CN103441787A

CN103441787A - 双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法

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Publication number: CN103441787A
Application number: CN2013104298087A
Authority: CN
Inventors: 李靖; 钱夏斌; 葛建华; 孙玉展; 王勇; 宫丰奎
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xi'an Century Pacific Network Technology Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103441787B

Abstract

本发明公开了一种双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法，该方法为：基站获得各信道状态信息；基站取第一跳和第二跳信道增益的平方值分别乘上适当的系数，再加上对应的直连信道的增益的平方值，根据和的大小，联合选取最优的天线和用户对，并广播用户编号；在协作通信的第一时隙内，基站广播信号，中继和用户接收；在协作通信的第二时隙内，用户广播信号，中继和基站接收；在协作通信的第三时隙内，中继放大一、二时隙接收的信号，合并后广播，基站和用户接收；基站和用户对接收的信号自干扰消除，分别按最大比合并合并信号，并用最大似然检测得到发送信号。本发明降低了天线和用户选择的复杂度，提高了系统通信性能。

Description

双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法。

背景技术

双向中继传输是一个极有前途的信息传输技术，在不增加发射功率和带宽的前提下，它可以有效的提高中继传输的频谱效率，被广泛应用于中继系统和ad-hoc网络等，时分广播（TDBC）双向传输是在模拟网络编码（ANC）的基础上，通过增加一个时隙，来利用两个端节点之间的直连信道，通过牺牲频谱效率获得系统的通信质量，近年来，学术界针对不同的场景，提出了各种中继，天线和用户选择的算法；

JangY.-U等人在“Performanceanalysisofuserselectionformultiusertwo-wayamplify-and-forwardrelay”（IEEECommun.Lett.,vol.14,no.11,pp.1086-1088,Nov.2010）中提出了ANC协议下的多用户双向中继通信系统模型，通过在多个候选用户中选择最佳用户获得多用户分集增益。FanL.等人在“Impactofchannelestimationerroronfixed-gaintwo-wayrelaynetworkwithuser/antennaselection”（TransactionsonEmergingTelecommunicationsTechnologies,2012）中结合实际情况考虑了基站配置多天线，中继和用户配置单天线的系统模型，分析了信道误差对天线和用户选择的影响。在基站多天线，中继和多用户都配置单天线场景下，现有文献只考虑了ANC协议，还没有相关的文献对相同场景下采用TDBC协议做过研究。TDBC协议完成每次通信需要三个时隙，比ANC协议多一个时隙，但是它利用了端节点之间的直传链路，提高了端到端通信的质量。

传统的天线和用户选择的算法需要计算端到端的信噪比，计算量大，计算复杂。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法，旨在解决传统的天线和用户选择的算法需要计算端到端的信噪比，计算量大，计算复杂的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于天线和用户联合选择的信息传输方法，该基于天线和用户联合选择信息传输的方法包括以下步骤：

基站根据现有的某种信道估计方法，获得各信道状态信息；

基站取第一跳和第二跳信道增益的平方值分别乘上适当的系数，再加上对应的直连信道的增益的平方值，根据和的大小，联合选取最优的天线和用户对，并广播用户编号；

在协作通信的第一时隙内，基站广播信号，中继和用户接收；

在协作通信的第二时隙内，用户广播信号，中继和基站接收；

在协作通信的第三时隙内，中继放大一、二时隙接收的信号，合并后广播，基站和用户接收；

基站和用户对接收的信号自干扰消除，分别按最大比合并方法合并信号，并用最大似然检测得到发送信号。

进一步，该多用户双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法的具体步骤为：

第一步，基站根据现有的某种信道估计方法，获得基站、中继和用户任意节点之间的信道信息，基站第i根天线与中继的信道，基站第i根天线的信道与用户j和中继与用户j的信道分别记为f_i，h_ij和g_j；

第二步，基站取第一跳和第二跳信道增益的平方值，分别乘上适当的系数α和β，记

基站联合选择最佳的天线和用户，

基站广播一个标识信号，用户接收到此信号，除用户j^*在以下步骤中工作外，其他用户不工作；

第三步，在协作通信的第一时隙内，基站的第i^*根天线广播信息x₁，中继和用户j^*接收到的信号分别为y_R(1)和

第四步，在协作通信的第二时隙内，用户j^*广播信息x₂，中继和基站第i^*根天线接收到的信号分别为y_R(2)和

第五步，协作通信的第三时隙内，中继分别将第一、二时隙内接收的信号乘以放大系数后合并，得x_R＝η₁y_R(1)+η₂y_R(2)，并广播给基站和用户，基站和用户j^*接收的信息分别为

和

式中

ξ为中继发送第一时隙接收到的信号的功率，1-ξ为中继发送第二时隙接收到的信号的功率；

第六步，由于基站和用户已知自己发送的信息，可以从第三时隙内接收到的叠加信号中消除自干扰信号，得到

\begin{matrix} y_{T_{i}}^{'} (3) = η_{2} f_{i} g_{j} \sqrt{p} x_{2} + η_{1} f_{i} \sqrt{p} n_{R} (1) + η_{2} f_{i} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{T_{i}} (3) \\ y_{{MS}_{j}}^{'} (3) = η_{1} f_{i} g_{i} \sqrt{p} x_{1} + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (1) + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{{MS}_{j}} (3) \end{matrix}

基站通过最大比合并合并接收的信号y_R(2)和

用户j通过最大比合并合并接收的信号y_R(1)和

得到

和

{\tilde{y}}_{{MS}_{j}} = a_{3} y_{R} (1) + a_{4} y_{{MS}_{j}}^{'} (3);

第七步，用最大似然检测对

和

分别进行检测，基站和用户j就分别获得了对方所发送的信息

和

进一步，在第三步中，协作通信的第一时隙内，基站的第i^*根天线广播信息x₁，中继和用户j^*接收到的信号分别为

和

式中n_R(1)和

均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声。

进一步，在第四步中，协作通信的第二时隙内，用户j^*广播信息x₂，中继和基站第i^*根天线接收到的信号分别为

和

式中n_R(2)和均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声。

进一步，在第六步中，自干扰消除的方法为：

一、基站的自干扰消除

基站将基站第i^*根天线和中继的信道增益

与自身广播的信号Ex₁相乘，再与中继放大系数η₁相乘，得到基站的自干扰信号

基站将自干扰信号从第三时隙接收到的

中减去，完成基站的自干扰消除；

二、用户j^*的自干扰消除

用户j^*将自身和中继的信道增益

与自身广播的信号Px₂相乘，再与中继放大系数η₂相乘，得到基站的自干扰信号

用户j^*将自干扰信号从第三时隙接收到的

中减去，即完成用户的自干扰消除。

进一步，在第六步中，基站通过最大比合并合并接收的信号y_R(2)和

用户j^*通过最大比合并合并接收的信号y_R(1)和

得到

\begin{matrix} {\tilde{y}}_{T_{i}} = a_{1} y_{R} (2) + a_{2} y_{T_{i}}^{'} (3) \\ {\tilde{y}}_{{MS}_{j}} = a_{3} y_{R} (1) + a_{4} y_{{MS}_{j}}^{'} (3) \end{matrix}

式中，最大比合并的合并因子计算方法为

\begin{matrix} a_{1} = \sqrt{\frac{E ({(y_{R} (2))}^{*} y_{R} (2))}{N_{0}}}, & a_{2} = \sqrt{\frac{E ({(y_{T_{i}}^{'} (3))}^{*} y_{T_{i}}^{'} (3))}{N_{0}}} \\ a_{3} = \sqrt{\frac{E ({(y_{R} (1))}^{*} y_{R} (1))}{N_{0}}}, & a_{4} = \sqrt{\frac{E ({(y_{{MS}_{j}}^{'} (3))}^{*} y_{{MS}_{j}}^{'} (3))}{N_{0}}} . \end{matrix}

进一步，在第七步中，用最大似然检测对

和分别进行检测，基站和用户根据信道的估值，计算所有可能接收信号的似然概率密度函数

取函数值最大时的z_i*作为接收信息

为x₁，x₂的所有可能的取值，基站和用户j^*就分别获得了对方所发送的信息

和

本发明提供的双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法，通过以下步骤实现了天线和用户联合选择的信息传输：

1)基站根据现有的某种信道估计方法，获得各信道状态信息；

2）基站取第一跳和第二跳信道增益的平方值分别乘上适当的系数，再加上对应的直连信道的增益的平方值，根据和的大小，联合选取最优的天线和用户对，并广播用户编号；

3）在协作通信的第一时隙内，基站广播信号，中继和用户接收；

4）在协作通信的第二时隙内，用户广播信号，中继和基站接收；

5）在协作通信的第三时隙内，中继放大一、二时隙接收的信号，合并后广播，基站和用户接收；

6）基站和用户对接收的信号自干扰消除，分别按最大比合并合并信号，并用最大似然检测得到发送信号；

因此本发明具有如下优点：

1）本发明在天线和用户联合选择时，选择加权信道增益的平方和作为选择依据，不需要计算端到端的信噪比，简化了计算，降低了复杂度。

2）TDBC协议较ANC协议，利用了基站和用户的直连链路，提高了系统通信的稳定性，降低了天线和用户选择的复杂度，获得了接近于最佳方法的系统性能，可用于采用分时广播协议的多用户双向中继通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的中断概率性能仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的双向中继系统中基于天线和用户联合选择的信息传输方法包括以下步骤：

S101：基站根据现有的某种信道估计方法，获得各信道状态信息；

S102：基站取第一跳和第二跳信道增益的平方值分别乘上适当的系数，再加上对应的直连信道的增益的平方值，根据和的大小，联合选取最优的天线和用户对，并广播用户编号；

S103：在协作通信的第一时隙内，基站广播信号，中继和用户接收；

S104：在协作通信的第二时隙内，用户广播信号，中继和基站接收；

S105：在协作通信的第三时隙内，中继放大一、二时隙接收的信号，合并后广播，基站和用户接收；

S106：基站和用户对接收的信号自干扰消除，分别按最大比合并合并信号，并用最大似然检测得到发送信号；

本发明的通信系统模型为多用户双向中继通信系统，其工作场景为：基站配置多天线，中继和用户都配置单天线，基站天线数为Ｍ，用户数为N，中继为放大转发中继。各信道服从瑞利分布，系统噪声为高斯白噪声；

本发明的具体方法为：

基站联合选择最佳的天线和用户，

和

式中

\begin{matrix} y_{T_{i}}^{'} (3) = η_{2} f_{i} g_{j} \sqrt{p} x_{2} + η_{1} f_{i} \sqrt{p} n_{R} (1) + η_{2} f_{i} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{T_{i}} (3) \\ y_{{MS}_{j}}^{'} (3) = η_{1} f_{i} g_{i} \sqrt{p} x_{1} + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (1) + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{{MS}_{j}} (3) \end{matrix}

基站通过最大比合并合并接收的信号y_R(2)和

用户j通过最大比合并合并接收的信号y_R(1)和

得到和

{\tilde{y}}_{{MS}_{j}} = a_{3} y_{R} (1) + a_{4} y_{{MS}_{j}}^{'} (3);

第七步，用最大似然检测对

和

分别进行检测，基站和用户j就分别获得了对方所发送的信息

和

结合本发明的具体实施例对本发明做进一步的说明：

步骤一，基站根据现有的某种信道估计方法，获得基站、中继和用户任意节点之间的信道信息，基站第i根天线与中继的信道，基站第i根天线的信道与用户j和中继与用户j的信道分别记为f_i，h_ij和g_j，各信道都服从瑞利分布；

步骤二，基站取第一跳和第二跳信道增益，分别乘上适当的系数α和β，记基站对天线和用户联合选择，

基站广播广播一个标识信号，用户接收此信号，除用户j^*在以下步骤中工作外，其他用户不工作；

步骤三，基站按TDBC协议完成双向中继通信，各节点的发射功率统一都为P；

（1）协作通信的第一时隙内，基站的第i^*根天线广播信息x₁，中继和用户j^*接收到的信号分别为

和

式中n_R(1)和均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

（2）协作通信的第二时隙内，用户j^*广播信息x₂，中继和基站第i^*根天线接收到的信号分别为

和

式中n_R(2)和均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

（3）协作通信的第三时隙内，中继合并第一、二帧=时隙内接收的信号，x_R＝η₁y_R(1)+η₂y_R(2)，并广播给基站和用户，基站和用户j^*接收的信息分别为

y_{T_{i}} (3) = \sqrt{P} f_{i} x_{R} + n_{T_{i}} (3)

和

y_{{MS}_{j}} (3) = \sqrt{P} g_{j} x_{R} + n_{{MS}_{j}} (3),

式中

和

均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

步骤四，消除自干扰信号，并最大比合并信号，

（1）由于基站和用户已知自己发送的信息，可以从叠加信号中消除自干扰信号，基站和用户得到的信号为

\begin{matrix} y_{T_{i}}^{'} (3) = η_{2} f_{i} g_{j} \sqrt{p} x_{2} + η_{1} f_{i} \sqrt{p} n_{R} (1) + η_{2} f_{i} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{T_{i}} (3) \\ y_{{MS}_{j}}^{'} (3) = η_{1} f_{i} g_{i} \sqrt{p} x_{1} + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (1) + η_{2} g_{j} \sqrt{P} n_{R} (2) + n_{{MS}_{j}} (3) \end{matrix}

自干扰消除的方法：

a)基站的自干扰消除

基站将基站第i^*根天线和中继的信道增益

与其自身广播的信号Ex₁相乘，再与中继放大系数η₁相乘，得到基站的自干扰信号

基站将自干扰信号从第三时隙接收到的

中减去，即完成基站的自干扰消除；

b)用户j^*的自干扰消除

用户j^*将自身和中继的信道增益

与其自身广播的信号Px₂相乘，再与中继放大系数η₂相乘，得到基站的自干扰信号

用户j^*将自干扰信号从第三时隙接收到的

中减去，即完成用户的自干扰消除；

（2）基站通过最大比合并合并接收的信号y_R(2)和

用户j通过最大比合并合并接收的信号y_R(1)和

得到

\begin{matrix} {\tilde{y}}_{T_{i}} = a_{1} y_{R} (2) + a_{2} y_{T_{i}}^{'} (3) \\ {\tilde{y}}_{{MS}_{j}} = a_{3} y_{R} (1) + a_{4} y_{{MS}_{j}}^{'} (3) \end{matrix}

式中，最大比合并的合并因子计算方法为

a_{1} = \sqrt{\frac{E ({(y_{R} (2))}^{*} y_{R} (2))}{N_{0}}}, a_{2} = \sqrt{\frac{E ({(y_{T_{i}}^{'} (3))}^{*} y_{T_{i}}^{'} (3))}{N_{0}}}

a_{3} = \sqrt{\frac{E ({(y_{R} (1))}^{*} y_{R} (1))}{N_{0}}}, a_{4} = \sqrt{\frac{E ({(y_{{MS}_{j}}^{'} (3))}^{*} y_{{MS}_{j}}^{'} (3))}{N_{0}}}

步骤五,用最大似然检测对

和

分别进行检测，基站和用户根据信道的估值，计算所有可能接收信号的似然概率密度函数

取函数值最大时的z_i*作为接收信息

其中z_i为x₁，x₂的所有可能的取值，基站和用户j^*就分别获得了对方所发送的信息

和

结合图2和以下仿真多本发明的应用效果做进一步说明：

1）仿真条件：将基站和用户之间的距离归一化为1，假设基站和中继之间的距离为d_a=0.5，则用户和中继之间的距离为d_b=1-d_a=0.5，路径衰落系数为3，所有信道服从瑞利分布，设基站天线数为M，用户数为N，图2中，分别对{M，N}取{1,2}，{2,2}，{2,3}做了仿真，假设本系统的目标传输速率为R_th＝1bit/s/Hz；

2）仿真内容与结果：

用本发明在TDBC协议下的天线和用户的联合选择方法，与最优的选择方法以及ANC下的选择方法，比前者具有计算简单，复杂度低的优点，同时性能逼近最优方法，比后者具有多利用了直连信道，增大了接收信噪比，有效提高通信质量，满足以上仿真条件的情况下，对系统中断概率随着总信噪比的变化进行仿真比较，结果如图2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。