CN102065518A - 迭代增强型放大转发协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种迭代增强型放大转发协作通信方法，主要解决现有协作方法频谱效率低、中断概率偏高的问题。本发明根据目的节点QoS需求，设定目的节点的接收信噪比阈值Γ_th，通信时，目的节点首先将所接收源信号的信噪比与Γ_th比较，如果大于Γ_th，则反馈通知所有中继都不转发，否则，从总的M个中继中选择信噪比较高的前N个中继先转发，每个中继占用一个时隙，目的节点合并源节点和所有转发中继的信号，将接收信号的总信噪比与Γ_th比较，如果大于Γ_th，则反馈通知没有转发的中继都不转发，否则，当N个中继都转发完后，如果目的节点接收的信噪比仍小于Γ_th，则通知剩下的M-N个中继一起转发。本发明能降低AF协作系统的中断概率，提高频谱效率。

Description

迭代增强型放大转发协作通信方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及迭代增强型放大转发AF协作通信方法，可用于降低多中继AF协作系统的中断概率，提高其频谱效率。

背景技术

多天线技术能够很大程度地改善无线通信系统的容量以及可靠性。近年来，由单天线用户通过相互协作形成虚拟天线阵的协作通信技术，作为多天线技术的延伸，引起了各界的广泛关注。在移动通信系统中，各单天线移动终端，通过相互协作，即可获得类似多天线技术中的分集增益，在不增加终端成本的前提下，提高了通信的可靠性，因此协作通信技术在将来的4G移动通信系统中有很好的应用前景：在蜂窝网、ad-hoc、无线传感器等网络中，协作通信技术能够提高系统资源分配的公平性，减少系统的总功率损耗，改善通信链路的稳定性，并提高网络的吞吐量。

最初关于协作分集的研究都主要集中在单中继的情形下，但是随着研究的深入，由于多中继可以大大的增加协作系统的分集增益，而且可以满足更高的服务质量QoS需求，因此受到越来越多的关注。目前在常用的多中继情形下，源和所有的中继节点一般采用时分或者是频分的方式来分配正交信道，不论目的节点的性能如何，所有的中继节点都参与协作，在一个有M个中继节点的系统中发送一个符号需要占用(M+1)个信道，目的节点采用最大比合并MRC源和所有中继节点的信号。在该方式下，虽然多中继协作系统可以获得和中继个数成正比的分集阶数，但是牺牲了频谱效率。

针对协作系统频谱效率低这个问题，目前常用的解决方法是非正交AF协作NAF或者采用增强型中继，在中继转发过程中同时考虑目的节点的接收性能，如果目的节点接收信噪比SNR已经达到QoS需求，其它的中继节点就不再转发。对于增强型多中继协作系统目前常用的方法有迭代方法：所有的中继节点按照任意的顺序转发，直到目的节点的SNR满足条件。NAF方法频谱效率较高，但是中断概率性能不理想，而迭代方法在高SNR下可以保证在提高频谱效率的同时获得较低的中断概率，但是在低SNR下其频谱效率仍然较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种迭代增强型放大转发协作通信方法，以实现在满足目的节点QoS的情况下，降低系统中断概率，提高频谱效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)根据网络规划要求，为源节点分配M个中继节点；

(2)根据演进的分组系统EPS承载所规定的每一种业务所对应的误码率的最低值，计算目的节点接收信噪比SNR的阈值Γ_th；

(3)源节点以功率P_s广播要发送的信号，所有的中继节点和目的节点同时独立地完成源信号的接收；

(4)目的节点对各个中继节点按照SNR的大小从高到低进行排序，并从M个中继节点中按照SNR的大小选择出前N个中继节点，1≤N≤M，M为中继节点的总个数；

(5)目的节点将所接收源信号的SNR与阈值Γ_th进行比较，如果SNR大于阈值Γ_th，则反馈通知所有中继节点都不用转发，否则，初始化转发中继节点的编号k为0，进行步骤(6)；

(6)中继节点进行以下迭代转发步骤：

(6a)令k′＝k+1，k′＝1，2，...，M；

(6b)如果k′≤N，则通知第k′个中继节点R_k′采用AF协作方式，以功率P_k′转发源信号，进行步骤(6d)，否则，进行步骤(6c)；

(6c)如果N＜k′＜M，则通知中继节点R_N+1，R_N+2，L，R_M一起转发源信号，令k′＝M，进行步骤(6d)，否则结束迭代步骤；

(6d)目的节点对从源节点接收的信号和从转发中继节点接收的信号采用最大比MRC合并，计算其总的接收SNR，并与阈值Γ_th进行比较，如果总的接收SNR大于阈值Γ_th，则反馈通知所有没有转发的中继节点都不转发，否则返回步骤(6a)-(6d)，直到所有中继都转发完毕。

本发明由于在考虑目的节点QoS需求的条件下，首先让M个中继节点中SNR较大的前N个中继节点迭代转发，因为这些中继节点SNR较大，所以降低了系统达到QoS需求所需的时隙数；同时由于考虑中继节点的信道条件较差的因素，采用中继节点R_N+1，R_N+2，L，R_M一起转发的方式，故降低了转发源信号所需的时隙数，而且没有损失太多的SNR。

仿真结果表明，本发明可以降低目的节点达到QoS所需的时隙数，提高了系统的中断概率；时隙数的降低表明发送一个符号所需要的时间降低，而频谱效率表征的是单位时间内系统能传输的比特数，所以时隙数的降低相当于提高了系统的频谱效率。

附图说明

图1是现有多中继AF协作系统通信模型图；

图2是本发明迭代增强型多中继AF协作流程图；

图3是本发明与现有几种多中继AF协作方法的中断概率性能仿真比较图；

图4是本发明与现有几种多中继AF协作方法发送一个符号所需时隙数仿真比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明采用的多中继AF协作通信系统模型如图1所示。其中S为源节点，D为目的节点，为源节点S分配了M个中继节点，所有节点都是单天线。下面给出一个具体的多中继AF协作系统的通信参数设置，来阐述本发明的实现步骤，需要说明的是，下例中的参数并不影响本发明的一般性。

参照图2，本实施例的操作步骤如下：

步骤1，根据网络规划要求，为源节点分配M个中继节点。

从距离源节点S较近的节点中任意选择M＝5个节点，作为源节点S的中继节点；设源节点S到这5个中继节点的信道衰落系数h_k分别服从均值为0，方差

为{1，0.9，0.8，1.1，1.2}的复高斯分布；5个中继节点到目的节点的信道衰落系数g_k分别服从均值为0，方差为{0.9，0.9，1，1，1}的复高斯分布；设所有节点的噪声均为方差N₀＝1的零均值高斯白噪声。

步骤2，根据演进的分组系统EPS承载所规定的每一种业务所对应的误码率的最低值，计算目的节点接收信噪比SNR的阈值Γ_th。

演进的分组系统EPS承载中都会首先给出每一种业务对应的误码率的最低值，误码率和目的节点接收信噪比存在一个理论值对应关系，根据误码率的最低值查找该理论值对应关系即可得到一个信噪比值，该信噪比值即为阈值。比如传输图像时，EPS给出最低误码率为2×10^-4，如果采用QPSK的调制方式，那么查找其理论值对应关系即可得目的节点的接收SNR的阈值为Γ_th＝10dB。

步骤3，源节点以功率P_s广播源信息，目的节点和5个中继节点分别独立的接收源节点广播的信息。

源节点的发送功率P_s根据自身的设备性能来决定，本实施例中P_s选择范围为0～20dB。

步骤4，目的节点对各个中继节点按照SNR的大小从高到低进行排序。

设每个中继节点的转发功率P_k′和源节点的发送功率P_s相同，即P_k′＝P_s。根据源节点到中继节点的信道系数h_sk′，中继节点到目的节点的信道系数h_k′d，目的节点计算每个中继节点所对应的信噪比的值：

并根据γ_k′值的大小，目的节点对所有的中继节点进行排序，编号为R₁，R₂，R₃，R₄，R₅；

从这5个中继节点中按照SNR的大小选择出前N个中继节点R₁，R₂，L，R_N，1≤N≤M，这N个中继节点在转发时各自占用一个时隙，中继节点R_N+1，R_N+2，L，R_M一起转发，占用相同的时隙。在本实施例中取N＝2，表示SNR较高的R₁，R₂中继节点在转发时，每个中继节点各自占用一个时隙，而中继节点R₃，R₄，R₅在转发时，占用相同的时隙。

步骤5，根据目的节点接收的SNR确定中继节点的转发。

目的节点接收到源节点的信号之后，首先计算其接收的SNR，再将其SNR与阈值Γ_th进行比较，如果其SNR大于阈值Γ_th，则目的节点采用1bit信息反馈通知所有的中继节点都不需要转发，这样下一个时隙就可以用来传输新的信息，节省了频带，提高了频谱效率，反馈的1bit信息中用1来表示发送，0表示不发送；如果目的节点所得的SNR小于阈值Γ_th，则初始化转发中继节点的编号k为0，执行步骤(6)；

步骤6，中继节点采用排序迭代的方式转发，首先将转发中继节点数的编号值加1，即k′＝k+1，再判断转发中继节点编号值k′的大小：

如果k′≤2，则目的节点通过1bit信息反馈通知中继节点R_k′采用AF协作方式，以功率P_s转发源信号，然后执行步骤7，

如果2＜k′＜M，则目的节点通过1bit信息反馈通知中继节点R₃，R₄，R₅以功率P_s一起转发源信号，将转发中继节点的编号赋值为M，k′＝M，然后执行步骤7；

步骤7，目的节点最大比合并源节点信号和所有转发中继节点的信号，将每次接收到的信号的SNR相加得到总的接收SNR，并将其总的接收SNR与阈值Γ_th进行比较，如果总的接收SNR大于阈值Γ_th，则反馈通知所有没有转发的中继节点都不转发，否则返回步骤6，直到所有中继节点都转发完毕。

本发明的优点可以通过以下仿真进一步的说明：

1)仿真条件：

为源节点分配的中继个数总数为M＝5；所有信道为平坦瑞利衰落信道，所有信道系数的均值均为0，源节点到目的节点的信道系数方差为1，源节点到中继节点的信道系数方差为{1，0.9，0.8，1.1，1.2}，中继节点到目的节点的信道系数方差为{0.9，0.9，1，1，1}；所有节点的噪声都为方差N₀＝1的零均值高斯白噪声。

源节点和目的节点的发送功率相同，P_k′＝P_s，取值范围为0～20dB。

目的节点的SNR阈值Γ_th＝10dB，5个中继节点中取前两个SNR较大的中继节点在转发时各自占用一个时隙，即N＝2。系统频谱效率取值为r＝1bit/s/Hz。

2)仿真内容与结果：

A.对本发明和现有的三种协作通信方法在上述仿真条件下的中断概率性能进行仿真比较，仿真如附图3所示。

现有的三种协作通信方法为：(a)不考虑目的节点QoS需求，所有中继节点依次转发，直到所有中继都转发完毕，简称顺序转发方法；(b)考虑目的节点QoS需求，所有的中继节点按照任意的次序迭代转发，直到目的节点满足QoS需求，或者是所有中继都转发完毕，简称简单迭代转发方法；(c)不考虑目的节点QoS需求，所有中继节点一起转发，简称同时转发方法。

B.对本发明和现有的三种协作通信方法在上述仿真条件下发送一个符号所需要的平均时隙数进行了仿真比较，仿真如附图4所示。

从附图3可看出，在整个SNR上，本发明的中断概率低于现有的顺序转发方法和简单迭代转发方法。在中高SNR上，本发明的中断概率低于现有的同时转发方法。

从附图4可看出，在整个SNR上，本发明发送一个符号所需要的时隙数低于顺序转发方法和简单的迭代转发方法，在中高SNR上，本发明发送一个符号所需要的时隙数低于同时转发方法，而频谱效率表征的是单位时间内发送的比特数，因此，时隙数的降低提高了本发明的频谱效率。

Claims (2)

1.一种迭代增强型放大转发协作通信方法，包括如下步骤：

(1)根据网络规划要求，为源节点分配M个中继节点；

(2)根据演进的分组系统EPS承载所规定的每一种业务所对应的误码率的最低值，计算目的节点接收信噪比SNR的阈值Γ_th；

(3)源节点以功率P_s广播要发送的信号，所有的中继节点和目的节点同时独立地完成源信号的接收；

(4)目的节点对各个中继节点按照SNR的大小从高到低进行排序，并从M个中继节点中按照SNR的大小选择出前N个中继节点，1≤N≤M，M为中继节点的总个数；

(5)目的节点将所接收源信号的SNR与阈值Γ_th进行比较，如果SNR大于阈值Γ_th，则反馈通知所有中继节点都不用转发，否则，初始化转发中继节点的编号k为0，进行步骤(6)；

(6)中继节点进行以下迭代转发步骤：

(6a)令k′＝k+1，k′＝1，2，...，M；

(6b)如果k′≤N，则通知第k′个中继节点R_k′采用AF协作方式，以功率P_k′转发源信号，进行步骤(6d)，否则，进行步骤(6c)；

(6c)如果N＜k′＜M，则通知中继节点R_N+1，R_N+2，L，R_M一起转发源信号，令k′＝M，进行步骤(6d)，否则结束迭代步骤；

(6d)目的节点对从源节点接收的信号和从转发中继节点接收的信号采用最大比MRC合并，计算其总的接收SNR，并与阈值Γ_th进行比较，如果总的接收SNR大于阈值Γ_th，则反馈通知所有没有转发的中继节点都不转发，否则返回步骤(6a)-(6d)，直到所有中继节点都转发完毕。

2.根据权利要求1所述的协作通信方法，其中步骤(4)所述的目的节点对各个中继节点按照SNR的大小从高到低进行排序，采用下列任意一种方式进行：

a.根据

的大小对所有中继节点进行排序；

b.根据

的大小对所有中继节点进行排序；

γ_k′表示中继R_k′这条支路在目的节点的信噪比，P_s表示源节点的发送功率，P_k′表示中继节点R_k′的发送功率，N₀表示噪声方差，h_sk′表示源节点到中继节点R_k′的瞬时信道衰落系数，h_k′d表示中继节点R_k′到目的节点的瞬时信道衰落系数。

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