CN101364823B - 协作通信中基于mcpa门限的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协作通信中基于MCPA门限的功率分配方法，用于无线传输技术领域。本发明首先由源节点向周围的候选协作节点发送协作请求，然后，收到协作请求的候选协作节点将自己的MCPA值同门限值进行比较，当满足门限条件时，候选协作节点被选为协作节点，并向源节点发送协作确认，接着源节点根据收到的协作确认总数向周围的节点发送功率分配信息，最后协作节点在收到这些信息之后即以分配的功率值协助转发数据，从而获得空间分集。本发明在各种质量的信道状况下，都能获得较好的中断概率性能，尤其是在信道质量比较差时，能获得显著的性能改善。本发明所具有的普适性和稳健性使其在B3G/4G系统中具有很高的应用价值。

Description

协作通信中基于MCPA门限的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种协作通信中基于平均信道功率衰减(MCPA)门限的功率分配方法。

背景技术

随着当今无线通信业务的迅速发展，无线网络的用户对高速率和高性能的语音、数据以及多媒体服务的需求量越来越大。因此，下一代无线通信系统，例如B3G/4G，将会采用先进的算法和技术来提高数据传输速率和系统性能。无线通信信道的多径衰落特性是限制传输速率和系统性能的主要原因之一，而分集技术是有效对抗无线通信信道多径衰落的关键技术。由于能提供显著的空间分集增益，多天线(MIMO)技术已被确定为IEEE802.16系统、WiMAX无线局域网系统以及3GPP LTE(3GPP长期演进型)组织定义的超三代(S3G)蜂窝移动通信系统的下行传输技术，也有希望应用于B3G/4G的下行系统中。但是在无线通信的上行传输系统中，由于受到移动终端的尺寸限制，多天线技术难以实现，而极有可能取而代之的是目前备受关注的协作通信技术。该技术利用小区内分散的用户天线协作传输相同的信息，从而能获得与多天线技术相似的空间分集效果。由于有希望成为B3G/4G的上行传输方案，协作通信吸引了众多有志于研究下一代无线通信的专家和学者。他们用系统建模、理论推导和性能验证等方法产生了大量关于协作通信的研究成果，这些研究成果大多通过论文的方式展现。许多最新的研究进展，可以从美国电气电子工程师学会(IEEE)的期刊杂志中检索得到。从中不难发现，功率分配问题成为协作通信中的研究热点，即哪些用户能成为协作用户，以及如何将总发送功率分配给这些协作用户。研究协作通信中功率分配的目的是使得在一定的发送功率条件下，以获取尽可能好的空间分集效果，具体为尽可能小的中断概率。

经对现有技术的文献检索发现，Jianghong Luo等在《IEEE CommunicationLetters》(IEEE通信技术通讯稿)上发表的“Power Allocation in a TransmitDiversity System with Mean Channel Gain Information”(传输分集系统中采用平均信道增益的功率分配方法)，该文中提出门限平均功率分配方法，具体方法为：给候选协作节点的信道质量设定门限值，并由源节点将总发送功率平均分配给信道质量高于门限的候选协作节点。其不足在于：首先，该方法设定的门限只是根据中断概率要求而设，并没有考虑到节点的实际信道状况，所以会出现门限值与实际信道状况不符的情形；其次，平均信道功率增益是常用来表征信道状态信息的物理量，然而该量并没有考虑无线信道中的阴影衰落，不足以表征无线通信信道的大尺度衰落，从而不足以表征B3G/4G的信道状况。

因此，有必要寻找一种适用于B3G/4G系统的协作通信中功率分配方法，使其在各种无线通信信道状况下，都能获得良好的分集效果、尽可能小的中断概率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种协作通信中功率分配的方法。本发明通过提出平均信道功率衰减(MCPA)这个物理量来更好的表征无线通信信道的衰落特性，并在此基础上提出基于MCPA门限的功率分配方法，使得在各种信道状况下都能获得尽可能小的中断概率，尤其在信道状况恶劣的情况下可获得显著的中断概率性能改善，适用于B3G/4G系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明建立在B3G/4G上行系统协作通信基本模型之上，提出平均信道功率衰减(MCPA)来全面的表征无线信道的衰落特性，并提出以源节点的MCPA值作为门限值，以使得在各种信道状况下，都能获得较好的协作分集效果。

本发明包括如下步骤：

步骤一：源节点向周围的候选协作节点发送协作请求消息；

步骤二：收到请求的候选协作节点，将自己的MCPA值同MCPA门限值进行比较，从而判定自己是否应该发送协作确认消息；

步骤三：源节点根据收到的协作确认总数，向周围的节点发送功率分配信息；

步骤四：根据收到的功率分配信息，协作节点以分配的功率值协助转发数据，从而实现空间分集。

所述的步骤一中，协作请求消息包含两部分内容：协作请求字符RTC(全称：Request to Corporate)和源节点自己的MCPA。由于无线电波发射的无方向性，这些候选协作节点都分布在以源节点为圆心的圆形区域内。在手机用户密集的城镇中，面积较小的圆形区域内，就有足够多的候选协作节点。这意味着在发送协作请求时，源节点仅通过较小的发送功率就可以覆盖一个圆形区域。该发送功率，与源、目的节点之间上行链路的发送功率相比，可以忽略。

所述的步骤二中，采用源节点的MCPA值作为门限值，以使得在各种信道状况下，都能获得较好的协作分集效果。本发明把MCPA门限值设定为源节点的MCPA值。这样，信道状况好于源节点的候选协作节点都可以被选为协作节点，即协作节点的选取与整体的信道状况好坏无关。收到协作请求的候选协作节点将自己的MCPA值同MCPA门限值进行比较判定。候选协作节点若满足门限条件，则将成为协作节点，并向源节点发送协作确认字符：CTC(Commit to Corporate)。

所述的步骤三中，功率分配信息包含两部分内容：应该平均分配给协作节点的功率值，和源节点希望发往目的节点的数据。源节点如果没有收到协作确认，则进行无协作的发送。

本发明首先针对B3G/4G系统的特点，建立了B3G/4G系统的协作通信基本模型，然后提出了平均信道功率衰减(MCPA)这个物理量，并在此基础上提出了基于MCPA门限的功率分配方法。与目前常用的平均信道增益相比，MCPA能更好的表征无线通信信道的衰落特性。而基于MCPA门限的功率分配方法在各种信道状况下都能获得较好的中断概率性能。特别是当信道状况比较差时，常用的门限平均分配方法等同于没有进行协作时的情形，性能受到急剧恶化，但是本发明所提出的基于MCPA门限的功率分配方法仍可获得较好的中断概率性能。所以，本发明有更好的普适性和稳健性，更适用于B3G/4G系统。

附图说明

图1是B3G/4G系统中基本的协作通信模型图；

图2是MCPA与平均信道增益的物理意义比较图；

图3是功率分配算法在源节点S处的实现图；

图4是功率分配算法在协作节点Cj处的实现图；

图5基于MCPA门限的功率分配方法的实现过程图；

图6是差信道各种功率分配方法的性能比较图；

图7是中信道各种功率分配方法的性能比较图；

图8是良信道各种功率分配方法的性能比较图。

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。

下面给出一个具体的协作通信参数配置，并结合附图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。

候选协作节点总数N                10

发送总功率P的变化范围            0-20dB

随机输入信号数目                 1000000

协作传输模式                     Decode-and-Forward(编码转发)

传输信道衰落模型                 瑞利衰落信道

接收端的合并方式                 最大比合并

中断概率的判决门限η             1

以下结合附图对本发明的具体实施进行详细的说明：

(1)建立B3G/4G系统协作通信的基本模型

图1是B3G/4G系统中协作通信的基本模型图。针对B3G/4G系统的特点，本发明提出了以下四个设定，并根据这四个设定来建立B3G/4G系统中协作通信的基本模型。

设定1：在城镇这种手机用户比较密集的区域中，一个用户周围往往同时有多个用户存在。而这些用户同时向基站发送数据的可能性较小，故可设定在某一个考察的时间段内，只有一个用户向基站发送数据并向周围的N个用户请求进行协作通信，并且将该用户称为源节点S。由于无线电波的无方向性，源节点S周围的N个用户以S为圆心围成一个圆形区域，这N个用户称为候选协作节点C₁，C₂，…，C_N。源节点和候选协作节点统称为用户节点，而基站则被称为目的节点D，如图1所示。

设定2：瑞利衰落模型适用于描述建筑物密集的城镇的无线信道。故设定用户节点与目的节点之间的N+1个独立信道模型为瑞利衰落模型。

设定3：根据B3G/4G系统中基站与用户之间的关系，可设定：每个用户节点，仅可知自身与目的节点之间所建立的上行链路的信道状态信息，只有目的节点基站知道所有这些上行链路的信道状态信息。

设定4：由于目的节点基站的覆盖范围大，用户节点与目的节点之间的距离较远，故两者进行通信需要较大的发送功率。而与之相比，用户节点之间的距离可以忽略不计，故有如下设定：用户节点之间的信道状况足够好，误码率和信道衰减都可忽略，它们之间进行信息交互时所需要的发送功率也可以忽略。而仅需考虑用户节点与目的节点进行通信时所建立的N+1条上行链路功率损耗P₁，P₂，…，P_N，其和为P，称为总功率。

(2)源节点发送协作请求

源节点向周围的候选协作节点发送协作请求消息，如图3所示。该协作请求消息包含两部分内容：协作请求字符RTC(全称：Request to Corporate)和源节点自己的MCPA。

MCPA(平均信道功率衰减)是本发明提出的用来表征无线信道状态信息的量。在目前的协作通信研究中，平均信道功率增益是常用来表征信道状态信息的物理量。然而该量并没有考虑无线信道中的阴影衰落，不足以表征无线通信信道的大尺度衰落，从而不足以表征B3G/4G的信道状况。为了能更好的表征B3G/4G中的信道功率衰减情况，本发明提出了信道功率衰减因子这个统计量。信道功率衰减因子表征移动通信信道的瞬时功率衰减值，是大尺度衰落和小尺度衰落两种效应的叠加。其统计均值，即MCPA(平均信道功率衰减)能有效的反映信道的大尺度衰落效应。MCPA与平均信道功率增益在物理意义上的比较如图2所示。根据系统模型中的假设，小尺度衰落为瑞利衰落。

设α₀，α₁，…，α_N分别为从源节点、候选协作节点到目的节点的N+1条上行链路的信道功率衰减因子，而其均值A₀，A₁，…，A_N则为平均信道功率衰减。由于信号幅度的衰减服从瑞利分布，故信号功率的衰减服从指数分布。所以信道功率衰减因子α₀，α₁，…，α_N服从均值为A₀，A₁，…，A_N的指数分布。依据系统模型中的假设，用户仅可知自身上行链路的平均信道功率衰减，即源节点处仅知道A₀，候选节点C_i处仅知道A_i。

(3)收到协作请求的候选协作节点进行自我判定

收到协作请求的候选协作节点，将自己的MCPA值同MCPA门限值进行比较判定，如图4所示。满足门限条件的候选协作节点，将成为协作节点，并向源节点发送协作确认字符CTC(全称：Commit to Corporate)。

MCPA门限A_T是从候选协作节点中选取协作节点的依据。当且仅当候选协作节点C_i的平均信道功率衰减A_i满足A_i＞A_T时，节点C_i才成为协作节点。A_T的取值直接影响系统的中断概率性能。作为目前最受关注的方法，门限平均分配方法依据系统中断概率的要求来设定A_T，在目前的文献中一般取为ηε/P，其中ε＝1-2。该方法的缺点是没有考虑到信道的实际情况，当整体信道状况较差，即平均信道功率衰减A₀，A₁，…，A_N都小于ηε/P时，则没有满足条件的协作节点，该方法就等同于没有进行协作通信，从而无法获得分集增益，使系统中断概率性能恶化。

为了解决这个问题，使得在各种信道状况下都能获得较大的分集增益，本发明提出将A_T设定为源节点的平均信道功率衰减，即有等式(1)：

A_T＝A₀    (1)

这样，信道状况好于源节点的候选协作节点都可以被选为协作节点，从而保证了即使当信道状况较差时，仍可能产生协作节点，即协作节点的选取与整体的信道状况好坏无关。

(4)源节点进行功率分配

源节点根据收到的协作确认总数，向周围的节点发送功率分配信息，如图3所示。该信息包含两部分内容：应该平均分配给协作节点的功率值，和源节点希望发往目的节点的数据。源节点如果没有收到协作确认，则进行无协作的发送，如图3所示。

(5)协作节点进行协助转发

根据收到的功率分配信息，协作节点以分配的功率值协助转发数据，从而实现空间分集，如图4所示。

综合图3和图4，可得基于MCPA门限的功率分配方法的实现过程，如图5所示。

图6、图7和图8分别是在差、中、良这三种信道状况下，各种功率分配方法的性能比较图。用于比较的三种功率分配方法是：全平均分配方法，门限平均分配方法，以及本文提出的基于MCPA门限的分配方法。本发明在仿真中给出了良、中、差这三种信道状况参数。其中，良信道的信道状况最好，对应的仿真参数为A₁～A₁₀服从[0.1，1]的均匀分布，且A₀＝A₅＝0.5；中信道的信道状况其次，对应的仿真参数为A₁～A₁₀服从[0.05，0.5]的均匀分布，且A₀＝A₅＝0.25；差信道的信道状况最为恶劣，对应的仿真参数为A₁～A₁₀服从[0.01，0.1]的均匀分布，且A₀＝A₅＝0.05。

图6、图7和图8分别比较了在差、中、良这三种信道状况下各种功率分配方法的中断概率性能。与图6相比，图7和图8中基于MCPA门限的分配方法虽然在性能上的改善不显著，但仍可看出该方法是三种功率分配方法中最佳的。从这三张图中比较可知，本发明所提出的基于MCPA门限的分配方法在各种信道状况下都有最好的中断概率性能。

特别的，当信道状况恶劣时，目前备受关注的门限平均分配方法退化为无协作时的情形。而此时，本发明所提出的方法与之相比，在中断概率性能上有平均3dB的改善，如图6所示。这表明基于MCPA门限的功率分配方法与同类方法相比，有更强的稳健性，能适应各种信道状况。这种普适性和稳健性使得该方法适用于B3G/4G系统。

Claims (5)

1.一种协作通信中基于平均信道功率衰减门限的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：源节点向周围的候选协作节点发送协作请求消息；

步骤二：收到请求的候选协作节点，将自己的平均信道功率衰减值同平均信道功率衰减门限值进行比较，从而判定自己是否应该发送协作确认消息；

步骤三：源节点根据收到的协作确认总数，向周围的节点发送功率分配信息；

步骤四：根据收到的功率分配信息，协作节点以分配的功率值协助转发数据，从而实现空间分集。

2.根据权利要求1所述的协作通信中基于平均信道功率衰减门限的功率分配方法，其特征是，所述的步骤一中，协作请求消息包含两部分内容：协作请求字符RTC和源节点自己的平均信道功率衰减。

3.根据权利要求1所述的协作通信中基于平均信道功率衰减门限的功率分配方法，其特征是，所述的步骤二中，采用源节点的平均信道功率衰减值作为门限值。

4.根据权利要求1所述的协作通信中基于平均信道功率衰减门限的功率分配方法，其特征是，所述的步骤二中，协作确认消息为协作请求字符：CTC。

5.根据权利要求1所述的协作通信中基于平均信道功率衰减以门限的功率分配方法，其特征是，所述的步骤三中，功率分配信息包含两部分内容：应该平均分配给协作节点的功率值，和源节点希望发往目的节点的数据。

Images