CN103067127A - 非对称速率下的分布式解码转发双向中继选择方法 - Google Patents

Abstract

一种非对称速率下的分布式解码转发双向中继选择方法，适用于采用叠加编码(superpositioncoding)的解码转发双向中继系统，该方法基于源节点发送数据之后进行中继选择的被动式选择方法，综合考虑网络中两个源节点目标速率的不对称性，利用平衡技术，根据信道状态信息，进行最佳双向中继选择，能够达到任意业务类型和链路特性下的系统性能优化。

Description

非对称速率下的分布式解码转发双向中继选择方法

技术领域

本发明涉及一种非对称速率下的解码转发双向中继通信系统机会中继选择方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

本世纪初研究人员针对小型移动终端无法配置多天线的难题，提出协作分集(中继)技术。不同于传统的点到点通信，协作分集技术允许无线网络中不同用户节点共享彼此的天线和其它网络资源，有望大大提高无线网络容量和复用增益。同时在抗信道衰落、覆盖阴影区域、扩大无线蜂窝系统的有效覆盖半径,增强特定区域数据速率等方面也有很大的发展潜力，已经成为4G系统演进的重点方向。然而，由于实际中继通信系统的半双工限制，使得传统的单向协作中继术在提高无线通信性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此，科研人员针对经典的三节点网络，基于放大转发(Amplify-and-Forward，AF)和解码转发(Decode-and-Forward，DF)协议提出了一种称之为双向中继的协作中继机制。双向中继作为一种特殊的协作传输形式，能够显著提升网络吞吐量和提高频谱利用率，为无线通信网络(如蜂窝移动通信网络和无线传感器网络)中的高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已经得到学术界和产业界的高度重视。

在实际无线中继通信系统中，中继节点一般不是唯一的，往往系统中同时存在着多个可供选择的中继用户。此时，分布式空时码(Space-Time Coding,STC)，分布式波束成型(beamforming)和中继选择技术均能够有效地处理多中继问题，来提高系统传输性能。然而，相对于分布式STC和分布式波束成形要求中继之间具有理想的时间或频率同步，中继选择技术简单、实用，并且能够获得满分集增益，从而吸引了科技人员更多的关注。

目前，中继选择算法按执行方式可分为：中心式和分布式；按算法执行时间可分为：主动式(proactive)和被动式(reactive)。对于中心式算法需要某一中心节点(例如：基站、AP等)利用接收或反馈信息执行节点选择并将结果反馈给源节点和相应的中继节点。分布式算法则是依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行判断是否协作和与谁协作。中心式算法的优点在于从全局角度统筹规划，使得系统工作在全局最优状态，然而由于需要搜集相关的信息以及计算全局最优解，因此会引入较大的通信开销和计算开销。分布式算法往往获得的是局部最优解，但是分布式算法分散了通信开销和计算复杂度，而且分布式算法更加适用于无固定支持的网络(如Ad Hoc网络)。所谓主动式算法，即在源节点发送数据之前进行中继选择；被动式算法，即在源节点发送数据之后进行中继选择。对于主动式算法，由于中继选择发生在源节点信息发送前，因而所有中继节点均在可选集合中。相反对于被动式算法，由于中继选择发生在源节点信息发送后，所以可以设定相应的条件，让满足条件的中继节点组成可选中继集合参与中继选择。例如多中继DF双向中继系统中，只有能够正确解码信号的中继才是可选中继节点。

虽然，目前关于DF双向中继系统的中继选择研究取得了一定的成果，但都均未考虑系统业务特性(现有的算法均假设源节点目标速率始终是对称的)。实际上，由于通信系统中用户业务类型的不同，节点的目标速率也不尽相同。另外，研究人员也指出业务的不对称性对双向中继系统中的许多性能指标，如：系统吞吐量、误码率等，均有不同程度的影响。因此，现有的双向中继选择方法实用性并不强，有待改进，以便具体应用。

发明内容

本发明提供一种非对称速率下的分布式DF双向中继选择方法。本方法利用系统业务知识以及平衡技术(balance technique)，根据信道状态信息，来进行最佳双向中继选择，以达到任意业务类型和链路特性下的系统性能优化，本方法适用于采用叠加编码(superposition coding)的解码转发双向中继系统。

本发明具体步骤是：

对于DF双向中继系统，两个源节点A和B通过位于两者之间的中继节点R_i(网络中有N个待选中继，i∈{1,2,…,N})进行信息的互换。源节点A和B之间的一次信息交互分两个时隙完成。第一个时隙源节点A和B将各自的二进制信息m_A和m_B，通过编码调制为发送信号s_A和s_B，并同时向N个中继节点进行发送，则中继R_i接收的两路合并信号为

$y_{R,i}=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},i}{s}_A+\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},i}{s}_B+w_{R,i}---\left(1\right)$

其中h_AR,i和h_BR,i分别为源节点A到R_i和源节点B到R_i的信道增益；w_R，i为中继节点R_i处的高斯白噪声。在第一时隙末，中继R_i将对接收信号y_R，i进行联合解码，即解码源节点发送的二进制信息m_A和m_B。当中继R_i能够正确解码m_A和m_B时，中继R_i将解码信息进行编码调制，并进行叠加编码后得

$s_{R,i}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_i}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_i}{s}_B---\left(2\right)$

这里α_i和β_i是中继R_i端的叠加编码功率分配因子，有0＜α_i,β_i＜1，α_i+β_i=1，以满足中继端的发射功率限制。与此同时，中继R_i将启动一个定时器，其时长与|h_AR,i|²|h_BR,i ²/(z_A|h_AR,i|²+z_B|L_BR,i|²)成反比，这里

而r_A和r_B分别为源节点A和B的目标速率。当中继R_k的定时器到时后，它将第一个接入信道，并通知源节点和其它中继节点，它将为源节点进行信息的转发。这里的最佳中继R_k的选择可由下式表达

$k=\arg \underset{i,i\∈D_t}{\max }\left(\frac{{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}\right)---\left(3\right)$

其中D_t为第一时隙末能够正确解码源节点信息m_A和m_A的中继节点集合。

在第二个时隙，中继R_k将s_R,k广播给源节点A和B，则A和B在第二时隙末的接收信号分别为

$y_A=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},k}{s}_{R,k}+w_A=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},k}(\sqrt{{\mathrm{\α}}_k}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_k}{s}_B)+w_A---\left(4\right)$

$y_B=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},k}{s}_{R,k}+w_B=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},k}(\sqrt{{\mathrm{\α}}_k}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_k}{s}_B)+w_B---\left(5\right)$

这里w_A和w_B分别为源节点A和B处的高斯白噪声，α_k和β_k分别由式(6)和式(7)给出。

${\mathrm{\α}}_k=\frac{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}---\left(6\right)$

${\mathrm{\β}}_k=\frac{z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}---\left(7\right)$

最后，源节点A和B将分别对接收信号y_A和y_B进行干扰自消除，再解码得到对方的发送信息，完成信息的互换。

本发明的优点及有益效果：

本发明利用系统业务知识以及平衡技术，根据信道状态信息，进行分布式双向中继选择。由于中继选择发生在源节点发送信息后，即被动式选择，因此，只有能够正确解码原节点信息的中继才参与中继选择。另外，中继选择还考虑了源节点目标速率的不对称性，因此，该算法能够实现任意业务类型和链路特性下的系统性能优化。仿真实验也表明，该中继选择算法在系统中断性能上具有优势。

附图说明：

图1为本发明方法示意图；

图2为对称速率下双向中继系统在不同待选中继数情况下的中断概率比较；

图3为非对称速率下双向中继系统在不同待选中继数情况下的中断概率比较；

图4为源节点A目标速率固定而源节点B目标速率变化情况下的双向中继系统中断概率比较；

图5为对称速率下双向中继系统在不同中继位置情况下的中断概率比较；

图6为非对称速率下双向中继系统在不同中继位置情况下的中断概率比较。

具体实施方式

如图1所示，假设解码转发双向中继系统中的所有待选中继R_i，i∈{1,2,…,N}，均能够通过信道估计得到它与源节点之间的信道状态信息。当中继R_i接收到源节点发送的合并信号后，将解码源节点发送的二进制信息。当解码成功，中继R_i将解码信息进行编码调制，并进行叠加编码后得

$s_{R,i}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_i}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_i}{s}_B$

这里α_i和β_i是中继R_i端的叠加编码功率分配因子，有0＜α_i,β_i＜1，α_i+β_i=1，以满足中继端的发射功率限制。与此同时，中继R_i将启动一个定时器，其时长与|h_AR,i|²|h_BR,i ²/(z_A|h_AR,i|²+z_B|h_BR,i|²)成反比，这里

而r_A和r_B分别为源节点A和B的目标速率。当中继R_k的定时器到时后，它将第一个接入接入信道，并通知源节点和其它中继节点，它将为源节点进行信息的转发。这里的最佳中继R_k的选择可由下式表达

$k=\arg \underset{i,i\∈D_t}{\max }\left(\frac{{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}\right)$

其中D_t为第一时隙末能够正确解码源节点信息的中继节点集合。

对本发明提出的分布式解码转发双向中继选择方法，我们对不同待选中继数、不同源节点速率和不同中继位置情况下的系统中断性能进行了仿真实验，并且与传统的最大最小算法和最大和算法进行了比较，实验环境为Matlab环境，以中断概率为指标，来衡量所提算法的性能。这里中断和中断概率的定义是：中断是指接收端不能够正确解码发送端的事件；中断概率是指系统中两个源节点至少有一个源节点发生中断的概率。

从图2和图3可以看出，无论是对称速率还是非对称速率，所提算法的性能均优于传统的最大最小和最大和准则，并且随着待选中继数的增加，性能优势越加明显。

为了说明系统工作在任意业务类型下所提算法的性能，我们固定其中一个源节点的目标速率，另一源节点的目标速率动态的在某一区间上变化，并进行了仿真实验。由图4可以看出在任何业务情况下所提算法均优于传统的最大最小和最大和准则。

为了进一步说明所提算法的性能，线面考虑中继节点位置变动情况下的系统性能仿真实验。假设中继R的位置在源节点A和B的连线上变动。因此，源节点A和B的距离等于中继R与两源节点距离的和。假设源节点A和B的距离等于1，则中继R到源节点A和B的距离d_AR和d_BR满足0＜d_AR,d_BR＜1，d_AR+d_BR=1。进一步，假设

其中χ=4来模拟城市环境下的路径衰落。

图5说明，在对称速率下所提算优于传统的最大最小和最大和准则。图6说明，在非对称速率下所提算法始终优于最大和准则；当中继靠近具有大速率的节点时，所提算法也优于最大最小准则；当中继位置向小速率节点靠近时，所提算法的性能与传统的最大最小准则性能接近。

Claims (1)

1.一种非对称速率下的分布式解码转发双向中继选择方法，其特征在于：基于源节点发送数据之后进行中继选择的被动式选择方法，综合考虑网络中两个源节点目标速率的不对称性，利用平衡技术，根据信道状态信息，进行最佳双向中继选择，具体方法是：

对于DF双向中继系统，网络中有N个待选中继，i∈{1,2,…,N}，两个源节点A和B通过位于两者之间的中继节点R_i进行信息的互换，源节点A和B之间的一次信息交互分两个阶段，在时分双工模式下A和B之间的一次信息交互将占用两个连续的时隙，第一个时隙，源节点A和B将各自的二进制信息m_A和m_B，通过编码调制为发送信号s_A和s_B，并同时向N个中继节点进行发送，则中继R_i接收的两路合并信号为

$y_{R,i}=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},i}{s}_A+\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},i}{s}_B+w_{R,i}---\left(1\right)$

其中h_AR,i和h_BR,i分别为源节点A到R_i和源节点B到R_i的信道增益，w_R，i为中继节点R_i处的高斯白噪声；在第一时隙末，中继R_i将对接收信号y_R，i进行联合解码，即解码源节点发送的二进制信息m_A和m_B，当中继R_i能够正确解码m_A和m_B时，中继R_i将解码信息进行编码调制，并进行叠加编码后得

$s_{R,i}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_i}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_i}{s}_B---\left(2\right)$

这里，α_i和β_i是中继R_i端的叠加编码功率分配因子，有0＜α_i,β_i＜1，α_i+β_i=1，以满足中继端的发射功率限制，与此同时，中继R_i将启动一个定时器，其时长与|h_AR,i|²|h_BR,i ²/(z_A|h_AR,i|²+z_B|h_BR,i|²)成反比，这里

而r_A和r_B分别为源节点A和B的目标速率，当中继R_k的定时器到时后，它将第一个接入信道，并通知源节点和其它中继节点，它将为源节点进行信息的转发；最佳中继R_k的选择由下式表达

$k=\arg \underset{i,i\∈D_t}{\max }\left(\frac{{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},i}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},i}\right|}^2}\right)---\left(3\right)$

其中，D_t为可选中继集，即第一时隙末能够正确解码源节点信息m_A和m_B的中继节点集合；

在第二个时隙，中继R_k将s_R,k广播给源节点A和B，则A和B在第二时隙末的接收信号分别为

$y_A=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},k}{s}_{R,k}+w_A=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{AR},k}(\sqrt{{\mathrm{\α}}_k}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_k}{s}_B)+w_A---\left(4\right)$

$y_B=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},k}{s}_{R,k}+w_B=\sqrt{P}{h}_{\mathrm{BR},k}(\sqrt{{\mathrm{\α}}_k}{s}_A+\sqrt{{\mathrm{\β}}_k}{s}_B)+w_B---\left(5\right)$

这里，w_A和w_B分别为源节点A和B处的高斯白噪声，α_k和β_k分别由式(6)和式(7)给出

${\mathrm{\α}}_k=\frac{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}---\left(6\right)$

${\mathrm{\β}}_k=\frac{z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}{z_A{\left|h_{\mathrm{AR},k}\right|}^2+z_B{\left|h_{\mathrm{BR},k}\right|}^2}---(7$

最后，源节点A和B将分别对接收信号y_A和y_B进行干扰自消除，即源节点A和B分别将式(4)和式(5)中自己发送的信号项

和

去除，再对所得信号进行解码得到对方的发送信息，完成信息的互换。

Images