CN102946609B - 一种多用户双向中继通信系统的数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多用户双向中继通信系统的数据通信方法，该方法包括：根据基站与每个用户之间直达链路的信道强度，选择直达链路；判断仅靠所选的直达链路是否能支撑数据通信，如果是则中继保持静默，基站与用户仅通过所述直达链路在两个时隙内进行双向通信直到数据通信完毕；反之中继被激活，基于中继信道的瞬时强度，在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信，在目标节点处合并通过中继链路和直达链路传输的两路数据，直到数据通信完毕。通过本发明有效地利用了直达链路，克服了传统机会源选择频谱效率低下的缺点，同时又能充分利用系统的分集增益，提供可靠的数据传输。

Description

一种多用户双向中继通信系统的数据通信方法

技术领域

本发明涉及协作无线通信技术领域，特别涉及多用户双向中继通信系统。

背景技术

协作中继技术得到了广泛的重视和关注，在无线通信领域应用协作中继技术，不但能够提高通信的可靠性，还能有效地利用频谱资源，节省信号的发送功率，并且便于通信系统的规划。鉴于上述优点，协作中继技术现已被IEEE802.11s-WLAN、802.16j-WMAN、802.20-MBWA等标准采纳，具有广阔的工程应用前景。

无线网络采用正交化时频资源复用的方式实现多跳传输，资源并未被充分利用，实际系统的吞吐量潜能有限。为了进一步提高系统的频谱利用率，改善系统吞吐量的潜能，研究人员从香农(Shannon)提出的双向通信信道理论出发，结合无线网络的应用，提出了双向中继通信技术。针对基于放大转发的中继节点，模拟网络编码等协议已被有效地应用于双向中继通信系统中。

考虑到中继链路信道的起伏特性，美国《国际电气与电子工程师协会无线通信学报》提出了机会源选择方法，以提高双向中继通信的可靠性。该方法根据中继链路的瞬时强度，选择单个方向的数据传输，以确保单向通信的可靠性。然而该方法是以牺牲频谱效率为前提改善传输的可靠性，必然造成了系统频谱资源的浪费，不利于双向中继通信技术在工程上的应用。

发明内容

(一)所要解决的技术问题

本发明的目的是为多用户双向中继通信系统提供一种信息传输方法，以解决传统机会源选择频谱效率低下的问题，同时可以利用系统的分集增益，降低中断概率，提高系统传输可靠性。

(二)技术方案

本发明提供了一种多用户双向中继通信系统的数据通信方法，该方法包括：

S1、根据基站与每个用户之间直达链路的信道强度，选择直达链路；

S2、判断仅靠步骤S1所选直达链路是否能实现数据通信，如果是，进行步骤S3；反之进行步骤S4；

S3、中继保持静默，基站与用户仅通过步骤S1所选直达链路在两个时隙内进行双向通信直到数据通信完毕；

S4、中继被激活，基于中继信道的瞬时强度，在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信，并在目标节点处合并通过中继链路和直达链路传输的两路数据，直到数据通信完毕。

优选的，所述步骤S1中所选的直达链路为信道强度最强的直达链路。

优选的，所述步骤S2中判断仅靠步骤S1所述直达链路是否能实现数据通信具体包括：

如果基站与用户的发送功率与所选直达链路的信道强度之乘积大于等于预定的信噪比门限，则判断直达链路能支撑数据通信；否则不能。

优选的，所述步骤S4中在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信具体包括：

如果基站端的信噪比大于用户端的信噪比，则采用用户为源节点而基站为目标节点的上行数据传输方式；反之则采用基站至用户的下行数据传输方式。

优选的，步骤S4中所述目标节点处通过最大比合并技术合并通过中继链路和直达链路的两路数据。

(三)有益效果

本发明所提方法通过有效地利用基站与用户之间的直达链路，克服了中继网络中传统机会源选择方案频谱效率低下的缺点，同时还可以充分利用系统的分集增益，降低中断概率，随着用户数的增加能迅速提高传输的可靠性。

本发明将增强多用户双向中继网络的适用性，并为未来无线网络的设计和性能提升提供理论支持。

附图说明

图1为本发明所提供方法的步骤流程图；

图2为中断概率与发送功率的关系示意图；

图3为中断概率与用户数变化的关系示意图；

图4为频谱效率与发送功率的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种多用户双向中继通信系统的数据传输方法，如图1流程图所示，该方法包括：

S1、根据基站与每个用户之间直达链路的信道强度，选择直达链路；

S2、判断仅靠步骤S1所选直达链路是否能支撑数据通信，如果是，进行步骤S3；反之进行步骤S4；

S3、中继保持静默，基站与用户仅通过步骤S1所选直达链路在两个时隙内进行双向通信直到数据通信完毕；

S4、中继被激活，基于中继信道的瞬时强度，在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信，并在目标节点处合并通过中继链路和直达链路传输的两路数据，直到数据通信完毕。

所提信息传输方法有效地利用了直达链路，克服了传统机会源选择频谱效率低下的缺点，同时又能充分利用系统的分集增益，提供可靠的数据传输。

所述步骤S1中所选的直达链路为信道强度最强的直达链路，使这条链路尽可能可以支撑整个数据通信。

所述步骤S2中判断仅靠步骤S1所述直达链路是否能实现数据通信具体包括：

如果基站与用户的发送功率与所述最强信道的信道强度之乘积大于等于给定的信噪比门限，则判断直达链路能实现数据通信；反之不能。

所述步骤S4中在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信具体包括：

如果基站端的信噪比大于用户端的信噪比，则采用用户为源节点而基站为目标节点的上行数据传输方式；反之则采用基站至用户的下行数据传输方式。

步骤S4中所述目标节点处通过最大比合并技术合并通过中继链路和直达链路的两路数据。

该方法具体包括：

S1、根据基站与每个用户之间直达链路的信道强度，选择直达链路：表示基站BS与第k个用户MS_k之间直达链路的复信道参数，表示直达链路的信道强度，表示所选直达链路的复信道参数，表示所选直达链路的信道强度，所选直达链路对应第k^*个用户其中k^*为：

$k^{*}=\arg \underset{k=1,\·\·\·K}{\max }{\left|h_{\mathrm{BS},M{S}_k}\right|}^2---\left(1\right)$

S2、测试仅靠步骤S1所选直达链路能否提供可靠通信：用P_S表示基站与移动用户的发送功率，R表示通信的目标数据速率，相应的信噪比门限γ_th＝2^R-1。假定系统各节点处加性高斯白噪声均值为零，方差为1。判断是否成立。成立，则进行步骤S3，反之，进行步骤S4。

S3、中继保持静默，仅靠直达链路实现数据通信，基站BS与用户仅通过直达链路在两个时隙内进行双向通信。

S4、若中继被激活，辅助基站BS与用户之间的数据通信；为了提高传输的可靠性，应用机会源选择方案：基于中继链路的瞬时强度，基站BS与用户之间选择一个方向进行通信，目标节点处通过最大比合并(MRC)技术合并中继及直达的两路信号。用P_R表示中继的发送功率，h_BS，R和分别表示基站BS与中继R和用户与中继R之间的链路的复信道参数。基站BS及用户处端对端信噪比分别表示为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BS}}=P_S{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+\frac{P_R{P}_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2{\left|h_{R,{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2}{P_R{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2+P_S{\left|h_{R,{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+1}$

${\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}=P_S{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+\frac{P_R{P}_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2{\left|h_{R,{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2}{P_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2+P_R{\left|h_{R,{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+1}---\left(2\right)$ 若则选择基站BS为源节点，为目标节点；反之选择用户为源节点，基站BS为目标节点；源节点在两时隙内通过直达和中继链路向目标节点发送数据，目标节点处应用最大比合并技术合并两路数据。

在Matlab仿真环境下，使用蒙特卡洛计算机仿真验证本发明系统的中断概率及频谱效率。在仿真实验中，系统节点间链路服从瑞利衰落，直达链路的平均强度为0.4，而两跳中继链路的平均强度均为1。系统各节点处加性高斯白噪声的均值为零，方差为1。系统的目标数据传输速率为1bps/Hz，相应的信噪比门限γ_th＝1。中继处发送功率P_R＝2P_S。考虑到信道与噪声的随机性，独立运行10⁹次循环并对结果取平均。对于每一次循环，采用本发明提供的方法步骤。

本发明中系统中断概率定义为：

$P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Prob}({\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{th}},{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BS}}<{\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{MS}}_{k^{*}}})$

(3)

$+\mathrm{Prob}({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BS}}<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{th}},{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BS}}\&GreaterEqual;{\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{MS}}_{k^{*}}})$

其中Prob(X)表示事件X发生的概率，中断概率越低表明系统信息传输可靠性越高。

图2为中断概率与发送功率的关系示意图。当用户数K＝2时，发送功率P_S在0～30dB的范围内，本发明所提方法、模拟网络编码、传统的机会源选择等三种方法的中断概率仿真曲线如图2所示。对比可以看出，本发明的方法通过利用基站与用户之间的直达链路，能充分利用系统的分集增益，中断性能明显优于传统的两种方法。

图3为中断概率与用户数变化的关系示意图。当P_S＝10dB时，用户数K在1～5范围内，本发明所提方法、模拟网络编码、传统的机会源选择等三种方法的中断概率仿真曲线如图3所示。对比可以看出，随着用户数的增加，本发明所提方法的中断概率迅速变小，系统传输的可靠性迅速改善。

图4为频谱效率与发送功率的关系示意图，根据本发明所提方法，可得其频谱效率表达式为：

$R_s=2\&times;\mathrm{Prob}(P_S{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{th}})+1\&times;\mathrm{Prob}(P_S{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{th}})$ (4)

$=2-\mathrm{Prob}(P_S{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{th}})$

在不同用户数下，发送功率P_S在0～30dB的范围内，本发明所提方法、模拟网络编码、传统的机会源选择等三种方法的频谱效率仿真曲线如图4所示。对比可以看出，在中、高信噪比区域，本发明所提方法可以获得和模拟网络编码一样的高频谱效率；随着用户数的增加，本发明所提方法会迅速达到模拟网络编码的频谱效率，有效地克服了传统机会源选择频谱效率低下的缺点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多用户双向中继通信系统的数据通信方法，其特征在于，该方法包括：

S1、根据基站与每个用户之间直达链路的信道强度，选择直达链路，具体为：

用表示基站BS与第k个用户MS_k之间直达链路的复信道参数，表示直达链路的信道强度，表示所选直达链路的复信道参数，表示所选直达链路的信道强度，所选直达链路对应第k^*个用户其中k^*为：

$k^{*}=\arg \underset{k=1,...K}{\max }{\left|h_{\mathrm{BS},{\mathrm{MS}}_k}\right|}^2;$

S2、判断仅靠步骤S1所选直达链路是否能实现数据通信,如果是，进行步骤S3；反之进行步骤S4；

S3、中继保持静默，基站与用户间仅通过所述步骤S1中所选直达链路在两个时隙内进行双向通信，直到数据通信完毕；

S4、如果基站的发送功率与所选直达链路的信道强度之乘积小于预定的信噪比门限，中继被激活，基于中继信道的瞬时强度，在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信，并在目标节点处合并通过中继链路和直达链路传输的两路数据，直到数据通信完毕；

所述步骤S2中判断仅靠所述步骤S1中所选直达链路是否能实现数据通信具体包括：

如果基站的发送功率与所选直达链路的信道强度之乘积大于等于预定的信噪比门限，则判定直达链路能实现数据通信；反之则不能；

所述步骤S4中在基站与用户之间选择一个特定方向进行通信具体包括：

如果基站端的信噪比大于用户端的信噪比，则采用用户为源节点而基站为目标节点的上行数据传输方式；反之则采用基站至用户的下行数据传输方式，具体为：基站BS及用户处端对端信噪比分别表示为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BS}}=P_S{\left|h_{{\mathrm{BS},\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+\frac{P_R{P}_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2{\left|h_{{R,\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2}{P_R{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2+P_S{\left|h_{{R,\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+1}$

${\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{MS}}_{k^{*}}}=P_S{\left|h_{{\mathrm{BS},\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+\frac{P_R{P}_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2{\left|h_{{R,\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2}{P_S{\left|h_{\mathrm{BS},R}\right|}^2+P_R{\left|h_{{R,\mathrm{MS}}_{k^{*}}}\right|}^2+1}$

若则选择基站BS为源节点，为目标节点；反之选择用户为源节点，基站BS为目标节点，其中，P_R表示中继的发送功率，h_BS,R和分别表示基站BS与中继R和用户与中继R之间的链路的复信道参数，P_S表示基站与移动用户的发送功率，|h_BS,R|²表示基站BS与中继R之间的信道强度，表示中继R与用户之间的信道强度。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S1中所选的直达链路为信道强度最强的直达链路。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S4中所述目标节点处通过最大比合并技术合并通过中继链路和直达链路的两路数据。