CN103139788B - 一种基于网络编码的无线中继部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的无线中继部署方法。所述网络包含基站BS、中继节点R和若干用户节点，任意两用户节点U1、U2的中继节点R的部署包括：以一用户节点U1或U2为原点，并以该原点与基站BS的连线为X轴，建立平面坐标系；对所述平面坐标系中基站BS和非所述原点上的另一用户节点U2或U1的坐标值进行归一化处理，得到相应的坐标值；通过在U1、U2和BS形成的三角区域的二维搜索，寻找中断概率近似界最小时的中继坐标；通过归一化还原，还原坐标为实际坐标，得到最佳中继节点R。优点是：可获得最佳中继部署坐标，由此可有效提高系统的中断概率性能；该方法降低了坐标部署的复杂性且适用性广。

Description

一种基于网络编码的无线中继部署方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信技术，尤其涉及一种基于网络编码的无线中继部署方法。

背景技术

网络编码的思想最初是在2000年Ahlswede等人，在“IEEETransactiononInformationTheory”上发表的文献“Networkinformationflow”中提出的，他们从信息论的角度出发，严格证明了单点对多点的通信网络中，通过节点编码的方式可以使信息传输速率达到网络的最大流量，从而编码的方式优于路由的方式。随着研究的不断深入，近期将网络编码的思想应用于无线通信系统逐渐受到人们的关注。在无线通信网络中使用网络编码，不仅可以提高信息传输率，节约传输所需能量，而且可以使节点之间在所需能量方面进行折中。

无线中继技术中，为获得分集增益，目的节点需要收到来自不同节点且包含同样信息的多个信号样本；网络编码技术中，为了获得网络编码增益，则需要中间节点将来自多个节点的多个数据流有选择地合并到一起，目的节点收到多个合并样本后，借助于已知信息通过适当的运算还原出原始信息。和传统的点到点通信相区别，协作中继技术和网络编码技术具有共同的通信特征：多个节点参与并且通过多个时隙传输。因此，将网络编码的思想应用于协作中继技术，提高协作分集系统的有效性和可靠性是很有意义的研究方向。

在LTE-Advanced系统中引入中继能够改善高数据率的覆盖、组移动能力、临时网络配置和小区边缘吞吐量和/或提供新的覆盖区域。中继可根据用户面和控制面的协议体系进行划分。在中继端采用网络编码技术可以节省转发资源或改善接收性能。基于网络编码的协作中继近年来研究较多。该模型下，多用户的信息在一个或多个合作伙伴节点进行融合后转发给目的节点。该模型的转发可以套用协作中的DF和AF协议，根据无线网络编码特性还出现DNF传输协议。

现今对基于网络编码的中继技术研究主要集中在协议和中断概率的分析以及中继对信号的处理上，而涉及具体如何在现有无线网络中部署中继的很少。经对现有文献检索发现，中国专利公开号为：101325549，名称为：在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，该技术给出了中继如何对接收的多用户信息进行处理的方法。但在研究时假设中继是固定，这主要原因是现有的研究都关注在无线中继搭建好后，如何处理信号和控制功率。中国专利公开号为：101754223A，名称为：一种无线中继部署及管理方法，该技术主要针对现有网络的覆盖区域的拓展以及减少对静区的影响来研究中继的部署问题。

因此，在现有无线网络编码领域中，几乎很少有涉及如何进行有效的中继部署，而中继部署对提高系统的中断概率性能和提高协作分集系统的有效性和可靠性具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于网络编码的无线中继部署方法，以解决在搭建无线中继网络时确定中继的具体较优化的部署坐标。

为实现上述目的，所述部署方法包括：

以一用户节点U1或U2为原点，并以该原点与基站BS的连线为X轴，建立平面坐标系；

对所述平面坐标系中基站BS和非所述原点上的另一用户节点U2或U1的坐标值进行归一化，得到相应的坐标值；

通过在U1、U2和BS形成的三角区域的二维搜索，寻找中断概率近似界最小时的中继坐标；

归一化还原，还原坐标为实际坐标，得到最佳中继节点R。

所述中继部署方法的进一步设计在于，所述归一化是以所述原点至基站BS距离为一个长度单位的长度距离的归一化处理。

所述中继部署方法的进一步设计在于，所述中断概率近似界为

；

其中：x、y为中继节点在所述相对平面坐标系中的坐标值，

,为系统频谱效率，

、和分别为节点U1、U2和R的发送信噪比，

为路径损耗指数，

C为传播环境常数，

和为相对信噪比因子，

为所述原点的信噪比；

上式中的、、和随所述原点的设置变化而变化：当所述原点为节点U1时，，，，；当所述原点为节点U2时，，，，；、为基站BS分别与用户节点U1、U2的距离。

所述中继部署方法的进一步设计在于，所述信噪比、是在所述用户节点U1和U2分别发送的情况下，测得对应用户节点的发送端的信噪比。

所述中继部署方法的进一步设计在于，所述传播环境常数C和路径损耗指数，从下述关系式（1）和（2）中获得，

（1），

（2）；

其中：、分别表示U1和U2到BS的信道大尺度衰落系数；、表示基站BS分别接收用户节点U1、U2信号时的信噪比。

本发明的有益效果在于：1）可获得最佳中继部署坐标，因而可有效的提高系统的中断概率性能；2）中继坐标是关于、和及C和的函数，在确定网络拓扑结构及发送功率后，中继的部署坐标也是确定的，因此可以在网络规划初期直接部署，而不需要实时的更改坐标，降低坐标部署的复杂性；3）中继部署是以中断概率为性能依据，而中断概率与用户采用的调制、编码方式以及中继采用的网络编码形式无关，因此该中继部署方法适用性比较广。

附图说明

图1是基于网络编码的多用户接入中继系统模型。

图2是本发明中继部署方法的主要流程框图。

图3是本发明中继部署方法具体实施一个较详细的流程框图。

图4是采用本发明方法获得中继节点而形成的中继系统与现有中继系统仿真性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。

对照图1，在包含基站BS、中继节点R和若干用户节点的无线网络中，对于任意两用户节点U1、U2的中继节点R的部署主要是：首先建立平面坐标系，该平面坐标系是以一用户节点U1或U2为原点，并以该原点与基站BS的连线为X轴；然后基站BS和非所述原点上的另一用户节点U2或U1的坐标值进行归一化；接着通过在U1、U2和BS形成的三角区域的二维搜索，获得中断概率近似界最小时的中继坐标，就是中继的最佳的部署位置；即

，

最后通过归一化还原，还原坐标为实际坐标，得到最佳中继节点R，参照图2。

在上述中继部署方案中，其归一化处理是以所述平面坐标系原点至基站BS的距离为1个长度单位对坐标系中各对应坐标点的坐标值进行归一化处理。如设U1为原点，则BS坐标为(1,0)，若与基站BS的距离分别为、，用户节点U1、U2相互间的距离为；则U2坐标(a,b)的对应坐标值a,b为：

（1），

（2）。

当然，如将平面坐标系原点设置在用户节点U2上，根据相同的几何关系，U1的坐标(a,b)的对应坐标值a,b为：

（3），

（4）。

上述中继部署方案中的断概率近似界较优选的方式是由以下公式获得：

（5）

其中：,为系统频谱效率，、和分别为节点U1、U2和R的发送信噪比，是路径损耗指数，C是传播环境常数，和为相对信噪比因子，为所述平面坐标系原点的信噪比；

上述（5）式中的、、和随平面坐标系的原点设置位置不同而有所不同。当所述平面坐标系的原点设置在用户节点U1上时，，，，；当原点设置在用节点U2上时，，，，。

上述传播环境常数C和路径损耗指数，从下述关系式（4）和（5）所列方程组中获得，

（4），

（5）；

其中：、分别表示U1和U2到BS的信道大尺度衰落系数；、表示基站BS分别接收用户节点U1、U2信号时的信噪比。

上述信噪比、是在用户节点U1和U2分别发送的情况下，分别从对应用户节点的发送端测得。

根据（1）、（2）[或（3）、（4）]和、（5）式可以得到R的最佳部署坐标：

当以用户节点U1为坐标原点时：

，；

当以用户节点U2为坐标原点时：

，。

在对上述得到的最佳部署坐标进行归一化还原，就可得到实际坐标，实际坐标中的与存在如下关系：

当以用户节点U1为坐标原点时：=，=；

当以用户节点U1为坐标原点时：=，=。

由此，一个具体中继部署的实施步骤可较详细的表示为图3所示的流程，即：1）确定用户节点U1、U2和中继节点R发送端的信噪比，测量用户节点U1、U2分别与基站BS的距离、及两用户节点U1、U2之间的距离；2）以用户节点U1或U1为坐标原点(0,0)，以该原点与基站BS的连线为x轴建立坐标系；3）以原点到BS的距离为一单位长度，进行归一化，得到基站BS坐标(1,0)及U2的坐标(a,b)；4）通过上述公式（4）、（5）计算环境常数C和路径损耗指数；5）通过在两户节点U1、U2和BS形成的三角区域的二维搜索并根据上述公式（4）计算出最佳中继节点；6）归一化还原，将还原为实际坐标。

根据AJ.Goldsmith所著的《WirelessCommunications》一书中所指出的：信道大尺度衰落与距离的指数关系一般位于2~5之间，不失一般性。如设，系统频谱效率，功率、，U1、U2和BS相对坐标为(0,0)、(1,0)和(0.5,0.866)，按本发明的中继部署可得最佳中继节点R(0.8,0.02)（为相对于图1所示的平面坐标）。若不按本发明方法来进行中继部署，还是相对于图1所示的坐标系，假设A情况下中继部署于(0.7,0.5)，B情况下中继部署与(0.3,0.6)，则通过仿真可以看出中继部署于本发明所给的最佳坐标点的性能明显优于A和B情况下的系统性能，请参见图4。

Claims (5)

1.一种基于网络编码的无线中继部署方法，所述网络包含基站BS、中继节点R和若干用户节点，其特征在于，任意两用户节点U1、U2的中继节点R的部署包括：

以一用户节点U1或U2为原点，并以该原点与基站BS的连线为X轴，建立平面坐标系；

对所述平面坐标系中基站BS和非所述原点上的另一用户节点U2或U1的坐标值进行归一化，得到相应的坐标值；

通过在U1、U2和BS形成的三角区域的二维搜索，寻找中断概率近似界最小时的中继坐标R(x_opt，y_opt)；

归一化还原，还原坐标R(x_opt，y_opt)为实际坐标R(x_o，y_o)，得到最佳中继节点R。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的无线中继部署方法，其特征在于所述归一化是以所述原点至基站BS距离为一个长度单位的长度距离的归一化处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的无线中继部署方法，其特征在于所述中断概率近似界为

$P_{out}^{up}={\left(\frac{g\left(Ra\right)}{C\mathrm{\γ}}\right)}^2\left(\begin{array}{c}\left({(x^2+y^2)}^{x/2}+\frac{{({(x-1)}^2+y^2)}^{x/2}}{\mathrm{\β}}+\frac{1}{\mathrm{\α}}{M}^x\right)+\\ \left(\frac{{({(x-a)}^2+{(y-b)}^2)}^{x/2}}{{\mathrm{\α}}^2}{M}^x+\frac{{({(x-1)}^2+y^2)}^{x/2}}{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{M}^x\right)\end{array}\right);$

其中：x、y为中继节点在相对平面坐标系中的坐标值，

g(Ra)＝2^Ra-1，Ra为系统频谱效率，

γ₁、γ₂和γ_R分别为节点U1、U2和R的发送信噪比，

τ为路径损耗指数，

C为传播环境常数，

α和β为相对信噪比因子，α＝γ₂/γ₁，β＝γ_R/γ₁；

γ为所述原点的信噪比；

上式中的γ、α、β和M随所述原点设置变化而变化：当所述原点为节点U1时，γ＝γ₁，α＝γ₂/γ₁，β＝γ_R/γ₁，M＝d_2B/d_1B；当所述原点为节点U2时，γ＝γ₂，α＝γ₁/γ₂，γ＝γ_R/γ₂，M＝d_1B/d_2B；d_1B、d_2B为基站BS分别与用户节点U1、U2的距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于网络编码的无线中继部署方法，其特征在于所述信噪比γ₁、γ₂是在所述用户节点U1和U2分别发送的情况下，测得对应用户节点的发送端的信噪比。

5.根据权利要求4所述的一种基于网络编码的无线中继部署方法，其特征在于所述传播环境常数C和路径损耗指数τ，从下述关系式(1)和(2)中获得，

${\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{\δ}}_{1B}^2={\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{Cd}}_{1B}^{-x}={{\mathrm{\γ}}_1}^t---\left(1\right),$

${\mathrm{\γ}}_2{\mathrm{\δ}}_{2B}^2={\mathrm{\γ}}_2{\mathrm{Cd}}_{2B}^{-x}={{\mathrm{\γ}}_2}^t---\left(2\right);$

其中：分别表示U1和U2到BS的信道大尺度衰落系数；γ₁ ^t、γ₂ ^t表示基站BS分别接收用户节点U1、U2信号时的信噪比。