CN101931517B - 一种基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法，特征是根据源节点和中继节点间的信道参数，基于混合自动重传请求策略的吞吐量最大化准则选择该次传输参与协作的中继节点和合适的传输速率，所选择的多个中继节点协作向目的节点发送数据，数据出错重传时，中继节点向目的节点重传数据。主要操作步骤是：(1)估计源-中继节点间的信道参数，(2)计算所有可能选择的中继节点数下最优传输速率和其对应的吞吐量，(3)以吞吐量最大的方案为选择结果，(4)源节点向中继节点发送数据，之后所选择的中继节点向目的节点协作发送数据，并在出错时重传数据。采用本发明方法可使吞吐量达到最大，提高了系统性能。

Description

一种基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法

技术领域

本发明属于无线通信中的协作通信技术领域，具体涉及基于混合自动重传请求(HARQ)的自适应中继和速率选择方法。 

背景技术

协作分集技术能够在不具备多天线的条件下有效地提供空间分集，对抗无线信道的时变衰落。在协作通信系统中，每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，称为中继节点，由于无线信道的广播特征，中继节点能够以低代价接收源节点发送的数据并将其转发给目的节点从而获得分集增益。中继节点可以采用多种转发方式包括解码前传(DF)、放大前传(AF)或压缩前传(CF)等将从源节点接收到的数据转发给目的节点，且中继节点的数目可以是一个或多个。多中继协作是一种极具应用潜力的中继策略，相对于单中继协作，多中继协作能充分利用更多获得有用信息的中继节点，因此能够得到更大的空间分集，支持更高的传输速率。 

混合自动重传请求(HARQ)是链路层的一种有效的对抗无线信道衰落的技术，它在自动重传请求(ARQ)系统的基础上引入了前向纠错编码(FEC)。HARQ的基本原理是：在发送端，数据包经过循环冗余校验(CRC)编码后，再采用信道编码进行前向纠错编码；接收端在接收到数据后先进行信道译码，纠正传输过程中出现的错误，然后经过CRC校验数据包是否解码正确；如果解码正确，接收端就向发送端反馈确认信号(ACK)，发送端继续发送下一个数据包；如果解码错误，接收端向发送端反馈否认信号(NACK)，请求重传数据，发送端重新发送该数据包。《国际电子与电气工程师协会-通信选题杂志》(IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.23(1)，pp.7，2005)所公布的研究结果表明，在中继协同系统中引入HARQ能大大提高系统的性能。当源节点和目的节点之间的信道处于深度衰落时，数据重传不可避免，这时可以让正确解码的中继节点重传数据，这样既能降低源节点的负担，又能增加目的节点解码正确的概率。当系统中有多个中继节点时，在重传时如何选择合适的中继节点是一个需要解决的问题。《国际电子与电气工程师协会-通信选题杂志》(IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.23(1)，pp.7，2005)提出的一种在正确解码的中继节点中选择距离目的节点最近的中继节点重传数据的方法，在源节点发送数据后，如果目的节点解码错误，则向源节点和所有中继节点反馈NACK信号，之后所有解码正确的中继节点向目的节点反馈ACK信号并告知该中继节点与目的节点的距离，目的节点选择距离最近的中继节点重传数据。但是，该方法需要知道中继节点和目的节点之间的距离，实现要求高。同时由于只使用了一个中继节点，没有充分利用其他解码正确的中继节点，因此性能不高。而且在传输过程中采用固定的速率传输数据，没有充分考虑到无线信道的时变衰落特性，从而在信道好时浪费带宽，在信道差时容易出错，导致重传次数增加，时延增大。 

发明内容

本发明的目的是提出一种基于混合自动重传请求(HARQ)的自适应中继和速率选择方 法，最大化系统的吞吐量，以解决协作通信中采用单中继固定传输速率时吞吐量较小的问题。 

本发明基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法，设在源节点S和目的节点D之间无直接通路的两跳多中继网络中，有M个中继节点R₁，R₂...R_i，...，R_M可供选择；其特征在于依次执行以下步骤： 

(1)估计信道：源节点向所有可供选择的中继节点发送估计信道的训练序列，中继节点将估计出的源S与中继节点R_i间的信道参数h_si{i＝1，2，…M}反馈给源节点； 

(2)根据吞吐量公式：吞吐量 $R=\frac{r\left(e^{-\frac{2^r-1}{2\mathrm{SNR}}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{NT}-N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{((2^r-1)/2\mathrm{SNR})}^k}{k!}\right)}{T-e^{-\frac{2^r-1}{2\mathrm{SNR}}}\underset{t=2}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=0}{\overset{\mathrm{Nt}-N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{((2^r-1)/2\mathrm{SNR})}^j}{j!}\right)},$ 用数值最优化方法分别求出在选择中继节点数N＝1，2，…M时使吞吐量R最大的传输速率r_opt(N)；上式中，T是数据包最大允许延迟时隙数，SNR是发送信噪比，r是传输速率，t表示时隙，j表示从0到Nt-N-1的自然数，k表示从0到NT-N-1的自然数； 

(3)初始化：先取选择中继节点数N＝1； 

(4)选择源S与所有各中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点，最大允许传输速率 

如果r_max(N)＞r_opt(N)，令传输速率r＝r_max(N)，否则令传输速率r＝r_opt(N)； 

(5)根据步骤(4)中求出的传输速率r，由步骤(2)中吞吐量公式算出选择N个中继节点下的最大吞吐量R(N)； 

(6)如果选择中继节点数N＜M，令N＝N+1，返回步骤(4)； 

(7)比较不同中继节点数下的最大吞吐量R(N){N＝1，2，…M}，取使吞吐量R最大的中继节点数N和对应的传输速率r，并选择源和所有中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点作为协作中继节点； 

(8)执行协作HARQ策略：数据分时隙传输，源节点在时隙1以步骤(7)获得的传输速率r向所选择的中继节点发送数据包，所选择的中继节点解码后在时隙2以相同的传输速率协作向目的节点发送数据包，如果目的节点解码正确，则向中继节点反馈确认信号(ACK)，中继节点向源节点反馈确认信号(ACK)，源节点准备发送新数据包；否则目的节点向中继节点反馈否认信号(NACK)，要求重传数据包，并储存该次传输接收到的数据包，中继节点在下一时隙重新发送该数据包，直到目的节点解码正确或达到最大允许时延为止。 

本发明是一种适用于源节点和目的节点间无直接通路的两跳多中继网络的基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法，其创新之处在于在考虑链路层HARQ策略的情况下， 基于最大化吞吐量的准则自适应的选择最优的传输速率和协作中继节点，从而提高了传输性能。 

与《国际电子与电气工程师协会-通信选题杂志》(IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.23，pp.7，2005)提出的基于中继-目的节点距离的单中继选择方法相比，由于本发明采用了多中继协作传输机制，相对单中继传输能获得更好的性能，同时本发明将速率自适应技术与中继选择结合起来考虑，因而能更好的跟踪信道特性，提高了系统性能。 

附图说明

图1为采用本发明的下行协作传输的移动通信系统示意图。 

图2为本发明自适应中继和速率选择的操作流程图。 

图3为在不同的协作中继节点数下，吞吐量与传输速率的关系示意图。 

图4为本发明实施例的性能比较示意图。 

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明做进一步的详细描述。 

实施例1： 

图1给出了在源节点和目的节点间没有直接通路的两跳多中继网络中采用本发明的下行协作传输的移动通信系统示意图。图2为本发明自适应中继和速率选择的操作流程图。基站(源节点)S向用户(目的节点)D发送数据，小区中有M个空闲用户R₁，R₂...R_i，...，R_M可以作为中继节点。本实施例在图1所示的协作通信系统中进行图2所示的本发明自适应中继和速率选择的操作流程为： 

(1)在发送数据前，采用基于训练序列的估计方法对源节点和所有中继节点间的信道进行估计，并将信道参数反馈给源节点。源节点根据获得的信道参数以最大化吞吐量为准则决定本次传输的传输速率和选择的中继节点； 

(2)中继节点采用解码前传方式，在时隙1，源节点以步骤(1)获得的速率对数据作接近香农极限的低密度奇偶校验码(LDPC)编码或Turbo编码，并向所选择的中继节点发送数据包，确保中继节点以较大的概率解码正确； 

(3)在时隙2，所选择的中继节点协作向目的节点发送数据包，如果目的节点解码正确，则向中继节点反馈确认信号(ACK)，中继节点向源节点反馈确认信号(ACK)，源节点准备发送新数据包，即重新开始步骤(1)；否则目的节点向中继节点反馈否认信号(NACK)，要求重传该数据包，并将此次接收的数据包储存； 

(4)中继节点在接收到目的节点反馈的否认信号(NACK)后，在下一时隙协作发送相同的数据包，目的节点对接收到的数据与之前存储的数据作最大比合并后译码，如果译码正确，则反馈确认信号(ACK)，源节点开始发送新数据，即重新开始步骤(1)；否则反馈否认信号(NACK)； 

(5)检查是否达到最大时延，若未达到，则转到步骤(4)；若达到最大时延，则中继节点和目的节点丢弃该数据包，源节点准备发送新数据。 

为了清楚地阐述步骤(1)中的自适应中继和速率选择过程，下面结合图1和图2采用数学分析方法来说明步骤(1)的理论推导和具体实施过程。 

在图1所示的本发明的下行协作传输的移动通信系统示意图中，源节点用S表示，目的节点用D表示，有M个中继节点可供选择，中继节点用R₁，R₂...R_i，...，R_M表示；信道是准静态平坦衰落信道，信道在时隙内不变，每经过一个时隙信道发生变化；用h_si，h_id分别表示S-R_i，R_i-D间的信道参数，它们是复高斯随机变量，其实部和虚部都是零均值单位功率的高斯随机变量；源节点可以以较小的代价获得源-中继节点间的信道参数；则 吞吐量 

$R=\frac{r(1-P_{\mathrm{out}}\left(T\right))}{\stackrel{\‾}{t}}---\left(1\right)$

式(1)中r为数据传输速率(bit/s/hz)， 

是平均时隙数，T是最大允许延迟时隙数，P_out(T)是丢包率，即达到最大延迟时隙数后仍未解码正确的概率。 

本实施例中设选择了N个中继节点进行传输，则源节点和所选择的中继节点间的信道容量为 

$C_{\mathrm{sr}}={\log }_2(1+\underset{i=\mathrm{1,2}\·\·\·N}{\min }{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2\mathrm{SNR})---\left(2\right)$

为使所选择的中继传输不发生中断，则数据传输速率r必须小于信道容量C_sr，即 

r≤C_sr，                                           (3) 

平均时隙数 

可以表示为 

$\stackrel{\‾}{t}=\underset{t=2}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}t\[P_{\mathrm{out}}(t-1)-P_{\mathrm{out}}\left(t\right)\]+T{P}_{\mathrm{out}}\left(T\right)$ $\left(4\right)$

$=2+\underset{t=2}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{out}}\left(t\right)$

式(4)中P_out(t)表示经过时隙t仍未解码正确的概率。 

接收端采用蔡斯合并(Chase Combining)技术，即不丢弃错误的数据包，而是存储起来，解码前将多次传输的数据进行最大比合并(MRC)，再进行解码。 

经过时隙t仍未解码正确的概率 

$P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=P_r\{r>{\log }_2(1+\underset{k=1}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{\mathrm{id}}^{\left(l\right)}\right|}^2\mathrm{SNR})\}$

$=P_r\{\underset{k=1}{\overset{t=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_{\mathrm{id}}^{\left(l\right)}\right|}^2<\frac{2^r-1}{\mathrm{SNR}}\}---\left(5\right)$

式(5)中 

是时隙l中继节点R_i和目的节点D间的信道系数，该 

服从指数分布。 

令变量 

变量 则变量x服从自由度为2N(t-1)的卡方分布； 

变量x的密度函数 

$f\left(x\right)=\frac{2^{-N(t-1)}}{\mathrm{\&Gamma;}\left(N(t-1)\right)}{x}^{N(t-1)-1}{e}^{-\frac{x}{2}}=\frac{2^{-N(t-1)}}{(N(t-1)-1)!}{x}^{N(t-1)-1}{e}^{-\frac{x}{2}}---\left(6\right)$

变量x的分布函数 

$F\left(x\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{x}f\left(t\right)\mathrm{dt}={\&Integral;}_{-\&infin;}^x\frac{2^{-N(t-1)}}{(N(t-1)-1)!}{t}^{N(t-1)-1}{e}^{-\frac{t}{2}}\mathrm{dt}$

$\left(7\right)$

$=1-e^{-\frac{x}{2}}\underset{j=0}{\overset{N(t-1)-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\left(\frac{x}{2}\right)}^j}{j!}$

则经过时隙t仍未解码正确的概率 $P_{\mathrm{out}}\left(t\right)=1-e^{-\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}}\underset{j=0}{\overset{N(t-1)-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(\mathrm{\&mu;}/2)}^j}{j!}---\left(8\right)$

将平均时隙数公式(4)和经过时隙t仍未解码正确的概率公式(8)代入吞吐量公式(1)，得到计算吞吐量的公式 

$R=\frac{r\left(e^{-\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{NT}-N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(\mathrm{\&mu;}/2)}^k}{k!}\right)}{T-e^{-\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}}\underset{t=2}{\overset{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\underset{j=0}{\overset{\mathrm{Nt}-N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(\mathrm{\&mu;}/2)}^j}{j!}\right)}---\left(9\right)$

该吞吐量R是关于传输速率r和选择中继节点数N的二元函数。 

下面结合本发明自适应中继和速率选择的操作流程图图2详细阐述基于吞吐量最大的速率和中继的自适应选择方法的操作过程： 

步骤一、估计信道：源节点向所有可供选择的中继节点发送估计信道的训练序列，中继节点将估计出的源S与中继节点R_i间的信道参数h_si{i＝1，2，…M}反馈给源节点，供源节点在下面的步骤中作出决策； 

步骤二、根据吞吐量公式(9)用数值最优化方法求出N个中继节点协作传输下的最优速率r_opt(N)＝argmaxR(N)，N＝1，2，…M，当N一定时，吞吐量R是关于传输速率r的一元凸函数，存在一个极大值点； 

步骤三、初始化：先取选择中继节点数N＝1； 

步骤四、选择源与中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点，时隙1的允许最大传输速率 

如果r_max(N)＞r_opt(N)，令传输速率r＝r_max(N)，否则令传输速率r＝r_opt(N)； 

步骤五、吞吐量R是关于传输速率r和选择中继节点数N的二元函数，由于数据传输速率r可由步骤四求出，故可以根据计算吞吐量的公式(9)计算出在选择N个中继节点时的 吞吐量R(N)； 

步骤六、如果中继节点数N＜M，令N＝N+1，返回步骤四； 

步骤七、比较在不同中继节点数下的吞吐量R(N){N＝1，2，…M}，取吞吐量R最大的中继节点数N和对应的传输速率r，并选择源-中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点作为协作中继节点。 

实施例2：性能仿真 

图3给出了在信噪比SNR＝10dB，最大时延T＝6，根据吞吐量公式(9)得到的在中继数N＝8，N＝4，N＝2，N＝1吞吐量R与传输速率r的关系示意图。从图3中可以看出，N一定时，吞吐量R是传输速率r的凸函数，存在一个极大值点，也就是图2第二步中所要找的r_opt(N)。在传输速率r较小时，吞吐量R随r增大，这时说明中继节点-目的节点的信道允许更快的传输速率。当r＞r_opt(N)，重传次数和中断概率P_out(T)越来越大，使得吞吐量R反而越来越小。在相同的传输速率下，N＝8的吞吐量A8＞N＝4的吞吐量A4＞N＝2吞吐量A2＞N＝1吞吐量A1，随着N的增大，R越大，这说明应该尽可能的选择更多的中继节点协作传输数据。但是随着选择中继节点数增大，源-中继间的信道容量变小，其允许的最大传输速率r_max也变小。所以应该选择合适的中继节点数N和传输速率r，使系统吞吐量R达到全局最优，这就是实施例1中叙述的优化算法所要做的工作。 

图4给出了在最大时延T＝6，可选择中继节点数M＝10时采用HARQ策略，用蒙特卡罗方法表示出了本发明所提出的多中继选择时的性能曲线B与现有单中继选择时的性能曲线C的差异。单中继选择即选择源和中继间信道最好的中继节点以最优速率向目的节点发送数据，计算其吞吐量。从图4中可以看出，采用本发明的多中继选择参与协作相对于单中继能获得相当大的增益，而由于采用多中继协作而付出的系统复杂度也是可以接受的。 

Claims (1)

1.一种基于混合自动重传请求的自适应中继和速率选择方法，设在源节点S和目的节点D之间无直接通路的两跳多中继网络中，有M个中继节点R₁，R₂...R_i，...，R_M可供选择；其特征在于依次执行以下步骤：

(1)估计信道：源节点向所有可供选择的中继节点发送估计信道的训练序列，中继节点将估计出的源S与中继节点R_i间的信道参数h_si{i＝1，2，…M}反馈给源节点；

(2)根据吞吐量公式：吞吐量 $R=\frac{r\left(e^{-\frac{2^r-1}{2\mathrm{SNR}}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{NT}-N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{((2^r-1)/2\mathrm{SNR})}^k}{k!}\right)}{T-e^{-\frac{2^r-1}{2\mathrm{SNR}}}\underset{t=2}{\overset{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\underset{j=0}{\overset{\mathrm{Nt}-N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{((2^r-1)/2\mathrm{SNR})}^j}{j!}\right)},$ 用数值最优化方法分别求出在选择中继节点数N＝1，2，…M时使吞吐量R最大的传输速率r_opt(N)；上式中，T是数据包最大允许延迟时隙数，SNR是发送信噪比，r是传输速率，t表示时隙，j表示从0到Nt-N-1的自然数，k表示从0到NT-N-1的自然数；

(3)初始化：先取选择中继节点数N＝1；

(4)选择源S与所有各中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点，最大允许传输速率

如果r_max(N)＞r_opt(N)，令传输速率r＝r_max(N)，否则令传输速率r＝r_opt(N)；

(5)根据步骤(4)中求出的传输速率r，由步骤(2)中吞吐量公式算出选择N个中继节点下的最大吞吐量R(N)；

(6)如果选择中继节点数N＜M，令N＝N+1，返回步骤(4)；

(7)比较不同中继节点数下的最大吞吐量R(N){N＝1，2，…M}，取使吞吐量R最大的中继节点数N和对应的传输速率r，并选择源和所有中继节点间信道参数模值最大的N个中继节点作为协作中继节点；

(8)执行协作混合自动重传请求策略：数据分时隙传输，源节点在时隙1以步骤(7)获得的传输速率r向所选择的中继节点发送数据包，所选择的中继节点解码后在时隙2以相同的传输速率协作向目的节点发送数据包，如果目的节点解码正确，则向中继节点反馈确认信号，中继节点向源节点反馈确认信号，源节点准备发送新数据包；否则目的节点向中继节点反馈否认信号，要求重传数据包，并储存该次传输接收到的数据包，中继节点在下一时隙重新发送该数据包，直到目的节点解码正确或达到最大允许时延为止。

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