CN101394253B - 编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种无线通信领域的编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，主要解决现有功率平均分配方法下系统中断率较高的问题。其功率优化步骤为：目的节点收到来自源节点和中继节点的信息后，分别估计源节点至中继节点和目的节点，以及中继节点至目的节点的信道统计信息；随后，目的节点以中断率最小为目标，根据估计的信道统计信息由功率优化分配公式计算出功率优化分配系数，并利用反馈信道将功率分配信息发送给源节点和中继节点；源节点和中继节点收到反馈到的消息，分别以分配到的功率发送信息。本发明能够显著降低编码协作通信的中断率，计算功率分配系数的方法复杂度较低，可用于编码协作通信系统中降低系统中断率，保证通信质量。

Description

编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的功率分配方法，具体涉及一种编码协作通信中降低中断率的功率分配方法，用于编码协作通信系统。

背景技术

未来的无线通信系统需要更多的提供高速率的多媒体业务和数据业务，因此就需要采用新技术来提高信息传输速率。无线通信中的多径衰落是影响通信传输速率和可靠性的重要因素，如何解决多径效应带来的影响成为提高通信质量的关键。虽然多输入多输出MIMO技术能够使系统的性能得到提升，但是由于移动终端体积和成本的限制，在其上安装多个天线就变的非常困难，这就限制了MIMO技术的应用。因此人们提出了协作分集技术，即在多用户环境下，每个单天线用户在发送自己信息的同时也为自己的协作伙伴发送信息，这样就形成了虚拟多天线系统。由于协作分集技术具有提供空间分集克服多径衰落、在给定速率下改善上行链路容量并降低中断率的特点，目前已成为蜂窝网系统、Ad hoc网络和传感器网络等领域中的研究热点之一。Laneman等学者在“IEEE Trans.Information Theory，2004，50(12)：3062-3080”上发表文章“Cooperativediversity in wireless network：efficient protocols and outage behavior”分析了放大中继AF、解码中继DF和编码协作CC等方案。其中，AF方案和DF方案均属于重复编码类型的中继，因此其编码效率很低，不能获得较理想的编码增益。而CC方案首先将协作分集技术与信道编码技术相结合，可使系统能获得更高的编码增益，因此比AF方案和DF方案更具优越性。

2006年Hunter等学者在“IEEE Trans.on Wireless Communications2006，5(2)：283-289”上发表的论文“Diversity through Coded Cooperation”首先提出了CC方案：第一阶段，源节点首先对信息进行编码并将码字分割成两部分；然后将其中一部分码字以广播形式发送；第二阶段，中继节点对接收到的信息译码，若译码正确则重新编码，并将剩余码字部分发送。但该文献中并没有涉及功率分配问题的研究，所提出方案均采用平均功率分配的方法。

功率分配问题一直是通信技术中的研究热点。在协作通信领域已有很多学者分别从误码率和中断率角度出发，提出了不同的功率优化分配方法。Luo等在“IEEE TransWireless Communications，2007，6(3)：793-799”上发表文章“Decode-and-Forwardcooperative diversity with power allocation in wireless networks”针对多中继条件下DF方案，研究了发射端已知平均信道增益的条件下，通过最小化中断率进行功率优化分配的问题。随后，Li在“IEEE Trans.Wireless Communications，2007，6(3)：948-958”上的文章“Distributed adaptive power allocation for wireless relay networks”给出了AF方案和DF方案单中继最优功率分配系数和多中继次优功率分配系数的闭式解。但是目前还没有针对CC方案的功率分配方法提出，并且Hunter在“IEEE Trans.Information Theory，2006，52(2)：375-391”上的文献“Outage analysis ofcoded cooperation”给出的CC方案中断率表达式过于复杂，不适合进行功率分配。因此需要寻一种适合功率分配的简单中断率表示方式，并根据中断率最小法则进行功率分配。

发明内容

本发明的目的在于针对目前没有CC方案下功率分配方案的问题，提出了一种最小化系统中断率为目标的编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，以降低系统的中断率，提高通信质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)目的节点在收到来自源节点和中继节点的信息后，分别估计源节点至中继节点和目的节点以及中继节点至目的节点的信道统计信息；

(2)目的节点以中断率最小为目标，根据估计的信道统计信息通过如下功率优化分配系数计算公式计算出功率优化分配系数α_op，即

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{op}}=\frac{({3a}_1-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}})+\sqrt{{(8a_2{B}_{\mathrm{rd}}-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-{3a}_1)}^2-4(2a_1{B}_{\mathrm{sr}}-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})({2a}_1-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})}}{{4a}_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}}}$

式中，E为系统总发射功率；a₁＝2^R/η-1，a₂＝2^R/(1-η)-1，η表示协作度，R表示传输速率； $B_{\mathrm{sd}}=E{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}^2/N,$ $B_{\mathrm{sr}}=E{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sr}}^2/N,$ $B_{\mathrm{rd}}=E{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rd}}^2/N,$

和

表示信道增益方差，N表示噪声双边功率谱密度；

(3)利用反馈信道将功率分配系数发送给源节点和中继节点；

(4)源节点和中继节点收到反馈的功率分配信息，源节点以分配功率E_s＝α_opE进行广播，中继节点以分配功率E_r＝(1-α_op)E进行中继；

(5)目的节点继续估计两路信道状态信息，如果信道的状态发生变化则按步骤(2)重新计算分配信息，如果信道的状态未发生变化则按照原有功率分配状态发送信息。

本发明针对目前编码协作通信中均采用平均功率分配的问题，提出的编码协作功率分配方法由于仅需要目的节点估计出各信道状态的统计信息，而不需要目的节点进行搜索，因而对信道适应性强；同时由于本发明构造了系统中断率上界的简单表达式，并以中断率最小为准则，得出功率优化分配系数的闭合表达式，因此运算复杂度低，且能有效降低编码协作系统的中断率，保证通信质量。本发明与现有功率平均分配方法相比，不仅可以有效降低编码协作通信的中断率，同时也可使中断率指标固定的情况下节省发生功率。

附图说明

图1是已有的编码协作通信模型图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是本发明的功率优化分配与现有的平均分配方法的中断率比较图；

图4是本发明基于协作度、协作用户位置与功率优化分配系数的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。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。

图1是本发明采用的基于功率分配的编码协作通信模型图。其中包括源节点、中继节点和目的节点。h_sr、h_sd和h_rd分别表示源节点到中继节点和目的节点，以及中继节点到目的节点的信道衰落系数。源节点发送的信息经过编码分成x₁和x₂两部分，源节点只发送其中的x₁，中继节点发送x₂。在该系统中设传输速率R＝1/4bit/s/Hz，总发射功率为E，发射端调制方式为BPSK，且接收端能完全恢复信道衰落系数，并采用相干解调；选取信道为频率非选择性瑞利慢衰落信道，噪声为功率谱密度N＝1的加性高斯白噪声；设各节点在同一直线上并且中继节点在源节点和目的节点之间。不失一般性，令源节点至目的节点的距离d_sd为单位1、信道统计信息归一化为1 $({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sd}}^2=1)$ ，只考虑中继节点的位置变化，令源节点到中继节点的距离为d_sr＝L，中继节点到目的节点的距离为d_rd＝1-L(0<q<1)。考虑到路径损耗的影响，信道衰落系数与路径长度成反比，路径损耗指数选取城市蜂窝阴影的典型值3，并考虑到源节点至目的节点的信道增益方差已归一化，则源节点至中继节点和中继节点至目的节点的信道状态统计信息可分别表示为 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sr}}^2={(d_{\mathrm{sd}}/d_{\mathrm{sr}})}^3{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sd}}^2=L^{-3}$ 和 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{rd}}^2={(d_{\mathrm{sd}}/d_{\mathrm{rd}})}^3{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sd}}^2={(1-L)}^{-3}.$

参照图2，本发明利用图1编码协作模型进行功率优化分配的具体步骤如下：

步骤1，估计两路信道状态信息。

源节点和中继节点分别向目的节点发送初始信息，如训练序列，目的节点根据接收到的信号估计得到源节点至中继节点信道状态统计信息

、源节点至目的节点信道状态统计信息和中继节点至目的节点信道状态统计信息

步骤2，以中断率最小为准则，按如下过程构造功率优化分配表示式α_op。

2a.将编码协作系统的中断率表示为： $P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{cc}}=P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}}{P}_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sd}}+(1-P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}})P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{co}}---\left(1\right)$

式中，

表示完全协作时的中断率，为直接传输时中继节点接收源节点信号的中断率，

为直接传输时目的节点接收源节点信号的中断率，后两个中断率均通过香农信道容量公式得到，即

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}}=1-\exp \left(\frac{1-2^{R/(1-\mathrm{\&eta;})}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sr}}}\right)---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sd}}=1-\exp \left(\frac{1-2^{R/(1-\mathrm{\&eta;})}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sd}}}\right)---\left(3\right)$

式中，γ_sr表示中继节点接收源节点信号的平均信噪比，γ_sd表示目的节点接收源节

点信号的平均接收信噪比，R/(1-η)表示源节点传输速率，η表示协作度；

2b.给出完全协作时的中断率的上界为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{co}}<\frac{a_1{a}_2}{2{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sd}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{rd}}};---\left(4\right)$

式中，γ_rd表示目的节点接收中继节点信号的平均接收信噪比，a₁＝2^R/η-1，

a₂＝2^R/(1-η)-1；

2d将

和

代入式(1)得到系统的中断率上界：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{as}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{a_1{a}_2{B}_{\mathrm{sr}}\mathrm{\&alpha;}+2a_2^2{B}_{\mathrm{rd}}(1-\mathrm{\&alpha;})-a_1{a}_2^2}{2B_{\mathrm{sd}}{B}_{\mathrm{sr}}{B}_{\mathrm{rd}}{\mathrm{\&alpha;}}^2(1-\mathrm{\&alpha;})};---\left(5\right)$

式中， $B_{\mathrm{sd}}=E{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sd}}^2/N,$ $B_{\mathrm{sr}}=E{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{sr}}^2/N,$ $B_{\mathrm{rd}}=E{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{rd}}^2/N,$

和

表示信道统计信息，N表示噪声功率谱密度；

2e.对式(5)求关于功率分配系数α的导数并令其等于0，得二元一次方程：

(2a₁B_sr-4a₂B_rd)α²+(8a₂B_rd-a₁B_sr-3a₁)α+(2a₁-4a₂B_rd)＝0；     (6)

2f.解式(6)得功率优化分配系数的表达式：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{op}}=\frac{({3a}_1-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}})+\sqrt{{(8a_2{B}_{\mathrm{rd}}-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-{3a}_1)}^2-4(2a_1{B}_{\mathrm{sr}}-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})({2a}_1-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})}}{{4a}_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}}}.---\left(7\right)$

步骤3，计算功率优化分配系数。

将目的节点估计得到源节点至中继节点信道状态统计信息

源节点至目的节点信道状态统计信息

和中继节点至目的节点信道状态统计信息

以及噪声功率谱密度N、协作度η，总发射功率E的具体参数代入式(7)，计算得出功率优化分配系数α_op。

步骤4，目的节点利用反馈信道将功率优化分配系数α_op发送给源节点和中继节点。

步骤5，源节点和中继节点分别以分配功率进行广播与中继。

源节点和中继节点收到反馈的功率优化分配系数，源节点以分配功率E_s＝α_opE进行广播，中继节点以分配功率E_r＝(1-α_op)E进行中继，其具体过程是：在第一阶段，由源节点根据接收到的功率优化分配系数调整其发送功率，以功率a_opE将码字x₁以广播形式发送；在第二阶段，由中继节点对收到的信息进行译码操作，并判断是否译码正确，如果译码正确则根据接收到的功率优化分配系数，以功率(1-α_op)E将码字x₂发送至目的节点，如果译码错误则保持空闲状态；目的节点收到两节点发送码字后进行组合处理，然后译码得到源端发送信息。

步骤6，目的节点继续估计信道状态信息，如果信道的状态发生变化则按步骤2重新计算分配信息，如果信道的状态未发生变化则按照原有功率分配状态发送信息

本法明的效果可以通过以下仿真图进一步说明：

图3比较了采用本发明功率优化分配与现有功率平均分配时系统的中断率性能，由图3可见，在中断率为10^-3处，当源节点到中继节点的距离L分别取0.9、0.6和0.4时，采用本发明功率优化分配可使系统中断率性能提升2.8dB、1.4dB和0.3dB；在L＝0.1时，由于功率优化分配系数α_op趋近于0.5，因此本发明的性能与平均分配相当，这表明本发明提出的功率优化方法可以有效降低系统中断率。

图4分析了中继节点在不同位置时编码协作度η与功率优化分配系数的关系。由图4可见，当中继节点端距离源节点较近，即L较小时，功率优化分配系数α_op在0.5附近；而中继节点距离目的节点较近，即L较大时，功率优化分配系数α_op趋近于1。这表明当源节点和中继节点之间信道状况较好时，采用平均功率分配即可使系统获得最佳性能；当源节点和中继节点之间信道状况较差时，需要通过增大源节点的发射功率来减少中继节点错误译码的概率从而提高中继概率。同时还表明，随着η的增加α_op也不断增加。其原因是随着η增加，源节点发送的码字x₁冗余不断减少，为了保证足够的协作概率就必须增加源节点的发送功率。反之，当η降低时，因为有足够的编码冗余保证可靠协作，故可将部分功率分配给中继节点用于提高其传输性能。

本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本申请权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。

Claims (4)

1.一种编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，包括以下步骤：

(1)目的节点在收到来自源节点和中继节点的信息后，分别估计源节点至中继节点和目的节点以及中继节点至目的节点的信道统计信息；

(2)目的节点以中断率最小为目标，根据估计的信道统计信息通过如下功率优化分配系数计算公式计算出功率优化分配系数α_op，即

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{op}}=\frac{(3a_1-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}})+\sqrt{{(8a_2{B}_{\mathrm{rd}}-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-3a_1)}^2-4(2a_1{B}_{\mathrm{sr}}-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})(2a_1-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})}}{4a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}}}$

式中，E为系统总发射功率；a₁＝2^R/η-1，a₂＝2^R/(1-η)-1，η表示协作度，R表示传输速率；

和

表示信道增益方差，N表示噪声双边功率谱密度；

(3)利用反馈信道将功率分配系数发送给源节点和中继节点；

(4)源节点和中继节点收到反馈的功率分配信息，源节点以分配功率E_s＝α_opE进行广播，中继节点以分配功率E_r＝(1-α_op)E进行中继；

(5)目的节点继续估计两路信道状态信息，如果信道的状态发生变化则按步骤(2)重新计算分配信息，如果信道的状态未发生变化则按照原有功率分配状态发送信息。

2.根据权利要求1所述的编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，其中步骤(1)所述的信道统计信息是信道增益的方差值。

3.根据权利要求1所述的编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，其中步骤(2)所述的功率优化分配系数计算公式按如下过程构建：

(2a).将编码协作系统的中断率表示为： $P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{cc}}=P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}}{P}_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sd}}+(1-P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}})P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{co}}---\left(1\right)$

式中，

表示完全协作时的中断率，

为直接传输时中继节点接收源节点信号的中断率，

为直接传输时目的节点接收源节点信号的中断率，后两个中断率均通过香农信道容量公式得到，即

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sr}}=1-\exp \left(\frac{1-2^{R/(1-\mathrm{\&eta;})}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sr}}}\right)---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{sd}}=1-\exp \left(\frac{1-2^{R/(1-\mathrm{\&eta;})}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sd}}}\right)---\left(3\right)$

式中，

表示中继节点接收源节点信号的平均信噪比，

表示目的节点接收源节点信号的平均接收信噪比，R/(1-η)表示源节点传输速率；

(2b).给出完全协作时的中断率的上界为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{co}}<\frac{a_1{a}_2}{2{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{sd}}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{\mathrm{rd}}};---\left(4\right)$

式中，

表示目的节点接收中继节点信号的平均接收信噪比；

(2d)将

和

代入式(1)得到系统的中断率上界：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{as}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{a_1{a}_2{B}_{\mathrm{sr}}\mathrm{\&alpha;}+2a_2^2{B}_{\mathrm{rd}}(1-\mathrm{\&alpha;})-a_1{a}_2^2}{2B_{\mathrm{sd}}{B}_{\mathrm{sr}}{B}_{\mathrm{rd}}{\mathrm{\&alpha;}}^2(1-\mathrm{\&alpha;})};---\left(5\right)$

(2e)对式(5)求关于功率分配系数α的导数并令其等于0，得二元一次方程：

(2a₁B_sr-4a₂B_rd)α²+(8a₂B_rd-a₁B_sr-3a₁)α+(2a₁-4a₂B_ra)＝0；    (6)

(2f)解式(6)得功率优化分配系数的表达式：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{op}}=\frac{(3a_1-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}})+\sqrt{{(8a_2{B}_{\mathrm{rd}}-a_1{B}_{\mathrm{sr}}-3a_1)}^2-4(2a_1{B}_{\mathrm{sr}}-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})(2a_1-4a_2{B}_{\mathrm{rd}})}}{4a_1{B}_{\mathrm{sr}}-8a_2{B}_{\mathrm{rd}}}.---\left(7\right)$

4.根据权利要求1所述的编码协作通信中降低中断率的功率优化分配方法，其中步骤(4)的具体过程是：在系统工作周期第一阶段，由源节点根据接收到的功率优化分配系数调整其发送功率，以功率α_opE将码字x₁以广播形式发送；在系统工作周期第二阶段，由中继节点对收到的信息进行译码操作，并判断是否译码正确，如果译码正确则根据接收到的功率优化分配系数，以功率(1-α_op)E将码字x₂发送至目的节点，如果译码错误则保持空闲状态；目的节点收到两节点发送码字后进行组合处理，然后译码得到源端发送信息。

Images