CN102388544A - 中继网络中的分层信号的无线传输 - Google Patents

Abstract

在一描述的实施例中，分层信号的无线传输利用多个中继节点(304)实施合作分集。该方法包括以下步骤：(i)自一源节点(300)接收分层信号，(ii)自一目的节点(302)接收一中继分配参数以与一个或一个以上其它中继节点(304)实施一合作中继策略，及(iii)利用该合作中继策略将该分层信号中继转送到该目的节点(302)。

Description

中继网络中的分层信号的无线传输

发明领域

本发明大体关于中继网络中的分层信号的无线传输，且特定地但并不专指关于利用实施一合作中继策略的多个中继节点来将分层信号自一源节点中继转送到一目的节点的中继网络中的分层信号的无线传输。

发明背景

当今时代对多媒体应用的需求显著提高，诸如视频流及通过无线通讯的网络电视(IPTV)。对于通过这样的无线通讯的传输来说，一固定多媒体基本速率通常不是所期待的，因为无线信道状态比有线链路更起伏不定，且由于服务中断而产生低感知质量。

提高经由一无线网络在一发送器与接收器之间传输多媒体信息的可靠性的一方式是实施一编码技术。编码技术的范例包括多重描述编码(MDC，Multiple Description Coding)及逐次精化编码(SRC，Successive Refinement Coding)。在MDC中，视频信号被以不同源编码速率编码成多个描述。每一描述可被独立地解码，且当正确接收到较多的描述时，可得到一较好质量的视频。在SRC中，视频信号被以不同的源编码速率编码成多层，即基础层及若干增强层。在接收器端，一增强层被解码且逐次精化前几层增强层或基础层中的描述，只要所述前几层被正确地接收到。用于端对端单输入单输出(SISO，Single-Input Single-Output)及多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)系统的一范例分层编码技术在D.Gündüz与E.Erkip所著的“Source andchannel coding for quasi-static fading channels”Proc.Asilomar Conf.onSignals，Systems and Computers，Pacific Grove，CA，2005年11月，第18-22页被揭露。

假定信道状态信息(CSI)在接收器端可得到但在发送器端不能得到，则在一缓慢衰落情况下，一旦一信道处于严重衰落，编码不再有助于提高传输的可靠性。在此等情况下，正常的性能测量成为中断机率(outageprobability)，即为最大支持率低于固定传输率R时的机率。因此，经由无线通讯的分层视频传输的性能度量成为预期的视频失真。因此，最小化预期的视频失真变得越来越重要。

减轻不想要的衰落效应的一可选择改进方式是藉由分集技术的方式，诸如天线分集与合作分集。一天线分集系统在接收器和/或发送器端使用多个天线，与其不同，一合作分集系统使用一中继站而不需要在每一端有多个天线。A.Sendonaris、E.Erkip及B.Aazhang在“Source and channel coding forcooperative relaying”(IEEE Trans.Inf.Theory，第53卷的第10期，第3454-3475页，2007年10月)提出使用由一个源节点、一个中继节点及一个目的节点组成的一系统的合作式源和信道编码。此提案中的合作技术有关于协助源节点及目的节点之间的一直接链路通讯的单一中继节点。

发明概要

概括来讲，本发明利用分层源编码及实施一合作中继策略的多个中继节点来将分层信号自一源节点中继转发到一目的节点。

根据本发明的一第一特定表示，提供了一种操作用于一中继网络中分层信号的无线传输的一中继节点的方法，该方法包含以下步骤：(i)自一源节点接收分层信号，(ii)自一目的节点接收一中继分配参数，用来与一个或一个以上其它中继节点实施一合作中继策略，及(iii)利用该合作中继策略，将所述分层信号中继转送到该目的节点。

通过详细描述中所描述的该提出的方法，分层信号可被利用一合作技术自该源节点中继转送到该目的节点，此合作技术不仅受益于由分层编码所产生的改良的可靠性而且去除对该源节点与该目的节点之间一直接链路的需要。因此，当该源节点与该目的节点之间没有可用的该直接链路时，该多个中继节点提高了覆盖范围(即藉由利用所述多个中继节点的空间分集)且还提高了该目的节点处接收到的视频信号的质量。

该第一特定表示的步骤(ii)可包含接收所述中继节点中的每一中继节点的一发送功率来实施正交放大转发。可选择地或另外地，步骤(ii)可包含接收指示所述中继节点的哪一个应当用来实施选择性中继的一中继索引。进一步可选择地或另外地，步骤(ii)可包含接收所述中继节点中的每一中继节点用来计算它们的发送功率以实施分布式波束形成的值。

有利地，在步骤(iii)之前，该方法包含基于在所述中继节点处可得到的信道状态信息来选择多数个合作中继策略中的一个。例如，如果只有逆向信道状态信息可得到，则正交放大转发或者选择性中继可被选择，而如果每一中继节点的逆向与前向信道状态信息对各个中继节点来说是可得到的，则分布式波束形成可被选择。

根据本发明的一第二特定表示，提供了一种处理一目的节点处接收到的来自多个中继节点的分层信号的方法，所述多个中继节点实施一合作中继策略来中继转送来自一源节点的分层信号，该方法包含以下步骤：(i)自所述接收到的分层信号确定信道状态信息，(ii)确定多数个合作中继策略中的哪一个由所述多个中继节点实施，(iii)利用该信道状态信息确定一中继分配参数来控制由所述多个中继节点实施的该合作中继策略，及(iv)发送该中继分配参数到所述多个中继节点。

该第二特定表示的步骤(iii)可包含计算所述多个中继节点中的每一个中继节点的一发送功率来实施正交放大转发。可选择地或者另外地，步骤(iii)可包含计算指示所述多个中继节点的哪一个应当用来实施选择性中继的一中继索引。进一步可选择地或者另外地，步骤(iii)可包含计算由所述多个中继节点中的每一个中继节点用来计算它们的发送功率以实施分布式波束形成的一值。

有利地，该方法进一步包含以下步骤：(v)确定信道状态信息是否有一变化，及(vi)如果信道状态信息已有一变化，则确定一资源最佳化参数来控制该源节点处的分层信号的产生以便最小化该目的节点处的期望失真值，及(vii)将该资源最佳化参数发送到该源节点。

较佳地，该资源最佳化参数包含一基础层传输速率、一增强层传输速率及以下中的一个：该基础层与增强层的信道分配或者该基础层与增强层的发送功率。在一个实施例中，步骤(vi)包含预先设定该增强层的一中断机率，且自该预先设定的中断机率确定要在该源节点处实施的该基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：信道使用与发送功率，来最小化该目的节点处的期望失真值。

在所述分层信号为渐进式传输信号的情况下，步骤(vi)可进一步包含：(a)以一最小传输速率初始化所述基础层传输速率，(b)自所述预先设定的中断机率与所述基础层传输速率确定所述增强层传输速率，(c)利用已确定的基础层传输速率与增强层传输速率确定多个信道使用，(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及所述多个信道使用确定所述期望失真值，(e)提高所述基础层传输速率，(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述基础层传输速率处在一最大传输速率，及(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率与信道使用中的哪些值导致一最小期望失真值。

在所述分层信号为迭加编码分层信号的情况下，步骤(vi)可进一步包含：(a)以一最小传输速率初始化所述增强层传输速率，(b)利用所述增强层传输速率与预先设定的中断机率确定发送功率，(c)确定所述基础层传输速率，(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率与发送功率确定所述期望失真值，(e)提高所述增强层传输速率，(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述增强层传输速率处在一最大传输速率，及(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率中的哪些值导致一最小期望失真值。

根据本发明的一第三特定表示，提供了一种一中继网络中的分层信号的无线传输的方法，该方法包含以下步骤：(i)将分层信号自一源节点发送到多个中继节点，(ii)利用一合作中继策略，将所述分层信号自所述多个中继节点中继转送到一目的节点，(iii)在该目的节点处接收来自所述多个中继节点的多个中继信号，(iv)由所述接收到多个的分层信号确定表示每一中继节点的一发送功率或表示用在步骤(ii)中的该恰当中继节点的中继分配信息，来最小化所述接收到的多个分层信号的失真值，(v)由所述接收到的多个分层信号确定指示所述源节点的一传输速率、信道使用或发送功率的资源最佳化信息来最小化所述接收到的多个分层信号的失真值，(vi)将所述中继分配信息发送到所述多个中继节点，及(vii)将所述资源最佳化信息发送到所述源节点。

较佳地，步骤(ii)包含实施以下之一：正交放大转发、选择性中继及分布式波束形成。

有利地，所述分层信号包含一基础层及一增强层，且步骤(v)包含预先设定所述增强层的一中断机率及自该预先设定的中断机率确定由所述源节点实施的基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：信道使用与发送功率，来最小化所述目的节点处的期望失真值。

在所述分层信号为渐进式传输信号的情况下，步骤(v)可进一步包含：(a)以一最小传输速率初始化所述基础层传输速率，(b)自所述预先设定的中断机率与所述基础层传输速率确定所述增强层传输速率，(c)利用已确定的基础层传输速率与增强层传输速率确定多个信道使用，(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及信道使用确定期望失真值，(e)提高所述基础层传输速率，(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述基础层传输速率处在一最大传输速率，及(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及信道使用中的哪些值产生一最小期望失真值。

在所述分层信号为迭加编码分层信号的情况下，步骤(v)可进一步包含：(a)以一最小传输速率初始化所述增强层传输速率，(b)利用所述增强层传输速率与预先设定的中断机率确定发送功率，(c)确定所述基础层传输速率，(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率确定期望失真值，(e)提高所述增强层传输速率，(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述增强层传输速率处在一最大传输速率，及(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率的哪些值导致一最小期望失真值。

根据本发明的一第四特定表示，提供了一种用于一中继节点的将分层信号自一源节点发送到一目的节点的集成电路(IC，Integrated Circuit)，该IC包含：一处理单元，其被构造以自源节点接收分层信号、自目的节点接收一中继分配参数以与一个或一个以上其它中继节点实施一合作中继策略及利用该合作中继策略将所述分层信号中继转送到该目的节点。这样一IC可以用在一中继站中。

根据本发明的一第五特定表示，提供了一种用于一目的节点的处理自多个中继节点接收的分层信号的IC，该IC包含：一中继分配处理单元，其被构造以确定由所述多个中继节点实施的合作中继策略、利用自接收到的分层信号导出的信道状态信息确定一中继分配参数以控制所述合作中继策略及将所述中继分配参数发送到所述多个中继节点。这样一IC可用在一通讯装置中。

较佳地，该第五特定表示的该IC进一步包含：一资源最佳化处理单元，其被构造以预先设定所述分层信号的一增强层的一中断机率；根据预先设定的中断机率，确定要由一源节点实施的一基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：信道使用与发送功率，来最小化所述目的节点处的期望失真值；及将所述基础层传输速率、增强层传输速率、以及信道使用与发送功率两者中的一个发送到所述源节点。

还提供了一中继节点，该中继节点被构造以根据本发明的第一特定表示的方法与多数个通讯装置通讯，还提供了一通讯装置，该通讯装置被构造以根据本发明的第二特定表示的方法与一中继节点通讯。

附图简要说明

为了本发明可被完全理解且容易地投入实际应用，将只通过一非限制性举例方式描述一示范性实施例，参考所附说明性图式来对其所作的描述被提供在下面，其中：

图1是具有多个中继节点的一中继网络的一方块图，

图2A与图2B分别是显示渐进式传输及迭加编码的分层视频传输策略的方块图，

图3是说明信息流经由反馈链路自目的节点到源节点和到多个中继节点的一框架的一方块图，

图4是显示当采用正交放大转发方式时反馈信息流自目的节点到多个中继节点的一方块图，

图5是显示当采用选择性中继方式时反馈信息流自目的节点到多个中继节点的一方块图，

图6是显示当采用分布式波束形成方式时反馈信息流自目的节点到多个中继节点的一方块图，

图7是在一信道实现提出的框架期间发生在目的节点处的处理的一流程图，

图8是所揭露的用于渐进式传输的最佳框架的一流程图，

图9是所揭露的用于迭加编码的最佳框架的一流程图，及

图10A与图10B是显示相比于用于SEL方案的竭尽式搜寻，产生于所提出的最佳框架的期望失真值的图式。

较佳实施例的详细说明

本发明的较佳实施例包含用于如图1所示具有多个中继节点R1至RN的一中继网络中的合作无线视频传输的一框架及相应的方法。所述多个中继节点是放大转发(AF)中继且因此在一源节点s与一目的节点d之间执行非再生中继。源节点s与中继节点R1至RN之间的链路是具有一逆向链路信道增益h_s的逆向链路。中继节点R1至RN与目的节点d之间的链路是具有一前向链路信道增益h_d.的前向链路。在下面的详细描述中，假定准确的瞬时逆向及前向链路信道增益h_s与h_d.在源节点s端不能得到，而只能在目的节点d端得到。

源节点s被构造以实施两种不同的分层视频传输策略中的一种：如图2A所说明的渐进式传输及如图2B所说明的迭加编码。在渐进式传输中，层被以不同的速率(R_B和R_E)及信道使用(channel use)(αL和(1-α)L)但相同的发送功率(P_S)发送。在迭加编码中，层被以不同的速率(R_B和R_E)及发送功率(αP_S和(1-α)P_S)但相同的信道使用(L)发送。要明白的是，这样的分层编码技术将源信号编码成具有不同重要性的多个层且解码顺序是固定的使得基础层被解码且如果该基础层被正确解码的话，增强层随后被解码。因此，在本说明书中使用的“分层信号”大体上指的是在较高层具有对其较低层的相依性时。

中继节点R1至RN被构造以藉由一依靠在中继节点可得到的CSI的合作中继策略来实施合作分集。传统的合作分集包含用于提高或最大化总网络信道容量的一合作多重天线技术，其藉由解码一无线网络中的分层信号与直接信号的组合信号来利用用户分集。在本发明中，合作分集主要是从一多中继立场来实施，且因此藉由解码一个中继信号与一个或一个以上其它中继信号的组合信号来实现分集。因此不需要一直接信号(尽管可使用一直接链路，当其可使用时)。因此，在本说明书中，“合作中继策略”及其变体表示一合作技术，其中多个中继节点各被构造以将信号中继转送到一目的节点以便允许来自两个或两个以上中继节点的信号被该目的节点用于合作分集。当然在可使用一直接链路之处，“合作中继策略”包括将来自多个中继节点的信号与该直接链路信号结合使用进行合作分集。

用在该较佳实施例中的三个示范合作中继策略为：正交放大转发(OAF，Orthogonal Amplify-and-Forward)、选择性中继(SEL，Selective Relaying)及分布式波束形成(DBF，Distributed Beamforming)。多个中继节点藉由基于多个合作中继策略中的一个及基于自目的节点d接收到的一中继分配参数将自源节点s接收到的分层信号中继转送到目的节点d而操作。这允许该合作中继策略考虑只在目的节点d得到的CSI。稍后将在本说明书描述多个示范性合作中继策略中的每一个的细节。

参考图3，该图显示了自目的节点302到源节点300和中继节点304的信息流。特定地，目的节点302包括一中继分配单元306与一资源最佳化单元308。中继分配单元306发挥以下作用：确定CSI，且基于正被实施的合作中继策略确定要经由反馈信道310而被发回到多个中继节点304的中继分配参数，以根据该CSI控制该合作中继策略。资源最佳化单元308发挥以下作用：评估该CSI且基于该CSI，评估且经由反馈信道312发送与源节点300处的一视频编解码器要使用的速率、功率及信道使用有关的资源最佳化参数，以便最大化目的节点302处的重建视频的质量。

现在将描述在源节点、多个中继节点与目的节点中的每一节点处执行的方法的一详细解释。

1.0源节点-分层视频传输策略

通常，用来评估目的节点处的接收到的图像/视频信号的常用语为最大信号噪声比(PSNR，Peak Signal-To-Noise Ratio)，其定义为

$\mathrm{PSNR}=10{\log }_{10}\frac{{(2^B-1)}^2}{\mathrm{MSE}},---\left(1\right)$

其中B是每一像素具有的位数目，MSE是该接收到的图像/视频相比于最初的图像/视频之间的均方误差。为简单起见，认为经由一衰落信道传输逐次精化、无记忆的、零平均值、单位方差复数高斯信号源到该目的地。该源向量s＝[s₁，s₂，…，s_K]^T∈C^K与其重建向量之间的单字符平方误差失真定义为

$D(s,\hat{s})=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}d(s_k,{\hat{s}}_k),---\left(2\right)$

其中

且K是源区块(block)长度。相对应的失真率函数由D(R)＝2^-R给定，其中R是以位每符号样本(bits per symbol sample)为单位的源编码率。如果该源样本为像素，则该源端速率单位为位每像素(bits perpixel)。而且，一区块衰落信道模型被认为藉由一有限且固定的相干时间而被参数化，其细节由E.Biglieri、J.Proakis及S.Shamai在“Fading channels：Information-theoretic and communications aspects”(IEEE Trans.Inf.Theory，第44卷，第6期，第2619-2692页，1998年10月)揭露。具体地，该信道被分区成多个平坦衰落区块，其中长度为L的每一区块内的信道衰落系数h是常数。典型地，每一随机信道系数可被模型化为循环对称复数高斯随机变量(r.v.)，即h～CN(0，1)，其中CN(μ，σ²)表示具有平均值μ与方差σ²的一复数循环对称高斯分布。假定实现K个符号样本的源被编码且映射到L个信道使用且接着经由多个衰落区块中的每一个被发送。因此，一频宽扩展因子可定义为

产生一信道码率R/b位每信道使用(bits per channel use)。假定L与K大到足以接近瞬时容量与高斯速率-失真边界。

如早先所强调，在一缓慢衰落情形中，一旦一信道处于严重衰落，编码不再有助于提高传输的可靠度。在此等情况下，正常的性能测量成为中断机率(假定，如先前，正确的CSI在源端不能得到，只在目的端得到)。对于一任意固定传输率为R/b位/信道使用(bits/channel use)来说，中断机率为P(I(h)＜R/b)，其中I(h)是信道h支持的最大速率。

采用一种分层传输方法，视频源被编码成两层，即分别为具有传输速率R_B的基础层与具有传输速率R_E的增强层，藉此只要该基础层被正确接收到，该增强层就逐次精化该基础层中的描述。在下面的描述中，考虑了两种不同的分层视频传输策略(渐进式传输与迭加编码)的细节。

1.1渐进式传输

在渐进式传输中，如图2A所示，L信道使用被分成两部分。基础层以一传输速率R_B在该第一αL信道使用中被发送，其中α是实数且α∈(0，1]。接着，增强层以一传输速率R_E在剩余的信道使用中被发送。

在目的节点，所接收到的视频信号藉由首先解码基础层接着解码出自相关信道使用的增强层而得到。因此，总体预期失真值

由

ε_D＝(1-P_E)D(αbR_B+(1-α)bR_E)+(P_E-P_B)D(αbR_B)+P_B，    (4)

给出，其中D(R)表示与编码速率R相对应的速率失真函数。P_B和P_E分别表示与基础层及多个增强层相关联的中断机率。在基础层中断的情况下，接收器仅输出该源分布的平均值，即一最大的可能失真值。

1.2迭加编码

在迭加编码中，如图2B所示，多个视频层通过迭加一速率R_E下的增强层与一速率R_B下的基础层而被发送。发送功率αP_S和(1-α)P_S分别表示分配给基础层与多个增强层的功率位准，其中P_S表示源功率限制，藉此α∈(0，1]。

在目的地，在完全了解CSI的情况下执行逐次解码。而且，解码顺序是固定的使得接收器将总是藉由假定增强层是噪声而尝试首先解码基础层。之后，藉由首先自接收到的信号移除基础层而解码增强层。因此，总期望失真值(ε_D)由下式给出

ε_D＝(1-P_E)D(bR_B+bR_E)+(P_E-P_B)D(bR_B)+P_B.               (5)

2.0中继节点-多中继合作策略

所考虑的系统模型是一多中继网络，其包含N+2个节点，即一个源节点、一个目的节点及N个中继节点。图1中说明了一示意图。多个中继节点用来在源节点与目的节点之间不能得到一直接链路的情况下，协助分层视频自源节点发送到目的节点。所有的节点都在一公共频带中操作且处于半双工模式。

自源节点到多个中继节点的信道增益向量与自多个中继节点到目的节点的信道中继向量分别被表示为h_s＝[h_s，1，h_s，2，…，h_s，N]^T与h_d＝[h_1，d，h_2，d，…，h_N，d]^T，其中

而

在第一时槽(time slot)中，该源节点将表示为的被发送信号向量向所有的中继节点广播。X_s是一串接式(concatenated)信号向量或一迭加(superimpose)信号向量，这取决于源节点应用了渐进式传输还是迭加编码，

是在一平均发送功率限制P_S下时间l时被发送的符号，其中l＝1，2，…，L。在中继节点接收到的信号可写作

$y_R^{\left(l\right)}=h_s\sqrt{P_S}{x}_s^{\left(l\right)}+z_R^{\left(l\right)},---\left(6\right)$

其中

是在中继节点接收到的第(N×1)l个信号向量，而

是中继节点处的第(N×1)l个噪声向量。

表示具有一平均向量μ与一协方差矩阵∑的一复数K-变量高斯分布。

对于非再生中继来说，中继节点仅发送它们接收到的信号的缩放版本同时满足总中继功率限制(P_R)，即

其中P_n为第n个中继节点处的功率消耗。因此，自中继节点发送到目的节点的第(N×1)l个信号向量

由

$x_R^{\left(l\right)}={\mathrm{Gy}}_R^{\left(l\right)},---\left(7\right)$

给出。其中G表示代表中继增益的(N×N)对角矩阵。G的对角结构确保每一中继节点只需要了解其本身接收到的信号。

处理完接收到的信号之后，在后续时槽中，中继节点将已处理的数据发送到目的节点而源节点保持静默。目的节点处的中继增益与接收到的信号取决于由中继节点实施的合作中继策略。

下面给出了三种已考虑的AF合作策略，即OAF、SEL及DBF的详细内容，它们依靠在所述多个中继处可用的CSI类型而被选择。假定所有的逆向与前向信道增益(即h_s和h_d)，较佳地在目的节点处已知，但在源节点与中继节点处未知。而且，假定在目的节点有良好的同步性。

OAF用于在中继节点处只有逆向CSI可用的情况。第n个中继消耗的发送功率P_n由在目的节点中的一中继分配单元处执行的一功率分配算法确定，以最小化中断机率。当瞬时CSI改变时，此分配的功率信息经由反馈信道310被发回到中继节点，如图4中所示。

SEL也用于在中继节点处只有逆向CSI可用的情况。具有逆向与前向链路信道增益的最大乘积(product)的中继节点以全中继功率限制转发其接收到的信号而其余保持静默。在目的节点中实施一选择算法的中继分配单元确定该选择，其后被选择的中继索引n_sel经由该反馈信道310被发回到中继节点，如图5所示。

DBF用于每一中继节点了解其逆向与前向链路信道增益但不了解全部链路信道增益的情况。因此，目的节点需要经由反馈信道310反馈用来计算中继处的功率消耗的一常数值c，如图6所示。

2.1正交放大转发

在OAF中，每一中继节点在不同时槽中发送其自身的信号，即第n个中继节点在第n个时槽中发送而其余保持静默。因此，将视频信号自源节点发送到目的节点的全部时槽是N+1个。在该第n个时槽期间，目的节点自第n个中继节点接收到的第l个信号可写为

其中

及

分别为在第n个中继节点与目的节点处的噪声及

表示目的节点处的有效噪声。中继增益矩阵G的第n个对角元素由

$g_n=\sqrt{\frac{P_n}{P_S{\left|h_{s,n}\right|}^2+1}}---\left(9\right)$

给定。

中继节点之间的最佳功率分配藉由利用一注水法(参见Y.Zhao、R.Adve和T.J.Lim所著的“Improving amplify-and-forward relay networks：optimalpower allocation versus selection”，IEEE Trans.Wireless Commun.，第6卷第8期，第3114-3123页，2007年8月)而获得。第n个中继节点处的功率消耗由

$P_n=\max [0,(\sqrt{\frac{P_S^2{\left|h_{s,n}\right|}^4+P_S{\left|h_{s,n}\right|}^2}{{\left|h_{n,d}\right|}^2}}\mathrm{\λ}-\frac{P_S{\left|h_{s,n}\right|}^2+1}{{\left|h_{n,d}\right|}^2})]---\left(10\right)$

给定，其中λ被选择使得

在此，假定在中继节点可得到逆向CSI，但不能得到前向CSI。因此，每一中继节点的功率分配执行于目的节点中的中继分配单元处且已分配的功率信息自该目的地发回到中继节点，如图4所示。

2.2选择性中继

在SEL中，传输只发生在两个时槽中。在第一时槽中，源节点向所有的中继节点广播(与OAF相同)。然而，只选定一个中继节点在第二时槽中把已发送的符号转送到目的节点。

在目的节点，接收器比较哪一链路具有逆向与前向链路信道增益的最大乘积，即|h_n，dh_s，n|²。与该最大乘积增益相对应的中继节点接着被选择用来中继发送，而未选择的中继节点在该第二时槽中不发送任何信号。不失一般性地，假定目的节点可发送一反馈信号到中继节点来指示哪一中继被选择，如图5所示。G的第n个对角元素由

给出。其中n_sel表示被选择的中继节点。因此，在目的节点接收到的信号可写为

2.3分布式波束形成

在DBF中，假定第n个中继节点取得其局部双向CSI，即h_s，n和h_n，d，且其可执行分布式波束形成。因此在第二时槽中，每一中继节点可同时发送其自身的信号到目的节点。G的第n个对角元素则由

$g_n=\sqrt{\frac{P_n}{P_S{\left|h_{s,n}\right|}^2+1}}\frac{h_{s,n}^{*}}{\left|h_{s,n}\right|}\frac{h_{n,d}^{*}}{\left|h_{n,d}\right|}.---\left(13\right)$

给定。最佳中继功率分配由

$P_n=\frac{1}{c}\left(\frac{{\left|h_{s,n}{h}_{n,d}\right|}^2(1+{\left|h_{s,n}\right|}^2{P}_S)}{{({\left|h_{s,n}\right|}^2{P}_S+{\left|h_{n,d}\right|}^2{P}_R+1)}^2}\right),---\left(10\right)$

给定。其中

$c=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|h_{s,n}{h}_{n,d}\right|}^2(1+{\left|h_{s,n}\right|}^2{P}_S)}{{({\left|h_{s,n}\right|}^2{P}_S+{\left|h_{n,d}\right|}^2{P}_R+1)}^2}.---\left(15\right)$

在(14)中，括号中的项次是中继节点的局部双向CSI的一函数且c对于所有的中继节点来说是相同的，其可自目的节点被广播，如图6中所示。因此，中继节点可计算它们自己的功率消耗。在目的地处所接收到的信号可写为

3.0目的节点-整体方法

目的节点处的整体方法显示在图7中。该方法从步骤700中自接收到的信号估计出逆向与前向信道增益开始。在步骤702中，该方法转到一中继分配单元且确定正在由中继节点使用的合作中继策略。如前面所述，视使用了OAF、SEL还是DBF而定，该中继分配单元将确定中继节点要使用的功率(步骤704)、用来选择一特定中继的一中继索引(步骤706)或用于每一中继节点确定其自身功率使用的一c值(步骤708)。一旦确定，在步骤710中，相关中继分配参数被发回到中继节点。在步骤712中，目的节点监测以查看信道状态(即CSI)是否有任何变化。如果有变化，则在步骤714中，该方法转到资源最佳化单元来计算用于在源节点处编码的R_B，R_E和α(即基础层速率、增强层速率与信道使用/发送功率)的最佳值。在步骤716中，此等资源最理想化参数接着被发回到源节点处的视频编解码器。

在步骤712中，如果目的节点确定信道统计特性没有任何改变，则该方法返回到步骤700且重复上述方法。

3.1最佳化框架

如前所述，资源最佳化单元起到计算由源节点使用的最佳基础层速率、增强层速率、功率及信道使用的指示。这样做是用来最小化受制于总资源功率限制P_S与总中继功率限制P_R的、(4)与(5)中的总ε_D，其中基础层与增强层的中断机率可由上限分析法计算出。此最佳化问题可如下计算：

$\begin{array}{cc}\underset{\mathrm{\α},R_B,R_E}{\min }& {\mathrm{\ϵ}}_D(\mathrm{\α},R_B,R_E,b,\mathrm{SNR})\\ s.t.& \mathrm{\α}\∈(\mathrm{0,1}].\end{array}---\left(17\right)$

然而，(17)中的最佳化问题是一难以解决的非凸最佳化问题。结果，最佳速率、信道及功率分配大体上由复杂性为O(|A||R|²)的一竭尽式搜寻获得，A＝[0，δ_A，2δ_A，…，1]及R＝[R_min，R_min+δ_R，R_min+2δ_R…，R_max]分别为可能的α与速率(即R_B和R_E)的集合，且δ_A及δ_R是固定的步长。

在“Optimal layered transmission over quasi-static fading channels”(Proc.IEEE Int.Symp.on Inform.Theory，Seattle，USA，2006年7月，第1051-1055页)中，作者(F.Etemadi与H.Jafarkhani)提出了如下具有较低复杂性的资源最佳化的一迭代算法。在渐进式传输的情况下，超过二维格点搜寻的速率搜寻由2个一维搜寻替代，且当R_B与R_E给定的情况下，(4)中的最佳α可自一闭合函数f(R_B，R_E)计算出。该作者还将所提出的速率分配应用到“Rate andpower allocation for layered transmission with superposition coding”(IEEESignal Process.Lett.，第14卷第11期，第773-776页，2007年11月)中的迭加编码情况中。被提出的算法是在他们2006年的出版物中提出的速率分配与用于功率分配的针对拉格朗日乘数λ∈(0，λ_max)的二进制搜寻之间的组合。通过这些提议，渐进式传输的计算复杂性下降到O(2|R|)而迭加编码的计算复杂性下降到O(2|R|log(λ_max/ε))，其中ε是最佳λ的预期准确度。

在本发明中，提出了一算法，其对于两种传输策略都能够进一步将目的地处的复杂性降到O(|R|)。主要构想是将增强层的中断机率预先设定在某一值γ_th，接着基于该值确定速率、功率及信道分配。要设定的γ_th的值取决于视频内容和传输策略。具体地，该值γ_th取决于多媒体内容与传输策略且其可基于统计信息先验地被获得。一旦获得最佳速率、功率及信道使用，目的节点就将此资源最佳化信息经由反馈信道312发送到源节点，如图3所示。渐进式传输与迭加编码中的每一者的算法的细节如下：

3.2渐进式传输的最佳化

渐进式传输算法的流程图显示在图8中。在步骤800中，基础层速率被初始化为R_B＝R_min且期望失真

其中SNR表示平均发送信号噪声比。在步骤802中，与一预先设定P_E＝γ_th相关联的增强层速率R_E由该P_E的反函数即

确定。最大值运算用来确保R_E≥R_B，因为如果基础层中断的话则增强层是无效的。接着在步骤804中，α(其确定信道使用αL与(1-α)L)由如下的一闭合表达式来计算：

$\mathrm{\α}=f(R_B,R_E)---\left(18\right)$

$=\frac{1}{{\mathrm{bR}}_E}{\log }_2\frac{(1-P_E)(R_E-R_B)}{(P_E-P_B)R_B}.$

在步骤806中，α的值被检查以确保其在范围0≤α≤1中。如果它在此范围中，则在步骤808中相对应的期望失真值被检查以查看其是否小于初始化的期望失真值。如果小于，则该新的期望失真值被设定为初始化的期望失真值，且在步骤810中，相应的R_B、R_E及α值被保存为最佳值

及α^*。该方法接着转到步骤814，来检查是否R_B＝R_max。如果是，则该方法在步骤816结束。否则，该方法转到步骤812来将基础层速率增加到R_B+δ_R且从步骤802起重复。

类似地，如果在步骤806中确定α的值不在该特定范围内，则该方法转到步骤812，来将基础层速率提高到R_B+δ_R且从步骤802起重复。

如果在步骤808中确定期望失真值不小于上次初始化的期望失真值，则该方法转到步骤814来判定是否R_B＝R_max。假定不是R_B＝R_max，该方法转到步骤812来将基础层速率提高到R_B+δ_R且从步骤802起重复。然而，如果R_B＝R_max，则该方法在步骤816结束。

从图8的流程图将明白，该方法重复将该基础层速率提高到R_B+δ_R直到R_B＝R_max且直到达到最小化(4)中的期望失真值ε_D的最佳及α^*值。

3.3迭加编码的最佳化

迭加编码算法的流程图显示在图9中。该方法从增强层速率被初始化为R_E＝R_min且期望失真值为的步骤900开始。因为增强层的中断机率是R_E与α的函数，所以α(其与一预先设定P_E＝γ_th及R_E有关且其确定发送功率αP_S与(1-α)P_S)可由该P_E的反函数即

计算。然而，这可导致功率的大部分被分配给增强层，产生P_E≤P_B，这接着可导致期望失真值增加。为了防止此情况发生，限制

即

应用在步骤902中，其中

是基础层的最小功率位准，使得P_B≤P_E。

在步骤904中α的值被检查来确保其在范围0≤α≤1中。如果其不在范围0≤α≤1中，则该方法转到步骤906来将增强层速率提高到R_E＝R_E+δ_R且从步骤902起重复。

如果α的值在该特定范围内，则在步骤908中，R_B被计算出。在给定R_E与α的情况下，最小化(5)中的ε_D的最佳基础层速率R_B是

的解。换言之，最佳R_B是以下方程式等于零时的解。

${(\mathrm{\α}-(1-\mathrm{\α})(2^{c_2{R}_B}-1))}^{N+1}-\frac{c_1{c}_2\mathrm{\αN}}{{\mathrm{bc}}_3{P}_S^N}{2}^{(c_2+b)R_B}{(2^{c_2{R}_B}-1)}^{N-1}=0,---\left(19\right)$

其中假定P_B＜＜P_E，c₁及c₂是取决于下面表1给定的中继策略的常数，且

R_B的最佳化问题可通过利用计算复杂性比竭尽式搜寻低得多的找零算法而解决。

表1：方程式(19)中c₁与c₂的值。

一旦获得R_B，该方法转到步骤910，来检查相对应的期望失真值以看其是否小于初始化的期望失真值。如果小于，则该新的期望失真值被设定为初始化的期望失真值，且相对应的R_B、R_E及α值在步骤912中保存为最佳值

及α^*。该方法接着转到步骤914来查看是否R_E＝R_max。如果是，则该方法在步骤916结束。否则，该方法转到步骤906来将增强层速率增加到R_E＝R_E+δ_R且从步骤902起重复。

从图9的流程图可看到，该方法被重复，直到R_E＝R_max且直到达到最小化(5)中的该期望失真值ε_D的最佳

和α^*值。

与习知的竭尽式搜寻技术相比，出自上述最佳化框架的示范期望失真值显示在图10A与图10B中。两个图式均显示了以渐进式传输与迭加编码方案来传输一层及两层的ε_D值。对于分层方案中的每一者来说，竭尽式搜寻技术与上述最佳化技术被使用。图10A显示了在使用两个中继节点的情况下的结果，而图10B显示了在使用四个中继节点的情况下的结果。本质上，所提出的最佳化框架的性能与该竭尽式搜寻技术相当，但所提出的最佳化技术的优势在于其降低的计算复杂度(相对于O(2|R|)为O(|R|))。

从上述将明白的是，本发明的较佳实施例提供了经由一多中继网络的分层信号传输的框架及方法。产生的优势包括凭借利用多个中继的空间分集及依靠获得传输可靠性的分层编码而增大覆盖范围及提高接收到的视频的质量。下面是对较佳实施例框架及方法的一概括。

在源节点，渐进式传输或者迭加编码被用作分层视频传输策略。这些SRC类型策略可被使用，因为当被解码层的数目较大且其具有较低的编码复杂度时所接收到的视频的质量被大大地提高。在该较佳实施例中，假定视频信号只被编码成两层，即基础层与增强层，因为最大分层增益只在对两层进行编码的情况下才可获得且编码器/解码器的营运费用及复杂性适中。此等不同的层以不同的传输速率及不同的信道使用被发送或以不同的功率被发送，这取决于分层源策略。当有必要或希望时，当然可提供更多的层。

在多个中继节点，放大转发(非再生)中继用来实施合作中继策略以降低中继节点处的处理延迟。视中继节点处的CSI的类型而定，可使用三种合作中继策略：OAF、SEL及DBF。因为视频传输中的延迟限制，该较佳实施例在中继节点使用非再生方案，相比于其它方案其较简单且需要低复杂度处理。然而，这不是限制，其它方案(例如解码转发)可用在只有很少或没有延迟限制的情况。

在目的节点处，一中继分配算法被执行且中继分配参数被反馈到中继节点此外，具有预先设定的增强层中断机率的资源最佳化被应用且资源最佳化参数被发回到源节点以降低分层源传输的最佳化复杂度。资源最佳化算法将速率、功率及信道使用有效地分配到不同层以便最大化重建视频的质量。所提出的最佳化方法简单且只需要了解用于计算最佳资源的信道统计特性。因此，目的节点只需要将最佳速率、功率及信道使用反馈到源节点，无论信道统计特性或分层视频策略何时改变。而且，尽管所提出的最佳化框架的性能与那些先前提出的框架相当，但该算法具有一相当低的计算复杂性(相对于O(2|R|)为O(|R|))。

上述框架及相对应的方法可用于经由包括任何合并有中继的未来无线系统(例如LTE(长期演化)高级系统或4G系统)的中继网络的任何无线视频传输。这是因为该较佳实施例在多个中继网络中利用空间分集以提高覆盖范围以及提高无线视频传输服务中的链路可靠性，其适用于任何包括中继的未来无线系统。该合作及最佳化框架还可应用在涉及经由无线蜂巢式系统传输多类分层信号的IP电视(IPTV)服务及多媒体广播服务(MBMS)中。在这样的应用中，藉由渐进式方案或迭加方案，不同的内容以分层形式被发送。就其本身而论，本最佳化框架可直接应用到这样的分层应用中。而且，无线中继节点必然成为未来蜂巢式网络的一部分。该提出的框架将仍旧有助于经由这些未来蜂巢式网络的此类服务。

上文描述了较佳实施例，如本领域的技术人员所理解，该较佳实施例在设计、结构或操作方面可易于改变或变化而不脱离权利要求所述的范围。例如，尽管该较佳实施例已关于中继视频传输被描述，但这不是限制。当期望时，非视频信号的信号可被发送。而且，可能藉由重新计算相关参数且所有的节点获得所需的信道知识且相应地同步而实时改变合作中继策略。而且，尽管本发明已从“无直接链路”(即在源节点与目的节点之间没有直接链路，且所有的通讯经由中继节点)的立场上来被描述，但本领域的技术人员将明白本发明可实施于有直接链路的情况。在这样的情况下，本发明的合作中继策略可用来经由合作分集提高直接链路信号的接收。

技术人员还将明白，较佳实施例方法的步骤可以以硬件中模块来实施，例如利用被程序化来执行所揭露的方法步骤的个别或独立处理器或处理单元。可选择地，所述多个步骤以软件形式实施，比如一连串指令，当其由一处理器或其它计算装置执行时执行与硬件实施例相同的功能。硬件与软件实施的结合执行也可被使用。例如，一硬件安排可被构造以自一计算机可读介质读取用于实施该硬件安排中揭露的方法的可执行指令。

例如，上述变化目的是被权利要求的范围所涵盖。

Claims (25)

1.一种操作用于一中继网络中的分层信号的无线传输的一中继节点的方法，该方法包含以下步骤：

(i)自一源节点接收分层信号，

(ii)自一目的节点接收一中继分配参数，用来与一个或一个以上其它中继节点实施一合作中继策略，及

(iii)利用所述合作中继策略，将所述分层信号中继转送到所述目的节点。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(ii)包含接收所述中继节点中的每一个中继节点实施正交放大转发的发送功率。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(ii)包含接收一中继索引，所述中继索引指示所述中继节点中的哪一个中继节点应当用来实施选择性中继。

4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(ii)包含接收由所述中继节点中的每一个中继节点用以计算它们的发送功率以实施分布式波束形成的一值。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包含：在步骤(iii)之前，基于在所述中继节点处可得到的信道状态信息，选择多数个合作中继策略中的一个。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述选择多数个合作中继策略中的一个的步骤包含，如果只有逆向信道状态信息可得到，选择正交放大转发或选择性中继，及如果各个所述中继节点可得到每一个所述中继节点的逆向与前向信道状态信息，选择分布式波束形成。

7.一种处理在一目的节点接收到的来自多个中继节点的分层信号的方法，所述多个中继节点实施一合作中继策略以中继转发来自一源节点的分层信号，该方法包含以下步骤：

(i)自所述接收到的分层信号确定信道状态信息，

(ii)确定多数个合作中继策略中的哪一个合作中继策略由所述多个中继节点实施，

(iii)利用所述信道状态信息确定一中继分配参数来控制由所述多个中继节点实施的所述合作中继策略，及

(iv)发送所述中继分配参数到所述多个中继节点。

8.如权利要求7所述的方法，其中步骤(iii)包含计算所述中继节点中的每一个中继节点实施正交放大转发的一发送功率。

9.如权利要求7所述的方法，其中步骤(iii)包含计算指示所述多个中继节点的哪一个中继节点应当被用来实施选择性中继的一中继索引。

10.如权利要求7所述的方法，其中步骤(iii)包含计算由所述多个中继节点的每一个中继节点用以计算它们的发送功率以实施分布式波束形成的一值。

11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，进一步包含以下步骤：

(v)确定信道状态信息是否有一变化，及

(vi)如果信道状态信息有一变化，确定一资源最佳化参数以控制所述源节点处的分层信号的产生以便最小化所述目的节点处的期望失真值；及

(vii)将所述资源最佳化参数发送到所述源节点。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述资源最佳化参数包含一基础层传输速率、一增强层传输速率及以下中的一个：所述基础层与增强层的信道分配或者所述基础层与增强层的发送功率。

13.如权利要求12所述的方法，其中步骤(vi)包含预先设定所述增强层的一中断机率，及自所述预先设定的中断机率确定要在所述源节点处实施的基础层传输速率、增强层传输速率、及以下中的一个：信道使用与发送功率，以最小化所述目的节点处的期望失真值。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述分层信号为渐进式传输信号，且其中步骤(vi)进一步包含以下步骤：

(a)以一最小传输速率初始化所述基础层传输速率，

(b)由所述预先设定的中断机率与所述基础层传输速率确定所述增强层传输速率，

(c)利用已确定的基础层传输速率与增强层传输速率确定所述信道使用，

(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及所述信道使用确定所述期望失真值，

(e)提高所述基础层传输速率，

(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述基础层传输速率处在一最大传输速率，及

(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率与信道使用中的哪些值导致一最小期望失真值。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述分层信号为迭加编码分层信号，且其中步骤(vi)进一步包含以下步骤：

(a)以一最小传输速率初始化所述增强层传输速率，

(b)利用所述增强层传输速率与预先设定的中断机率确定发送功率，

(c)确定所述基础层传输速率，

(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率与发送功率确定期望失真值，

(e)提高所述增强层传输速率，

(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述增强层传输速率处在一最大传输速率，及

(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率中的哪些值导致一最小期望失真值。

16.一种在一中继网络中的分层信号的无线传输的方法，该方法包含以下步骤：

(i)将分层信号自一源节点发送到多个中继节点，

(ii)利用一合作中继策略，将所述分层信号自所述多个中继节点中继转送到一目的节点，

(iii)在所述目的节点处接收来自所述多个中继节点的所述分层信号，

(iv)由所述接收到的分层信号确定指示每一个中继节点的发送功率或指示用在步骤(ii)中的合适的中继节点的中继分配信息，以最小化所述接收到的分层信号的失真值，

(v)由所述接收到的分层信号确定指示所述源节点的一传输速率、信道使用或发送功率的资源最佳化信息，以最小化所述接收到的分层信号的失真值，

(vi)将所述中继分配信息发送到所述多个中继节点，及

(vii)将所述资源最佳化信息发送到所述源节点。

17.如权利要求16所述的方法，其中步骤(ii)包含实施以下之一：正交放大转发、选择性中继及分布式波束形成。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中所述分层信号包含一基础层及一增强层，且其中步骤(v)包含预先设定所述增强层的一中断机率且自所述预先设定的中断机率确定要由所述源节点实施的基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：信道使用与发送功率，以最小化所述目的节点处的期望失真值。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述分层信号为渐进式传输信号，且其中步骤(v)进一步包含以下步骤：

(a)以一最小传输速率初始化所述基础层传输速率，

(b)自所述预先设定的中断机率与所述基础层传输速率确定所述增强层传输速率，

(c)利用已确定的基础层传输速率与增强层传输速率确定所述信道使用，

(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及信道使用确定所述期望失真值，

(e)提高所述基础层传输速率，

(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述基础层传输速率处在一最大传输速率，及

(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及信道使用中的哪些值导致一最小期望失真值。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述分层信号为迭加编码分层信号，且其中步骤(v)进一步包含：

(a)以一最小传输速率初始化所述增强层传输速率，

(b)利用所述增强层传输速率与预先设定的中断机率确定发送功率，

(c)确定所述基础层传输速率，

(d)利用已确定的基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率确定期望失真值，

(e)提高所述增强层传输速率，

(f)重复步骤(b)至(e)，直到所述增强层传输速率处在一最大传输速率，及

(g)确定所述基础层传输速率、增强层传输速率及发送功率中的哪些值导致一最小期望失真值。

21.一种用于一中继节点的将分层信号自一源节点中继转送到一目的节点的集成电路(IC)，该IC包含：

(i)一处理单元，其被构造以：

自所述源节点接收分层信号，

自所述目的节点接收一中继分配参数，以与一个或一个以上其它中继节点实施一合作中继策略，及

利用所述合作中继策略，将所述分层信号中继转送到所述目的节点。

22.一种用于一目的节点的处理自多个中继节点接收到的分层信号的集成电路(IC)，该IC包含：

(i)一中继分配处理单元，其被构造以：

确定由所述多个中继节点实施的合作中继策略，

利用由所述接收到的分层信号导出的信道状态信息确定一中继分配参数以控制所述合作中继策略，及

将所述中继分配参数发送到所述多个中继节点。

23.如权利要求22所述的IC，其进一步包含：

(ii)一资源最佳化处理单元，其被构造以：

预先设定所述分层信号的一增强层的一中断机率，

由所述预先设定的中断机率，确定要由一源节点实施的一基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：信道使用与发送功率，以最小化所述目的节点处的期望失真值，及

将所述基础层传输速率、增强层传输速率及以下中的一个：所述信道使用与发送功率发送到该源节点。

24.一种中继节点，其被构造以根据权利要求1-6中任一项所述的方法来与多数个通讯装置通讯。

25.一种通讯装置，其被构造以根据权利要求7-15中任一项所述的方法来与一中继节点通讯。

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