CN104023369A - 基于最优时间分配的动态解码转发中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，包括：根据复用增益的取值设置最优时间分配比；根据时间分配比以及瞬时信道增益系数判断发送节点和目的节点之间的信道是否能在预设的时间区间内支持当前数据包的成功传输；如果条件不满足，各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发中继方式传输；如果条件满足，当前数据包在预设的时间区间内由发送节点直接向目的节点发送，随后发送节点开始传输下一数据包直至下一时间帧结束，同时中继节点采用动态解码转发方式协助传输下一数据包。本发明通过优化传输时间的分配，根据信道状态信息自适应地切换传输模式，既能满足时延受限的通信业务的要求，同时又能提高系统的分集性能。

Description

基于最优时间分配的动态解码转发中继方法

技术领域

本发明涉及协同无线通信技术领域，具体是基于最优时间分配的动态解码转发中继方法。

背景技术

近来多种中继协议被纳入各种蜂窝无线通信标准，如WiMAX、3GPP LTE-Advanced等。常见的中继协议主要包括固定增益放大转发、可变增益放大转发、静态解码转发以及动态解码转发等。其中，动态解码转发中继协议已被证明具有优异的分集复用折衷性能。对于基本的三节点(发送节点、目的节点、中继节点)中继传输系统，在低复用增益区域，动态解码转发协议可实现分集复用折衷性能的割集上界，在中等和高复用增益区域，动态解码转发协议的分集性能也优于放大转发和静态解码转发协议。

目前的研究表明，在发送节点能够获得信道状态信息的情况下，无线中继通信系统的分集复用折衷性能可以得到进一步的提升。对现有文献检索发现，基于发送端信道状态信息(channel state information at the transmitter，CSIT)的中继协议绝大多数主要采用功率控制方案，如：

Zhang Xiaojuan等人发表了题为“On the diversity gain in dynamic decode-and-forwardchannels with imperfect CSIT”的文章(IEEE Transactions on Communications,vol.59,no.1,pp.59–63.Jan.2011)。该文章中提出一种基于发送端信道状态信息的动态解码转发协议，通过采用功率控制方案，该协议极大地提升了传统动态解码转发协议的分集复用折衷性能。

现有的基于功率控制方案的中继传输协议只适用于长期功率限制的通信场景，即只要求各通信节点的平均发射功率低于某个限定值，因此在某些短暂的时刻，通信节点仍可以使用非常高的功率来发射信号以克服信道衰落而引起的通信中断。然而，考虑到通信环境的安全性以及干扰预防等问题，在一些实际的通信场景中，系统往往被要求满足较严格的短期瞬时功率限制条件，即在任何时刻通信节点的发射功率都必须低于某个限定值。因此，上述的功率控制方案不能直接应用于该场景。为了满足严格的短期瞬时功率限制的条件，目前比较有效的方法是根据信道状态信息进行时间的最优分配。相关的文献有：

Kim T.T.等人发表了题为“Decode-and-forward relaying with quantized channel statefeedback:An outage exponent analysis”的文章(IEEE Transactions on Information Theory,vol.54,no.10,pp.4548–4564.2008)。该文章中提出一种基于量化的信道状态反馈的时间分配方案，采用该方案的解码转发中继协议随着信道状态反馈质量的提高，能实现接近于传统动态解码转发中继协议的分集复用折衷性能。

Xiao Yong等人发表了题为“On the diversity multiplexing tradeoff of an improvedamplify-and-forward relaying strategy”的文章(IEEE Communications Letters,vol.16,no.4,pp.482–485.2012)。该文章提出了一种应用于放大转发中继协议的时间分配方案，该方案根据信道状态信息自适应地调整发送节点和中继节点的传输时间，在低复用增益区域实现了分集复用折衷性能的割集上界。

由相关的研究可知，现有的基于时间分配的中继传输方案能够接近或在低复用增益区域达到传统动态解码转发中继协议的分集性能。而为了在短期瞬时功率限制的场景中进一步提升系统的性能，本发明提出了一种基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，显著地提升了三节点中继系统的分集复用折衷性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明为了进一步提升短期瞬时功率限制场景下中继系统的分集性能，提供了一种基于最优时间分配的动态解码转发中继方法。本发明能够使得中继系统根据复用增益的取值设置最优的时间分配比，并结合瞬时的信道状态，自适应地切换传输方式，在满足通信业务时延受限以及短期瞬时功率限制的前提下，通过在空间分集的基础上引入时间分集，实现了比现有的基于时间分配的中继传输协议以及传统动态解码转发协议更佳的分集复用折衷性能，在保证了通信传输的有效性的同时，显著地提升了传输的可靠性。

根据本发明提供的一种基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，其针对时延受限的通信业务，即数据包的传输必须在规定的专属的传输时间帧结束之前完成；考虑块衰落的通信条件，即信道增益系数在一个时间帧内为常数，但在不同的时间帧之间独立地变化；

所述基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，包括如下步骤：

第一步，根据复用增益r的取值设置最优的时间分配比t；

第二步，根据发送节点S与目的节点D之间的信道增益系数和时间分配比t，判断发送节点S与目的节点D之间的信道是否能在预设的时间区间内支持当前数据包的成功传输，如果条件不满足，各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发的中继方式传输，否则，进入第三步；

第三步，当前数据包在预设的时间区间内由发送节点S直接向目的节点D发送，随后发送节点S开始传输下一数据包直至下一时间帧结束，同时中继节点R采用动态解码转发方式协助传输下一数据包。

优选地，在第一步中，根据复用增益r的取值设置最优的时间分配比t，具体为：

$r\∈[0,\frac{1}{2}]$ 时， $t=\frac{1+\sqrt{1+8r}}{4};$

$r\∈[\frac{1}{2},\frac{3}{5}]$ 时， $t=\frac{4-2r-\frac{1}{r}+\sqrt{{(2r-4+\frac{1}{r})}^2+8r}}{4};$

$r\∈[\frac{3}{5},1]$ 时， $t=\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{4r^3-4r^2+r+1}}{2\sqrt{r+1}}.$

优选地，在第二步中，具体为：令N为一个时间帧包含的符号数，代式N'＝tN，速率 $R^{\′}\stackrel{\·}{=}r\log \mathrm{\ρ},$ 其中表示指数相等，即 $\underset{\mathrm{\ρ}\→\∞}{\lim }\log f\left(\mathrm{\ρ}\right)/\log \mathrm{\ρ}=b$ 表示为 $\left(\mathrm{\ρ}\right)\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\ρ}}^b,$ ρ为信噪比，为发送节点S与目的节点D之间链路的信道增益系数，如果则各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发的中继方式传输，即在整个时间帧内发送节点S持续传输，中继节点R首先侦听，一旦中继节点R能成功解码，随即开始转发，而如果则转到第三步。

优选地，在第三步中，具体为：发送节点S通过当前时间帧的前N'个符号直接向目的节点D发送当前数据包，N'＝tN，N为一个时间帧包含的符号数，随后发送节点S从当前时间帧的第N'+1个符号开始，发送下一数据包直至下一时间帧结束，中继节点R从当前时间帧的第N'+1个符号开始侦听，一旦中继节点R能成功解码下一数据包，随即开始转发，直至下一时间帧结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过最优时间分配，使系统根据信道状态信息自适应地切换传输模式，在获得空间分集的基础上引入时间分集，显著地提升了现有的基于时间分配方案的中继协议以及传统的动态解码转发协议的分集性能。本发明所提供的传输方案满足时延受限的通信业务的要求，并且相较于基于功率控制方案的协作传输协议，本发明的方案能够适用于短期瞬时功率受到严格限制的场景，具有较好的干扰预防效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明提供的基于最优时间分配的动态解码转发中继方法的流程图；

图2为本发明所提供方案的分集复用折衷性能曲线图；

图3为本发明在复用增益分别为0.3、0.6和0.9，信噪比从0dB增加到40dB时的中断概率曲线图；

图4为本发明在信噪比为10、20和30dB，复用增益从0.1增加到1时的中断概率曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开无线网络中一种协作分集的传输方案，包括：根据复用增益的取值设置最优时间分配比；根据时间分配比以及瞬时信道增益系数判断发送节点和目的节点之间的信道是否能在预设的时间区间内支持当前数据包的成功传输；如果条件不满足，各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发中继方式传输；如果条件满足，当前数据包在预设的时间区间内由发送节点直接向目的节点发送，随后发送节点开始传输下一数据包直至下一时间帧结束，同时中继节点采用动态解码转发方式协助传输下一数据包。本发明通过优化传输时间的分配，根据信道状态信息自适应地切换传输模式，既能满足时延受限的通信业务的要求，同时又能提高系统的分集性能。

本实施例为基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，噪声为零均值的高斯白噪声取归一化值σ²＝1，ρ为信噪比，取值从0dB到40dB，r为复用增益，取值从0到1，各链路的信道增益系数是均值为0方差为1的复高斯随机变量，结果通过106次仿真进行平均。

第一步，系统根据复用增益r的取值设置最优的时间分配比t，

当 $r\∈[0,\frac{1}{2}]$ 时， $t=\frac{1+\sqrt{1+8r}}{4};$

当 $r\∈[\frac{1}{2},\frac{3}{5}]$ 时， $t=\frac{4-2r-\frac{1}{r}+\sqrt{{(2r-4+\frac{1}{r})}^2+8r}}{4};$

当 $r\∈[\frac{3}{5},1]$ 时， $t=\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{4r^3-4r^2+r+1}}{2\sqrt{r+1}}.$

第二步，目的节点D通过导频信号估测发送节点S与目的节点D之间链路的信道增益系数目的节点D计算的值，并将该值与NR'的值做比较，其中，N为一个时间帧包含的符号数，设N＝128，N'＝tN，速率若则目的节点D向发送节点S和中继节点R反馈一比特的信道状态信息“0”，此时系统的传输方式为：数据包在规定的专属时间帧内通过动态解码转发的中继方式传输，即在整个时间帧内发送节点S持续传输，中继节点R首先侦听，一旦中继节点R成功解码数据，随即开始转发，直至时间帧结束。若则目的节点D向发送节点S和中继节点R反馈一比特的信道状态信息“1”，转到第三步；

第三步：系统的传输方式为：发送节点S通过当前时间帧的前N'个符号直接向目的节点D发送当前数据包，随后发送节点S从当前时间帧的第N'+1个符号开始，发送下一数据包直至下一时间帧结束，中继节点R从当前时间帧的第N'+1个符号开始侦听，一旦中继节点R成功解码下一数据包，随即开始转发，直至下一时间帧结束。

在本实施例中，图2给出了本实施例方法和现有的时间分配方案以及传统的动态解码转发协议的分集复用折衷性能曲线；图3是分别采用传统动态解码转发协议和本实施例方法得到的在复用增益分别为0.3、0.6和0.9，信噪比从0dB增加到40dB时的中断概率曲线图；图4是分别采用传统动态解码转发协议和本实施例方法得到的在信噪比为10、20和30dB，复用增益从0.1增加到1时的中断概率曲线图。由图2可见：所提实施方案相较于现有的时间分配方案以及传统的动态解码转发协议，能获得更佳的分集复用折衷性能。由图3可见：所提方案相较于传统的动态解码转发协议，在相同的复用增益条件下，具有较低的中断概率，特别是在低复用增益时，性能优势更为明显。由图4可见：所提方案相较于传统的动态解码转发协议，在相同的信噪比条件下，具有较低的中断概率，特别是在高信噪比时，性能优势更为明显。综合图2、图3、图4可知，本发明所提方案显著地提升了现有的时间分配方案以及传统动态解码转发协议的分集性能。该方案针对时延受限的通信业务，提供了在短期瞬时功率受到严格限制的场景下进一步改善协作中继系统分集性能的思路和方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，其特征在于，针对时延受限的通信业务，即数据包的传输必须在规定的专属的传输时间帧结束之前完成；考虑块衰落的通信条件，即信道增益系数在一个时间帧内为常数，但在不同的时间帧之间独立地变化；

所述基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，包括如下步骤：

第一步，根据复用增益r的取值设置最优的时间分配比t；

第二步，根据发送节点S与目的节点D之间的信道增益系数和时间分配比t，判断发送节点S与目的节点D之间的信道是否能在预设的时间区间内支持当前数据包的成功传输，如果条件不满足，各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发的中继方式传输，否则，进入第三步；

第三步，当前数据包在预设的时间区间内由发送节点S直接向目的节点D发送，随后发送节点S开始传输下一数据包直至下一时间帧结束，同时中继节点R采用动态解码转发方式协助传输下一数据包。

2.根据权利要求1所述的基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，其特征在于，在第一步中，根据复用增益r的取值设置最优的时间分配比t，具体为：

$r\∈[0,\frac{1}{2}]$ 时， $t=\frac{1+\sqrt{1+8r}}{4};$

$r\∈[\frac{1}{2},\frac{3}{5}]$ 时， $t=\frac{4-2r-\frac{1}{r}+\sqrt{{(2r-4+\frac{1}{r})}^2+8r}}{4};$

$r\∈[\frac{3}{5},1]$ 时， $t=\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{4r^3-4r^2+r+1}}{2\sqrt{r+1}}.$

3.根据权利要求1所述的基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，其特征在于，在第二步中，具体为：令N为一个时间帧包含的符号数，代式N'＝tN，速率其中表示指数相等，ρ为信噪比，为发送节点S与目的节点D之间链路的信道增益系数，如果则各数据包在各自专属的时间帧内通过动态解码转发的中继方式传输，即在整个时间帧内发送节点S持续传输，中继节点R首先侦听，一旦中继节点R能成功解码，随即开始转发，而如果 $N^{\′}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{\mathrm{SD}}^1\left|\right|}^2)\≥{\mathrm{NR}}^{\′},$ 则转到第三步。

4.根据权利要求1所述的基于最优时间分配的动态解码转发中继方法，其特征在于，在第三步中，具体为：发送节点S通过当前时间帧的前N'个符号直接向目的节点D发送当前数据包，N'＝tN，N为一个时间帧包含的符号数，随后发送节点S从当前时间帧的第N'+1个符号开始，发送下一数据包直至下一时间帧结束，中继节点R从当前时间帧的第N'+1个符号开始侦听，一旦中继节点R能成功解码下一数据包，随即开始转发，直至下一时间帧结束。