CN103561447B

CN103561447B - 基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法

Info

Publication number: CN103561447B
Application number: CN201310553630.7A
Authority: CN
Inventors: 白智全; 董培浩; 高深; 高鹏
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: CN103561447A

Abstract

基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法，属于无线数字传输技术领域。该系统包括一个信源节点，一个目的节点和N个中继节点，每个节点都配有一根天线，系统工作在半双工传输模式下，其通信过程分为两步。第一步，在信道的每个相干时间内，从N个中继节点中根据机会中继准则选择具有最佳信道条件的中继节点参与协作。第二步，通过对链路瞬时信噪比与相应设定信噪比门限值的比较，选择相应协作传输方式，即直接传输、译码转发传输和放大转发传输。本发明根据信道及中继节点条件来灵活地选择中继和协作方案，提高了协作中继系统的性能，降低了系统所需传输功率和误比特率。

Description

基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法

技术领域

本发明涉及一种基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法，属于无线数字传输技术领域。

背景技术

随着信息技术的高速发展，无线通信领域对数据传输的有效性和可靠性的要求越来越高，一些新的技术也随之出现。其中多输入多输出（MIMO）技术不以频谱资源为代价，将多径传播环境变为对用户有利的因素，极大地提高了信道容量和信号传输的可靠性，在现代移动通信领域中得到了深入的研究。但是由于实际环境中受到尺寸及硬件复杂度等的限制，MIMO技术在无线终端上的应用受到了很大的阻碍。A.Sendonaris（参见A.Sendonaris,E.Erkip,and B.Aazhang,"User Cooperative Diversity-Part I:System Description,"IEEE Trans.Commun.,vol.51,no.11,pp.1927-1938,Nov.2003.）等提出了协作通信的概念，其可使单天线终端以一定方式彼此共享天线进而形成虚拟天线阵列，克服了MIMO技术的缺点和不足。目前主要协作通信方式分为三种：放大转发（AF）方案、译码转发（DF）方案和编码协作（CC）方案，而尤以前两种方案的研究最多。J.N.Laneman等（参见J.N.Laneman,andG.W.Wornell,"Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocolsand Outage Behavior,"IEEE Trans.Inform,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004）对AF方案和DF方案进行了详细的分析。考虑到实际信道环境是随时间变化的，单一的协作方案具有一定的局限性，对混合式协作方案的研究受到了越来越多的关注。同时，在实际多中继协作环境中，如何进行协作中继选择以获得最大的协作增益也是当前协作通信领域中的研究热点。

基于AF和DF方案以及一些复杂度较低的增量选择协议，J.L.Jia等（参见J.L.Jia,Z.Q.Bai,J.Cui and K.S.Kwak,"Performance Analysis of Hybrid DAF BasedIncremental Relaying Cooperative System,"IEEE International Symposium onPersonal,Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC2012),pp.1824-1828,Sept.2012.）提出了一种基于增量中继的混合式译码放大转发机制，通过对链路瞬时信噪比与相应设定的信噪比门限值的比较选择合适的方案进行数据传输，提高了系统性能，但是该方案考虑的是理想的三点协作系统模型，不符合实际的多中继协作场景。A.Bletsas等（参见A.Bletsas,A.Khisti,D.P.Reed,and A.Lippman,"A simple cooperativediversity method based on network path selection,"IEEE Journal on SelectedAreas in Communications,vol.24,no.3,pp.659-672,Mar.2006.）提出了机会中继选择方案，这是一种简单实用的基于瞬时信道信息的分布式节点选择策略，可以用来代替多中继空时编码方案。K.Tourki等（参见K.Tourki,Hong-Chuan Yang,and M.S.Alouini,"Accurate Outage Analysis of Incremental Decode-and-Forward OpportunisticRelaying,"IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.10,no.4,pp.1021-1025,April.2011.）研究了基于机会中继的增量DF协议并给出了准确的中断性能分析，但是系统在信源到目的节点链路和信源到中继节点链路条件都不好的情况下就会出现通信中断，不具备基本的鲁棒性，无法有效提高系统性能。

发明内容

根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种适用性更强、性能更好的基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法。具有很好的鲁棒性。

本发明的技术方案如下：

一种基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法，由以下系统来实现，该系统包括一个信源节点，一个目的节点和N个中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，从所有候选中继节点中根据机会中继准则选择出具有最佳信道条件的中继节点参与协作；通过对链路瞬时信噪比与相应设定信噪比门限值的比较，来选择直接传输、译码转发传输或者放大转发传输方式，该方法步骤如下：

1）用R_i表示各候选中继节点，i=1,…,N，N表示候选中继节点的个数，根据机会中继准则将最佳中继节点R_b选择出来：b表示最佳中继节点在所有候选中继节点中的序号，min()表示取两个数中较小的值，arg表示求取得最大值时i的取值，和分别表示信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，分别表示为另外γ_sd表示信源节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，可表示为γ_sd＝|h_sd|²P_S/N₀，其中P_S=δP和P_R=(1-δ)P分别表示信源和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和h_sd分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的节点的链路和信源节点到目的节点的链路的信道系数，均服从瑞利分布，瞬时信噪比γ_j(j∈{sd,sr_i,r_id})服从指数分布，其概率密度函数可表示为其中γ表示链路瞬时信噪比，sd、sr_i和r_id分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路，和分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的平均信噪比，E(.)为期望值，设和分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路路径衰落的影响,d_ij为节点i和j的距离，α∈[3,5]为路径衰落因子，通过上述准则选择出来的最佳中继节点将参与下一步通信过程中的协作传输；

2）第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点广播信号，转入步骤3）；

3）目的节点根据信噪比门限值（SNR_sd）来判断是否可以正确译码信源节点发送的信息，如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sd，转入步骤4），否则转入步骤5）；

4）如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sd，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

5）如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比小于SNR_sd，则最佳中继节点将参与协作，并转发接收到的信号，在最佳中继节点转发信号前，最佳中继节点将比较信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值（SNR_sr）的大小，如果前者较大，转入步骤6），否则转入步骤7）；

6）如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sr，则最佳中继节点在第二时隙将采用译码转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码；

7）如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比小于SNR_sr，则最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。

本发明的优点：

本发明从中继选择和协作方案选择两方面考虑，结合了机会中继技术和增量混合式译码放大转发方案，分析了一种更符合实际情况的多中继协作通信系统模型，同时在不同链路条件下合理选择相应的协作方案，相比于已有的协作通信方案，本发明具有更好的鲁棒性，在系统性能方面也有了显著提高，同时在实际通信场景中具有更强的适用性。

附图说明

图1是本发明方法的系统模型图，其中：1、信源节点；2、中继节点集，21-2N分别表示N个中继节点，2b表示最佳中继节点；3、目的节点；4、41-4N分别表示信源节点到N个中继节点链路上的瞬时信噪比，4b表示信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比；5、51-5N分别表示N个中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，5b表示最佳中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比；6、信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比。

图2是本发明整个通信过程的流程图，其中A-G为流程的各步骤。

图3和图4是本发明的系统中断概率性能仿真图。由图3可以看出本发明在所示信噪比范围内的中断概率性能都要优于单中继的增量混合式译码放大转发方案，且信噪比越大，本发明在中断概率性能方面的优势越明显。由图4可以看出本发明在所示功率分配因子范围内的中断概率性能都要优于单中继的增量混合式译码放大转发方案，并且在等功率分配的情况下，本发明的中断概率性能最佳且性能优势最为明显。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作通信方法，具体协作通信过程如图1所示，系统包括一个信源节点1，一个目的节点3和N个中继节点21-2N，2b表示最佳中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，从所有候选中继节点21-2N中根据信道瞬时信噪比41-4N和51-5N按机会中继准则选择出具有最佳信道条件的中继节点参与协作；通过链路瞬时信噪比（6和4b）与相应设定信噪比门限值的比较，中继节点选择进行直接传输、译码转发或者放大转发的传输方式，该方法步骤如下：

A、用R_i表示各候选中继节点，在图中用21-2N表示，i=1,…,N，N表示候选中继节点的个数，根据机会中继准则将最佳中继节点R_b（在图中用2b表示）选择出来：b表示最佳中继节点在所有候选中继节点中的序号，min()表示取两个数中较小的值，arg表示求取得最大值时i的取值，和分别表示信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，在图1中分别用41-4N和51-5N表示，并可分别表示为和另外γ_sd表示信源节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，在图1中用6表示，并可表示为γ_sd＝|h_sd|²P_S/N₀，其中P_S=δP和P_R=(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P表示系统总功率，δ表示功率分配因子，N₀代表均值为零的高斯随机噪声的方差，和h_sd分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的节点的链路和信源节点到目的节点的链路的信道系数，均服从瑞利分布，瞬时信噪比γ_j(j∈{sd，sr_i，r_id})服从指数分布，其概率密度函数可表示为其中γ表示链路瞬时信噪比，sd、sr_i和r_id分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路，

{\overset{&OverBar;}{γ}}_{sd} = E ({| h_{sd} |}^{2}) P_{S} / N_{0}, {\overset{&OverBar;}{γ}}_{{sr}_{i}} = E ({| h_{{sr}_{i}} |}^{2}) P_{S} / N_{0}

和

{\overset{&OverBar;}{γ}}_{r_{i} d} = E ({| h_{r_{i} d} |}^{2}) P_{R} / N_{0}

分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的平均信噪比，E(.)为期望值。设

E ({| h_{sd} |}^{2}) = d_{sd}^{- α}, E ({| h_{{sr}_{i}} |}^{2}) = d_{{sr}_{i}}^{- α}

和

E ({| h_{r_{i} d} |}^{2}) = d_{r_{i} d}^{- α}

分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路路径衰落的影响,d_i为节点i和j的距离，α∈[3,5]为路径衰落因子，通过上述准则选择出来的最佳中继节点将参与下一步通信过程中的协作传输；

B、第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点广播信号，转入步骤C；

C、目的节点根据信噪比门限值（SNR_sd）来判断是否可以正确译码信源节点发送的信息，如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sd，转入步骤D，否则转入步骤E；

D、如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sd，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

E、如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比小于SNR_sd，则最佳中继节点将参与协作，并转发接收到的信号，转发信号前，最佳中继节点将比较信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值（SNR_sr）的大小，如果前者较大，则转入步骤F，否则转入步骤G；

F、如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比大于SNR_sr，则最佳中继节点在第二时隙将采用译码转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码；

G、如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比小于SNR_sr，则最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。

Claims

1.一种基于机会中继的增量混合式译码放大转发协作方法，由以下系统来实现，该系统包括一个信源节点，一个目的节点和N个中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，从所有候选中继节点中根据机会中继准则选择出具有最佳信道条件的中继节点参与协作；通过对链路瞬时信噪比与相应设定信噪比门限值的比较，来选择直接传输、译码转发传输或者放大转发传输方式，该方法步骤如下：

1)用R_i表示各候选中继节点，i＝1,…,N，N表示候选中继节点的个数，根据机会中继准则将最佳中继节点R_b选择出来：b表示最佳中继节点在所有候选中继节点中的序号，min()表示取两个数中较小的值，arg表示求取得最大值时i的取值，max表示求最大值符号，和分别表示信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，分别表示为和另外γ_sd表示信源节点到目的节点的链路上的瞬时信噪比，可表示为其中P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和h_sd分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的节点的链路和信源节点到目的节点的链路的信道系数，均服从瑞利分布，瞬时信噪比γ_j(j∈{sd,sr_i,r_id})服从指数分布，其概率密度函数表示为其中γ表示链路瞬时信噪比，表示相应链路的平均信噪比，sd、sr_i和r_id分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路，和分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路上的平均信噪比，E(.)为期望值,设和分别表示信源节点到目的节点的链路、信源节点到中继节点的链路和中继节点到目的节点的链路路径衰落的影响,d_ij为节点i和j的距离，α∈[3,5]为路径衰落因子,通过上述准则选择出来的最佳中继节点将参与第二步通信过程中的协作传输；

2)第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点广播信号，转入步骤3)；

3)目的节点比较信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值的大小，如果前者较大，则转入步骤4)，否则转入步骤5)；

4)如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比大于对应链路上设定的信噪比门限值，则中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

5)如果信源节点到目的节点链路上的瞬时信噪比小于对应链路上设定的信噪比门限值，则最佳中继节点将参与协作，并转发接收到的信号，在最佳中继节点转发信号前，最佳中继节点将比较信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值的大小，如果前者较大，则转入步骤6)，否则转入步骤7)；

6)如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比大于对应链路上设定的信噪比门限值，则最佳中继节点在第二时隙将采用译码转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码；

7)如果信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比小于对应链路上设定的信噪比门限值，则最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。