CN101848524A - 无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，该方法包括步骤：中继节点根据来自源节点及目的节点的导频信号进行信道估计；将具有最小前、后向链路信道方差乘积的中继节点与当前门限进行比较；若满足设定标准，则将其排除，告知其余各中继节点更新备选节点列表以及门限值，重复比较直至没有可满足设定标准的中继节点；计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并将其反馈至源节点。本发明方法不需要在网络中部署功能强大的选择控制节点，也不需要大量的导频开销及反馈开销，可根据各自的信道状态信息自适应选择一个或多个中继节点，降低目的节点处的端到端的误码率。

Description

无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线多中继协作传输网络的中继选择方法和功率分配方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，协作传输(CooperativeCommunication)技术得到了广泛的应用。协作传输可以在更大的小区覆盖范围内，提供更可靠、更高速的数据业务。在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，简称3GPP)启动的长期演进(Long Term Evolution Advance，简称LTE-A)研究中，协作传输技术已经得到了广泛的讨论，并且已经作为下一代移动通信的备选技术之一。

当协作传输系统包括多个中继节点时，通过在所有中继节点之间的协作波束赋形可以有效提高中继网络的传输性能，由于网络中的中继节点个数往往是变化不可知的，这会给设计合理的协作策略带来困难。同时，由于多中继节点的存在，每一个中继节点的信道衰落特性相对独立，因此不是每一个中继节点都能提高系统端到端传输性能。于是，通过选择其中最优的一个或几个中继节点参与协作波束赋形，可以减少所有中继节点都参加协作带来的复杂度问题，同时能够保持很高的协作分集增益。

协作传输系统中，集中式的中继选择方法需要网络中配属一个功能强大的主控节点，中继的选择在该主控节点完成，通过反馈告知每个中继节点相应的状态。这样做不仅需要主控节点获得完整的信道状态信息，同时需要反馈信道将选择结果告知每一个中继节点，从而增加了系统实现的复杂度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在不影响系统性能的基础上，降低无线多中继协作传输网络中继选择过程实现的复杂度，提高系统的可靠性。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，该方法包括步骤：

S1.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

S2.根据所述导频信号，各备选中继节点进行信道估计，并计算各自的前向、后向链路信道方差乘积；

S3.根据设定的门限函数计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与所述当前门限进行比较；

S4.若所述具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除所述具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S5，否则，直接执行S6；

S5.告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，选择过程结束，执行步骤S6，否则，返回执行步骤S3；

S6.目的节点根据选择的参与协作传输的所有中继节点，计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并将计算结果反馈至源节点。

其中，步骤S1中，所述前向链路信道方差为源节点到中继节点的信道方差，所述后向链路信道方差为目的节点到中继节点的信道方差。

其中，步骤S4中，告知其余各中继节点的方法为：由排除的中继节点向其余各中继节点广播标志信号。

其中，所述门限函数为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{th}}^m=\frac{{4N}_0^2}{{\mathrm{\ζ}}^{*}(1+{\mathrm{\ζ}}^{*})P_{\mathrm{sum}}^2{c}^2}\·\frac{(m+1){(2m+3)}^2}{{(m+2)}^2}$

其中，Ω_th ^m为第m次选择的门限值，m为当前已选择的中继节点个数，N₀为噪声方差，P_sum为源节点和目的节点的总功率，c是与调制类型有关的常数，ζ^*为功率分配因子。

其中，所述设定标准为所述中继节点前向、后向链路信道方差乘积小于所述当前门限值。

其中，步骤S6中，所述功率分配因子计算公式为：

${\mathrm{\ζ}}^{*}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

a＝(m+1)(Bm-A)

b＝2A(m+1)-Bm

c＝-A(m+1)

其中，

Ω_s，i为前向链路信道方差，Ω_i，d为后向链路信道方差。

其中，步骤S6中，目的节点量化所述功率因子，并利用量化所述功率因子所需要的比特数将其反馈至中继节点；

一种无线多中继协作传输网络的波束赋形方法，该方法包括步骤：

S1.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

S2.根据所述导频信号，各备选中继节点进行信道估计，并计算各自的前向、后向链路信道方差乘积；

S3.根据设定的门限函数计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与所述当前门限进行比较；

S4.若所述具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除所述具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S5，否则，直接执行S6；

S5.告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，选择过程结束，执行步骤S6，否则，返回执行步骤S3；

S6.目的节点根据选择的参与协作传输的所有中继节点，计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并将计算结果反馈至源节点；

S7.目的节点选择使接收端等效信噪比最大化的码字，并将其序号反馈至选择的参与协作传输的所有中继节点；

S8.所述选择的参与协作传输的所有中继节点根据所述序号选择相应的码字进行协作波束赋形。

其中，步骤S7中选择使接收端等效信噪比最大化的码字，使得

$m^{*}=\arg \underset{W_m\∈C}{\max }{\mathrm{\γ}}_d^S$

其中，γ_d ^s为接收端的等效信噪比，

${\mathrm{\γ}}_d^s=\frac{P_s{\left|h_{s,d}\right|}^2}{N_0}+\frac{{\left|\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{sig}}^i{w}_i\right|}^2}{(1+\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_n^i\right|}^2{\left|w_i\right|}^2)N_0}$

$h_{\mathrm{sig}}^i=\frac{\sqrt{P_s}\sqrt{P_i}{h}_{s,i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}},$ $h_n^i=\frac{\sqrt{P_i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}}$

m^*是码字的序号，P_s是源节点的发送功率，P_i是中继节点的发送功率，Ψ_m ^*表示选择到的中继节点集合，h_s，i是源节点到中继节点的信道状态信息，h_s，d是源节点到目的节点的信道状态信息，h_i，d是中继节点到目的节点的信道状态信息，W_m是码书C中的码字，满足||W||₂＝1，||·||₂是2范数计算。

其中，步骤S7中，目的节点量化所述序号，并利用量化所述序号所需要的比特数将其反馈至源节点。

(三)有益效果

本发明的方法是一种分布式的中继选择方法，不需要在网络中部署功能强大的选择控制节点，也不需要大量的导频开销以及反馈开销，可根据各自的信道状态信息自适应地选择一个或多个中继节点，降低目的节点处的端到端的误码率。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法流程图；

图2为可应用本发明方法的无线多中继协作传输网络的一种构成示意图；

图3为在图2所示网络中使用本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，该方法包括步骤：

S1.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

本发明方法中继选择的过程主要在各中继节点完成，但源节点和目的节点需要发送正交的导频序列，从而使得中继节点能够无干扰地估计出前向和后向链路的信道方差信息，从而进行判断。

S2.根据导频信号，各备选中继节点进行信道估计，并计算各自的前向、后向链路信道方差乘积；

前向链路信道方差为源节点到中继节点的信道方差，根据TDD系统的上下行互惠性，可以认为中继节点到目的节点的信道方差信息等价于反向链路信道方差信息。本领域的技术人员应了解，中继节点可采用现有任何有效的信道估计算法进行信道估计，以获得相应的信道状态信息。

S3.根据设定的门限函数，计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与当前门限进行比较；

S4.若具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除该具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S5，否则，直接执行S6；

S5.由被排除的中继节点广播标志信号告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，选择过程结束，执行步骤S6，否则，返回执行步骤S3；

S6.目的节点根据选择的参与协作传输的所有中继节点，计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并通过有限比特将计算结果反馈至源节点；

一种无线多中继协作传输网络的波束赋形方法，该方法在上述步骤S1-S6之后继续包括步骤：

S7.目的节点选择使接收端等效信噪比最大化的码字，并通过有限比特将其序号反馈至选择的参与协作传输的所有中继节点；

S8.选择的参与协作传输的所有中继节点根据该序号选择相应的码字进行协作波束赋形。

如图2所示为可应用本发明方法的无线多中继协作传输网络的一种构成示意图。其中，包括一个源节点S，一个目的节点D，以及K个中继节点R。原节点发送的信号为S，这样，每个中继节点处的接收信号是

$y_i=\sqrt{P_s}{h}_{s,i}s+n_i,i=1,...,K---\left(1\right)$

其中，P_s是源节点的发送功率，h_s，i是源节点到中继节点的信道状态信息，n_i是中继节点处的加性高斯白噪声。目的节点收到的源节点的发送信号是

$y_{d,1}=\sqrt{P_s}{h}_{s,d}s+n_{d,1}---\left(2\right)$

如果集合Ψ_m ^*表示选择到的中继节点集合，则目的节点处的接收信号可以表示为

$y_{r,d}=\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}\frac{\sqrt{P_s}\sqrt{P_i}{h}_{s,i}{h}_{i,d}{w}_{i}s}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,d}\right|}^2}+N_0}+\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}\frac{\sqrt{P_i}{h}_{i,d}{w}_i{n}_i}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,d}\right|}^2+N_0}}+n_{d,2}---\left(3\right)$

其中，P_i是中继节点的发送功率，h_i，d是中继节点到目的节点的信道状态信息，n_d，2是目的节点处的加性高斯白噪声，h_s，d是源节点到目的节点的信道状态信息，N₀为噪声方差，w_i为码书中的码字。这样接收端的等效信噪比可以表示为

${\mathrm{\γ}}_d^s=\frac{P_s{\left|h_{s,d}\right|}^2}{N_0}+\frac{{\left|\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{sig}}^i{w}_i\right|}^2}{(1+\underset{i\∈{\mathrm{\Ψ}}_m^{*}}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_n^i\right|}^2{\left|w_i\right|}^2)N_0}---\left(4\right)$

其中，

$h_{\mathrm{sig}}^i=\frac{\sqrt{P_s}\sqrt{P_i}{h}_{s,i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}},$ $h_n^i=\frac{\sqrt{P_i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}}$

如图3所示，在中继端执行本发明方法的步骤如下：

S101.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

S102.中继节点对接收到的导频数据进行信道估计，分别得到前向链路的信道方差Ω_s，i和反向链路的信道方差Ω_i，d及其乘积。

S103.根据设定的门限函数，计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与所述当前门限进行比较；

采用上述模型的协作传输网络，其端到端误码率的表达式是

$P_e^m\≈\frac{(2m+1)!N_0^{m+1}}{m!(m+1)!{\left(2c\right)}^{m+1}}\·\frac{1}{P_s{\mathrm{\Ω}}_{s,d}}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}(\frac{1}{P_s{\mathrm{\Ω}}_{s,i}}+\frac{1}{P_s{\mathrm{\Ω}}_{i,d}})---\left(5\right)$

中继节点的选择过程是使得选择前后误码率满足下面的关系

$P_e^{m+1}/P_e^m>1---\left(6\right)$

可近似求得，如果一个中继节点未被选择到，它的前、后向链路的信道方差乘积应该满足设定标准

${\mathrm{\&Omega;}}_{s,i}\&CenterDot;{\mathrm{\&Omega;}}_{i,d}<\frac{{4N}_0^2}{{\mathrm{\&zeta;}}^{*}(1+{\mathrm{\&zeta;}}^{*})P_{\mathrm{sum}}^2{c}^2}\&CenterDot;\frac{(m+1){(2m+3)}^2}{{(m+2)}^2}---\left(7\right)$

其中，P_sum是源节点和目的节点的总功率，c是和调制类型有关的常数，m是当前中继节点个数，ζ^*是功率分配因子。

S104.若具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除该具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S105，否则，直接执行S106；

S105.告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，选择过程结束，执行步骤S106，否则，返回执行步骤S103；

S106.目的节点根据所有选择的参与协作传输的中继节点，按照下式计算源节点与中继节点之间的功率分配因子；

${\mathrm{\&zeta;}}^{*}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

a＝(m+1)(Bm-A)                        (8)

b＝2A(m+1)-Bm

c＝-A(m+1)

其中， $A=1/\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Omega;}}_{s,i}\right),$ $B=1/\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Omega;}}_{i,d}\right)$

S107.目的节点在码书中选择使接收端等效信噪比最大化的最佳码字，使得

$m^{*}=\arg \underset{W_m\&Element;C}{\max }{\mathrm{\&gamma;}}_d^S---\left(9\right)$

这里W_m是码书中的码字，该码书C是一个包括N个元素的向量，满足||W||₂＝1，其中||·||₂是2范数计算，m^*是最佳码字的序号。

S107.目的节点将计算得到的ζ^*和m^*进行量化，利用B₁+B₂个比特进行反馈给选择的中继节点，B₁和B₂分别是量化ζ^*和m^*需要的比特数。

S108.中继节点根据序号选择相应的码字进行协作波束赋形。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明的中继选择方法是一种分布式的选择方法，选择过程以迭代的方式在各中继节点完成，每次从备选中继集合中排除一个中继节点，直到再没有合适的中继节点可以被选择到。这样做，中继节点的选择不再是选择单一节点，所有满足选择门限的中继都可以参与协作传输。本发明中的功率方法是基于上述的选择模型，在源节点和中继节点总功率受限的条件下。本发明的方法只需要中继节点广播有限个信息就可以完成选择的过程，同时源节点和中继节点之间的功率分配也只用很少的反馈比特就可以实现。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，该方法包括步骤：

S1.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

S2.根据所述导频信号，各备选中继节点进行信道估计，并计算各自的前向、后向链路信道方差乘积；

S3.根据设定的门限函数计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与所述当前门限进行比较；

S4.若所述具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除所述具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S5，否则，直接执行S6；

S5.告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，则执行步骤S6，否则，返回执行步骤S3；

S6.目的节点根据选择的参与协作传输的所有中继节点，计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并将计算结果反馈至源节点。

2.如权利要求1所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，步骤S1中，所述前向链路信道方差为源节点到中继节点的信道方差，所述后向链路信道方差为目的节点到中继节点的信道方差。

3.如权利要求1所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，步骤S4中，告知其余各中继节点的方法为：由排除的中继节点向其余各中继节点广播标志信号。

4.如权利要求1所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，所述门限函数为：

${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{th}}^m=\frac{{4N}_0^2}{{\mathrm{\&zeta;}}^{*}(1+{\mathrm{\&zeta;}}^{*})P_{\mathrm{sum}}^2{c}^2}\&CenterDot;\frac{(m+1){(2m+3)}^2}{{(m+2)}^2}$

其中，Ω_th ^m为第m次选择的门限值，m为当前已选择的中继节点个数，N₀为噪声方差，P_sum为源节点和目的节点的总功率，c是与调制类型有关的常数，ζ^*为功率分配因子。

5.如权利要求4所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，所述设定标准为所述中继节点前向、后向链路信道方差乘积小于所述当前门限值。

6.如权利要求5所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，步骤S6中，所述功率分配因子计算公式为：

${\mathrm{\&zeta;}}^{*}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

a＝(m+1)(Bm-A)

b＝2A(m+1)-Bm

c＝-A(m+1)

其中，

Ω_s，i为前向链路信道方差，Ω_i，d为后向链路信道方差。

7.如权利要求1所述的无线多中继协作传输网络的中继选择和功率分配方法，其特征在于，

步骤S6中，目的节点量化所述功率因子，并利用量化所述功率因子所需要的比特数将其反馈至中继节点；

8.一种无线多中继协作传输网络的波束赋形方法，该方法包括步骤：

S1.各备选中继节点接收来自源节点及目的节点的导频信号；

S2.根据所述导频信号，各备选中继节点进行信道估计，并计算各自的前向、后向链路信道方差乘积；

S3.根据设定的门限函数计算当前门限值，并将具有最小方差乘积的中继节点与所述当前门限进行比较；

S4.若所述具有最小方差乘积的中继节点满足设定标准，则排除所述具有最小方差乘积的中继节点，并执行步骤S5，否则，直接执行S6；

S5.告知其余各中继节点，其余各中继节点更新备选中继节点列表，同时更新具有最小方差乘积的中继节点，若此时备选中继集合中仅包括一个中继节点，则执行步骤S6，否则，返回执行步骤S3；

S6.目的节点根据选择的参与协作传输的所有中继节点，计算源节点与中继节点之间的功率分配因子，并将计算结果反馈至源节点；

S7.目的节点选择使接收端等效信噪比最大化的码字，并将其序号反馈至选择的参与协作传输的所有中继节点；

S8.所述选择的参与协作传输的所有中继节点根据所述序号选择相应的码字进行协作波束赋形。

9.如权利要求8所述无线多中继协作传输网络的波束赋形方法，其特征在于，步骤S7中选择使接收端等效信噪比最大化的码字，使得

$m^{*}=\arg \underset{W_m\&Element;C}{\max }{\mathrm{\&gamma;}}_d^S$

其中，γ_d ^S为接收端的等效信噪比，

${\mathrm{\&gamma;}}_d^S=\frac{P_s{\left|h_{s,d}\right|}^2}{N_0}+\frac{{\left|\underset{i\&Element;{\mathrm{\&Psi;}}_m^{*}}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{\mathrm{sig}}^i{w}_i\right|}^2}{(1+\underset{i\&Element;{\mathrm{\&Psi;}}_m^{*}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|h_n^i\right|}^2{\left|w_i\right|}^2)N_0}$

$h_{\mathrm{sig}}^i=\frac{\sqrt{P_s}\sqrt{P_i}{h}_{s,i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}},$ $h_n^i=\frac{\sqrt{P_i}{h}_{i,d}}{\sqrt{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}}$

m^*是码字的序号，P_s是源节点的发送功率，P_i是中继节点的发送功率，Ψ_m ^*表示选择到的中继节点集合，h_s，i是源节点到中继节点的信道状态信息，h_s，d是源节点到目的节点的信道状态信息，h_i，d是中继节点到目的节点的信道状态信息，W_m是码书C中的码字，满足||W||₂＝1，||·||₂是2范数计算。

10.如权利要求9所述无线多中继协作传输网络的波束赋形方法，其特征在于，步骤S7中，目的节点量化所述序号，并利用量化所述序号所需要的比特数将其反馈至源节点。

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