CN103491610A - 双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，主要解决双向移动中继传输系统中中继选择时系统复杂度较高或者系统性能不高的问题。该方法包括：1）两端源节点分别发送信息给中继节点；2）中继节点计算其接收到的信息的功率；3）中继节点进行Max-min选择，选出最优中继节点；4）两端源节点同时发送信息给最优中继节点；5）最优中继节点将信息放大转发给两端源节点；6）两端源节点接收信息，并进行自干扰消除；7）两端源节点通过信号检测分别获得对方通过中继发送给自己的信息。本发明降低了系统复杂度，获得了接近于最佳的系统性能，可用于双向移动通信网络中的两跳中继系统。

Description

双向移动中继系统中基于中继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，更进一步涉及移动中继传输领域中的一种中继选择方法，可用于双向移动通信网络中的两跳中继系统。

背景技术

移动中继传输技术是一个极有前途的信息传输技术，它可以帮助移动的源节点进行相互通信，被广泛应用于车载移动网络以及移动ad-hoc网络之中。由于车载移动通信在人们的日常生活中扮演着越来越重要的作用，移动中继技术成为当今宽带无线通信领域的一个研究热点。标准化组织中，例如IEEE802.16的中继任务组以及欧洲的研究项目组WINNER+及其前任都在积极的制定IMT-Advanced中的移动中继部署的解决方案。移动中继技术在移动通信系统中的使用不但能扩大移动无线通信系统的传播范围，而且能够抵挡移动无线通信系统的多径衰落和大尺度衰落，有效的提高了移动通信网络的稳定性、灵活性和系统容量，近年来学术界提出了各种中继选择算法，其中Prabhat K.Upadhyay等在“Performance of Two-Way Opportunistic Relaying WithAnalog Network Coding Over Nakagami-mFading”（IEEE Trans.Veh.Technol.，vol60，no.4，pp.1965–1971，May.2011.）中提出了性能最优的TWOR-AF算法，该算法因为需要估算出所有的信道状态信息，使得整个系统复杂度较高。

为了降低中继传输系统的复杂度，Shi J等人在“Low-complexity distributed relayselection for two-way AF relaying networks”（IEEE Electron.Lett.，vol.48，no.3，pp.186-187，Feb.2012.）中提出了一种低复杂度的中继选择算法LCD-TWOR-AF，该方法只需要根据中继节点接收到的信号的功率进行选择中继，极大的降低了系统复杂度，但是该方法只在中继节点的功率都相等的情况下才能达到较好的性能，当中继节点的功率不同时，系统性能随着中继个数的增加急剧下降。Li E等人在“Simple relayselection criterion for general two-way opportunistic relaying networks”（IEEE Electron.Lett.，vol.48，no.14，pp.881-882，July.2012.）中提出了一种简单的中继选择算法S-TWOR-AF，该方法可以在任何情况下都达到较好的系统性能，但是，该算法的系统复杂度仅仅比TWOR-AF有所降低，而没有达到最低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种在双向移动中继传输系统中使用的快速中继选择算法，该方法能够在任何的场景下都达到近似最优的系统性能，并且将系统复杂度降到了最低。

实现本发明目的技术思路是，中继节点将其接收到的来自源节点A和源节点B的信号的功率分别乘以中继节点的发射功率，然后对其进行Max-min比较，快速选择出最优的中继进行转发。其实现步骤如下：

1）中继选择步骤：

(1a)源节点A和源节点B分别发送信息x_a和x_b给N个中继R，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b，N≥1；

(1b)中继R中的第k个节点接收到的来自源节点A和源节点B的信息分别为Y_ak和Y_bk，分别计算这两个Y_ak和Y_bk的功率γ_a和γ_b，再将该功率乘以本节点的发射功率P_k，选出中继R中第i个节点作为最优中继节点，即

$i=\arg \underset{k\∈S_{\mathrm{relay}}}{\max }\min ({\mathrm{\γ}}_a{P}_k,{\mathrm{\γ}}_b{P}_k),$

其中S_relay为所有可供选择的中继节点，γ_a为第k个节点接收到的来自源节点A的信息Y_ak的功率，其值为γ_a＝E(Y_akY′_ak)，γ_b为第k个节点接收到的来自源节点B的信息Y_bk的功率，其值为γ_b＝E(Y_bkY′_bk)，E(·)表示求均值，Y′_ak表示Y_ak的共轭转置，Y′_bk表示Y_bk的共轭转置，k=1，2，3，…，N；

2）信息传输步骤：

(2a)源节点A发送信息x_a给最优中继节点i，同时，源节点B发送信息x_b也给最优中继节点i，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b，最优中继节点i接收到的信息为Y_i；

(2b)最优中继节点i将本节点接收到的信息Y_i放大G倍后进行转发，源节点B和源节点A收到最优中继节点i转发的信号分别为：

${\hat{Y}}_{\mathrm{ai}}=G{h}_{\mathrm{ai}}{Y}_i+n_{3i},$

${\hat{Y}}_{\mathrm{bi}}=G{h}_{\mathrm{bi}}{Y}_i+n_{4i},$

式中

表示源节点A接收到的最优中继节点i的转发信号，

表示源节点B接收到的最优中继节点i的转发信号，h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与最优中继节点i之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布，n_3i和n_4i均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

(2c)源节点A和源节点B分别对接收到的经过中继转发的信息

和

进行自干扰消除，分别得到对方发送信息经过中继转发后的信息的处理信息：

$Y_{\mathrm{ai}}=G\sqrt{P_b}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_b+G{h}_{\mathrm{ai}}{n}_{5i}+n_{3i},$

$Y_{\mathrm{bi}}=G\sqrt{P_a}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_a+G{h}_{\mathrm{bi}}{n}_{5i}+n_{4i},$

其中Y_ai为源节点A接收到的源节点B发送的信息经过中继转发后的信息的处理信息，Y_bi为源节点B接收到的源节点A发送的信息经过中继转发后的信息的处理信息，n_5i为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

(2d)源节点A和源节点B分别对其得到的经过中继转发后的信息的处理信息Y_ai和Y_bi进行信号检测，分别获得对方所发送的信息的估计信息

和

完成移动中继系统的信息传输。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明在选择中继的过程中直接对中继接收到的信号的功率和中继的发射功率之积进行Max-min比较，不用估算信道状态信息，相比于TWOR-AF算法，大大降低了系统复杂度，相比于S-TWOR-AF算法，复杂度也得到了进一步的降低

2）本发明的中继节点选择公式中包含中继节点的发射功率，相比于LCD-TWOR-AF算法，在中继节点功率不相同的情况下可以获得更好的系统性能。

附图说明

图1是本发明使用的移动中继传输系统图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明的中断概率性能仿真图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明使用的移动中继传输系统为双向中继传输系统，其工作场景为：移动的源节点A和源节点B在第一个时隙中同时向中继R发送信息，中继R由N个中继节点组成，N≥1。源节点与每个中继节点间的信道增益均服从双重Nakagami-m分布。

参照图2，在图1所述的场景下本发明的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其实现步骤如下：

步骤1，中继选择。

1.1）源节点发射信号：

源节点A和源节点B分别发送信息x_a和x_b给N个中继R，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b，N≥1；

1.2）中继节点接收信息，并且计算接收到的信息的功率：

1.2.1）中继R中的第k个中继节点接收到的来自源节点A和源节点B的信息Y_ak和Y_bk分别为：

$Y_{\mathrm{ak}}=h_{\mathrm{ak}}\sqrt{P_a}{x}_a+n_{1k},$

$Y_{\mathrm{bk}}=h_{\mathrm{bk}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{2k},$

式中，n_1k为中继节点k与源节点A之间信道的服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声，n_2k为中继节点k与源节点B之间信道的服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

1.2.2）计算第k个中继节点接收到的来自源节点A的信息Y_ak的功率为：

γ_a＝E(Y_akY′_ak)，

式中，E(·)表示求均值，Y′_ak表示第k个中继节点接收到的来自源节点A的信息Y_ak的共轭转置；

1.2.3）计算第k个中继节点接收到的来自源节点B的信息Y_bk的功率为：

γ_b＝E(Y_bkY′_bk)，

式中，Y′_bk表示第k个中继节点接收到的来自源节点B的信息Y_bk的共轭转置；

1.3）采用分布式方法选择中继节点：

1.3.1）第k个中继节点将上一步中得到的信息功率γ_a和γ_b分别乘以本节点的发射功率P_k，选出其中较小的那个作为中继节点选择参数Δ_k，即Δ_k＝min(γ_aP_k，γ_bP_k)；然后由所有的中继节点同时启动各自的一个定时器，该定时器的时长与Δ_k的倒数成正比；

1.3.2）当定时器到期时，该中继节点就会发出一个标识信号，其他中继节点接收到此信号后就会停止定时器，而定时器最先到期的这个中继节点，即第i个中继节点，就被选作最优中继节点，完成中继选择过程，0＜i≤N。

步骤2，信息传输。

2.1）源节点发送信息：

2.1.1）在第一时隙中，移动的源节点A发送信息x_a给最优中继节点i，同时移动的源节点B发送信息x_b也给最优中继节点i，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b；

2.1.2）源节点A和源节点B发送的信息经过信道衰落，然后混合上信道噪声后，到达最优中继节点i，该中继节点i接收到的信号如下所示：

$Y_i=h_{\mathrm{ai}}\sqrt{P_a}{x}_a+h_{\mathrm{bi}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{5i},$

式中h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与最优中继节点i之间的信道增益，在移动无线中继传输系统中，该信道增益均服从双重Nakagami-m分布，n_5i为服从均值为0、方差为N₀≥0的复高斯分布的高斯白噪声；

2.2）放大转发：

在第二个时隙中，最优中继节点i将其从源节点A和源节点B接收到的信息Y_i放大G倍后进行转发。此时，除最优中继节点i以外的其他中继节点不再工作。

因为最优中继节点i的发射功率是一个定值P_i，所以放大倍数G的值可以按照如下公式来确定：

$G=\sqrt{\frac{P_i}{P_a{\left|h_{\mathrm{ai}}\right|}^2+P_b{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2+N_0}},$

式中h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与最优中继节点i之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布；

2.3）源节点接收信号：

源节点A和源节点B接收到的最优中继节点i转发的信息分别为：

${\hat{Y}}_{\mathrm{ai}}=G{h}_{\mathrm{ai}}(h_{\mathrm{ai}}\sqrt{P_a}{x}_a+h_{\mathrm{bi}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{5i})+n_{3i},$

${\hat{Y}}_{\mathrm{bi}}=G{h}_{\mathrm{bi}}(h_{\mathrm{ai}}\sqrt{P_a}{x}_a+h_{\mathrm{bi}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{5i})+n_{4i},$

其中

为源节点A接收到的源节点B发送的信息经过最优中继节点i转发后的信息，

为源节点B接收到的源节点A发送的信息经过最优中继节点i转发后的信息，式中n_3i和n_4i均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声。

2.4）消除自干扰：

由于源节点A和源节点B都知道其自身至中继节点的信道状态信息与其自身发射的信息，因此可以进行自干扰消除，消除自干扰的步骤如下：

2.4.1）源节点A的自干扰消除：

源节点A将其自身至中继节点的信道增益的平方|h_ai|²与其自身发射的信息x_a相乘后，再与放大倍数G做积，得到源节点A的自干扰信息Y₁；

源节点A从接收到的中继节点的转发信息

中减去自干扰信息Y₁，即完成源节点A的自干扰消除；

2.4.2）源节点B的自干扰消除：

源节点B将其自身至中继节点的信道增益的平方|h_bi|²与其自身发射的信息x_b相乘后，再与放大倍数G做积，得到源节点B的自干扰信息Y₂；

源节点B从接收到的中继节点的转发信息

中减去自干扰信息Y₂，即完成源节点B的自干扰消除；

2.4.3）在源节点B和源节点A各自完成自干扰消除后，分别得到其接收到的经过最优中继i转发后的信息

和

的处理信息为：

$Y_{\mathrm{ai}}=G\sqrt{P_b}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_b+G{h}_{\mathrm{ai}}{n}_{5i}+n_{3i},$

$Y_{\mathrm{bi}}=G\sqrt{P_a}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_a+G{h}_{\mathrm{bi}}{n}_{5i}+n_{4i},$

其中Y_ai为源节点B接收到的经过最优中继i转发后的信息

的处理信息，Y_bi为源节点A接收到的经过最优中继i转发后的信息

的处理信息；

2.5）源节点A和源节点B分别对其得到的处理信息Y_ai和Y_bi进行信号检测：

2.5.1）源节点A分别算出源节点B所有可能发送的符号x_b1，x_b2，....，x_bn与检测器输入的处理信息Y_ai的均方误差，通过比较均方误差的大小后，将具有最小均方误差的符号作为输出信号，其中下标中的n表示源节点B所有可能发送符号的个数，i表示中继R中的第i个节点；

2.5.2）源节点B分别算出源节点A所有可能发送的符号x_a1，x_a2，....，x_am与检测器输入的处理信息Y_bi的均方误差，通过比较均方误差的大小后，将具有最小均方误差的符号

作为输出信号，其中下标中的m表示源节点A所有可能发送符号的个数。

源节点A获得源节点B所发送信息x_b的估计信号

源节点B获得源节点A所发送信息x_a的估计信号完成移动中继系统的信息传输过程。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。

1）仿真条件：将移动的源节点A和源节点B之间的距离归一化为1，假设源节点A和中继节点k之间的距离为d_a=0.3，则源节点B和中继节点k之间的距离为d_b=1-d_a=0.7。路径衰落系数为3。源节点A和中继节点k之间的双重Nakagami-m的两个形状因子均为0.7，源节点B和中继节点k之间的双重Nakagami-m的两个形状因子均为1.3。定义源节点A和B的发射信号功率分别为γ_a＝P_a/N₀，γ_b＝P_b/N₀，中继节点k的发射功率为γ_k＝P_k/N₀，N₀表示信道中高斯白噪声的功率。当N=2时，令γ_a＝4γ/19，γ_b＝9γ/19，γ_k＝{1，5}γ/19。当N=3时，令γ_a＝6γ/23，γ_b＝8γ/23，γ_k＝{1，4，5}γ/23。当N=10时，令γ_a＝13γ/190，γ_b＝22γ/190，γ_k＝{1，10，7，12，15，14，6，13，3，19}γ/190。其中总功率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：

用本发明的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法与TWOR-AF算法、LCD-TWOR-AF算法以及S-TWOR-AF算法在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γ的变化进行仿真比较，结果如图3.

由图3可知，本发明的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法在性能上非常逼近于TWOR-AF算法和S-TWOR-AF算法，而且优于LCD-TWOR-AF算法。由图3还可以看出，随着中继个数的增加，LCD-TWOR-AF算法的系统性能和本发明的移动中继系统中的快速中继选择方法的系统性能的差距也越来越大。

Claims (6)

1.一种双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，包括如下：

1）中继选择步骤：

(1a)源节点A和源节点B分别发送信息x_a和x_b给N个中继R，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b，N≥1；

(1b)中继R中的第k个节点接收到的来自源节点A和源节点B的信息分别为Y_ak和Y_bk，分别计算这两个Y_ak和Y_bk的功率γ_a和γ_b，再将该功率乘以本节点的发射功率P_k，选出中继R中第i个节点作为最优中继节点，即

$i=\arg \underset{k\∈S_{\mathrm{relay}}}{\max }\min ({\mathrm{\γ}}_a{P}_k,{\mathrm{\γ}}_b{P}_k),$

其中S_relay为所有可供选择的中继节点，γ_a为第k个节点接收到的来自源节点A的信息Y_ak的功率，其值为γ_a＝E(Y_akY′_ak)，γ_b为第k个节点接收到的来自源节点B的信息Y_bk的功率，其值为γ_b＝E(Y_bkY′_bk)，E(·)表示求均值，Y′_ak表示Y_ak的共轭转置，Y′_bk表示Y_bk的共轭转置，k=1，2，3，…，N；

2）信息传输步骤：

(2a)源节点A发送信息x_a给最优中继节点i，同时，源节点B发送信息x_b也给最优中继节点i，源节点A的发射功率为P_a，源节点B的发射功率为P_b，最优中继节点i接收到的信息为Y_i；

(2b)最优中继节点i将本节点接收到的信息Y_i放大G倍后进行转发，源节点B和源节点A收到最优中继节点i转发的信号分别为：

${\hat{Y}}_{\mathrm{ai}}=G{h}_{\mathrm{ai}}{Y}_i+n_{3i},$

${\hat{Y}}_{\mathrm{bi}}=G{h}_{\mathrm{bi}}{Y}_i+n_{4i},$

式中

表示源节点A接收到的最优中继节点i的转发信号，表示源节点B接收到的最优中继节点i的转发信号，h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与最优中继节点i之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布，n_3i和n_4i均为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

(2c)源节点A和源节点B分别对接收到的经过中继转发的信息

和

进行自干扰消除，分别得到对方发送信息经过中继转发后的信息的处理信息：

$Y_{\mathrm{ai}}=G\sqrt{P_b}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_b+G{h}_{\mathrm{ai}}{n}_{5i}+n_{3i},$

$Y_{\mathrm{bi}}=G\sqrt{P_a}{h}_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{ai}}{x}_a+G{h}_{\mathrm{bi}}{n}_{5i}+n_{4i},$

其中Y_ai为源节点A接收到的源节点B发送的信息经过中继转发后的信息的处理信息，Y_bi为源节点B接收到的源节点A发送的信息经过中继转发后的信息的处理信息，n_5i为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声；

(2d)源节点A和源节点B分别对其得到的经过中继转发后的信息的处理信息Y_ai和Y_bi进行信号检测，分别获得对方所发送的信息的估计信息

和

完成移动中继系统的信息传输。

2.根据权利要求1所述的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其中步骤1b）中所述的第k个节点接收到的来自源节点A和源节点B的信息Y_ak和Y_bk分别表示为：

$Y_{\mathrm{ak}}=h_{\mathrm{ak}}\sqrt{P_a}{x}_a+n_{1k},$

$Y_{\mathrm{bk}}=h_{\mathrm{bk}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{2k},$

式中h_ak和h_bk分别为源节点A和源节点B与中继节点k之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布，n_1k为中继节点k与源节点A之间信道的服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声，n_2k为中继节点k与源节点B之间信道的服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其中所述步骤2a）中的Y_i表示为：

$Y_i=h_{\mathrm{ai}}\sqrt{P_a}{x}_a+h_{\mathrm{bi}}\sqrt{P_b}{x}_b+n_{5i},$

式中h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与中继节点k之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布，n_5i为服从均值为0、方差为N₀的复高斯分布的高斯白噪声。

4.根据权利要求1所述的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其中所述步骤2b）中放大倍数G，其计算公式为：

$G=\sqrt{\frac{P_i}{P_a{\left|h_{\mathrm{ai}}\right|}^2+P_b{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2+N_0}},$

式中P_i表示中继节点的转发功率，h_ai和h_bi分别为源节点A和源节点B与节点i之间的信道增益，均服从双重Nakagami-m分布，N₀为复高斯白噪声n₅的方差。

5.根据权利要求1所述的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其中步骤2c）中所述的源节点A和源节点B分别对接收到的经过中继转发的信息

和

进行自干扰消除，按如下步骤进行：

2c.1）源节点A的自干扰消除：

源节点A将其自身至中继节点的信道增益的平方|h_ai|²与其自身发射的信息x_a相乘后，再与放大倍数G做积，得到源节点A的自干扰信息Y₁；

源节点A从接收到的中继节点的转发信息

中减去自干扰信息Y₁，即完成源节点A的自干扰消除。

2c.2）源节点B的自干扰消除：

源节点B将其自身至中继节点的信道增益的平方|h_bi|²与其自身发射的信息x_b相乘后，再与放大倍数G做积，得到源节点B的自干扰信息Y₂；

源节点B从接收到的中继节点的转发信息中减去自干扰信息Y₂，即完成源节点B的自干扰消除。

6.根据权利要求1所述的双向移动中继系统中基于中继选择的信息传输方法，其中步骤2d）所述的源节点A和源节点B分别对其得到的经过中继转发后的信息的处理信息Y_ai和Y_bi进行信号检测，按照如下步骤进行：

2d.1）源节点A分别算出源节点B所有可能发送的符号x_b1，x_b2，....，x_bn与检测器输入的处理信息Y_ai的均方误差，通过比较均方误差的大小后，将具有最小均方误差的符号作为输出信号，其中下标中的n表示源节点B所有可能发送符号的个数，i表示中继R中的第i个节点；

2d.2）源节点B分别算出源节点A所有可能发送的符号x_a1，x_a2，....，x_am与检测器输入的处理信息Y_bi的均方误差，通过比较均方误差的大小后，将具有最小均方误差的符号

作为输出信号，其中下标中的m表示源节点A所有可能发送符号的个数。

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