CN102594432B - 一种基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，传输过程分为两个时隙，步骤为：1，第一时隙中，信源S广播信号序列，信宿D和中继R接收；2，D接收到信号之后，计算每个天线上的接收符号的信噪比，将其和一个预先设定好的门限值对比，如果所有天线上的输出SNR都大于门限值，则判定为成功，否则判定为失败；3，D将单比特信息B反馈给S和R，如果B＝1，则R在第二时隙中不转发，如果B＝0，则R在第二时隙将其在第一时隙中接收到的信号进行放大转发，S不发送任何信号；4，两个时隙结束后，D采用MRC技术，将两个信号合并，然后解码。本发明在达到较高的分集增益的同时，提高频谱的利用率，更充分的利用系统资源。

Description

一种基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于多输入多输出(MIMO)协作网络的增量中继传输方法。

背景技术

自J.N.Laneman等人在2004年提出之后，协作分集技术便引起了广泛注意。通过应用协作技术，可以获得额外的分集增益，同时也可以减少射频(RF)功率要求。但是在协作网络中，由于半双工通信以及不同时隙中的信道必须正交的限制，所以以上提到的两点好处都是以牺牲频谱效率为代价的。

为了解决这个弊端，当前已经提出了三种技术来增强协作网络的频谱效率，分别是：波束形成、空时编码以及增量中继。在波束形成中，假设信源和中继已经知道了前向信道的信息，这样信源和中继即可调整各自的发送信号的相位偏移，使得它们的信号能够相干叠加，从而提高频谱效率。但是要想应用波束形成技术，需要在现有的射频设备上做很大的修改。至于空时编码技术，虽然其能够很好的改善频谱效率，但是它对信宿端的解码器要求很高，而且要想设计一个实际可用的码本并不容易。

和波束形成以及空时编码不同，在增量中继协作网络中，通过特定的判决条件来限制中继的转发，从而节约了信道和功率资源，提高频谱效率。信宿端对直接链路做判决，如果满足特定的条件，则通知信源与中继，中继和信源根据通知信息，做相应的动作(发送或者不发送信号)。和波束形成、空时编码相比，增量中继具有以下的优点：1)协议简单，中继只需要测量自己的信道信息即可(不需要知道全局信道信息)；2)信源和中继处，无需掌握或估计整个拓扑结构；3)该技术涉及到的开销是三者中最小的(只需信宿端反馈一个单比特的信息)。

Wan Choi等人于2010年发表在IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESSCOMMUNICATIONS上的文章“Adaptive Multi-Node Incremental Relaying forHybrid-ARQ in AF Relay Networks”中提出了一种多个单天线中继的增量中继方案，在该方案中要求中继挨个进行放大转发(AF)，信宿端进行最大比合并(MRC)，直到输出信噪比(SNR)大于一个预先设定的门限值。Salama Ikki，Mohamed H.Ahmed等在2008年发表在Wireless Communications and Networking Conference上的文章“Performance Analysis ofIncremental Relaying Cooperative Diversity Networks over Rayleigh Fading Channels”中讨论了增量中继在单中继、单信源、单信宿网络中的应用，分析了中断概率，误码率以及吞吐量，并给出了闭合表达式。但是以上提及的文章中包括现有的研究文献中，都是在单天线节点的环境中应用增量中继方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，在多天线节点环境中引入增量中继方案，从而以一种简单可行的方法改善了MIMO协作网络中频谱效率低的弊端。本发明具有复杂度低、操作简单的特点，同时与常规的策略对比，在资源利用率方面有较大的性能提升。

为实现上述的目的，本发明所述的基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，整个传输过程分为两个时隙，包括以下步骤：

步骤1：在第一个时隙内，信源S对中继R和信宿D广播信号序列；

步骤2：信宿D接收到来自信源S的信号后，计算每个天线上的信号输出SNR，并将其与一个预设设定好的门限值进行对比；

步骤3：如果所有天线上的符号的SNR足够高，大于门限值，则信宿D反馈给信源S和中继R一个单比特的信息(B＝1)，表明直接链路信号的成功。在第二时隙中，中继R不进行转发。此时频带是空闲的，信源S可以选择发送一个新的信号或者也可以不发任何信息，如果发送新的信号，则相当于增大了传输速率，如果不发送，则相当于节省发送功率；

如果直接链路信道不好，信宿D接受到的信号SNR很低，则信宿D反馈给信源S和中继R一个单比特的信息(B＝0)，表明直接链路传输失败。此时，在第二时隙中，中继R放大转发(AF)其在第一时隙接受到的信号，从而获得额外的分集增益；

步骤4：如果中继R进行了转发，则在第二时隙结束时，信宿D根据最大比合并(MRC)技术，将两个时隙内收到的信号合并，并将合并后的信号经过一个迫零(ZF)均衡器，再解码信号。

本发明中，在信宿节点处对直接链路做判决，将结果反馈给中继R和信源S，从而决定第二时隙的动作。

所述判决方式如下：

${\mathrm{\γ}}_i^D=\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_d^2{N}_s}\frac{1}{{\left[{\left(H_D^H{H}_D\right)}^{-1}\right]}_{i,i}},$ $\∀i\∈\{1,N_s\}.$

其中，表示第一时隙中信宿接收到的信号中第i个符号的信噪比，P_s为信源的发射功率，为直接链路的噪声方差，N_s为信源的天线数，H_D为信源与信宿之间的信道矩阵，N_d×N_s维，(H)^H为矩阵H的共轭转置，[H]_i，i代表矩阵H第i行第i列的元素，B为一个单比特信息，用来表征判决结果，1为成功，0为失败，γ₀为一个预设门限值。

上面两式的物理意义为，当直接链路上接受信号中所有符号的输出信噪比都大于门限值时，即判决结果为成功，信宿向信源和中继反馈一个单比特信息B＝1；否则判决结果为失败，反馈一个单比特信息B＝0。

所述中继进行放大转发，具体如下：

$\hat{s}={\mathrm{Gy}}_R,$

其中，代表中继进行放大处理后的发送信号，y_R为中继端接收到的信号，G为功率控制因子。

所述功率控制因子的计算，具体如下：

$G=\sqrt{\frac{N_r}{(\frac{P_s}{N_s}\mathrm{tr}\left(H_1{H}_1^H\right)+N_s{\mathrm{\σ}}_r^2)}}$

H_D为信源与信宿之间的信道矩阵，为N_d×N_s维，(H)^H为矩阵H的共轭转置，P_s为信源的发射功率，为中继端的噪声方差，N_s为信源的天线数，N_r为中继的天线数，tr(H)为矩阵H对角线的所有元素之和。

所述信宿端采取最大比合并技术，具体如下：

$y_{\mathrm{mrc}}={\left(\mathrm{\β}{H}_D\right)}^H{y}_D^1+{\left(\mathrm{\α}{H}_0\right)}^H{y}_D^2$

其中：

$y_D^1=\mathrm{\β}{H}_{D}s+n_D^1,$

$y_D^2=\mathrm{\α}{H}_{0}s+\mathrm{\α}{H}_2{n}_R+n_D^2$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{(\frac{P_s}{N_s}\mathrm{tr}\left(H_1{H}_1^H\right)+N_s{\mathrm{\σ}}_r^2)}},$ $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_s}{N_s}},$ H₀＝H₂H₁

其中， 分别表示信宿在第一时隙，第二时隙接收到的信号，y_mrc表示对 最大比合并之后的信号， 分别表示直接链路在第一时隙和第二时隙中的信道噪声，n_R表示中继在第一时隙的信道噪声，P_r为中继的发射功率。

本发明的工作原理如下：

在常规的MIMO协作网络中，通常要求中继每次都转发(放大转发或者解码转发)来自信源的信号，而不考虑直接链路信道的好坏，也有的方法是在中继端进行判决，即判断中继第一时隙接收到的信号质量，如果好就转发，不好则放弃转发，但是一般中继的设计都是比较简单，无法承担复杂的运算。

本发明在MIMO协作网络中引入了增量中继技术，即在信宿端进行判决，从而避免了增加中继的复杂性，同时也可以很好的达到节约网络资源的目的。首先信源向中继和信宿广播信号，信宿接收到信号后，将信号信噪比和一个门限值对比，然后将结果反馈给信宿和中继，中继和信源接收到反馈比特后，再做相应的动作。与现有的MIMO协作网络传输方案相比，本发明具有强的适应能力，在不同的信道条件下，只需调整门限值的大小就可以很好的满足服务质量(QoS)要求，同时也可以提高系统资源的利用率。

附图说明

图1为MIMO协作网络拓扑图。

图2为本发明的传输方案的具体流程图。

图3为增量中继传输方案与常规的协作分集、直接链路方案的传输数率性能对比，其中γ₀＝3，γ₀＝6，γ₀＝9代表取该判决门限值的对应的传输速率曲线，而γ₀＝0代表只存在直接链路的曲线，γ₀＝∞代表常规分集的曲线。

图4为对应不同的门限值，中继的空闲(即中继不转发)概率曲线。

图5为对应不同的门限值，传输中断发生的概率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实例对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如附图1所示的MIMO中继信道。仿真中，信道均为平坦衰落、空间不相关、瑞利分布的MIMO信道，信道矩阵的每个元素都是相互独立的高斯变量，均值为0，方差为1。试验中假设中继的发射功率与信源的发射功率相同，中继端和信宿端的噪声服从相同的分布。

为了体现本发明的优点，本实施例将其和常规的分集技术以及单纯的直接链路传输方案做了对比。此外，还选取了多个门限值进行仿真，凸显它的灵活性。仿真采用Monte-Carlo仿真方法，每组方案均进行10,000次仿真试验。中继将接收到的信号进行放大转发。假设信道为平坦衰落，在同一次传输中，信道情况保持不变。如图2所示，每次试验按照以下步骤进行：

1：在第一时隙中，信源S发射出信号序列；

2：信宿收到信源的信号后，计算其SNR，和门限值进行比较；

3：信宿将判决结果通过一个单比特信息反馈给信源和中继。

4：在第二时隙中，中继在接收到反馈信息之后，进行转发(B＝0)或者保持空闲(B＝1)；信源接收到反馈信息之后，发送新的信号(B＝1)或保持空闲(B＝0)；

5：两个时隙结束后，信宿采用最大比合并(MRC)技术和一个迫零(ZF)接收机进行解码。

本实施例的应用场景，为附图1所示的MIMO中继协作网络，网络中包含有1个信源，1个中继和1个信宿。信源、信宿和中继的天线数分别为N_s，N_d和N_r。步骤1所述的判决方式，本发明中采取的是对信号的输出SNR进行比较，SNR是衡量通信好坏的重要指标，SNR越高，意味着误码率越低，通信越可靠。具体方法如下：

如附图1中所示，H_D代表直接链路信道，H₁，H₂分别代表中继处的前向信道和后向信道，信宿接收到信号之后，先计算其SNR：

${\mathrm{\γ}}_i^D=\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_d^2{N}_s}\frac{1}{{\left[{\left(H_D^H{H}_D\right)}^{-1}\right]}_{i,i}},$ $\∀i\∈\{1,N_s\}.$

根据步骤1中计算出的SNR，进行判决，判决方式如下：

其中表示的是信号中所有的符号的SNR都大于门限值。

所做的判决结果，本实施例用一个单比特的信息B保存，并返回给信源和中继。此时根据判决结果的不同，分为两种情况：

1.如果B＝1，即判决成功，信源可发送一个新的符号，中继不进行转发，此时信宿则先将直接链路信号通过一个ZF均衡器，然后进行解码。

2.如果B＝0，即判决失败，信源保持空闲，中继放大转发第一时隙内接收到的信号，此时信宿根据两个时隙内接收到的信号，先进行最大比合并(MRC)，

$y_{\mathrm{mrc}}={\left(\mathrm{\β}{H}_D\right)}^H{y}_D^1+{\left(\mathrm{\α}{H}_0\right)}^H{y}_D^2$

其中和分别为信宿第一时隙和第二时隙内接收到的信号：

$y_D^1=\mathrm{\β}{H}_{D}s+n_D^1,$

$y_D^2=\mathrm{\α}{H}_{0}s+\mathrm{\α}{H}_2{n}_R+n_D^2$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{(\frac{P_s}{N_s}\mathrm{tr}\left(H_1{H}_1^H\right)+N_s{\mathrm{\σ}}_r^2)}},$ $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_s}{N_s}},$ H₀＝H₂H₁

然后通过一个迫零均衡器(ZF)，再进行解码。

从附图3、4、5中，可以得出结论，和传统的协作分集网络、单纯的直接链路传输方案相比，增量中继技术既可以达到较高的分集增益，同时也可以提高系统资源(频谱，功率等等)的利用率。此外和空时编码、波束形成相比增量中继的应用所需的额外开销也是最小的，只需增加一个单比特反馈信息，无需大规模的更改现有设备的结构。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，其特征在于：所述方法的整个传输过程分为两个时隙：

步骤1：在第一个时隙内，信源S对中继R和信宿D广播信号序列；

步骤2：信宿D接收到来自信源S的信号后，计算每个天线上的信号输出信噪比SNR，并将其与一个预设设定好的门限值进行对比；

步骤3：如果所有天线上的符号的信噪比SNR足够高，大于门限值，则信宿D反馈给信源S和中继R一个单比特的信息B＝1，表明直接链路信号的成功；在第二时隙中，中继R不进行转发，此时频带是空闲的，信源S选择发送一个新的信号或者不发任何信息；

如果直接链路信道不好，信宿D接受到的信号SNR很低，则信宿D反馈给信源S和中继R一个单比特的信息B＝0，表明直接链路传输失败；此时，在第二时隙中，中继R放大转发其在第一时隙接受到的信号；

步骤4：如果中继R进行了转发，则在第二时隙结束时，信宿D根据最大比合并技术，将两个时隙内收到的信号合并，并将合并后的信号经过一个迫零均衡器，再解码信号。

2.根据权利要求1所述的基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，其特征在于，在信宿节点处对直接链路做判决，将结果反馈给中继R和信源S，从而决定第二时隙的动作。

3.根据权利要求2所述的基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，其特征在于，所述判决方式如下：

${\mathrm{\γ}}_i^D=\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_d^z{N}_s}\frac{1}{{\left[{\left(H_D^H{H}_D\right)}^{-1}\right]}_{i,i}},\∀i\∈\{1,N_s\}.$

其中，为直接链路信号的第i个符号的输出信噪比，γ₀为判决门限，为预设值；Ns为源节点处的天线数，H_D为直接链路信道矩阵，P_s为信源的发射功率，为信宿端的噪声方差，(H)^H代表矩阵H的共轭转置，[H]_i，i为矩阵H的第i行第i列的元素；B为一个单比特信息，用于表征判决结果：B＝1表示直接链路信道很好，不需要中继节点转发；B＝0代表直接链路信道不够好，需要中继节点转发，辅助传输。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，其特征在于，所述MIMO网络中的最大比合并技术如下：

$y_{\mathrm{mrc}}={\left(\mathrm{\β}{H}_D\right)}^H{y}_D^1+{\left(\mathrm{\α}{H}_0\right)}^H{y}_D^2$

其中：

$y_D^1=\mathrm{\β}{H}_{D}s+n_D^1,$

$y_D^2=\mathrm{\α}{H}_{0}s+\mathrm{\α}{H}_2{n}_R+n_D^2$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{(\frac{P_s}{N_s}\mathrm{tr}\left(H_D{H}_D^H\right)+N_s{\mathrm{\σ}}_r^2)}},\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_s}{N_s}},H_0=H_2{H}_1$

其中，分别表示信宿在第一时隙，第二时隙接收到的信号，y_mrc表示对最大比合并之后的信号，分别表示直接链路在第一时隙和第二时隙中的信道噪声，n_R表示中继端的信道噪声，P_r，P_s分别为中继和信源的发射功率，Ns为源节点处的天线数，H_D为直接链路信道矩阵，为中继端的噪声方差，tr(H)为矩阵H对角线的所有元素之和，(H)^H代表矩阵H的共轭转置，H1，H2分别代表中继处的前向信道和后向信道。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于多输入多输出协作网络的增量中继传输方法，其特征在于，所述迫零均衡器如下：

$H_{\mathrm{ZF}}={({\mathrm{\β}}^2{H}_D^H{H}_D+{\mathrm{\α}}^2{H}_0^H{H}_0)}^{-1}$

其中，

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_r}{(\frac{P_s}{N_s}\mathrm{tr}\left(H_D{H}_D^H\right)+N_s{\mathrm{\σ}}_r^2)}},\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_s}{N_s}},H_0=H_2{H}_1$

其中，H_ZF表示均衡滤波器的处理矩阵，H_D为直接链路信道矩阵，H₁，H₂分别代表中继处的前向信道和后向信道，(H)^H为矩阵H的共轭转置，(H)^-1代表矩阵H的逆，α，β，H₀没有任何意义，只是记号，P_r与P_s分别为中继和信源的发射功率，，N_s为信源的发射天线数，tr(H)为矩阵H对角线的所有元素之和,为中继端的噪声方差。