CN103209427B - 一种源用户基于用户信道质量的协作用户选择方法 - Google Patents

Abstract

源用户基于用户信道质量的协作用户选择方法，用于无线通信3GPP长期演进上行定向协作通信系统技术领域，其特点在于：先后计算出源用户与协作用户各自的信噪比，以及二者之间的能量增益，再取能量增益最大的用户作为备选协作用户，然后再在保证能量增益最大的条件下考察协作用户到基站之间的信噪比，进行最优协作用户匹配优化，从而选择出信道条件最优、转发效果最好的协作用户。本发明的优点在于：利用信道质量最优化的方法综合考虑了协作用户信道条件以及相应信噪比、能量增益的变化，实现了系统中源用户与协作用户的最优匹配，保证了协作用户选取的客观最优化。

Description

一种源用户基于用户信道质量的协作用户选择方法

技术领域

本发明涉及一种在协作通信中源用户基于协作用户与基站间信道质量的协作用户选的方法，属于无线通信中LTE上行协作通信中继选择研究的相关领域。

背景技术

随着用户对高速移动通信的需求，第三代合作伙伴计划（3GPP，3^rd Generation PartnershipProject）于2004年启动LTE（Long Term Evolution）的研究项目。LTE系统的设计目标：提高数据速率、减小传输延时、提高系统频谱效率、降低运营成本等。但在实际应用通信过程中，不可避免的产生蜂窝通信系统的小区干扰，从而导致小区链路传输可靠性的降低。因此，在LTE系统中如何保证传输可靠性的问题成为业界广泛关注的焦点。

为了改善系统信道传输性能、提高小区链路传输可靠性，可以在通信系统中加入多用户分集协作系统。协作通信作为未来无线通信提高频谱效率的关键技术之一，近年来受到广泛关注。用户可以根据小区内用户的发射功率、用户间的距离、用户所在的信道质量等信道状态信息来选择合适的协作用户。从选择协作用户的依据来看，可以分为根据用户的位置、用户之间以及用户到基站的信道状态等种类，其中根据信道状态选择是目前研究的主要方向，因为目前大多数系统并不支持获取用户的准确位置信息，并且位置信息也并不等同于信道的好坏。而根据用户的信道状态信息选择还可以分为根据瞬时信道信息和平均信道信息两种，前者适合于突发的数据传输，后者适合于连续的数据传输。

通常协作用户的选择方法主要分为分散式和集中式两种，前者只是针对单个用户的通信质量达到最优，而后者可以进行整个基站的统一分配，从而达到整体最优化。最常用的几种集中式协作用户选择方法分别为最大权重(MW)方法、贪婪(Greedy)方法和最差链路优先(WLF)方法。其中，WLF方法就是在小区内首先找到信道最差的用户i，计算用户i与所有其他用户进行协作的能量增益ω(i,j)，选择其中能量增益最大的用户j作为协作用户，二者相互协作，然后重复这样的操作，继续为剩下的信道最差的用户匹配一个能量增益最大的用户，直到结束。

在《改进的集中式协作用户选择方法》、《无线网络多用户协作传输关键技术研究》等相关文献中，均对协作通信方式有了较为深刻的介绍，但以往文献在并未详细讨论协作用户与基站间信道条件等内容，这导致选取协作用户的优越性受到影响。为了进一步降低计算复杂度并避免不必要的协作，本文提出了基于信道质量的LTE上行链路非互惠信道协作用户选取最优方法。该方法基于对WLF算法的改进，以小区内用户信道质量以及相应的信噪比为参数指标来确定协作用户。通过计算用户所处的信道信噪比以及能量增益来确定其是否作为协作用户，从而有效降低了计算复杂度和系统开销，提升了系统性能。

发明内容

本发明的主要目的是在源用户需要进行协作通信的角度上，考虑网络中存在多个备选协作用户的情况下，以协作用户到基站之间的端到端信道条件最优以及源用户和备选协作用户能量增益最大为目标，构建LTE上行平台协作通信环境，完成协作用户的选择。本方法解决了在网络中有多个备选协作用户的情况下，如何选择确定最优协作用户的选择问题，并通过选取合适的协作用户以提高系统容量。

本发明技术方案中的系统运行过程流程图见图1。

本发明技术方案中的不同算法对应误码率比较图见图2。

本发明技术方案中的不同算法对应系统容量比较图见图3。

源用户基于用户信道质量的协作用户选择方法，其特征在于：在源用户i、多个备选协作用户j和基站D之间，依次按以下步骤实现：

步骤（1），系统初始化，设小区内有N个用户，基站根据各用户n到基站的信道质量，设定各用户n到基站的信噪比门限值S₁，n=1，2，…，n，…N；

步骤（2），计算小区内各用户n与基站间的信噪比γ₁，γ₂…γ_n…γ_N，1<n<N，如果某用户n的信噪比γ_n大于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_n>S₁，则认为该用户信道条件较好，不需要进行协作通信，将信息直接发送给基站，如果某用户n的信噪比γ_n小于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_n<S₁，则认为该用户n信道条件较差，在小区内存在潜在空闲协作用户的情况下，该用户n作为源用户i，需要有协作用户进行协作传输，该源用户i的信噪比表示为γ_i，按如下步骤进行：

首先计算γ_i：

${\mathrm{\&gamma;}}_i={\mathrm{\&sigma;}}_i^2\frac{E_{\mathrm{bi},P0}}{P_0}---\left(1\right)$

其中，E_bi,P0为非协作的情况下传送1bit信息所需的能量，为信道衰落系数的方差，P₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，此时，源用户i的信噪比γ_i小于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_i<S₁，该源用户i信道条件较差，在小区内存在潜在空闲协作用户的情况下，需要有协作用户进行协作传输；

步骤（3），假设小区内源用户i需要进行协作传输，设定该源用户i与小区内其他用户之间的信噪比门限阈值S₂，分别计算源用户i到小区内其他用户的信噪比γ_i1，γ_i2…γ_ij，γ_i（j+1）…γ_i（N-1），选择其中大于设置的信噪比门限阈值S₂的用户M个，则该M个用户作为用户i的备选协作用户；

计算γ_ij的方法如下：

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2\frac{2E_{\mathrm{bi},S}}{P_0}---\left(2\right)$

其中，E_bi,S为源用户i发射1bit信息时源用户i所耗费的能量，为源用户i到各备选协作用户的信道衰落系数的方差，P₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；

步骤（4），分别计算源用户i与各备选协作用户的能量增益ω_ij，依据能量增益大小的次序，将各备选协作用户由大到小排列，步骤如下：

当源用户i选择了用户j作为备选协作用户后，采用固定的再生前向方法，在准静态瑞利信道下的平均误码率表示如下：

其中，表示选取备选协作用户j后源用户i到基站的信噪比，其中，E_bi,S为源用户i发射1bit信息时源用户i所耗费的能量，表示选取备选协作用户后用户j到基站的信噪比，其中，E_bj,R为备选协作用户j发射1bit信息时备选协作用户j所耗费的能量，γ_ij表示源用户i到备选协作用户j的信噪比，令k=E_bi,S/E_bj,R，则式（3）可以写作：

$P_{e,c}\&CenterDot;{E_{\mathrm{bi},S}}^3-\left[\frac{k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2{P}_0}{4{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2({\mathrm{\&sigma;}}_i^2+k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2)}\right]\&CenterDot;{E_{\mathrm{bi},S}}^2+\frac{3{P_0}^3}{64k{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}-[\frac{3}{16k{\mathrm{\&sigma;}}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2-k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}{8{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2({\mathrm{\&sigma;}}_i^2+k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2)}]\&CenterDot;{P_0}^2\&CenterDot;E_{\mathrm{bi},S}=0\left(4\right)$

其中，参数k根据用户i和用户j的信道质量来设置不同的数值，如果给定系统所要求的平均误码率P_e,C，求解上面的方程就可以得到源用户所需的能量E_bi,S，由E_bj,R=E_bi,S/k，从而得到协作用户所需的能量E_bj,R，则小区内源用户i与备选协作用户j的协作能量增益定义为：

${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ij}}=10\lg \left[\frac{E_{\mathrm{bi},P0}}{E_{\mathrm{bi},S}+E_{\mathrm{bj},R}+E_{\mathrm{bi},P0}}\right]---\left(5\right);$

步骤（5），从M个备选协作用户中选取能量增益ω_ij最大的用户j作为用户i的协作用户。

本发明的优势在于协作通信的过程中，综合均衡考虑了选择协作用户的过程中，协作时刻各用户的信噪比、能量增益等是否达到整体相对最优，特别是重点考虑了协作用户所处的信道环境与条件，从而确定最终的协作用户。通过仿真实验考察所提出的基于协作用户与基站间信道质量的协作用户选择的方法。

附图说明

图1，基于协作用户与基站间信道质量的协作用户选择设计流程图。

图2，在不同信噪比的条件下，各个方法的误码率性能对比图。图中表示源用户直接向基站传输信号；表示经典算法下，协作用户参与协作通信；表示在所提算法下，协作用户参与协作通信。

图3，在不同信噪比的条件下，各个方法的系统转发容量性能对比图。图中表示源用户直接向基站传输信号；表示经典WLF算法下，协作用户参与协作通信；表示在所提算法下，协作用户参与协作通信。

具体实施方式

结合附图和实例说明LTE上行链路中基于用户的信道质量的协作用户选择方案的具体实施方式。

本发明在PC机上仿真实现是使用Matlab语言进行编程。Matlab是一种高级的矩阵语言，包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点，是包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。

在对本发明提出的算法进行检验后，所得结果能够比较准确的对基于用户信道条件的情况下，使信噪比与能量增益达到最优化的协作用户的选择方法。

基于图2的不同信噪比的误码率情况对比图可以表示出：本发明所提的基于用户信道质量的协作用户选择方法，实质上是在寻找源用户与协作用户间的信噪比与能量增益最优化的匹配，同时，也考虑了协作用户在转发信息过程中的信噪比情况。此算法通过仿真实验证明能使系统误码率进一步降低。在协作用户参与后，系统传输的可靠性显著增强，基于WLF经典算法的协作效果远好于系统的直接传输。同时，经过所提算法也优于经典算法，误码率随着信噪比的增加逐渐降低。特别是在高信噪比的情况下，所提算法的优势更加明显。例如，在信噪比为18dB的情况下，所提算法比传统算法的系统误码率提高近10倍，而当系统误码率保持在10^-3的情况下，所提算法比传统算法多可获得2.5dB的信噪比增益。

基于图3也可看出，在协作传输过程中，由于考虑的备选协作用户的信道质量，因此，源用户转发到基站的信息容量显著提高。特别是在信噪比较低的情况下，所提算法的协作用户转发信息容量明显大于直接传输的方式，也优于WLF的经典算法。在信噪比均为2dB时，直接传输情况下，系统容量大约为1.67bit/s，WLF经典算法下的系统容量为1.73bit/s，而改进的WLF算法下的系统容量为1.77bit/s。

综上所述，无论是在系统误码率还是在系统转发信息容量上，本方法在选择最优协作用户上都有一定的优势。

Claims (1)

1.源用户基于用户信道质量的协作用户选择方法，其特征在于：在源用户i、多个备选协作用户j和基站D之间，依次按以下步骤实现：

步骤(1)，系统初始化，设小区内有N个用户，基站根据各用户n到基站的信道质量，设定各用户n到基站的信噪比门限阈值S₁，n＝1，2，…，n，…N；

步骤(2)，计算小区内各用户n与基站间的信噪比γ₁，γ₂…γ_n…γ_N，1<n<N，如果某用户n的信噪比γ_n大于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_n>S₁，则认为该用户信道条件较好，不需要进行协作通信，将信息直接发送给基站，如果某用户n的信噪比γ_n小于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_n<S₁，则认为该用户n信道条件较差，在小区内存在潜在空闲协作用户的情况下，该用户n作为源用户i，需要有协作用户进行协作传输，该源用户i的信噪比表示为γ_i，按如下步骤进行：

首先计算γ_i：

${\mathrm{\&gamma;}}_i={\mathrm{\&sigma;}}_i^2\frac{E_{\mathrm{bi},P0}}{P_0}---\left(1\right)$

其中，E_bi,P0为非协作的情况下传送1bit信息所需的能量，为信道衰落系数的方差，P₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，此时，源用户i的信噪比γ_i小于设置的信噪比门限阈值S₁，即γ_i<S₁，该源用户i信道条件较差，在小区内存在潜在空闲协作用户的情况下，需要有协作用户进行协作传输；

步骤(3)，假设小区内源用户i需要进行协作传输，设定该源用户i与小区内其他用户之间的信噪比门限阈值S₂，分别计算源用户i到小区内其他用户的信噪比γ_i1，γ_i2…γ_ij，γ_i(j+1)…γ_i(N-1)，选择其中大于设置的信噪比门限阈值S₂的用户M个，则该M个用户作为用户i的备选协作用户；

计算γ_ij的方法如下：

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2\frac{2E_{\mathrm{bi},S}}{P_0}---\left(2\right)$

其中，E_bi,S为源用户i发射1bit信息时源用户i所耗费的能量，为源用户i到各备选协作用户的信道衰落系数的方差，P₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；

步骤(4)，分别计算源用户i与各备选协作用户的能量增益ω_ij，依据能量增益大小的次序，将各备选协作用户由大到小排列，步骤如下：

当源用户i选择了用户j作为备选协作用户后，采用固定的再生前向方法，在准静态瑞利信道下的平均误码率表示如下：

$P_{e,c}=\frac{1}{2{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ij}}}\&CenterDot;\frac{{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;}}{{{\mathrm{\&gamma;}}_i}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;}}+\frac{3}{4{{\mathrm{\&gamma;}}_i}^{\&prime;}{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;}}+\frac{1}{2{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ij}}}\&CenterDot;\frac{{{\mathrm{\&gamma;}}_i}^{\&prime;}-{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;}}{{({{\mathrm{\&gamma;}}_i}^{\&prime;}+{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;})}^2}-\frac{1}{2{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ij}}}\&CenterDot;\frac{3}{4{{\mathrm{\&gamma;}}_i}^{\&prime;}{{\mathrm{\&gamma;}}_j}^{\&prime;}}---\left(3\right)$

其中，γ_i′表示选取备选协作用户j后源用户i到基站的信噪比，其中，E_bi,S为源用户i发射1bit信息时源用户i所耗费的能量，γ_j′表示选取备选协作用户后用户j到基站的信噪比，其中，E_bj,R为备选协作用户j发射1bit信息时备选协作用户j所耗费的能量，γ_ij表示源用户i到备选协作用户j的信噪比，令k＝E_bi,S/E_bj,R，则式(3)可以写作：

$P_{e,c}\&CenterDot;{E_{\mathrm{bi},S}}^3-\left[\frac{k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2{P}_0}{4{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2({\mathrm{\&sigma;}}_i^2+k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2)}\right]\&CenterDot;{E_{\mathrm{bi},S}}^2+\frac{3{P_0}^3}{64k{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}-[\frac{3}{16k{\mathrm{\&sigma;}}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2-k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}{8{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^2({\mathrm{\&sigma;}}_i^2+k{\mathrm{\&sigma;}}_j^2)}]\&CenterDot;{P_0}^2\&CenterDot;E_{\mathrm{bi},S}=0---\left(4\right)$

其中，参数k根据用户i和用户j的信道质量来设置不同的数值，如果给定系统所要求的平均误码率P_e,c，求解上面的方程就可以得到源用户所需的能量E_bi,S，由E_bj,R＝E_bi,S/k，从而得到协作用户所需的能量E_bj,R，则小区内源用户i与备选协作用户j的协作能量增益定义为：

${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ij}}=10\lg \left[\frac{E_{\mathrm{bi},P0}}{E_{\mathrm{bi},S}+E_{\mathrm{bj},R}+E_{\mathrm{bi},P0}}\right]---\left(5\right);$

步骤(5)，从M个备选协作用户中选取能量增益ω_ij最大的用户j作为用户i的协作用户。