个节点的位置信息，并使用一种新的投票机制对来自网络中其它节点处所获得的位置信息进行合并处理：通过减小网格大小、放弃某种程度的定位估计准确性，以简化算法复杂度；网格中每个单元的值是在一次协作定位运算中所有投票节点投向该单元的权值总和，其中数值最大的某个单元是被大多数节点认为待定位节点最可能所在的位置。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)各个待定位的候选中继节点分别利用其自身节点与已知位置节点之间的接收信号强度RSS或接收信号强度差RSSD、以及路径衰减模型求解，得到各自初步的测距d，这些待定位的候选中继节点分别将包括各自的测距d、位置和误差估计ε参数的信息广播发送出去；

(22)根据系统的区域网格协作信息，对收到上述协作信息的各个投票节点建立网格，并将网格中每个单元网格的值初始化为0，再对每个投票节点赋予其投票权值，其中位置确定的节点的投票权值较高；对位于投票节点信息传输范围R内、即处于无线设备的最大通信覆盖范围内的待定位的候选中继节点，投票节点分别对位于测距误差范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格进行投票；对于位于投票节点信息传输范围R以外的待定位的候选中继节点，则由位置已知以及位置准确度较高的投票节点分别对位于范围(R，∞)中的每个单元格进行投票；然后，将在该次投票过程中所有参加投票的投票节点的投票权值都累加到对应的单元格，即位于范围(d-ε，d+ε)内的每个单元格或位于范围(R，∞)的每个单元格，最后统计该网格中各单元格获得的投票值总和；

(23)将具有最大权值的单元格设置为待定位的候选中继节点的所在位置；此时，若有多个单元格的投票权值总和相同、且皆为最大值时，则计算这些单元格的质心，并将该质心作为该待定位的候选中继节点的估计位置；

(24)这些已被定位的候选中继节点分别将自己定位精度较高的位置信息广播至网络中的各节点，以便有利于后续进行的协作伙伴选择操作。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)为了实现接收分集，中继节点必须转发其接收到的信号，即中继节点接收到的信号质量必须优于BS接收到的信号质量，也就是中继节点接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sr}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}$ 要比BS接收信源发送信号的平均信噪比： $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sd}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0}$ 更高，即γ_sr≥γ_sd；所以 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_1^{-n}}{N_0}\≥\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $D_1^{-n}\≥D_0^{-n},$ 而n为正整数，因此：D₁≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₁是信源至中继节点的距离；

(32)为使分集增益有效，BS用MRC准则接收的信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{MRC}}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}$ 必须大于该BS在无中继节点时接收的、直接来自信源发送信号的平均信噪比 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_0}=\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0},$ 即 $\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0}\≥\frac{{\mathrm{PKD}}_0^{-n}}{N_0};$ 假设中继节点译码正确，则有 $\widetilde{P_2}=P_2,$ 也就是 $P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+P_2{\mathrm{KD}}_2^{-n}\≥{\mathrm{PKD}}_0^{-n},$ 即 $P_2{D}_2^{-n}\≥(P-P_1)D_0^{-n},$ 推导得到：D₂≤D₀，式中，D₀是信源至BS的距离，D₂是中继节点至BS的距离；

(33)根据上述计算，确定用户协作区域为D₁≤D₀，且D₂≤D₀，即信源到中继节点的距离D₁要小于信源到基站的距离D₀，且中继节点到基站的距离D₂要小于信源到基站的距离D₀，以便在该协作区域内寻找和确定空闲中继节点作为用户的候选中继。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)先根据上述传输过程的数学模型进行误比特率的计算和推导：对于协作传输模式，接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式为： $P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^2{\mathrm{PD}}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd\θ}\right)}^2}{{\mathrm{r\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2}),$ 此时，在对应的慢衰落条件下的每帧内的误比特率为： $P_{r\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 其中， $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 因此，在协作传输模式下，误比特率上界的计算公式为：P_{b_upper}＝P_{f_error}×P_{f_upper}；

在上述计算公式中，M是多进制数字相位调制M-PSK的相位数，一旦确定了信号调制方式，M也就确定了；另外，接收增益常数K、受限的总发射功率P、高斯噪声功率N₀、路径损耗指数n和功率分配因子r都被设置为固定数值，即对任何一个中继节点都保持相同；也就是假设该场景相当于所有节点位置都保持瞬时静止的一幅网络照片：其中，由候选中继节点集合中的中继节点数量所决定的功率分配因子r的数值是确定的，信源的发射功率P₁与协作伙伴的发射功率

也是确定数值：P₁＝P×r，P₂＝P-P₁，

(42)为了降低误比特率，考虑从传输过程中各个数学模型的公式出发，寻找能否通过调整这些数学模型公式中的某些参数，使得藉由误比特率上界的计算公式得到的误比特率数值降低；

其中，信道衰落系数的方差δ₀ ²、δ₁ ²、δ₂ ²都单位化为一，信源距离基站的实际距离D₀对所有中继都是相同的；

此时，对于各个中继节点，其差异就是在信源至中继节点的距离D₁、中继节点至基站D₂的距离均不相同；为了尽量提高接收信号质量，理论上要使误比特率上界的数值减小，因此，在传输过程中，当调制方式设定时，因其他因素对各中继节点都相同，其中能调整和控制的因素只有D₁和D₂；

(43)选择信源至中继节点的距离D₁和中继节点至基站D₂的距离所组成的中继信道总距离最短的候选中继节点作为信源的协作伙伴，协作传输信息：

在接收信号的误帧率P_{f_upper}上界的计算公式

$P_{f\_\mathrm{upper}}=\frac{N_0^2}{{\sin }^4(\mathrm{\π}/M){\mathrm{\δ}}_0^2{K}^2{\mathrm{PD}}_0^{-n}{P}_1{D}_1^{-n}}(\frac{{\left(\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^2\mathrm{\θd\θ}\right)}^2}{{\mathrm{r\δ}}_1^2}+\frac{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{\sin }^4\mathrm{\θd\θ}}{(1-r){\mathrm{\δ}}_2^2})$ 中，能够进行调整的因素只有信源至中继节点的距离D₁；

为使误帧率P_{f_upper}越小，则要求D₁ ^-n越大，因为n为自然数，则D₁应尽量小；再将误比特率 $P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})$ 化解为：

$P_{f\_\mathrm{error}}=\frac{1}{2}(1-\sqrt{\frac{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}-1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}})=\frac{1}{2}(1-\sqrt{1-\frac{1}{1+\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}}),$ 该公式表明：为使误比特率P_{f_error}越小，则要求γ越大，而 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{P_1{\mathrm{KD}}_0^{-n}+\widetilde{P_2}{\mathrm{KD}}_2^{-n}}{N_0},$ 其中能够进行调整的因素只有中继节点至BS的距离D₂，如果要求D₂ ^-n越大，因为n为自然数，则D₂应尽量小。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在为系统中的各个移动终端选择协作伙伴时，先为基站所接收到的信号瞬时信噪比最小的信源选择和分配协作伙伴，使传输质量最差的该移动终端信源拥有最高的优先选择权；当该移动终端完成伙伴选择后，就在信源集合中将其删除，继续为下一个接收信号瞬时信噪比最小的移动终端信源选择协作伙伴，直到所有信源都完成伙伴选择，以便在基站接收到的各个移动终端所发送信号的强度不同的基础上，能够保证系统的可靠性和提升传输性能。

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