CN101651478A - 一种空时编码协作中继选择与功率分配联合方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，包括以下步骤：源终端以及候选中继终端在与目的终端进行通信时，进行相互之间信道状态信息的测量；目的终端根据测得的信道状态信息进行中继选择、空时编码协作和功率分配相关的决策，并将决策信息反馈给源终端与中继终端；中继终端通知源终端开始发送数据；源终端将要发送的数据共享给中继终端；中继终端对源终端发送的数据进行空时分组编码；并根据决策信息得到各自要传输的数据；中继终端根据决策信息进行基于资源贡献率的功率分配，并使用该功率值将数据发送给目的终端；目的终端对接收到的信号进行空时译码，得到原始的发送数据，并向源节点发送确认信息。

Description

一种空时编码协作中继选择与功率分配联合方案

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术领域，具体涉及一种空时编码协作方案中的中继选择与功率分配联合方案。

背景技术

协作分集是一种通过共享不同终端天线实现空间分集的技术，该技术可以有效抵抗多径衰落并提高系统容量。协作分集技术可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，今后还会将这些网络结合起来，形成一种全新的泛在智能网络，引起移动通信领域的重大变革。

协作分集可以抵抗无线信道的多径衰落，并且能够提高系统容量，结合空时分组编码可以更加有效地提高系统性能。

传统的空时编码协作方案选择所有能够对源终端进行正确译码的终端进行协作，并且各协作终端采用等功率发送，但是，当中继终端超过一定数量时，随着系统发送总功率的增加，系统却无法获得额外的分集增益。

现有的空时编码协作中的中继选择(local-k-best)方案，由候选终端随机选择空时分组码(Space-time Block Coding，STBC)编码矩阵的一列，并利用CSMAMAC协议进行信息交互，从选择相同列的终端中选出信道状态最佳的k个终端作为中继。由于候选终端随机选取STBC编码矩阵中的一列，此方案不能保证全分集阶数，同时，由于候选终端采用CSMA MAC协议进行信息交互会产生一定的冲突概率，从而影响系统的性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种新的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，该联合方案能克服现有技术中所存在的缺陷，解决了协作通信中中继选择与功率分配复杂度高和不易实现的问题。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，源终端以及候选中继终端在与目的终端进行通信时，通过控制信息进行相互之间信道状态信息的测量，其中包括源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息；

步骤2，目的终端根据测得的源终端与目的终端之间的信道状态信息以及源终端与候选中继终端之间的信道状态信息进行中继选择、空时编码协作和功率分配相关的决策，并将决策信息反馈给源终端与中继终端；

步骤3，中继终端接收到相应决策信息后向源终端发送FLAG消息，通知源终端开始发送数据；

步骤4，源终端通过任何一种可选的通信方式将要发送的数据共享给中继终端；

步骤5，中继终端利用相同的空时编码矩阵对源终端发送的数据进行空时分组编码，并根据由目的终端反馈的决策信息得到各自要传输的数据；

步骤6，中继终端根据由目的终端反馈的决策信息进行基于资源贡献率的功率分配，计算得到自身的发送功率，并使用该功率将数据发送给目的终端；

步骤7，目的终端对接收到的信号进行空时译码，得到原始的发送数据，并向源终端发送确认信息。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤1中，源终端以及候选中继终端在与目的终端进行通信时，通过协作请求/协作决策的控制信息进行相互之间信道状态信息的测量，其中包括源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤2中，目的终端根据测得的源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息选择与自身之间信道状态最佳的候选终端作为中继终端(源终端也可被选为中继终端参与协作)，规定各个中继终端将要传输空时分组编码(STBC)后的数据，以及计算所有中继终端的总的信道增益，并将这些决策信息反馈给源终端与中继终端。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤3中，接收到目的终端反馈的决策信息中的将要发送的空时分组编码矩阵的列数与需要选择的中继终端个数相同的中继终端向源终端发送FLAG消息，通知源终端开始发送数据。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤4中，源终端可以用任何一种通信方式将要发送的数据共享给中继终端，只须保证中继终端对源终端的数据能正确译码。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤5中，中继终端具有相同的空时分组编码矩阵，并利用该编码矩阵对接收且正确译码的源终端数据进行空时编码，并根据由目的终端反馈的各个中继终端将要发送的空时编码矩阵的列号得到各自将要传输的空时分组编码矩阵中的列。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤6中，中继终端根据由目的终端反馈的各个中继终端的信道增益之和以及自身与目的终端之间的信道增益得到自身的资源贡献率，从而计算得到自身的发送功率，并使用该功率值将数据发送给目的终端。

按照本发明所提供的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤7中，目的终端利用相同的空时分组编码矩阵对接收到的来自不同中继终端的经过空时分组编码的信号进行空时译码，得到源终端的原始发送数据，如果正确译码，则向源终端发送ACK确认信息，否则，等待定时器超时。

本发明的有效效果：避免了通过中继之间的信息交互进行中继选择的冲突，在保证分集阶数和误码率性能的同时，以较低的算法复杂度提高了系统容量。

附图说明

图1是协作通信网络模型示意图；

图2是协作请求示意图；

图3是协作决策示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

给定一个基于802.11a的协作通信网络模型如图1所示，原终端S通过与中继终端的协作，实现向目的终端D传输数据的目的。

网络中共有M个单天线终端，其中包括1个源终端、1个目的终端和M-2个潜在中继终端，其中有N(N≤M-2)个终端能够对源节点信息正确译码，这N个终端与源终端共同构成虚拟天线阵列VAA小区，从中选出K个终端作为中继终端，源终端也可以作为接力合作终端。假设VAA小区内各终端之间距离较小，从而源终端可以以较小功率与VAA小区内各终端进行广播通信。

本发明基于如下两点假设：

1、各终端完全同步和准静态信道环境；

2、各终端间信道为加性高斯白噪声的平坦瑞利衰落信道。

在该系统中，源终端利用较小的功率向中继终端广播数据，中继终端对接收信号进行译码后通过分布式空时编码方案进行协作。假设空时编码矩阵对各个终端是已知的，用S表示L(L≤K)列空时编码矩阵，行下标表示时间，列下标表示不同的发射终端，中继终端通过发送S中的不同列进行协作。目的终端处的接收信号Y可以表示为：

Y＝SH+Z

其中，H＝[h_1，d，…，h_K，d]^T表示K个中继终端到目的终端的信道衰落系数向量，Z表示方差为σ₀的加性高斯白噪声。

其工作过程如图2和图3所示，具体实施步骤如下：

步骤1源终端向VAA小区内终端和目的终端发送R-RTS并启动定时器，R-RTS的格式为在RTS中添加字段K，表示将要选出K个终端作为中继终端进行STBC编码协作，同时将RTS中的目的地址表示为一有序矢量[R1，R2，…，RN，D]，其中R1，R2，…，RN为VAA小区内的终端，D为目的终端。VAA接力小区内的候选中继终端和目的终端将从RTS中提取并保存K字段，但是不回复CTS。接着，VAA小区内的终端将按照[R1，R2，…，RN]的顺序依次向目的终端发送RTS。目的终端通过R-RTS和RTS分别测量与源终端和各个候选中继终端间的信道增益H_id，得到信道增益向量

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{gain}}=[H_{1d},H_{2d},...,H_{(N+1)d}]$

步骤2目的终端根据源终端与自身之间的信道增益以及候选中继终端之间的信道增益选出K个信道增益最大的终端作为中继终端，并计算其信道增益之和H_sum(用于之后的中继终端的功率分配)，然后目的终端将按照信道增益向量

中H_id由大到小的顺序依次向选出的中继发送CTS，并在CTS中加入col字段和H_sum字段，分别表示各个中继终端发送的STBC编码矩阵的列号和各中继终端与目的终端之间的信道增益之和。

步骤3接收到目的终端CTS的终端通过CTS测量得到与目的终端间的信道增益H_di，由于信道的互惠性，H_di＝H_id，并提取CTS中的col字段，将其内容与之前从源终端接收到的R-RTS中的K字段进行比较，如果相同，则向源节点发送FLAG消息，通知源节点可以进行数据传输；如果源终端被选为中继终端，且从目的终端接收到的CTS中的col字段与K字段内容相同，则直接开始数据传输，将要发送的数据共享给各个中继终端。同时，中继终端接收源终端的数据，并准备进行STBC编码协作，其余终端进入休眠状态。

步骤4由于源终端与各个中继终端同处于VAA小区内，距离较近，源终端可以使用较小的功率将要发送的数据共享给中继终端，并保证源终端与中继终端都具有要发送的全部数据。

步骤5中继终端对源终端发送的数据利用相同的空时分组编码矩阵进行STBC编码，例如，输入连续两个包含64个数据的数据块为：s₁＝[s_1，1，…s_1，64]和s₂＝[s_2，1，…s_2，64]，中继终端按照STBC的编码矩阵进行编码，编码后分别得到自己要传输的数据块：第一个时隙，中继终端要传输的数据分别为：x_R1，1＝[s_1，1，…，s_1，64]和x_R2，1＝[s_2，1，…，s_2，64]，第二个时隙分别为： $x_{R\mathrm{1,2}}=[-s_{\mathrm{2,1}}^{*},...,-s_{\mathrm{2,64}}^{*}]$ 和 $x_{R\mathrm{2,2}}=[s_{\mathrm{1,1}}^{*},...,s_{\mathrm{1,64}}^{*}].$ 然后各个中继终端根据接收到的CTS中的col字段得到各自将要发送的STBC编码矩阵的相应列的数据。

步骤6中继终端根据决策信息进行基于资源贡献率的功率分配。所谓资源贡献率是指，整个系统中共有N种资源，每种资源的单位收益为r_i，i＝1，2，…N，第i种资源的贡献率K_i为

$K_i=\frac{r_i}{r_1+r_2+\·\·\·r_N}$

假设总投入资产为R，则投入到第i种资源的资产R_i为

$R_i=R\·K_i=R\·\frac{r_i}{r_1+r_2+\·\·\·r_N}$

且满足约束条件 $R=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i.$

本文提出的功率分配方案将各个中继终端看作各种资源，每种资源的单位收益为各中继终端到目的终端的信道增益H_id，根据系统的信道特性和香农公式，建立系统容量相关的效用函数

$C={\log }_2(1+\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left(H_{\mathrm{id}}\frac{P_i}{{\mathrm{\σ}}_0}\right))$

其中，P_i为第i个中继终端的发射功率，σ₀加性高斯白噪声的功率。

其约束条件为：

1. $E_s={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{P}_i,$ 即是总发送功率为一定值。

2.P_i≤P_max，即是各个中继终端发射功率必须小于给定上限。

第i个中继终端利用目的终端回复的CTS估计与目的终端间的信道增益H_di并应用基于资源贡献率的资源分配方案计算自身的发射功率，即是通过CTS中的H_sum字段内容计算自己的发射功率P_i

$P_i=P\·K_i=P\·\frac{H_{\mathrm{id}}}{H_{\mathrm{sum}}}=P\·\frac{H_{\mathrm{id}}}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{id}}}$

如果P_i＞P_max，则该中继终端的发射功率为P_max；如果P_i≤P_max，则该中继终端使用该功率值将数据发送给目的终端。

步骤7目的终端对接收到的信号进行空时译码，得到原始的发送数据，译码过程如下：

假设接收端接收的连续两个时隙的信号为：r₁＝[r_1，1，…，r_1，64]和r₂＝[r_2，1，…，r_2，64]，根据STBC的译码规则可以得到译码后的信号为： ${\hat{s}}_1=h_{R1}^{*}{r}_1+h_{R2}{r}_2^{*}$ 和 ${\hat{s}}_2=h_{R2}^{*}{r}_1+h_{R1}{r}_2^{*}.$ 译码后，目的终端向源终端发送ACK，如果源终端定时器超时仍未收到ACK，则增大功率发送R-RTS，重新进行协作请求。

Claims (8)

1、一种空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，源终端以及候选中继终端在与目的终端进行通信时，通过控制信息进行相互之间信道状态信息的测量，其中包括源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息；

步骤2，目的终端根据测得的源终端与目的终端之间的信道状态信息以及源终端与候选中继终端之间的信道状态信息进行中继选择、空时编码协作和功率分配相关的决策，并将决策信息反馈给源终端与中继终端；

步骤3，中继终端接收到相应决策信息后向源终端发送FLAG消息，通知源终端开始发送数据；

步骤4，源终端通过任何一种可选的通信方式将要发送的数据共享给中继终端；

步骤5，中继终端利用相同的空时编码矩阵对源终端发送的数据进行空时分组编码，并根据由目的终端反馈的决策信息得到各自要传输的数据；

步骤6，中继终端根据由目的终端反馈的决策信息进行基于资源贡献率的功率分配，计算得到自身的发送功率，并使用该功率将数据发送给目的终端；

步骤7，目的终端对接收到的信号进行空时译码，得到原始的发送数据，并向源终端发送确认信息。

2、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤1中，源终端以及候选中继终端在与目的终端进行通信时，通过协作请求/协作决策的控制信息进行相互之间信道状态信息的测量，其中包括源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息。

3、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤2中，目的终端根据测得的源终端与目的终端之间的信道状态信息以及候选中继终端与目的终端之间的信道状态信息选择与自身之间信道状态最佳的候选终端作为中继终端，规定各个中继终端将要传输空时分组编码后的数据，以及计算所有中继终端的总的信道增益，并将这些决策信息反馈给源终端与中继终端。

4、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤3中，接收到目的终端反馈的决策信息中的将要发送的空时分组编码矩阵的列数与需要选择的中继终端个数相同的中继终端向源终端发送FLAG消息，通知源终端开始发送数据。

5、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于，在步骤4中，源终端能用任何一种通信方式将要发送的数据共享给中继终端，只须保证中继终端对源终端的数据能正确译码。

6、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于：在步骤5中，中继终端具有相同的空时分组编码矩阵，并利用该编码矩阵对接收且正确译码的源终端数据进行空时编码，并根据由目的终端反馈的各个中继终端将要发送的空时编码矩阵的列号得到各自将要传输的空时分组编码矩阵中的列。

7、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于：在步骤6中，中继终端根据由目的终端反馈的各个中继终端的信道增益之和以及自身与目的终端之间的信道增益得到自身的资源贡献率，从而计算得到自身的发送功率，并使用该功率值将数据发送给目的终端。

8、根据权利要求1所述的空时编码协作中继选择与功率分配联合方案，其特征在于：在步骤7中，目的终端利用相同的空时分组编码矩阵对接收到的来自不同中继终端的经过空时分组编码的信号进行空时译码，得到源终端的原始发送数据，如果正确译码，则向源终端发送ACK确认信息，否则，等待定时器超时。

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