CN101932064A - 一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法，属于无线通信领域。本方法为：1)每个源节点分别发送导频符号序列至所有中继节点；2)源节点对所有中继节点放大转发的导频信号分别进行接收，并估计有效信噪比；3)源节点根据有效信噪比确定一最优中继节点；4)各个源节点对待发送信号进行差分调制编码后发送给该最优中继节点；5)该最优中继节点对接收信号进行放大并将其共轭值转发至所有源节点；6)源节点对该最优中继节点转发的信号进行接收，并消除接收信号中的干扰信号项；7)源节点对上一步处理后的信号进行差分解码。本发明无需信道状态信息，即可实现多个源节点之间的信息交换，大大提高了系统的性能。

Description

一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法

技术领域

本发明涉及一种应用于双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法，属于无线通信领域。

背景技术

双向中继通信是目前无线通信领域的研究热点之一。双向中继网络中，两个源节点通过一个或多个中继节点的辅助进行信息交换，其数据的传输可以采用不同的传输策略，一般可以在四个、三个或两个时隙中完成。

对四个时隙传输机制，源节点1在前两个时隙中向源节点2发送信息，在之后两个时隙中，源节点2再向源节点1发送信息。这种传输机制的效率较低。

对三个时隙传输机制，源节点1和源节点2分别在不同时隙将待交换的信息发送给中继节点，中继节点对接收信号中的信息进行解码后，通过二进制网络编码，将两个源节点信号合成后，再广播转发回两个源节点。这种传输机制一般被称为数字网络编码。同样，这种传输机制由于两个源节点是在不同时隙发送数据的，因此数据的传输效率依然较低。

为了进一步提高频谱利用率，最好的办法是使信息交换在两个时隙内完成。在第一个时隙内，所有源节点同时发送信息，这样中继节点接收到一个重叠的信号。然后，在第二个时隙内，中继节点对接收信号进行放大并广播给所有的源节点。这种机制就称为模拟网络编码(ANC)。

传统的用于双向中继通信的模拟网络编码一般假设在源节点和中继节点已知理想状态信息(CSI)，在目的节点采用相关检测的方法。但是，在一些场景下，例如，快衰落环境下，获得准确的CSI将变得很困难。在这样的情况下，实际的解决方法可以是采用非相关检测或差分调制。在差分双向中继网络中，每个源节点接收到一个由其他源节点发送的差分调制信号合成的信号，并且信道状态信息未知。这些问题都对设计双向中继网络中的差分调制机制提出了巨大的挑战。

现有研究表明，对传输的中继进行选择将能够提高无线中继网络的性能。因此，为存在多个中继节点的双向中继网络，设计一种有效的中继选择机制，能够达到空间分集的目的。

发明内容

本发明提出一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法，本方法通过引入差分调制、功率估计，在无需信道状态信息的条件下，实现了双向中继网络中多个源节点之间的信息交换，在保证系统实现复杂度的前提下，达到了提高系统频谱利用率的目的。同时，在采用基于差分调制的模拟网络编码方法的基础上，本发明进一步采用联合中继选择机制，从网络中的多个中继节点中选择一个使各源节点误符号率(SER)总和最小化的中继节点，对各源节点信息叠加的信号进行放大和转发，以进一步提高系统性能，降低误码率。

综上所述，本发明的技术方案如下：

一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法。其步骤为：

1)在系统传输的开始阶段，源节点发送导频符号序列至所有中继节点；

2)源节点分别对N个中继节点放大转发的导频信号进行接收，估计接收信号中有用信号项系数和干扰信号项系数；

3)源节点从N个中继节点中选择一个最优中继节点，并将选中的中继节点的标号

广播给网络中的所有中继节点，使其在接下来的系统传输过程中，对信号进行转发；

4)各个源节点对实际待发送信号进行差分调制编码，并发射；

5)最佳中继节点

对接收信号进行放大，并将其共轭值进行广播转发至所有源节点，根据对接收信号平均功率的测量结果，对信号放大倍数

进行估计；

6)源节点对最佳中继节点

转发的信号进行接收，并对其中的干扰信号项进行估计；

7)源节点1在消除接收信号中的干扰信号项后，对源节点2的发射信号进行差分解码。

同理，源节点2在消除接收信号中的干扰信号项后，对源节点1的发射信号进行差分解码。这样实现了双向中继网络中的信息交换。

本发明的积极效果为：

与现有技术相比，本发明的方法应用于双向中继网络，能够在保证系统实现复杂度要求的条件下，无需信道状态信息，即可实现多个源节点之间的信息交换，达到了提高系统性能的目的。

附图说明

图1.联合中继选择和基于差分调制的模拟网络编码系统示意图；

(a)阶段1：通过正交信道进行传输；(b)阶段2：通过正交信道进行广播。

具体实施方式

本发明中，涉及双向中继系统包含2个源节点和N个中继节点，源节点之间通过中继节点进行信息交换，源节点信息采用MPSK调制符号，通过差分调制编码进行发射。所有通信节点(包括源节点和目的节点)采用单天线，半双工方式进行数据传输。在传输开始时，源节点发送导频信号，通过中继选择准则，从多个中继中选择一个最优的中继节点。之后的双向中继通信过程被分成了如下两个阶段：阶段1，所有源节点同时向中继节点发送经过了差分编码的信号；阶段2，选中的最优中继节点向所有源节点广播转发信号，其余中继节点保持空闲状态。系统模型示意图如图1所示。

本发明具体步骤如下：

第一步，在系统传输的开始阶段，源节点发送导频符号序列至所有中继节点。

在整个系统信号传输的开始阶段，源节点向所有中继节点发送导频序列。

对源节点i，其发送的导频信号为

s_i(t)＝s_i(t-1)c_i(t)，c_i(t)∈A，i＝1，2

其中，c_i(t)是源节点i在t时刻待发送的导频符号，A代表单位能量的M-PSK调制符号集。

两个源节点对待发送导频信息进行差分调制后，使用单位能量将信息同时发送至所有N个中继节点。

N个中继节点对经过了信道衰落的不同源节点发送来的导频信号进行接收。第k个中继节点的接收信号为：

y_r，k(t)＝h_1，ks₁(t)+h_2，ks₂(t)+n_r，k(t)

其中，h_1，k和h_2，k分别是源节点1-中继节点k和源节点2-中继节点k的信道瑞利衰落系数，n_r，k(t)为噪声，服从零均值，方差

的复高斯分布。

第二步，源节点分别对N个中继节点放大转发的导频信号进行接收，估计其中有用信号项和干扰项系数。

N个中继节点分别对接收到的导频信号进行放大，并依次将信号转发给源节点。之后，源节点再依次接收来自N个中继节点的发射信号，分别对接收信号中的有用信号项系数和干扰信号项系数进行估计。

对中继节点k(k＝1，2，...，N)将信号放大并转发至源节点的情况，具体步骤如下：

(1)中继节点k对接收信号进行放大，并将其共轭值进行广播转发至所有源节点，中继节点k的发射信号为：

$x_{r,k}\left(t\right)={\mathrm{\β}}_k{y}_{r,k}^{*}\left(t\right)$

其中，β_k为信号放大倍数。由于中继节点不具备CSI，因此无法对β_k进行直接估计。在高信噪比条件下，放大倍数β近似为：

${\mathrm{\β}}_k={({\left|h_{1,k}\right|}^2+{\left|h_{2,k}\right|}^2+N_0)}^{-\frac{1}{2}}=\sqrt{\frac{E\left\{y_{r,k}^H{y}_{r,k}\right\}}{L}}\≈\sqrt{\frac{{\left|\right|y_{r,k}\left|\right|}^2}{L}}$

其中，L为导频信号帧长度，||y_r，k||²为信号帧长度L内测得的接收信号能量。

β_k通过对中继节点k的接收信号的平均信号功率进行测量得到。

(2)源节点对中继节点k转发的信号进行接收。源节点1接收的信号为

$y_{1,k}\left(t\right)={\mathrm{\β}}_k{h}_{1,k}{y}_{r,k}^{*}\left(t\right)+n_{1,k}\left(t\right)={\mathrm{\μ}}_k{s}_1^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ν}}_k{s}_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_{1,k}\left(t\right)$

其中，

即源节点1的接收信号包含三部分：有用信号项

(源节点2的发射信号)、干扰信号项

(源节点1的发射信号)和噪声项ω_1，k(t)。

(3)对接收信号中的有用信号项系数ν_k和干扰信号项系数μ_k进行估计。发射导频信号s₁(t)对于源节点1是已知的。

利用源节点2的发射信号差分编码特性，即s₂(t)＝s₂(t-1)c₂(t)，并结合已知的源节点1的发射信号s₁(t-1)和c₁(t)，对接收信号进行变换如下：

${\tilde{y}}_{1,k}\left(t\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{c}_1^{*}\left(t\right)y_{1,k}(t-1)-y_{1,k}\left(t\right)={\mathrm{\ν}}_k{s}_2^{*}{(t-1)(c_1\left(t\right)-c_2\left(t\right))}^{*}+{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_{1,k}\left(t\right)$

可以通过下式对系数μ_k进行估计：

${\mathrm{\μ}}_k\≈\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{{\mathrm{\Δ}}_k},& {\mathrm{\Δ}}_k>0\\ 0,& {\mathrm{\Δ}}_k\≤0\end{array}\right.$

其中，||y_1，k||²为信号帧长度L内测得的源节点1的接收信号能量，

为信号帧长度L内测得的信号

的能量，E[|c₁(t)-c₂(t)|²]为表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率的常数，可以在两个源节点预先计算得到。当采用固定的M-PSK调制方式时，c₁(t)-c₂(t)构成的新的星座图中符号数也是固定的，很容易计算出其平均功率。但是需要注意的是，c₁(t)-c₂(t)可能为0，会一定程度上影响估计的准确性。因此，对源节点2发射信号进行调制时，采用对其星座图旋转一个固定角度的方法，得到符号c₂(t)e^-jθ，以避免c₁(t)-c₂(t)为0的情况发生。

在低信噪比条件下，由于噪声的影响，Δ_k可能会是负数，此时估计结果采用μ_k≈0。

由于系统中，两个源节点是对称的，因此说明书中只对源节点1的接收信号进行分析。源节点2的情况同理可得。

第三步，源节点从N个中继节点中选择一个最优节点，并将选中的中继节点的标号

广播给网络中的所有中继节点，使其在接下来的系统传输过程中，对信号进行转发。

根据第二步中分别得到的N个不同中继节点转发信号，在源节点接收端得到的有用信号项系数和干扰信号项系数，源节点将根据特定的准则选择一个最佳的中继节点，并将其编号广播给所有中继节点。之后，只有被选择的中继节点在双向中继网络传输的第二阶段对信号进行转发，而其余源节点保持空闲状态。中继选择涉及两种判决准则：

准则一，最优单中继选择。

(1)对第k个中继节点对信号进行转发的情况，估计源节点1和源节点2接收端接收信号的有效信噪比。

源节点1对源节点2的发射信号进行检测并解调。通过上步对干扰信号项

的估计结果，对接收信号进行进一步处理得到

$y_{1,k}^{\′}\left(t\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{y}_{1,k}\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_k{s}_1^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ν}}_k{s}_2^{*}(t-1)c_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_{1,k}\left(t\right)=(y_{1,k}^{\′}(t-1)-{\mathrm{\ω}}_{1,k}(t-1))c_2^{*}\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_{1,k}\left(t\right)$

由于在接收端CSI是未知的，信噪比的估计不使用CSI。对第k个中继节点转发信号的情况，源节点1的接收信号信噪比为：

${\mathrm{\γ}}_{d_{1,k}}\≈\frac{{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2}{\mathrm{Var}\left\{{2\mathrm{\ω}}_{1,k}\left(t\right)\right\}}\≈\frac{{\mathrm{\β}}_k^2{\left|h_{1,k}\right|}^2{\left|h_{2,k}\right|}^2}{{2\mathrm{\β}}_k^2{N}_0{\left|h_{1,k}\right|}^2+{2N}_0}\≈\frac{{\mathrm{\ψ}}_r{\mathrm{\ψ}}_s{\left|h_{1,k}\right|}^2{\left|h_{2,k}\right|}^2}{{\mathrm{\ψ}}_r{\left|h_{1,k}\right|}^2+{\mathrm{\ψ}}_s{\left|h_{2,k}\right|}^2}$

其中，接收信号噪声项的方差

源节点发射信噪比

中继节点发射信噪比

使用对接收信号中有用信号项系数

和干扰信号项系数的估计值，可以进一步得到信噪比的估计值如下：

${\mathrm{\γ}}_{d_{1,k}}\≈\frac{{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^4{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2}{2(2{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)({\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)N_0}$

根据双向中继网络源节点的对称结构，同理可得，源节点2的接收信号信噪比为：

${\mathrm{\γ}}_{d_{2,k}}\≈\frac{{\mathrm{\ψ}}_r{\mathrm{\ψ}}_s{\left|h_{1,k}\right|}^2{\left|h_{2,k}\right|}^2}{{\mathrm{\ψ}}_r{\left|h_{2,k}\right|}^2+{\mathrm{\ψ}}_s{\left|h_{1,k}\right|}^2}\≈\frac{{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^4|{{\mathrm{\ν}}_k|}^2}{2(2{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2)({\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)N_0}$

(2)计算源节点1和源节点2的接收信号误符号率(SER)如下：

${\mathrm{SER}}_{1,k}(h_{1,k},h_{2,k})=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}\exp (-\frac{g_{\mathrm{psk}}{\mathrm{\γ}}_{d_{1,k}}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}})\mathrm{d\θ}$

${\mathrm{SER}}_{2,k}(h_{1,k},h_{2,k})=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}\exp (-\frac{g_{\mathrm{psk}}{\mathrm{\γ}}_{d_{2,k}}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}})\mathrm{d\θ}$

其中， $g_{\mathrm{psk}}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\sin }^2\frac{\mathrm{\π}}{M}.$

(3)根据最优中继选择准则，选择使所有源节点接收信号误符号率总和最小的中继节点，为最佳中继节点，对模拟网络编码信号进行转发。中继选择准则表示如下：

为选择的最佳中继节点的标号。

准则二，次优单中继选择。

由于最优中继选择准则中，对误符号率的分析比较困难。由于两个源节点接收信号的误符号率总和一般取决于其中SER性能较差的节点，因此，为了降低复杂度，提出了一种次优单中继选择方法，选择使两个源节点中最大的SER最小化的中继节点，对信号进行放大并转发。本发明中这种次优单中继选择方法可以称为最小-最大选择准则。由于误符号率是由接收端信噪比的函数，随信噪比的增大而减小。因此对SER的判决可以转化为对接收端信噪比的判决。具体步骤如下：

(1)对第k个中继节点对信号进行转发的情况，估计源节点1和源节点2接收端接收信号的有效信噪比如下：

${\mathrm{\γ}}_{d_{1,k}}\≈\frac{{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^4{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2}{2(2{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)({\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)N_0}$

${\mathrm{\γ}}_{d_{2,k}}\≈\frac{{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^4{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2}{2(2{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2)({\left|{\mathrm{\μ}}_k\right|}^2+{\left|{\mathrm{\ν}}_k\right|}^2)N_0}$

(2)根据最小-最大中继选择准则，选择使两个源节点中最大的SER最小化的中继节点，为最佳中继节点，对模拟网络编码信号进行转发。中继选择准则表示如下：

以上判决准则可进一步转化为对源节点接收端信噪比的判决，即选择使两个源节点中最小的接收端信噪比最大化的中继节点，中继选择准则表示如下：

从N个中继节点中，选出一个最优转发中继节点后，源节点将该中继节点的标号广播给网络中所有中继节点，在接下来的传输过程中，只有选中的中继节点进行信号转发工作，其余中继节点均保持空闲状态，直到下次发送导频序列对中继重新进行选择为止。

第四步，各个源节点对实际待发送信号进行差分调制编码，并发射。

对源节点i，其发送的信号为

s_i(t)＝s_i(t-1)c_i(t)，c_i(t)∈A，i＝1，2

其中，c_i(t)是源节点i在t时刻待发送的符号，A代表单位能量的M-PSK调制符号集。

两个源节点对待发送信息进行差分调制后，使用单位能量将信息同时发送至所有N个中继节点。

中继节点

对经过了信道衰落的不同源节点发送来的信号进行接收。中继节点

的接收信号为：

其中，

和

分别是源节点1-中继节点k和源节点2-中继节点的信道瑞利衰落系数，为噪声，服从零均值，方差

的复高斯分布。

以上过程均在双向中继通信系统阶段1中完成。

第五步，中继节点

对接收信号进行放大，并将其共轭值进行广播转发至所有源节点，中继节点的发射信号为：

其中，为信号放大倍数，使得中继节点的发射信号功率满足如下限制条件：

由于中继节点不具备CSI，因此无法对β_k进行直接估计。在高信噪比条件下，放大倍数β近似为：

其中，L为信号帧长度，为信号帧长度L内测得的接收信号能量。通过对中继节点k的接收信号的平均信号功率进行测量得到。

第六步，源节点对中继节点

转发的信号进行接收，并对其中的干扰信号项进行估计。

由于系统中，两个源节点是对称的，因此以下只对源节点1的接收信号进行分析。

(1)源节点1接收的信号为

其中，

即源节点1的接收信号包含三部分：有用信号项

(源节点2的发射信号)、干扰信号项

(源节点1的发射信号)和噪声项

(2)对接收信号中的干扰信号进行估计。为了对接收信号中的有用信号进行正确检测和解调，由于发射信号s₁(t)对于源节点1是已知的，因此只需要对干扰项系数

进行估计，从而抵消接收信号中的干扰项

利用源节点2的发射信号差分编码特性，即s₂(t)＝s₂(t-1)c₂(t)，并结合已知的源节点1的发射信号s₁(t-1)和c₁(t)，对接收信号进行变换如下：

可以通过下式对系数

进行估计：

其中，

为信号帧长度L内测得的源节点1的接收信号能量，

为信号帧长度L内测得的信号的能量，E[|c₁(t)-c₂(t)|²]为表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率的常数，可以在两个源节点预先计算得到。

在低信噪比条件下，由于噪声的影响，

可能会是负数，此时估计结果采用

第七步，源节点1对源节点2的发射信号进行检测并解调。通过上步对干扰信号项

的估计结果，对接收信号进行进一步处理得到

采用线性解码器，即可对源节点2的发射信号c₂(t)进行恢复，得到解码后的信号如下：

源节点2的信号检测和解调与源节点1过程同理，这里不再赘述。

以上涉及的信号运算符号说明：(·)^*表示对信号求其共轭，比如

为c₁(t)的共轭；(·)^H表示对信号向量求其共轭转置。

Claims (10)

1.一种双向中继网络中基于联合中继选择的通信方法，其中双向中继网络包括若干通信节点和多个中继节点，其步骤为：

1)每个源节点分别发送导频符号序列至所有中继节点；

2)源节点对所有中继节点放大转发的导频信号分别进行接收，并估计每个接收信号的有效信噪比；

3)源节点根据有效信噪比确定一最优中继节点

并将其标号广播给所有中继节点；

4)各个源节点对待发送信号进行差分调制编码后发送给该最优中继节点；

5)该最优中继节点根据接收信号的功率估计信号的放大倍数

对接收信号进行放大并将其共轭值转发至所有源节点；

6)源节点对该最优中继节点转发的信号进行接收，并消除接收信号中的干扰信号项；

7)源节点对上一步处理后的信号进行差分解码。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述双向中继网络包括两个通信节点，即源节点1和源节点2。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于估计每个接收信号的有效信噪比的方法为：

1)中继节点对接收信号进行放大，并将其共轭值进行广播转发至所有源节点；

2)源节点对所有中继节点放大转发的导频信号分别进行接收，并估计每个接收信号中的有用信号项系数ν_k和干扰信号项系数μ_k；其中k＝1，2，…，N，N为中继节点总数

3)根据公式

计算源节点第k个接收信号的有效信噪比

其中N₀为噪声的功率谱密度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于选取所述最优中继节点

的方法为：

1)根据有效信噪比计算每个源节点接收中继节点k所发信号的接收信号误符号率；

2)选择使所有源节点接收信号误符号率总和最小的中继节点为所述最优中继节点

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于采用公式

估计所述干扰信号项系数；其中，

||y_i，k||²为信号帧长度L内测得的源节点i的接收信号能量，为信号帧长度L内测得的信号

的能量、

为c_i(t)的共轭，i＝1或2，E{|c₁(t)-c₂(t)|²}表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率、c₁(t)和c₂(t)分别是源节点1和源节点2在t时刻待发送的符号、L为信号帧长度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于源节点采用固定的M-PSK调制方式对发送信号进行调制，其中一源节点的星座图旋转一固定角度。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于选取所述最优中继节点的方法为：根据有效信噪比，选择使源节点中最小的有效信噪比最大化的中继节点为最优中继节点

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述源节点对所述最优中继节点转发的信号中的干扰信号项系数

进行估计，从而得到并消除接收信号中的干扰信号项；其中：采用公式

估计所述最优中继节点转发的信号中的干扰信号项系数；其中，

为信号帧长度L内测得的源节点i的接收信号能量，为信号帧长度L内测得的信号

的能量、其满足

为c_i(t)的共轭，i＝1或2，E{|c₁(t)-c₂(t)|²}表示符号c₁(t)和c₂(t)差值的平均功率、c₁(t)和c₂(t)分别是源节点1和源节点2在t时刻待发送的符号、L为信号帧长度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于源节点周期性的发送导频序列，从中继节点重新选择最优中继节点。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在采用公式

计算所述放大倍数其中，L为信号帧长度，

为信号帧长度L内测得的接收信号能量。

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