CN101990324A - 中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站 - Google Patents

Abstract

一种中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站。一种中继系统中主动式用户终端选择方法实施例，包括：查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。利用本发明，可由基站主动的指派固定中继或上行信道信噪比高的用户终端为上述用户提供中继服务，从而在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低用户终端的实现复杂度。

Description

中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站。

背景技术

未来蜂窝通信系统致力于发展更高速率、更大动态范围的数据业务，同时需要扩大网络覆盖面积、提高频谱效率并增加系统的鲁棒性。在低成本条件下，由于中继传输技术可以有效地增强系统的功率效率、扩大蜂窝网小区的有效覆盖率、抑制小区间干扰等，中继技术已经成为下一代无线通信系统构架中一种具有广阔应用前景的实现方案。在现有无线蜂窝网络中使用“中继”策略，可以利用中继的协作传输以及有效的天线共享，为用户终端实现一个虚拟的MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)天线阵列，克服用户终端复杂度以及尺寸大小的限制，同时克服无线信道的衰落特性，获得分集增益，以提高无线网络的覆盖率和容量，更好地保证不同种类业务的服务质量(QoS)需求，增强无线系统的各项性能指标。

若在蜂窝网小区边缘地域引入通信中继点(中继基站或其它多用户)，则可以利用时间资源来换取空间资源，可视为多小区间多用户在时间维度上的资源优化措施，中继功能如图1所示。而根据中继本身是否有信息向基站发送，可将此类中继传输系统分为两类：中继本身没有信息向基站发送的“固定中继传输系统”，中继本身需要向目的端发送信息的“用户协作传输系统”。

由于中继传输的引入，需要确定中继与网络中用户的对应关系，即特定的中继应该为哪个用户服务，以更好地支持用户与基站间通信的问题。

对于中继和用户间的服务关系，现有研究均集中于如何为给定的用户从多个候选中继中选择一个中继进行传输。K.S.Hwang等在[Kyu-Sung Hwang，Young-Chai Ko.Switch-and-Examine Node Selection for Efficient RelayingSystems.Proceedings of the 2007 International Conference on WirelessCommunications and Mobile Computing，Hawaii，USA，pp：469-474.]、[Kyu-SungHwang，Young-Chai Ko.An Efficient Relay Selection Algorithm for CooperativeNetworks.2007 IEEE 66th Vehicular Technology Conference，2007，VTC-2007Fall，pp：81-85.]中提出了一种“切换和检验中继节点算法”，先根据达到一定的网络性能所需的链路质量设定信噪比门限，当源-中继和中继-目的端的链路质量均高于设定门限时，选择该中继进行协作传输，直至该链路质量低于设定的门限或用户信息传输结束。A.S.Ibrahim等在[Ahmed S.Ibrahim，Ahmed K.Sadek，Weifeng Su，and K.J.Ray Liu.Cooperative Communications with PartialChannel State Information：When to Cooperate IEEE Globecom 2005，pp.3068-3072.]、[Ahmed S.Ibrahim，Ahmed K.Sadek，Weifeng Su，and K.J.RayLiu.Relay Selection in Multi-Node Cooperaive Communications：When toCooperate and Whom to Cooperate with IEEE GLOBECOM 2006.]、[Ahmed S.Ibrahim，Ahmed K.Sadek，Weifeng Su，and K.J.Ray Liu.CooperaiveCommunications with Relay-Selection：When to Cooperate and Whom toCooperate With IEEE Trans.on Wireless Communicaions，7(7)，pp.2814-2827，2008.]中通过向源端反馈部分信道状态信息，使源端能够决定何时需要与一个中继进行协作，且在协作时选择哪个中继进行服务，即回答“何时协作”和“与谁协作”的问题。

在对现有技术的研究和实践过程中，发明人发现现有技术中存在以下问题：

上述研究均需要用户终端自身决定是否需要进行协作传输，中继属于被动式选择状态，而且用户终端还需实时监测到基站和各个中继端的信道信噪比，大大增加了用户终端的实现复杂度。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站，以实现中继系统中的对用户终端的主动选择。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站是这样实现的：

一种中继系统中主动式用户终端选择方法，包括：

查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；

将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

一种中继系统中的协作通信方法，包括：

中继接收用户终端发来的信息；

中继如果对接收信息译码正确，则重发该信息至基站。

一种中继系统中的功率分配方法，包括：

基站采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

基站计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

基站计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂得到使上述所述系统性能最优时的P₁和P₂。

一种用户协作中继传输系统中的协作通信方法，包括：

第一用户终端发送数据至第二用户终端和目的端；第一用户终端发送的数据包括本地数据和上一次协作传输中对第二用户终端数据的估值。

一种信道编码协作系统中用户协作通信方法，包括：

在协作传输的第一帧内，第一用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量后，发送至所述目的终端和第二用户终端；

在协作传输的偶数帧2k内(k≥1)，第二用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的第一用户终端发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第二用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和第一用户终端；

在协作传输的第奇数帧2k-1内(k≥1)，第一用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的第二用户终端发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第一用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和第二用户终端；

协作传输的最后一帧内，第一用户终端或B发送数据，包括：

第一用户终端从接收的第二用户终端发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第一用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端；或，

第二用户终端从接收的第一用户终端发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第二用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端。

一种中继系统中实现主动式用户终端选择的基站，包括：

查找单元，用于查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；

指派单元，用于将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

一种中继系统中实现协作通信的中继，包括：

接收单元，用于接收用户终端发来的信息；

译码判断单元，用于对接收信息译码并判断译码是否正确；

重发单元，如果译码判断单元对所述接收信息译码正确时，用于重发该信息至目的端。

一种中继系统中实现功率分配的基站，包括：

判决变量确定单元，采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

信噪比计算单元，计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

功率值计算单元，计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂得到使上述所述系统性能最优时的P₁和P₂。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，采用上述中继系统中的主动式用户终端选择方法，使中继系统中的用户终端在上行信道信噪比低于设定的信噪比门限时，可由基站主动的指派固定中继或上行信道信噪比高的用户终端为上述用户提供中继服务，从而在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低用户终端的实现复杂度。

此外，还包括如下效果：

1.本发明实施例提出了一种适用于单天线移动终端的中继传输系统架构，利用固定中继或用户协作传输机制实现有效的天线共享，为用户终端形成一个虚拟的天线阵列，克服用户终端复杂度以及尺寸大小的限制，同时可以克服无线信道的衰落特性，获得分集增益，提高无线网络的覆盖率和容量，更好地保证不同种类业务的服务质量(QoS)需求，增强无线系统的各项性能指标；

2.本发明实施例提出了一种适用于该中继传输系统架构的主动式协作用户选择方法，使蜂窝通信网络中的用户在上行信道信噪比低于设定的信噪比门限时，基站可自动指派固定中继或上行信道信噪比高的用户为上述用户提供中继服务，从而在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低用户终端实现复杂度；

3.本发明实施例提出了一种适用于固定中继传输系统的协作通信和功率分配方法，利用信道编码与自适应功率控制技术，使协作传输自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换。通过对用户终端和中继终端间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，还使有限的无限资源得到了有效的利用；

4.本发明实施例提出了一种适用于用户协作传输系统的协作通信和功率分配方法，利用自适应信道编码和二维调制技术，使用户可以在发送本地数据的同时转发伙伴的数据，协作时不需要扩展系统带宽，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，降低了系统复杂度，性能代价比高，具有较强的实用性。另一方面，将信道编码与自适应功率控制相结合，协作传输可以自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换。通过对本地和中继信息间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，还使有限的无限资源得到了有效的利用。

综上所述，统一的中继传输系统架构、主动式协作用户选择方案、固定中继传输方案和用户协作传输方案使得多用户环境下的单天线终端按照一定方式享用系统资源，形成虚拟的多天线发射机以获得发射分集增益。该协作通信方法是一种低成本高效的无线资源分配解决方案，不仅可以有效地提高小区边缘地带用户的网络覆盖率与用户Qos需求；而且，在低实现复杂度条件下，为多天线MIMO技术走向实用化提供了一条新的实现途径，极有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术蜂窝网小区中中继系统的功能示意图；

图2为本发明主动式用户终端选择方法实施例的系统模型；

图3为本发明主动式用户终端选择方法实施例的流程图；

图4为本发明图3一具体例子的流程图；

图5为本发明固定中继传输系统的模型图；

图6为本发明目的端(基站)进行功率分配的方法流程图；

图7为本发明未编码系统中协作通信的传输过程的流程图；

图8为本发明时分多址接入系统用户终端A的数据协作传输过程原理图；

图9为本发明信道编码系统中的协作通信方式流程图；

图10为本发明图9实例的原理图；

图11为本发明采用凿孔卷积码进行信道编码时用户终端和中继终端的信息处理过程原理图；

图12为本发明采用凿孔低密度校验码进行信道编码时用户终端和中继终端的信息处理过程原理图；

图13为本发明中继终端的功率控制模块和目的终端确定最优功率分配因子的示意图；

图14为现有技术中基于重叠调制的协作通信方法的原理图；

图15为图14的现有技术中时隙1的前一时隙用户A发送数据A1至用户B和目的站的示意图；

图16为图14的现有技术中时隙1用户B发送数据B₁和A′₁至用户A和目的站的示意图；

图17为图14中用户A根据接收信号

对发送数据B₁进行译码，采用的接收机结构图；

图18为图14中时隙2发送信号的过程示意图；

图19为图14中目的端根据接收信号

和

对数据B₁译码，采用的接收机结构图；

图20为现有技术中一种基于正交信号的协作通信方法原理图；

图21为本发明两用户协作通信系统模型图；

图22为本发明图21中协作时用户A的数据发送和接收过程原理图；

图23为本发明未编码系统中用户协作传输的流程图；

图24为本发明图23中在阶段1的示意图；

图25为本发明图23中在阶段2的示意图；

图26为本发明两用户协作通信系统的数据传输过程流程图；

图27为本发明图22中时分多址接入为例的示意图；

图28为本发明采用信道编码时，协作终端的信息处理过程示意图；

图29为本发明采用凿孔卷积码进行信道编码时，协作终端的信息处理过程示意图；

图30为本发明采用凿孔低密度校验码进行信道编码时，协作终端的信息处理过程示意图；

图31为本发明协作终端的功率控制模块和目的终端确定最优功率分配因子的示意图；

图32为本发明一种中继系统中实现主动式用户终端选择的基站实施例的框图；

图33为本发明一种中继系统中实现主动式用户终端选择的基站实施例的另一框图；

图34为本发明一种中继系统中实现协作通信的中继实施例的框图；

图35为本发明一种中继系统中实现协作通信的中继实施例的另一框图；

图36为本发明一种中继系统中实现协作通信的中继实施例的另一框图；

图37为本发明一种中继系统中实现功率分配的目的端实施例的框图；

图38为本发明一种中继系统中实现功率分配的目的端实施例的另一框图；

图39为本发明一种用户协作中继传输系统实施例的框图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种中继系统中的主动式用户终端选择方法及基站。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明主动式用户终端选择方法实施例的系统模型如图2所示，其中节点D表示目的终端；节点A表示移动用户终端；节点B表示对节点A进行服务的中继。根据该中继本身是否有信息向基站发送，可将中继传输系统分为两类：中继本身无信息向基站发送的“固定中继传输系统”，中继本身有信息向基站发送的“用户协作传输系统”。本发明提出的适用于中继传输系统架构的主动式协作用户选择算法实施例，使中继节点主动为上行信道信噪比较低的用户进行协作传输，从而保证业务服务质量需求；并进一步提出了适用于“固定中继传输系统”和“用户协作传输系统”的协作通信和功率分配方法，从而能在保证传输质量的同时，使有限的系统资源得到充分利用。

在本发明提出的主动式协作用户选择方法实施例中，基站指派固定中继或上行信道信噪比高的用户(图2的B)为某个用户(图2的A)进行中继传输，使选定用户(图2的A)在低上行信道信噪比条件下仍能满足通信需求。该方法的主要思想为：基站监测小区内用户的上行信道质量，如果用户与基站间信道的信噪比SNR低于设定的信噪比门限，且用户与“中继”间信道的信噪比SNR高于设定的信噪比门限，则选定该用户为中继的服务对象。所述SNR可以有用户上报的CSI(信道状态信息)的及中继上报的中继站与目的端之间的CSI得到。所述门限可根据达到一定的用户业务服务质量需求(如中断概率、误码率、误符号率等)所需的信噪比来设定。本实施例适用于固定中继和用户协作传输系统。

图3示出了本发明主动式用户终端选择方法实施例的流程图，如图3所示，包括：

S310：基站查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端。

S320：将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

S310中，所述基站查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端，具体的，可以在用户终端中进行依次查找。例如对于用户终端1至用户终端N，可以设定i初始值为0，每一次依照S310中的条件查找终端时，i加1。

所述查找上行链路无法满足业务服务质量要求，对于查找的第i个用户终端，具体可以为比较其上行信道信噪比γ_i，d与设定信噪比门限γ_T之间的关系，如果γ_i，d＜γ_T，说明用户终端的上行链路无法满足业务服务质量需求，说明该用户需要中继进行协作传输。

对于用户终端与指定中继之间的链路是否可以满足业务服务质量要求，具体可以比较用户终端与给定中继之间的信道信噪比γ_i，r与设定信噪比门限γ_T之间的关系，如果γ_i，r＞γ_T，说明该用户和中继间信道的信噪比足够高，即说明该用户可以从中继传输中获益，因此选择该用户为指定中继的服务对象。

进一步的，根据网络中用户终端的优先级别是否相同，i具体可以代表具有相同优先级用户的随机标号数，或者是具有不同优先级用户的优先级别数。这样，i的自加过程，具体可以体现两种用户选择方式：随机选择和优先级选择。在随机选择方式中，所有用户具有相同的优先级，基站从任意的用户中选择服务对象。在优先级选择方式中，所有用户具有不同的优先级，基站优先服务优先级别高的用户，即i的自加过程代表优先级从高到低的变化过程。

这样，如果网络中的第一个用户终端不满足中继传输的条件，则依次选择网络中的其它用户终端。此外，具体的选择判决过程同上，如果网络中的用户终端i满足中继服务条件，则选择该用户终端。而如果网络中所有用户终端均不满足中继服务条件，即没有查找到上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端，则可以选择直接传输链路信噪比低于选定门限，但直接传输链路与中继链路信噪比乘积最大的用户终端作为中继服务对象，即作为所述满足预定要求的用户终端。

以下给出上述实施例的一个具体例子。假定网络中有1个基站，n个“中继”和N个用户(标号分别为1，2...，N)，图4示出了该具体例子的流程图，如图4所示：

S410：初始化选择的网络节点标号i为0。根据网络中用户的优先级别是否相同，i代表具有相同优先级用户的随机标号数，或者是具有不同优先级用户的优先级别数。

S420：设定i的值为i加1。

S430：如果i不等于N，则进入S440，否则，进入S470。

S440：对于用户终端i，判断该用户终端i的上行链路是否无法满足业务服务质量需求，具体可以为比较用户终端i的上行信道信噪比γ_i，d与设定信噪比门限γ_T之间的关系，即是否满足γ_i，d＜γ_T，如果是，则进入S450，否则返回S420。

其中，γ_i，d表示用户i与基站(d)间信道的SNR，γ_T是根据一定的网络性能指标设定的信噪比门限。

S450：对于用户终端i，判断该用户终端i与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求，即判断是否满足γ_i，r＞γ_T，如果是，说明该用户终端i与中继间信道的信噪比足够高，可以满足业务服务质量需求，进而进入S460，否则返回S420。

其中，γ_i，r表示用户i与中继r间信道的SNR，γ_T是根据一定的网络性能指标设定的信噪比门限，与上面S440中的γ_T相同。

S460：选择该用户终端i为中继服务的用户终端，记中继服务的用户终端标号为Label，则Label＝i，结束。

S470：i＝N，说明网络中所有用户均不满足中继服务条件，则选择直接传输链路信噪比低于选定门限，但直接传输链路与中继链路信噪比乘积最大链路的用户作为中继服务对象，即选择的用户标号满足

Arg是遍历运算。

有上述实施例可见，采用上述中继系统中的主动式用户终端选择方法，使中继系统中的用户终端在上行信道信噪比低于设定的信噪比门限时，可由基站主动的指派固定中继或上行信道信噪比高的用户终端为上述用户提供中继服务，从而在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低用户终端的实现复杂度。

在固定中继系统中，由于中继传输的引入，一方面需要确定中继与网络中用户的对应关系，即特定的中继应该为哪个用户服务，以更好地支持用户与基站间通信的问题；另一方面需要确定中继如何为用户终端转发信息，可以使得系统的编码增益和分集增益最大化，即中继传输系统的协作通信方式；最后，由于发射功率的限制以及用户QoS的需求，网络还要根据当前系统的衰落及干扰信息自适应地在信号发送端和中继之间调制功率分配比例。这样，中继和用户间的服务关系、协作通信方式以及自适应功率分配问题就成为固定中继传输系统中重要的研究内容。针对中继传输系统的协作通信方式和功率分配问题，张平等在[一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法，申请号：200410058606.7，发明人：张平，张静美，王莹和邵春菊]中提出了一种未编码固定中继传输系统的功率分配方法。然而在实际固定传输通信系统中，如何利用自适应信道编码和功率控制技术使系统的编码增益和分集增益最大化，有待于进一步研究。

针对上述提出的现有技术的问题，本发明还给出固定中继传输系统中协作通信方法及功率分配方法，以充分利用信道和发送功率等系统资源，使协作用户终端获得最大的空间分集增益和编码增益，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率。

以下首先介绍本发明固定中继系统中的协作通信方式及功率分配方法实施例。

在固定中继传输系统中，中继本身没有信息向基站发送，系统模型如图5所示。

下面以未编码系统为例来说明协作通信的传输过程及功率分配方法。协作通信分两个阶段完成。

在阶段1，用户终端向中继和目的端发送信息，此时中继和目的端接收的信息可表示为：

$r_{s,d}=\sqrt{P_1}{h}_{s,d}S+{\mathrm{\η}}_{s,d}$

$r_{s,r}=\sqrt{P_1}{h}_{s,r}S+{\mathrm{\η}}_{s,r}---\left(1\right)$

其中，P₁是用户端的发射功率，η_s，d和η_s，r是接收端的加性噪声。h_s，d是源端到目的端的信道，S是用户信号。

在阶段2，如果中继对接收信息正确译码，则重发该信息至目的端，否则在阶段2保持静默。中继可以根据接收信息的信噪比大小或者循环冗余校验(CRC)来判断对接收信息译码是否正确。

这样，目的端的接收的信息可表示为：

$r_{r,d}=\sqrt{{\tilde{P}}_2}{h}_{r,d}S+{\mathrm{\η}}_{r,d}---\left(2\right)$

当中继成功译码时，

否则

η_r，d表示加性噪声。

用户和中继端的功率满足总功率限制，即P₁+P₂＝P。假定各噪声项均为零均值，复高斯随机变量，且噪声方差为N₀。

目的端采用最大比合并对两个阶段接收的信息进行合并，可得到判决变量为：

$\tilde{S}=\frac{\sqrt{P_1}{h}_{s,d}^{*}}{N_0}{y}_{s,d}+\frac{\sqrt{{\tilde{P}}_2}{h}_{r,d}^{*}}{N_0}{y}_{r,d}---\left(3\right)$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，y_s，d是目的终端接收到来自发送终端的数据，y_r，d是目的终端接收到中继终端的数据，(·)^*表示取共轭操作，N₀为SNR噪声方差。

目的端接收信息的SNR可表示为：

$\mathrm{\γ}=\frac{P_1{\left|h_{s,d}\right|}^2{+\tilde{P}}_2{\left|h_{r,d}\right|}^2}{N_0}---\left(4\right)$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，N₀为信噪比噪声方差。

根据该接收SNR即可得到信道容量，中断概率，误符号率和误帧率等系统性能，以上述系统性能最优作为优化准则，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，遍历选择P1和P2使上述所述容量等指标最大，并分别反馈回用户和中继端，即可实现功率的自适应功率分配。

可见，目的端(基站)进行功率分配的方法可以如图6所示，包括：

S610：目的端采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数。

判决变量具体为上面的(3)式： $\tilde{S}=\frac{\sqrt{P_1}{h}_{s,d}^{*}}{N_0}{y}_{s,d}+\frac{\sqrt{{\tilde{P}}_2}{h}_{r,d}^{*}}{N_0}{y}_{r,d}$

S620：目的端计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数。

目的端接收信息的SNR具体为上面的(4)式： $\mathrm{\γ}=\frac{P_1{\left|h_{s,d}\right|}^2{+\tilde{P}}_2{\left|h_{r,d}\right|}^2}{N_0}$

S630：目的端计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂使上述系统性能最优，得到P₁和P₂。所述系统性能包括信道容量，中断概率，误符号率和误帧率等。

之后，目的端可以通过控制信道分别反馈P₁和P₂至用户和中继，即可实现功率的自适应分配。

另一方面，未编码系统中协作通信的传输过程可以如图7所示，包括：

S710：中继接收用户终端发来的信息。

S720：中继对接收的信息进行译码，如果译码正确，则重发该信息。

具体的，中继可以根据接收信息的信噪比大小或者循环冗余校验(CRC)来判断是否成功对接收信息译码。中继重发所述信息的功率采用接收到的目的端指示的功率。

如果中继对接收的信息译码错误，则中继将保持静默。这种情况下，目的端指示的功率为0，则也可以理解为中继重发所述信息的功率采用接收到的目的端指示的功率，即功率为0，保持静默。

以下介绍信道编码系统中的协作通信方式及功率分配方法。

将协作传输与自适应信道编码技术相结合时，用户在阶段1采用一定的信道编码方式对原始信息进行编码后发送，根据对第一阶段接收信号的译码结果，中继将在第二阶段发送原始信息的校验位或保持静默。

图8以时分多址接入(TDMA)为例，说明了用户A的数据协作传输过程。设用户A需发送的数据帧序列为S(n)，n∈{1，...，N}，且S(n)是未经过信道编码的数据。对于用户A的数据而言，每次协作传输分两个阶段完成。在阶段1，用户A发送本地数据，并利用目的端反馈回的功率大小进行功率控制。在阶段2，中继B利用目的端反馈回的功率大小转发用户A的数据。如果S(n)是经过信道编码(如采用卷积码和低密度奇偶校验码LDPC编码)后的数据，将S(n)替换成相应的信息校验位S′(n)即可。

在图9中，给出了信道编码系统中的协作通信方式的实施例，包括：

S910：中继接收用户终端发来的信息。

S920：中继重发所述信息，并利用目的端反馈回的功率大小进行功率控制。

如果S910中用户终端发来的信息是经过信道编码(如采用卷积码和低密度奇偶校验码LDPC编码)后的数据，则S920中，中继重发的信息为将用户终端发来的信息替换成的相应的信息校验位。

具体的，可以如图10所示：

用户终端会先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入信道编码器编码，然后将编码数据调制后发送至信道。

中继终端先解调接收的用户终端的数据，经过维特比解码器解码，将解码后的数据一方面送入解码校验进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入，另一方面送入信道编码器，提取编码数据的数据调制。最后，中继发送数据，并根据目的端反馈回的功率值对发送信号进行功率控制。

以下以采用凿孔卷积码进行信道编码加以说明。采用凿孔卷积码进行信道编码加以说明时，用户终端和中继终端的信息处理过程如图11所示：

用户终端先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入凿孔卷积码编码器编码，然后将编码数据打孔(打孔完成速率匹配)后的数据调制后发送至信道。

中继终端先解调接收的用户终端的数据，经过维特比解码器解码，将解码后的数据一方面送入解码校验进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入，另一方面送入凿孔卷积码编码器，提取将编码数据打孔删除的数据调制。最后，中继发送数据，并根据目的端反馈回的功率值对发送信号进行功率控制。

以下以采用凿孔低密度校验码(LDPC码)进行信道编码加以说明。采用凿孔低密度校验码(LDPC码)进行信道编码加以说明时，用户终端和中继终端的信息处理过程如图12所示：

用户终端先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入凿孔LDPC码编码器进行编码，然后将编码数据打孔后的数据调制后发送至信道。

中继终端先解调接收的伙伴数据，经过LDPC码解码器进行解码，将解码后的数据一方面送入解码校验模块进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入，另一方面送入凿孔LDPC码编码器，提取将编码数据打孔删除的数据调制后发送至信道。最后，根据目的端反馈回的功率值对发送信号进行功率控制。

图10描述了上述图11和图12中协作通信原理总体框图。其中图11和图12可以看作图10中采用实际信道编码时的特例。

图13给出了中继终端的功率控制模块和目的终端确定最优功率分配因子的示意图。

对中继而言，如果该终端对用户终端的数据成功解码，则根据目的终端反馈回的功率分配因子对本地和中继信息进行功率分配，自动进入协作通信模式；如果解码错误，则将转发信号的功率置为零，自动进入非协作通信模式。

对目的终端而言，需要实时测量用户至目的端和中继至目的端信道信噪比的平均值，并根据特定的调制方式，确定系统中断概率、容量、误帧率(FER)、误符号率(SER)或误比特率(BER)等系统性能目标函数，最后运用数值仿真方法得到基于某一性能目标函数最小准则下的最优功率因子，然后通过控制信道将功率因子反馈至协作终端。由于功率分配方法与信道编码是独立的，根据未编码系统求得的最优功率因子可直接应用于编码系统。可见，信道编码系统中的功率分配方法如前面图6所示的方法。

在用户协作传输系统中，由于每个用户均有信息向基站发送，因此如何在有限的系统资源条件下(如频率/时隙/码字和功率等)实现多用户信息接入和系统资源的优化配置，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率是重要的研究内容。因此，大量文献研究了在给定协作用户对的条件下，协作通信的实现方式及系统资源的优化配置。在传统给定协作用户对的协作分集系统中，典型的基于时分的两用户协作场景为：每个用户将自身可用时隙的一半用来发送本地信息，另一半用来发送伙伴的中继信息。显然，此类协作资源分配方式并不是最优的，会导致系统带宽扩展和协作用户的速率损失。因此，如何设计更为高效的协作资源分配方式是协作分集领域的一个重要研究方向。

Erik G.Larsson等在[Cooperative Transmit Diversity based on Superpositionmodulation，IEEE Communications Letters，vol.9，no.9，2005.]中提出了一种基于重叠调制的协作通信方法。其主要思想为：当用户B充当用户A的中继时，利用重叠调制方法(信号在复数域叠加)同时发送本地数据和伙伴A的数据，从而提高无线信道资源利用率。该方法将用户的星座调制信号在欧式空间进行叠加，使每个用户同时发送本地信息和伙伴的中继信息。因此该方法不会导致协作系统带宽增加，能充分利用信道资源，是一种高效的协作资源分配方式。文中还说明了本地和中继信息间的功率资源分配对系统性能的影响，但并没有涉及功率分配的方法。此外，文中用户发送的本地信息和伙伴发送的中继信息采用相同的校验位，如果采用不同的校验位还能进一步提升系统性能。

图14示出了基于重叠调制的协作通信方法的原理图。

信号发送过程可描述如下：

(1)时隙1：用户B发送本地数据B₁和前一时隙从A接收的数据A′₁。

图14中的(·)′表示用户B转发数据时可以采用不同的信道编码，即A₁和A′₁信息相同，但采用的编码方式不同。

用户B分配给本地数据B₁的功率为1-γ²，A′₁的功率为γ²(0＜γ²≤1)。总发射功率归一化为1。此时目的端D和用户A接收的信号为

$y_{D_1}\left(t\right)=h_{\mathrm{BD}}(\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}{s}_{B_1}\left(t\right)+\mathrm{\γ}{s}_{A_1^{\′}}\left(t\right))+e_{D_1}\left(t\right)$

$y_{A_1}\left(t\right)=h_{\mathrm{BA}}(\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}{s}_{B_1}\left(t\right)+\mathrm{\γ}{s}_{A_1^{\′}}\left(t\right))+e_A\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，s(t)表示发送信号，h表示信道增益，e(t)是噪声。下标“A”，“B”和“D”表示信号发送或接收的节点，下标为BD的表示由B发送到D。额外的下标(□)₁代表“时隙1”。

时隙1的前一时隙，用户A发送数据A1至用户B和目的站，可以如图15所示。这个图15的过程中，用户B也要对A₁进行解码，也要考虑A₁解码的正确性，才决定时隙1中用户B是否要发送A′₁。在选取B作为A的中继时已经考虑了这一点。一般情况下选择的B和A之间距离较近，A到B的信道条件较好，因此B可以正确解码A′₁。

时隙1中，用户B发送数据B₁和A′₁至用户A和目的站可以如图16所示。

用户A根据接收信号

对发送数据B₁进行译码，采用的接收机结构如图17所示。该接收机包括一个软MAP解调器和一个信道译码器。由于用户A已知数据A′₁(因为数据A₁是两个时隙前由用户A发送的)，可以直接从接收信号中减去该信号的贡献值。

(2)时隙2：如果用户A在时隙1成功对B₁的信息进行译码，则用户A在时隙2将B′₁与本地数据A₂叠加后发送，否则，用户A只发送本地数据A₂。与时隙1中的功率分配方法相同，分配给本地数据A₂和伙伴数据B′₁的功率分别为1-γ²和γ²。

此时目的端D接收的信号为：

$y_{D_2}\left(t\right)=h_{\mathrm{AD}}(\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}{s}_{A_2}\left(t\right)+\mathrm{\γ}{s}_{B_1^{\′}}\left(t\right))+e_{D_2}\left(t\right)---\left(6\right)$

时隙2发送信号的过程可以如图18所示。

目的端根据接收信号

和

对数据B₁译码，采用的接收机结构如图19所示。

假定接收端的噪声服从高斯分布，图19中的软MAP解调器(MAP为最大后验概率)可根据式(7)计算信息比特b_k的后验LLR(log-likelihood ratio，对数似然比)。在式(7)中，y表示接收样本，{s₁，s₂}表示需要联合解调的两个符号，h表示链路的信道增益，σ²表示每一维的噪声方差。此外，P(s₁)和P(s₂)表示s₁，s₂的先验概率。我们假定在解调时，消息的先验信息是未知的(即P(s_i)＝1/2，此时可从式(7)中消掉P(s_i))。不失一般性，式(7)包含了这个概率。

$L\left(b_k\right|y)=\log \left(\frac{\underset{\{S_1,S_2\}\∈S_{\mathrm{\γ}}:b_k=1}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(y-\mathrm{\γh}{S}_1-\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}h)}^2)P\left(S_1\right)P\left(S_2\right)}{\underset{\{S_1,S_2\}\∈S_{\mathrm{\γ}}:b_k=0}{\mathrm{\Σ}}\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(y-\mathrm{\γh}{S}_1-\sqrt{1-{\mathrm{\γ}}^2}h)}^2)P\left(S_1\right)P\left(S_2\right)}\right)---\left(7\right)$

上述基于重叠调制的技术方案将协作用户的信息在欧式空间叠加后进行传输，用户需要采用对数译码方法获取伙伴的数据，译码时计算量大，增加了用户端的实现复杂度；系统性能受本地和中继信息间的功率资源分配比例的影响较大，文中采用计算机搜索的方法得到了给定上行信道和用户间信道条件下的最优功率分配因子，该方法复杂度高，耗时量大，因此可实现性较低，有必要寻求一种新型实用的功率分配方法；此外，在该方案中用户发送的本地信息和伙伴发送的中继信息采用相同的校验位，而采用不同的校验位还能进一步提升系统性能。

V.Mahinthan等在[A cooperative diversity scheme based on quadraturesignaling，IEEE Trans.on Wireless Communications，vol.6，no.1，2007.]中提出了一种基于正交信号的协作通信方法如图20所示。不同用户的信道可以根据频率或者时间来划分，其主要思想为：用户A的信息从QPSK信号的同相分量上发送，用户B的信息从QPSK的正交分量上发送，利用信号的正交性可以使用户同时发送本地数据和伙伴的数据，从而提高无线信道资源利用率。该方法利用QPSK调制的同相和正交分量，使每个用户能同时发送本地信息和伙伴的中继信息。该方法不会导致协作系统带宽增加，也是一种高效的协作资源分配方式。该方法可以看作是一种基于信号正交的重叠调制协作通信方法，通过同相和正交分量之间的正交性，用户能以更低的复杂度从接收的伙伴信息中分离出伙伴发送的本地信息。但该文只讨论了未编码系统和传统的等功率分配方法，而没有涉及如何在系统中利用自适应信道编码和功率优化分配方法来进一步提升系统性能。

上述基于正交信号的协作通信方法信号发送过程可描述如下：

在第一个符号间隔，每个用户只发送本地数据。在以后的符号间隔内，每个用户不仅发送本地数据，而且发送在前一符号间隔内接收的伙伴信息。在最后一个符号间隔内，每个用户只发送伙伴的数据。在目的端，从不同用户信道接收的信号采用最大比方式进行合并。对用户A的数据译码时，将从信道1接收的信号延迟一个符号间隔，并与从信道2接收的信号进行最大比合并。然后将合并结果送入判决器，以获得二进制比特数据。

令r_i，b(t)和r_i，j(t)分别表示用户i发送信号时，基站和用户j接收的信号，则：

r_i，b(t)＝h_i，b(t)s_i(t)+η_i，b(t)

r_i，j(t)＝h_i，j(t)s_i(t)+η_i，j(t)    (8)

其中h_i，b(t)表示用户i和基站间的信道衰落系数，h_i，j(t)表示用户i和用户j间的信道衰落系数，η_i，b(t)和η_i，j(t)表示相应接收机上的加性噪声。s_i(t)是用户i发送的QPSK调制信号，可表示为：

$s_1\left(t\right)=\sqrt{E_b/2}(b_1\left(t\right)+j{\stackrel{\‾}{b}}_2(t-T_s))$

$s_2\left(t\right)=\sqrt{E_b/2}({\stackrel{\‾}{b}}_1(t-T_s)+j{b}_2\left(t\right))---\left(9\right)$

其中b_i(t)表示用户i的BPSK信息符号，表示对伙伴符号的估计值，T_s表示符号周期，E_b表示每比特信号能量。在基站端，将从两个用户信道接收的信号经过MRC合并后，进行最大似然译码，判决表达式表示为：

${\tilde{b}}_1\left(t\right)=\mathrm{Re}\{h_{1,b}^{*}(t-T_s)r_{1,b}(t-T_s)+h_{2,b}^{*}(t-T_s)r_{2,b}\left(t\right)\}$

${\tilde{b}}_2\left(t\right)=\mathrm{Im}\{h_{2,b}^{*}(t-T_s)r_{2,b}(t-T_s)+h_{1,b}^{*}(t-T_s)r_{1,b}\left(t\right)\}---\left(10\right)$

此时判决结果可表示为：

${\hat{b}}_i=\arg \underset{b_i}{\min }\left\{{|{\tilde{b}}_i-b_i|}^2\right\}---\left(11\right)$

该基于信号正交的重叠调制协作通信方法只研究在未编码系统中的应用。现有的通信系统中一般都包含编码调制2个模块，但上面的现有技术中为了分析方便，没有考虑编码系统的影响。如果引入编码器，对系统性能会导致较大影响，性能的分析方式是不一样的。然而，在实际的通信系统中，如何将该协作通信方法与自适应信道编码技术结合以获得更好的传输性能，有待于进一步研究；此外，该协作通信方法在总功率一定的限制下，在本地数据和伙伴数据间采用等功率分配方法，该方法虽然相对简单，但是由于算法本身没有考虑不同传输信道的瞬时信道特性，缺乏对链路变化的自适应性，极大地降低了系统的资源利用率，因此有必要寻求新型实用的自适应功率分配方法。

针对上述提出的现有技术的问题，本发明还给出用户协作传输系统中协作通信方法及功率分配方法实施例，以充分利用信道和发送功率等系统资源，使协作用户终端获得最大的空间分集增益和编码增益，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率。

以下介绍本发明未编码协作系统中用户协作通信及功率分配方法实施例。

两用户协作通信系统模型如图21所示，下面先以未编码协作系统为例，说明本发明实施例的原理。不失一般性，下面讨论协作时用户A的数据发送和接收过程，如图22所示。图22中S_i(k)，i∈{A，B}，k∈{1，...，N}分别为用户A和B发送的数据帧序列，N为总帧数。每次协作传输分两个阶段。本发明实施例采用二维调制进行协作，其主要思想是每个用户从同相分量上发送本地产生数据的同时，从正交分量上发送前一时隙中对伙伴数据的估值。

图23示出了本发明未编码系统中用户协作传输的流程，如图23所示，包括：

S231：在阶段1，用户A发送数据至用户B和目的端。

在阶段1，用户A发送数据，用户B和目的端接收，可以如图24所示。设每个用户的总发射功率归一化为1。

用户A发送的数据包括两部分：本地数据S_A(k)和上一次协作传输中对伙伴B数据的估值

两者的功率分别为1-β²和β²，其中β(0＜β²≤0.5)是功率因子。采用选择式译码转发中继时：

该阶段伙伴B和目的端接收的信号可表示为：

$y_B(k,A)=h_{\mathrm{AB}}({\left(\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^2}\right)}^{{\mathrm{\θ}}_1}{S}_A\left(k\right)+\mathrm{j\β}{\mathrm{\θ}}_1{S}_B(k-1))+n_B(k,A)---\left(13\right)$

$y_D(k,A)=h_{\mathrm{AD}}({\left(\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^2}\right)}^{{\mathrm{\θ}}_1}{S}_A\left(k\right)+\mathrm{j\β}{\mathrm{\θ}}_1{S}_B(k-1))+n_D(k,A)---\left(14\right)$

其中θ₁是一个二进制随机变量，表示用户A是以部分功率(θ₁＝1)还是全部功率(θ₁＝0)发送S_A(k)。根据式(13)和最大似然(ML)译码规则，在该阶段用户B对用户A发送数据的检测估值可表示为其中

表示信号的实部。

S232：在阶段2，用户B发送数据至用户A和目的端。

用户B发送数据，而用户A和目的端接收，可以如图25所示。

类似地，用户B也分别以部分功率1-β²和β²发送本地数据S_B(k)以及在阶段1对伙伴A数据的估值

如果用户B成功译码用户A的数据，

否则，

相应地，伙伴A和目的端接收的信号分别为：

$y_A(k,B)=h_{\mathrm{BA}}({\left(\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^2}\right)}^{{\mathrm{\θ}}_2}{S}_B\left(k\right)+\mathrm{j\β}{\mathrm{\θ}}_2{S}_A\left(k\right))+n_A(k,B)---\left(15\right)$

$y_D(k,B)=h_{\mathrm{BD}}({\left(\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^2}\right)}^{{\mathrm{\θ}}_2}{S}_B\left(k\right)+\mathrm{j\β}{\mathrm{\θ}}_2{S}_A\left(k\right))+n_D(k,B)---\left(16\right)$

经过协作传输，目的端为获得用户A发送数据的估计值，可分离出两路上行接收信号y_D(k，A)和y_D(k，B)的同相和正交分量进行最大比合并，再进行ML判决，即：

其中

表示信号的虚部。

根据该接收信号表达式，即可获得系统的端到端性能。根据端到端传输速率、容量、误帧率、误符号率和误比特率等系统性能指标，即可得到相应优化准则下的最优功率分配因子。具体内容在后续加以介绍。

以下介绍本发明信道编码协作系统中用户协作通信采用自适应信道编码的情况。

希望进行协作传输的终端(如终端A)向所述目的终端发出请求，所述目的终端在当前网络中选择一个距离终端A较近的终端作为其伙伴终端(如终端B)。目的端可以通过上报的CSI选择距离终端A较近的终端B。关于伙伴终端的选择，前述已经具体介绍。

如图26，两用户协作通信系统的数据传输过程包括：

S261：在协作传输的第一帧内，用户终端A对本地数据编码并调制到I路同相分量后，发送至所述目的终端和用户终端B。

S262：在协作传输的偶数帧2k内(k≥1)，终端B对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的终端A发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；终端B根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和终端A。

S263：在协作传输的第奇数帧2k-1内(k≥1)，终端A对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的终端B发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；终端A根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和终端B。

S264：协作传输的最后一帧内，终端A或B发送数据，包括：

终端A从接收的终端B发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；终端A根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端；或，

终端B从接收的终端A发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；终端B根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端。

上述对本地数据编码包括：对本地数据编码进行循环冗余校验CRC编码和信道编码。

上述提取I路信号并进行信道解码包括：提取I路信号并按照与伙伴约定的解码方式进行信道解码。

上述根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送，包括：

如果对解码的伙伴数据的校验结果为正确，则将Q路信号的功率置为目的端分配的功率，否则置为0；发送功率合并后的Q路信号和I路信号。

上述协作通信方式与图20中现有技术所示的方式相比，加入了编码器，进行了重新编码和功率分配过程。

本发明利用二维调制信号的同相和正交分量同时发送本地和伙伴的信息，协作时不需要扩展系统带宽，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，降低了系统复杂度，性能代价比高，具有较强的实用性。另一方面，结合信道编码和自适应功率控制，该两用户协作通信可以自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换。当用户处于协作通信模式时，采用目的终端反馈回的功率因子控制本地和中继信息之间的功率；当用户处于非协作通信模式时，将全部功率分配给本地信息。通过对本地和中继信息间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，还使有限的无限资源得到了有效的利用。此外，本发明中的多用户接入控制不依赖于具体的接入协议，既可以是目前成熟的时分多址接入(TDMA)、频分多址接入(FDMA)及码分多址接入(CDMA)，也可以是其它类似的接入方式如正交频分多址接入(OFDMA)等。

本发明实施例适用的两用户协作通信系统模型如图21。其中终端A和终端B由于各自的体积、功耗和硬件复杂度等因素的限制，只能配置单天线。目的终端可以配置一根或多根天线。目的终端采用的多用户接入控制可以是时分多址接入(TDMA)、频分多址接入(FDMA)、码分多址接入(CDMA)及正交频分多址接入(OFDMA)等。终端A和终端B互为伙伴终端，共享彼此的信道和发送功率等资源，形成虚拟的多天线发射机向目的终端发送信息，以获得发射分集增益。

图27以时分多址接入(TDMA)为例，说明终端A的数据协作传输过程。设终端A和终端B发送的数据帧序列为S_i(n)，i∈{A，B}，n∈{1，..，N}，且S_i(n)没有进行信道编码。对于终端A的数据而言，每次协作传输分两个阶段完成。在阶段1，终端A在同相分量上(I路)发送本地数据SA(k)，并在正交分量上(Q路)发送上一次协作传输中对伙伴B数据的估值

并按前述图17中的功率分配方法分别给IQ两路配置相应的功率。在阶段2，终端B也采用相同的功率分配方法从I路发送本地数据S_B(k)，并从Q路发送在阶段1对伙伴A数据的估值

如果S_i(n)是进行信道编码(如卷积码和低密度奇偶校验码LDPC)后的数据，则将和

替换成相应的信息校验位即可。

在图28中，给出了采用信道编码时，协作终端的信息处理过程。协作终端先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入信道编码器进行编码，然后调制到I路；同时，从接收的伙伴数据中提取I路部分，经过维特比解码器解码，将解码后的数据一方面送入解码校验进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入到I路信号和Q路信号，另一方面送入信道编码器进行编码，提取将编码数据打孔删除的数据调制到Q路。最后，将进行功率优化分配后的IQ路信号合并后发送。

在图29中，给出了采用凿孔卷积码进行信道编码时，协作终端的信息处理过程。协作终端先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入凿孔卷积码编码器编码，然后将编码数据打孔后的数据调制到I路；同时，从接收的伙伴数据中提取I路部分，经过维特比解码器解码，将解码后的数据一方面送入解码校验进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入，另一方面送入凿孔卷积码编码器，提取将编码数据打孔删除的数据调制到Q路。最后，将进行功率优化分配后的IQ路信号合并后发送。

在图30中，给出了采用凿孔低密度校验码(LDPC码)进行信道编码时，协作终端的信息处理过程。协作终端先将本地数据经过循环冗余校验(CRC)编码后，送入凿孔LDPC码编码器进行编码，然后将编码数据打孔后的数据调制到I路；同时，从接收的伙伴数据中提取I路部分，经过LDPC码解码器进行解码，将解码后的数据一方面送入解码校验模块进行正确性校验，并将其结果作为功率控制模块的输入，另一方面送入凿孔LDPC码编码器，提取将编码数据打孔删除的数据调制到Q路。最后，将进行功率优化分配后的IQ路信号合并后发送。

图28描述了本发明用户协作通信原理的总体框图。其中图29和图30可以看作本发明的采用实际信道编码时的特例。

图31给出了协作终端的功率控制模块和目的终端确定最优功率分配因子的示意图。

对协作终端而言，如果该终端对伙伴终端的数据成功解码，则根据目的终端反馈回的功率分配因子对本地和中继信息进行功率分配，自动进入协作通信模式；如果解码错误，则将全部功率分配给本地信息，自动进入非协作通信模式。对目的终端而言，需要实时测量两协作终端的上行信道和终端间信道信噪比的平均值，并根据特定的调制方式，确定系统端到端误帧率(FER)、误符号率(SER)或误比特率(BER)等性能目标函数，最后运用数值仿真方法得到基于某一性能目标函数最小准则下的最优功率因子，然后通过控制信道将功率因子反馈至协作终端。假设每个用户的总发射功率归一化为1，采用的功率分配因子为β(0＜β²≤0.5)，即本地和伙伴信息的功率分别为1-β²和β²，在一定调制方式下推导的系统端到端误比特率性能P_e是终端上行信道和终端间信道平均SNR、功率因子的函数。以该函数作为目标函数，在误码率最小准则下的最优功率因子为：

$\mathrm{\β}=\underset{\mathrm{\β}}{\arg \min }{P}_e---\left(19\right)$

以未编码的BPSK调制系统为例，在给定信道条件下计算的β²值范围为0.18～0.35，与等功率分配相比，采用最优功率分配获得的最大性能增益为1.5dB。由于功率分配方法与信道编码是独立的，根据未编码系统求得的最优功率因子可直接应用于编码系统。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果包括如下几方面：

1.本发明实施例提出了一种适用于单天线移动终端的中继传输系统架构，利用固定中继或用户协作传输机制实现有效的天线共享，为用户终端形成一个虚拟的天线阵列，克服用户终端复杂度以及尺寸大小的限制，同时可以克服无线信道的衰落特性，获得分集增益，提高无线网络的覆盖率和容量，更好地保证不同种类业务的服务质量(QoS)需求，增强无线系统的各项性能指标；

2.本发明实施例提出了一种适用于该中继传输系统架构的主动式协作用户选择方法，使蜂窝通信网络中的用户在上行信道信噪比低于设定的信噪比门限时，基站可自动指派固定中继或上行信道信噪比高的用户为上述用户提供中继服务，从而在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低用户终端实现复杂度；

3.本发明实施例提出了一种适用于固定中继传输系统的协作通信和功率分配方法，利用信道编码与自适应功率控制技术，使协作传输自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换。通过对用户终端和中继终端间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，还使有限的无限资源得到了有效的利用；

4.本发明实施例提出了一种适用于用户协作传输系统的协作通信和功率分配方法，利用自适应信道编码和二维调制技术，使用户可以在发送本地数据的同时转发伙伴的数据，协作时不需要扩展系统带宽，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，降低了系统复杂度，性能代价比高，具有较强的实用性。另一方面，将信道编码与自适应功率控制相结合，协作传输可以自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换。通过对本地和中继信息间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，还使有限的无限资源得到了有效的利用。

综上所述，统一的中继传输系统架构、主动式协作用户选择方案、固定中继传输方案和用户协作传输方案使得多用户环境下的单天线终端按照一定方式享用系统资源，形成虚拟的多天线发射机以获得发射分集增益。该协作通信方法是一种低成本高效的无线资源分配解决方案，不仅可以有效地提高小区边缘地带用户的网络覆盖率与用户Qos需求；而且，在低实现复杂度条件下，为多天线MIMO技术走向实用化提供了一条新的实现途径，极有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

以下介绍本发明一种中继系统中实现主动式用户终端选择的基站实施例，图示出了该基站实施例的框图，如图32所示，该基站包括：

查找单元321，用于查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；

指派单元322，用于将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

优选地，所述上行链路无法满足业务服务质量要求包括：

上行信道信噪比低于设定信噪比门限。

优选地，所述与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求包括：

用户终端与给定中继之间的信道信噪比高于设定信噪比门限。

优选地，所述查找单元在具有相同优先级的用户终端中进行所述查找；或，在具有不同优先级的用户终端中按照优先级由高到低的顺序依次进行所述查找。

优选地，所述基站还可以如图33所示，还包括选择单元323，用于：

当所述查找单元321没有查找到上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端，则选择单元选择直接传输链路信噪比低于选定门限，且直接传输链路与中继链路信噪比乘积最大的用户终端作为所述满足预定要求的用户终端。

以下介绍本发明一种中继系统中实现协作通信的中继实施例，图34示出了该中继实施例的框图，如图34所示，该中继包括：

接收单元341，用于接收用户终端发来的信息；

译码判断单元342，用于对接收信息译码并判断译码是否正确；

重发单元343，如果译码判断单元对所述接收信息译码正确时，用于重发该信息至目的端。

优选地，所述中继还可以如图35所示，还包括静默单元344，如果译码判断单元对接收信息译码错误，用于保持所述重发单元343静默。

优选地，所述译码判断单元根据接收信息的信噪比大小或者循环冗余校验来判断对接收信息译码是否正确。

优选地，所述中继还可以如图36所示，还包括功率设定单元345，

当译码判断单元342对接收信息译码正确时，用于设定重发单元343的重发功率为P₂；

其中，用户终端的发射功率P₁与重发单元的发射功率P₂满足P₁+P₂＝P。

优选地，所述中继中，如果所述用户终端发来的信息是经过信道编码后的数据，则相应地，所述重发单元重发的信息为将用户终端发来的信息替换成的相应的信息校验位。

优选地，所述中继中，所述用户终端发来的信息经过信道编码后的数据，包括采用卷积码或低密度奇偶校验码LDPC编码。

以下介绍本发明一种中继系统中实现功率分配的目的端实施例，图37示出了该目的端实施例的框图，如图37所示，该目的端包括：

判决变量确定单元371，采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

信噪比计算单元372，计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

功率值计算单元373，计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂得到使上述所述系统性能最优时的P₁和P₂。

优选地，所述系统性能包括信道容量，中断概率，误符号率和误帧率。

优选地，所述目的端还可以如图38所示，还包括反馈单元374，用于通过控制信道分别反馈P₁和P₂至用户终端和中继。

优选地，所述判决变量由下式决定：

$\tilde{S}=\frac{\sqrt{P_1}{h}_{s,d}^{*}}{N_0}{y}_{s,d}+\frac{\sqrt{{\tilde{P}}_2}{h}_{r,d}^{*}}{N_0}{y}_{r,d}$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，y_s，d是目的终端接收到来自发送终端的数据，y_r，d是目的终端接收到中继终端的数据，(·)^*表示取共轭操作，N₀为SNR噪声方差。

优选地，所述目的端接收信息的SNR由下式决定：

$\mathrm{\γ}=\frac{P_1{\left|h_{s,d}\right|}^2{+\tilde{P}}_2{\left|h_{r,d}\right|}^2}{N_0}$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，N₀为信噪比噪声方差。

以下介绍本发明一种用户协作中继传输系统实施例，图39示出了该系统实施例的框图，如图39所示，该系统包括用户终端A和用户终端B，且：

在阶段1，用户终端A发送数据至用户终端B和目的端；用户终端A发送的数据包括本地数据和上一次协作传输中对用户终端B数据的估值；

在阶段2，用户终端B发送数据至用户终端A和目的端；用户终端B发送的数据包括本地数据和上一次协作传输中对用户终端A数据的估值。

优选地，所述系统中，所述用户终端A分别以功率1-β²和β²本地数据S_A(k)和上一次协作传输中对用户终端B数据的估值

其中β是功率因子，且0＜β²≤0.5。

优选地，所述系统中，所述用户B分别以功率1-β²和β²本地数据S_A(k)和上一次协作传输中对用户终端A数据的估值其中β是功率因子，且0＜β²≤0.5。

以下介绍本发明一种信道编码协作系统中用户协作通信系统实施例，该系统包括用户终端A和用户终端B，且：

在协作传输的第一帧内，用户终端A对本地数据编码并调制到I路同相分量后，发送至所述目的终端和用户终端B；

在协作传输的偶数帧2k内(k≥1)，用户终端B对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的用户终端A发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；用户终端B根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和用户终端A；

在协作传输的第奇数帧2k-1内(k≥1)，用户终端A对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的用户终端B发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；用户终端A根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和用户终端B；

协作传输的最后一帧内，用户终端A或B发送数据，包括：

用户终端A从接收的用户终端B发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；用户终端A根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端；或，

用户终端B从接收的用户终端A发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；用户终端B根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端。

优选地，所述系统中，所述用户终端A和用户终端B分别都对本地数据编码进行循环冗余校验CRC编码和信道编码。

优选地，所述系统中，所述提取I路信号并进行信道解码包括：

提取I路信号并按照与伙伴约定的解码方式进行信道解码。

优选地，所述系统中，所述用户终端A和用户终端B根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送，包括：

如果对解码的伙伴数据的校验结果为正确，则将Q路信号的功率置为目的端分配的功率，否则置为0；

发送功率合并后的Q路信号和I路信号。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

Claims (22)

1.一种中继系统中主动式用户终端选择方法，其特征在于，包括：

查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；

将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上行链路无法满足业务服务质量要求包括：

上行信道信噪比低于设定信噪比门限。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求包括：

用户终端与给定中继之间的信道信噪比高于设定信噪比门限。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述查找包括：

在具有相同优先级的用户终端中查找；或，

在具有不同优先级的用户终端中按照优先级由高到低的顺序依次查找。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果没有查找到上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端，则选择直接传输链路信噪比低于选定门限，且直接传输链路与中继链路信噪比乘积最大的用户终端作为所述满足预定要求的用户终端。

6.一种中继系统中的协作通信方法，其特征在于，包括：

中继接收用户终端发来的信息；

中继如果对接收信息译码正确，则重发该信息至基站。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，中继根据接收信息的信噪比大小或者循环冗余校验来判断对接收信息译码是否正确。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用户终端的发射功率P₁与中继发射功率P₂满足P₁+P₂＝P，中继对接收信息译码正确时中继重发功率设置为P₂，否则设置为0。

9.一种中继系统中的功率分配方法，其特征在于，包括：

基站采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

基站计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

基站计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂得到使上述所述系统性能最优时的P₁和P₂。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法之后还包括：

基站通过控制信道分别反馈P₁和P₂至用户终端和中继。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述判决变量由下式决定：

$\tilde{S}=\frac{\sqrt{P_1}{h}_{s,d}^{*}}{N_0}{y}_{s,d}+\frac{\sqrt{{\tilde{P}}_2}{h}_{r,d}^{*}}{N_0}{y}_{r,d}$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，y_s，d是目的终端接收到来自发送终端的数据，y_r，d是目的终端接收到中继终端的数据，(·)^*表示取共轭操作，N₀为SNR噪声方差。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基站接收信息的SNR由下式决定：

$\mathrm{\γ}=\frac{P_1{\left|h_{s,d}\right|}^2{+\tilde{P}}_2{\left|h_{r,d}\right|}^2}{N_0}$

其中，P₁和

分别为用户和中继端的功率，h_s，d是发送终端到目的终端的信道，h_r，d是中继终端到目的终端的信道，N₀为信噪比噪声方差。

13.一种用户协作中继传输系统中的协作通信方法，其特征在于，包括：

第一用户终端发送数据至第二用户终端和基站；第一用户终端发送的数据包括本地数据和上一次协作传输中对第二用户终端数据的估值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一用户终端分别以功率1-β²和β²本地数据S_A(k)和上一次协作传输中对第二用户终端数据的估值

其中β是功率因子，且0＜β²≤0.5。

15.一种信道编码协作系统中用户协作通信方法，其特征在于，包括：

在协作传输的第一帧内，第一用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量后，发送至所述目的终端和第二用户终端；

在协作传输的偶数帧2k内(k≥1)，第二用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的第一用户终端发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第二用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和第一用户终端；

在协作传输的第奇数帧2k-1内(k≥1)，第一用户终端对本地数据编码并调制到I路同相分量，并从接收的第二用户终端发来的信号中提取I路信号并进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第一用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送至所述目的终端发送和第二用户终端；

协作传输的最后一帧内，第一用户终端或B发送数据，包括：

第一用户终端从接收的第二用户终端发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第一用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端；或，

第二用户终端从接收的第一用户终端发来的信号中提取I路信号进行信道解码，解码后的数据重新进行编码并调制到Q路正交分量；第二用户终端根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号功率分配后发送至所述目的终端。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述根据对解码的伙伴数据进行正确性校验的结果，对Q路信号和I路信号进行功率分配并合并后发送，包括：

如果对解码的伙伴数据的校验结果为正确，则将Q路信号的功率置为基站分配的功率，否则置为0；

发送功率合并后的Q路信号和I路信号。

17.一种中继系统中实现主动式用户终端选择的基站，其特征在于，包括：

查找单元，用于查找上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端；

指派单元，用于将找到的满足预定要求的用户终端指派为所述指定中继的用户终端。

18.如权利要求17所述的基站，其特征在于，还包括选择单元，用于：

当所述查找单元没有查找到上行链路无法满足业务服务质量要求，且与指定中继之间的链路可以满足业务服务质量要求的用户终端，则选择单元选择直接传输链路信噪比低于选定门限，且直接传输链路与中继链路信噪比乘积最大的用户终端作为所述满足预定要求的用户终端。

19.一种中继系统中实现协作通信的中继，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收用户终端发来的信息；

译码判断单元，用于对接收信息译码并判断译码是否正确；

重发单元，如果译码判断单元对所述接收信息译码正确时，用于重发该信息至基站。

20.如权利要求19所述的中继，其特征在于，还包括功率设定单元，

当译码判断单元对接收信息译码正确时，用于设定重发单元的重发功率为P₂；

其中，用户终端的发射功率P₁与重发单元的发射功率P₂满足P₁+P₂＝P。

21.一种中继系统中实现功率分配的基站，其特征在于，包括：

判决变量确定单元，采用最大比合并对用户终端发送的信息和中继发送的信息进行合并，得到判决变量；判决变量为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

信噪比计算单元，计算接收信息的信噪比，所述接收信息的信噪比为关于用户终端功率P₁和中继功率P₂的函数；

功率值计算单元，计算接收信息的信噪比得到系统性能，以该系统性能最大为优化准则，并以P₁和P₂满足总功率限制为前提，计算用户的发射功率P₁和中继的发射功率P₂，通过遍历选择P₁和P₂得到使上述所述系统性能最优时的P₁和P₂。

22.如权利要求21所述的基站，其特征在于，还包括反馈单元，用于通过控制信道分别反馈P₁和P₂至用户终端和中继。

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