CN102111209A - 一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法 - Google Patents

Abstract

一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，属于无线通信领域。该系统包括信源节点、中继节点和目的节点。本发明方法通过距离信息来表征信道状态，在通信节点都静止的情况下只需发送一次控制帧来确定各节点间的距离以及信道场景，从而节省了用于发送控制信息的开销，提高了系统吞吐量；由于不需要交换瞬时状态信息，亦可节省用于空闲侦听、控制报文开销的无效功耗，从而降低了节点功耗、延长了工作时间；本发明在中继节点引入了自适应中继协议转换方法，最大限度地减小了协作超宽带系统的误比特率，提高了系统性能。

Description

一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法

技术领域

本发明涉及一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，属于无线通信领域。

背景技术

超宽带技术使用持续时间极短的脉冲来传送信号，这一技术起初在上世纪60年代用于雷达领域，在1990年美国国防部高级计划局才开始使用超宽带这一术语。相比于其他的无线通信系统，超宽带通信系统具有许多优点，如能量消耗低、对现存的其他无线通系统干扰小、高的数据传输速率以及精确的时间分辨率。由于上述种种原因，超宽带被认为是未来无线个域网通信最具有竞争力的技术。

协作通信的思想打破了MIMO系统天线数目、终端体积的局限性，通过共享各协作终端天线及其他资源来创造一个虚拟MIMO系统，进而进行分布式的数据传输和信号处理。采用协作通信技术较传统通信可以提高服务通信质量、扩展覆盖范围、提高链路的可靠性。将协作通信的思想引入到超宽带系统，可以在低功耗的基础上扩展覆盖范围，实现高速通信。

对于协作通信网络中的中继方案研究一直是一个热点。Bletsas首先将MAC层的机会中继选择与物理层的协作分集相结合，提出了一种基于网络路径选择的协作分集方案。该方案在MAC层中通过机会中继选择，选取最佳中继实现协作分集。大多数现存的中继选择方案均采用了基于优先级的退避计时器机制(Priority-based Backoff Timer，PBT)，在PBT机制中，信源发送请求发送(Request To Send，RTS)帧，当中继节点接收到来自目的节点的清除发送(Clear To Send，CTS)帧之后，便设置一个与链路质量成反比的本地计时器，然后中继节点开始监听信道准备接收信息。当计时器完毕时便发送一个标志信息通知其他中继节点进行规避。在PBT机制当中，中继链路的质量是信源节点到中继节点、中继节点到目的节点信道质量的函数(最小值或者平均)，能够最大化中继链路质量的节点将被选为中继节点。但这种PBT机制并不适用于协作超宽带通信系统，因为超宽带系统的发射功率低、接收机结构复杂，过多的控制包开销会影响系统的性能，降低系统有效性。众所周知，由于使用纳秒级的窄脉冲，超宽带系统对于小尺度衰落具有一定的鲁棒性，加之在协作超宽带通信系统中我们可以引入分集来对抗多径衰落，所以协作超宽带通信系统对小尺度衰落具有很好的鲁棒性。另外，超宽带系统具有良好的测距性能。已有人针对以上超宽带系统的特性设计出了高吞吐量的中继选择方案。中继节点的选择对于整个协作网络的性能会产生影响，但是通过仿真分析我们发现，中继节点采用不同的中继协议同样会对系统性能产生重要影响。目前来看，尚无人有针对性地研究联合MAC层和物理层的协作超宽带通信系统优化问题以及对应中继方法。

公开号为CN101800567，名称为“协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法”的发明专利提出了一种转发时隙分配方法，可以有效保证在均值附近的信道增益对应的转发时隙得到有效的区分，降低了中继转发信号在接收端的冲突概率，进而可以快速地选择一个有效的中继节点转发信息，保证了协作超宽带通信系统的性能增益。该专利具有一定的优点，但其没有改变传统中继选择方法中控制包开销过多的问题，不能有效改善系统吞吐量，并且未涉及中继选择与协议转换的联合优化。

发明内容

针对现有技术所存在的却陷和不足，本发明提供了一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，以实现MAC层中继节点选择与物理层中继协议转换的联合优化。

本发明的技术方案如下：

一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，由以下系统实现，该系统包括单信源节点、多中继节点、单目的节点，其中信源节点配置单天线，并通过无线信道向中继节点和目的节点广播信号；中继节点接收到来自于信源节点的信号之后，根据已经提前获得的链路信息选择使中继链路误比特率性能最好的中继协说然后通过其天线将信号发送至目的节点；目的节点收到的信号来自于信源节点的直传链路和中继节点的中继传输，该中继方法的具体步骤如下：

A、协作超宽带通信系统准备开始工作；

B、信源节点及中继节点利用自身高精度的物理层测距能力分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，并鉴别信道场景(LOS或者NLOS)；

C、确定各中继节点到信源节点和目的节点间的距离以及信道场景(LOS或者NLOS)后，利用距离信息分别计算直传链路与中继链路的误比特率；第i条中继链路的误比特概率可以近似表示为P_b(d_i1，d_i2)＝1-(1-BER(d_i1，γ))(1-BER(d_i2，γ))，其中d_i1、d_i2分别为第i条中继链路第一跳和第二跳的传输距离，γ表示特定信道场景(LOS或者NLOS)下的路径损耗指数，链路任一跳的误比特率为

(由于UWB脉冲对小尺度衰落的不敏感性，我们可仅考虑信道路径损失)，erfc[]为互补误差函数，E_p为发送脉冲的能量N_s为每一比特的重复次数N₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度ζ(δ)表示单极性脉冲的自相关函数，α(d，γ)＝A₁d^γ为信道增益，d表示两个通信节点间的距离，A1表示在1m处的路径损耗，γ表示在特定信道场景(LOS或者NLOS)下的路径损耗指数；直传链路的误比特率可表示为BER(d_sd，γ)，其中d_sd表示直传链路的距离；

D、比较计算得到的直传链路误比特率BER(d_sd，γ)和每条中继链路的近似误比特概率P_b(d_i1，d_i2)，以最小化误比特率为目标来判断选用直传链路还是中继链路；

E、如果在步骤D的判断结果是直传链路的误比特率小于各条中继链路的，则使用信源节点与目的节点之间的直接链路传输信息，所有的中继节点进行退避；

F、如果比较的结果是某条中继链路的误比特率小于直传链路的误比特率，则使用该误比特率最小的中继链路辅助信源节点传输信息，其他中继节点进行退避，选定的中继节点根据位置信息和信道场景(LOS或者NLOS)分别计算采用AF协议和DF协议时的误比特率：

①采用AF协议时，

其中P_bAF表示采用AF中继协议时的误比特率，SNR表示整体链路的信噪比，其表达式如下：SNR＝min{SNR(d₁，γ)，SNR(d₂，γ)}，其中SNR(d₁，γ)、SNR(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的信噪比，SNR进一步可由下式表示：

信道增益α与距离d和γ的关系、E_p、N_s、ζ(δ)、N₀参数的含义表示与步骤C相同；

②采用DF协议时，P_bDF＝1-(1-BER(d₁，γ))(1-BER(d₂，γ))，其中P_bDF表示采用DF中继协议时的误比特率，BER(d₁，γ)、BER(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的比特错误概率，BER与d和γ的关系表示与步骤C相同；

G、比较AF中继协议和DF中继协议下的误比特率，以最小化误比特率为目标判断使用AF中继协议或DF中继协议；

H、如果比较结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率小于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用AF中继协议；

I、如果比较的结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率大于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用DF中继协议；

J、根据上面确定的通信链路及协作方式，信源节点开始发送信息帧；如果使用直接链路传输，则信源节点连续发送信息帧；如果使用中继辅助信源节点进行信息传输，则在帧结构中要提供一中继帧用于中继节点发送信息到目的节点；

K、判断信源节点和中继节点是否已到达更新控制信息的时刻(预先设定在动态场景下的更新间隔是1秒，在静态场景下趋于无穷)，如果已经达到，则转入步骤B，否则转入步骤J；

L、当信息发送结束时，通信完毕。

上述步骤B中分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，测量方法具体如下：

(1)测距发起端(信源节点或中继节点)在t₀时刻发送测距脉冲；

(2)测距响应端(各潜在中继节点或目的节点)在不同时刻接收到测距脉冲，记录接收时刻t₀+τ并对接收到的测距脉冲进行处理，处理的主要内容即提取直接路径分量以及从测距脉冲信号中截取特征参量进行信道场景(LOS或者NLOS)的鉴别；

(3)处理完毕后在t₀+τ+Δ时刻将测距脉冲转发回测距发起端，其中τ为测距脉冲由发起端至响应端所用时间，Δ为响应端进行数据处理的时间；

(4)在t₀+τ+Δ+τ时刻，测距发起端接收到来自响应端的测距脉冲，传输距离d＝τ*V_s，其中V_s为无线电波的传播速度，至此完成了一次测距过程。

本发明中继方法的优点如下：

1、本发明改变了协作通信中继选择过程中中继用户终端利用媒体接入控制层的RTS帧和CTS帧来估计信道状态信息的做法，充分利用了超宽带信号精确分辨率带来的优良的测距特性以及对小尺度衰落的不敏感性，通过距离信息来表征信道状态，在通信节点都静止的情况下只需要发送一次控制帧来确定各个节点之间的距离以及信道场景(LOS或者NLOS)，节省了用于发送控制信息的开销，提高了系统的吞吐量。

2、本发明由于不需要交换瞬时状态信息，从而节省了用于空闲侦听、控制报文开销的无效功耗，降低了通信节点的功耗、延长了通信时间。

3、本发明在中继节点引入了自适应中继协议转换方法，最大限度的减小了协作超宽带通信系统的误比特概率，提高了系统性能。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图，其中：1、信源节点；2、中继节点(…表示中继节点集)；3、目的节点。

图2是本发明中继方法的流程框图：其中A-L为其各个步骤。

图3是本发明中继方法步骤B中测距方法的流程框图，其中(1)-(4)为其各个步骤。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1-2所示，一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，由以下几部分来实现，包括信源节点1、中继节点2、目的节点3，其中信源节点1配置单根天线通过无线信道向中继节点2和目的节点3广播信号；中继节点2接收到来自于信源节点1的信号之后，根据已经提前获得的链路信息选择使中继链路误比特率性能最好的中继协议，然后通过天线将信号发送至目的节点3；目的节点3收到的信号来自于信源节点1的直接链路信号或者是来自于中继节点2的中继信号，该中继方法的具体步骤如下：

A、协作超宽带通信系统准备开始工作；

B、信源节点及中继节点利用自身高精度的物理层测距能力分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，并鉴别信道场景(LOS或者NLOS)；

C、确定各中继节点到信源节点和目的节点间的距离以及信道场景(LOS或者NLOS)后，利用距离信息分别计算直传链路与中继链路的误比特率；第i条中继链路的误比特概率可以近似表示为P_b(d_i1，d_i2)＝1-(1-BER(d_i1，γ))(1-BER(d_i2，γ))，其中d_i1、d_i2分别为第i条中继链路第一跳和第二跳的传输距离，γ表示特定信道场景(LOS或者NLOS)下的路径损耗指数，链路任一跳的误比特率为(由于UWB脉冲对小尺度衰落的不敏感性，我们可仅考虑信道路径损失)，erfc()为互补误差函数，E_p为发送脉冲的能量N_s为每一比特的重复次数N₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度ζ(δ)表示单极性脉冲的自相关函数，α(d，γ)＝A₁d^γ为信道增益，d表示两个通信节点间的距离，A₁表示在1m处的路径损耗，γ表示在特定信道场景(LOS或者NLOS)下的路径损耗指数；直传链路的误比特率可表示为BER(d_sd，γ)，其中d_sd表示直传链路的距离；

D、比较计算得到的直传链路误比特率BER(d_sd，γ)和每条中继链路的近似误比特概率P_b(d_i1，d_i2)，以最小化误比特率为目标来判断选用直传链路还是中继链路；

E、如果在步骤D的判断结果是直传链路的误比特率小于各条中继链路的误比特率，则使用信源节点与目的节点之间的直接链路传输信息，所有的中继节点进行退避；

F、如果比较的结果是某条中继链路的误比特率小于直传链路的误比特率，则使用该误比特率最小的中继链路辅助信源节点传输信息，其它中继节点退避，选定的中继节点根据位置信息和信道场景(LOS或者NLOS)分别计算采用AF协议和DF协议时的误比特率：

①采用AF协议时，其中P_bAF表示采用AF中继协议时的误比特率，SNR表示整条链路的信噪比，其表达式如下：SNR＝min{SNR(d₁，γ)，SNR(d₂，γ)}，其中SNR(d₁，γ)、SNR(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的信噪比，SNR进一步可由下式表示：

信道增益α与距离d和γ的关系、E_p、N_s、ζ(δ)、N₀参数的含义表示与步骤C相同；

②采用DF协议时，P_bDF＝1-(1-BER(d₁，γ))(1-BER(d₂，γ))，其中P_bDF表示采用DF中继协议时的误比特率，BER(d₁，γ)、BER(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的比特错误概率，BER与d和γ的关系表示与步骤C相同；

G、比较AF中继协议和DF中继协议下的误比特率，以最小化误比特率为目标判断使用AF中继协议或DF中继协议；

H、如果比较结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率小于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用AF中继协议；

I、如果比较的结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率大于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用DF中继协议；

J、根据上面确定的通信链路及协作方式，信源节点开始发送信息帧；如果使用直接链路传输，则信源节点连续发送信息帧；如果使用中继辅助信源节点进行信息传输，则在帧结构中要提供一中继帧用于中继节点发送信息到目的节点；

K、判断信源节点和中继节点是否已到达更新控制信息的时刻(预先设定在动态场景下的更新间隔是1秒，在静态场景下趋于无穷)，如果已经达到，则转入步骤B，否则转入步骤J；

L、当信息发送结束时，通信完毕。

上述步骤B中分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，如图3所示，测量方法具体如下：

(1)测距发起端(信源节点或中继节点)在t₀时刻发送测距脉冲；

(2)测距响应端(各潜在中继节点或目的节点)在不同时刻接收到测距脉冲，记录接收时刻t₀+τ并对接收到的测距脉冲进行处理，处理的主要内容即提取直接路径分量以及从测距脉冲信号中截取特征参量进行信道场景(LOS或者NLOS)的鉴别；

(3)处理完毕后在t₀+τ+Δ时刻将测距脉冲转发回测距发起端，其中τ为测距脉冲由发起端至响应端所用时间，Δ为响应端进行数据处理的时间；

(4)在t₀+τ+Δ+τ时刻，测距发起端接收到来自响应端的测距脉冲，传输距离d＝τ*V_s，其中V_s为无线电波的传播速度，至此完成了一次测距过程。

Claims (2)

1.一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，由以下系统实现，该系统包括单信源节点、多中继节点、单目的节点，所有通信节点均只需配置单天线并具有获取信道信息的能力。信源节点通过无线信道向中继节点和目的节点广播信号；中继节点接收到来自于信源节点的信号后，根据已经获得的链路信息选择使中继链路误比特率性能最好的中继协议，然后通过其天线将信号发送至目的节点；目的节点收到的信号来自于信源节点的直传链路和中继节点的中继传输，该中继方法的具体步骤如下：

A、协作超宽带通信系统准备开始工作；

B、信源节点及中继节点利用自身高精度的超宽带测距能力分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，并鉴别信道场景；

C、确定各中继节点到信源节点和目的节点间的距离以及信道场景(LOS或者NLOS)后，利用距离信息分别计算直传链路与中继链路的误比特率；第i条中继链路的误比特概率可以近似表示为P_b(d_i1，d_i2)＝1-(1-BER(d_i1，γ))(1-BER(d_i2，γ))，其中d_i1、d_i2分别为第i条中继链路第一跳和第二跳的传输距离，γ表示特定信道场景(LOS或者NLOS)下的路径损耗指数，链路任一跳的误比特率为

其中erfc()为互补误差函数，E_p为发送单个脉冲消耗的能量，N_s为每一比特的重复次数，N₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，ζ(δ)表示单极性脉冲的自相关函数，α(d，γ)＝A₁d^γ为信道增益，d表示两通信节点间的距离，A₁表示在1m处的路径损耗，γ表示在特定信道场景下的路径损耗指数；直传链路的误比特率可表示为BER(d_sd，γ)，其中d_sd表示直传链路的距离；

D、比较计算得到的直传链路误比特率BER(d_sd，γ)和每条中继链路的近似误比特概率P_b(d_i1，d_i2)，以最小化误比特率为目标来判断选用直传链路还是中继链路；

E、如果步骤D的判断结果为直传链路误比特率小于各中继链路的误比特率，则使用信源节点与目的节点间的直接链路传输信息，同时所有中继节点进行退避；

F、如果比较结果为某条中继链路的误比特率小于直传链路的误比特率，则使用误比特率最小的中继链路辅助信源节点传输信息，其他中继节点进行退避，选定的中继节点根据位置信息和信道场景分别计算采用放大前向转发协议和译码前向转发协议时的误比特率：

①采用AF协议时，P_b，AF＝erfc(SNR)/2，其中P_b，AF表示采用AF中继协议时的误比特率，SNR表示整条链路的信噪比，其表达式如下：SNR＝min{SNR(d₁，γ)，SNR(d₂，γ)}，其中SNR(d₁，γ)、SNR(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的信噪比，SNR进一步可由下式表示

信道增益α与距离d和γ的关系、E_p、N_s、ζ(δ)、N₀参数的含义表示与步骤C相同；

②采用DF协议时，P_bDF＝1-(1-BER(d₁，γ))(1-BER(d₂，γ))，其中P_bDF表示采用DF中继协议时的误比特率，BER(d₁，γ)、BER(d₂，γ)分别表示第一跳和第二跳链路的比特错误概率，BER与d和γ的关系表示与步骤C相同；

G、比较AF中继协议和DF中继协议下的误比特率，以最小化误比特率为目标判断使用AF中继协议或DF中继协议；

H、如果比较结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率小于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用AF中继协议；

I、如果比较结果为采用AF中继协议时该链路的误比特率大于DF中继协议时的误比特率，则在该中继节点采用DF中继协议；

J、根据上面确定的通信链路及协作方式，信源节点开始发送信息帧；如果使用直接链路传输，则信源节点连续发送信息帧；如果使用中继辅助信源节点进行信息传输，则在帧结构中要提供一中继帧用于中继节点发送信息到目的节点；

K、判断信源节点和中继节点是否已到达更新控制信息的时刻，如果已经达到，则转入步骤B，否则转入步骤J；

L、当信息发送结束时，通信完毕。

2.如权利要求1所述的一种基于窄脉冲的协作超宽带通信系统的中继方法，所述步骤B中分别测量各中继节点到信源节点及目的节点间的距离，测量方法具体如下：

(1)测距发起端在t₀时刻发送测距脉冲；

(2)测距响应端在不同时刻接收到测距脉冲，记录接收时刻t₀+τ并对接收到的测距脉冲进行处理，处理的主要内容即提取直接路径分量以及从测距脉冲信号中截取特征参量进行信道场景的鉴别；

(3)处理完毕后在t₀+τ+Δ时刻将测距脉冲转发回测距发起端，其中τ为测距脉冲由发起端至响应端所用时间，Δ为响应端进行数据处理的时间；

(4)在t₀+τ+Δ+τ时刻，测距发起端接收到来自响应端的测距脉冲，传输距离d＝τ*V_s，其中V_s为无线电波的传播速度，至此完成了一次测距过程。

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