CN104113365B - 协同通信系统中多天线中继节点的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法，包括：构造信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；将信号的信噪比和信道负荷映射到信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；依据信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数确定中继选择算法。本发明在选择中继节点的过程中不仅考虑链路的信噪比因素，而且兼顾了中继资源公平利用问题，同时，对于固定的多天线中继基站，将中继基站的天线选择与中继选择进行了有效结合。本发明在有效降低协同通信系统误码率的同时，兼顾了中继资源利用的公平性，算法简单实用，性能优异，对于协同通信系统的应用和运营具有现实的意义。

Description

协同通信系统中多天线中继节点的选择方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法。

背景技术

在由源节点、中继节点和目的节点构成的协同通信系统中，固定中继节点可以配备多天线提供空间分集以对抗信道衰落，进一步降低协同通信系统的误码率，提高无线链路的可靠性。多天线中继节点的选择方法直接影响着协同通信系统的整体性能。

目前，机会多天线中继选择方法(Opportunistic Multi-antenna RelaySelection，OMRS)和均值最优多天线中继选择方法(Average Best Relay Selection，ABRS)是比较典型的两种多天线中继选择方法。在放大转发协同通信系统中，OMRS选择源节点到中继节点链路与中继节点到目的节点链路信噪比之和最大的中继节点；在译码转发协同通信系统中，OMRS从第一跳成功译码的中继集合中选择出目的节点接收信噪比最大的最佳中继节点。在放大转发协同通信系统中，ABRS方法选择中继节点到目的节点链路平均信噪比最大的中继节点；在译码转发协同通信系统中，ABRS从第一跳成功译码的中继集合中选择出目的节点平均接收信噪比最大的中继节点。OMRS和ABRS主要基于信噪比因素的考虑，为协同通信系统中的多天线中继节点选择问题提供了一些可行的方案，但是在多天线中继选择的过程中没有考虑天线选择，同时也没有考虑资源利用的公平性原则，而天线选择与公平的资源利用是系统优化资源利用的重要手段，对于协同通信系统节约资源，获得良好的用户体验满意度至关重要，具有不容忽视的作用。

发明内容

针对现有技术的现状，本发明提供一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法。

本发明构造了信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数，将信号的信噪比和信道负荷映射到信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数，并围绕这两种函数设计了中继选择算法；在选择中继节点的过程中不仅考虑链路的信噪比因素，而且兼顾了中继资源公平利用问题，同时，对于固定的多天线中继基站，将中继基站的天线选择与中继选择进行了有效结合。本发明在有效降低协同通信系统误码率的同时，兼顾了中继资源利用的公平性，算法简单实用，性能优异，对于协同通信系统的应用和运营具有现实的意义。

一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法，所述方法包括：

构造信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；将信号的信噪比和信道负荷映射到信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；依据信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数确定中继选择算法。

所述信噪比归一化函数包括适用于以中继基站为中继节点情形的信噪比归一化函数和适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信噪比归一化函数；所述信道负荷归一化函数包括适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数和适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷归一化函数。

所述适用于以中继基站为中继节点情形的信噪比归一化函数为：所述适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数为：其中：表示中继基站的第条中继信道的信噪比；为中继基站的第根天线接收信号的信噪比；为目的节点接收到来自中继基站的第根天线的信号的信噪比；表示中继基站的第条中继信道的信道负荷，是数据速率；是中继基站的第条中继信道的信道容量， 是系统带宽；为正整数且为中继基站的天线根数，为正整数且为目的节点检测到的中继节点个数。

所述适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信噪比归一化函数为：所述适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷的归一化函数为：其中：表示中继移动用户设备的中继信道的信噪比；为中继移动用户设备的天线接收信号的信噪比；为目的节点接收到来自中继移动用户设备的天线的信号的信噪比；表示中继移动用户设备的中继信道的信道负荷，是数据速率；是中继移动用户设备的中继信道的信道容量， 是系统带宽；为正整数且为目的节点检测到的中继节点个数。

具体实施方式

从实际情况出发，本发明所述的协同通信系统中，基站和中继基站为单天线或者多天线节点，移动用户设备和中继移动用户设备为单天线节点，节点的多根天线为数据传输提供空间分集。定义中继基站的第条中继信道包括两段信道，分别是源节点天线与该中继基站第根天线之间的信道和该中继基站第根天线与目的节点天线之间的信道。因此当中继基站配置多根天线时，该中继基站具有多条中继信道。其中，为正整数且为中继基站的天线根数，为正整数且为目的节点检测到的中继节点个数。

(一)当目的节点检测到的个中继节点里存在中继基站时，执行以下步骤：

①分别计算每个中继基站的每条中继信道的的值；

代表适用于以中继基站为中继节点情形的信噪比归一化函数，代表适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数，表达式分别如下：

其中，表示中继基站的第条中继信道的信噪比；为中继基站的第根天线接收信号的信噪比；为目的节点接收到来自中继基站的第根天线的信号的信噪比。

表示中继基站的第条中继信道的信道负荷，即数据速率与中继基站的第条中继信道的信道容量之比，计算公式如下：

其中是数据速率，是系统带宽。

②从目的节点检测到的中继基站中选取大于或等于的中继信道构成第一目标中继基站集合BS-SET1，接着从除第一目标中继基站集合BS-SET1中的中继信道以外的中继信道中选取大于或等于的中继信道构成第二目标中继基站集合BS-SET2。

③利用第一目标中继集合BS-SET1中的中继信道计算所属中继基站的值或值：

(i)若该中继基站没有中继信道包含在第二目标中继基站集合BS-SET2中时，有：

表示利用中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量，表示该中继基站在第一目标中继基站集合BS-SET1中的中继信道的集合。

(ii)若该中继基站同时有中继信道包含在第二目标中继基站集合BS-SET2中时，有：

表示利用中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量，表示该中继基站在第一目标中继基站集合BS-SET1和第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道的集合。

④比较由步骤③得到的各中继基站的值或值，根据中继节点数目要求按照值或值从大到小的顺序依次选择中继基站作为中继节点，并利用所选中继节点的值或值计算所用到的中继信道进行数据中继。

⑤当第一目标中继基站集合BS-SET1为空或所选中继节点数目不够时，在第二目标中继基站集合BS-SET2包含的中继信道中剔除所对应中继基站同时存在中继信道被第一目标中继基站集合BS-SET1包含情形的中继信道，接着利用第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道计算所属中继基站的值；

表示利用集合中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量，表示该中继基站存在于第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道的集合。

⑥比较由步骤⑤得到的各中继基站的值，根据中继节点数目要求按照值从大到小的顺序依次选择中继基站作为中继节点，并利用所选中继节点的值计算所用到的中继信道进行数据中继。

(二)当目的节点检测到的个中继节点里不存在中继基站，或者未选中合适的中继节点时，执行以下步骤：

①分别计算各中继移动用户设备的中继信道的的值：

②从目的节点检测到的个中继移动用户设备中选取大于或等于 的中继信道构成第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1，接着从其余中继移动用户设备中选取大于或等于的中继信道构成第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2。

③在第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1中按照中继信道的U1值从大到小的顺序依次选择所属中继移动用户设备作为中继节点。

④当第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1为空或所选中继节点数目不够时，则在第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2中按照中继信道的值从大到小的顺序依次选择所属中继移动用户设备作为中继节点。

下面给出实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：

设置参数：系统带宽中继基站的天线根数需要选择4个中继节点。目的节点检测到的11(即m＝11)个中继节点里存在5个中继基站，为了便于区别，将这5个中继基站分别命名为中继基站1、中继基站2、中继基站3、中继基站4、中继基站5。

(1)测得中继基站1的第1条中继信道的数据速率中继基站1的第1根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站1的第1根天线的信号的信噪比中继基站1的第1条中继信道的信噪比所以中继基站1的第1条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站1的第1条中继信道，有：

测得中继基站1的第2条中继信道的数据速率中继基站1的第2根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站1的第2根天线的信号的信噪比中继基站1的第2条中继信道的信噪比所以中继基站1的第2条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站1的第2条中继信道，有：

测得中继基站2的第1条中继信道的数据速率中继基站2的第1根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站2的第1根天线的信号的信噪比中继基站2的第1条中继信道的信噪比所以中继基站2的第1条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站2的第1条中继信道，有：

测得中继基站2的第2条中继信道的数据速率中继基站2的第2根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站2的第2根天线的信号的信噪比中继基站2的第2条中继信道的信噪比所以中继基站2的第2条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站2的第2条中继信道，有：

测得中继基站3的第1条中继信道的数据速率中继基站3的第1根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站3的第1根天线的信号的信噪比中继基站3的第1条中继信道的信噪比所以中继基站3的第1条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站3的第1条中继信道，有：

测得中继基站3的第2条中继信道的数据速率中继基站3的第2根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站3的第2根天线的信号的信噪比中继基站3的第2条中继信道的信噪比所以中继基站3的第2条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站3的第2条中继信道，有：

测得中继基站4的第1条中继信道的数据速率中继基站4的第1根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站4的第1根天线的信号的信噪比中继基站4的第1条中继信道的信噪比所以中继基站4的第1条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站4的第1条中继信道，有：

测得中继基站4的第2条中继信道的数据速率中继基站4的第2根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站4的第2根天线的信号的信噪比中继基站4的第2条中继信道的信噪比所以中继基站4的第2条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站4的第2条中继信道，有：

测得中继基站5的第1条中继信道的数据速率中继基站5的第1根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站5的第1根天线的信号的信噪比中继基站5的第1条中继信道的信噪比所以中继基站5的第1条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站5的第1条中继信道，有：

测得中继基站5的第2条中继信道的数据速率中继基站5的第2根天线的接收信号的信噪比目的节点接收来自中继基站5的第2根天线的信号的信噪比中继基站5的第2条中继信道的信噪比所以中继基站5的第2条中继信道的信道容量信道负荷信噪比归一化函数信道负荷归一化函数

对于中继基站5的第2条中继信道，有：

(2)从目的节点检测到的中继基站中选取中继基站2的第2条中继信道、中继基站4的第1条中继信道、中继基站5的第1条中继信道构成第一目标中继基站集合BS-SET1；选取中继基站1的第1条中继信道和第2条中继信道、中继基站2的第1条中继信道、中继基站3的第1条中继信道和第2条中继信道、中继基站4的第2条中继信道、中继基站5的第2条中继信道构成第二目标中继基站集合BS-SET2；

(3)利用第一目标中继集合BS-SET1中的中继信道计算对应中继基站2、中继基站4、中继基站5的值或值，由于中继基站2、中继基站4、中继基站5同时有中继信道包含在第二目标中继基站集合BS-SET2中，所以有：

对于中继基站2：

对于中继基站4：

对于中继基站5：

(4)比较中继基站2、中继基站4、中继基站5的值，根据中继节点数目要求按照值从大到小的顺序依次选择中继基站4、中继基站2、中继基站5作为中继节点，分别利用所选中继基站2、中继基站4、中继基站5的值计算所要用到的中继节点的中继信道有：中继基站4的第1条中继信道和第2条中继信道、中继基站2的第1条中继信道和第2条中继信道、中继基站5的第1条中继信道和第2条中继信道，并利用这些中继信道进行数据中继。

(5)此时所选中继节点的数目不够，因为中继基站2同时存在第2条中继信道、中继基站4同时存在第1条中继信道1、中继基站5同时存在第1条中继信道被包含在第一目标中继基站集合BS-SET1中，所以在第二目标中继基站集合BS-SET2中剔除中继基站2的第1条中继信道、中继基站4的第2条中继信道、中继基站5的第2条中继信道，接着利用第二目标中继基站集合BS-SET2中剩余的中继基站1的第1条中继信道和第2条中继信道、中继基站3的第1条中继信道和第2条中继信道分别计算中继基站1、中继基站3的值；

对于中继基站1，有：

对于中继基站3，有：

(6)比较中继基站1、中继基站3的值，并根据中继节点数目要求选择中继基站1作为中继节点，利用所选中继基站1的值计算所要用到的中继信道有：中继基站1的第1条中继信道和第2条中继信道，并利用这些中继信道进行数据中继。

实施例2：

设置参数：系统带宽需要选择6个中继节点。目的节点检测到的9个中继节点里不存在中继基站，即全部为中继移动用户设备，为了便于区别，将这9个中继移动用户设备分别命名为中继移动用户设备1、中继移动用户设备2、中继移动用户设备3、中继移动用户设备4、中继移动用户设备5、中继移动用户设备6、中继移动用户设备7、中继移动用户设备8、中继移动用户设备9。

(1)测得中继移动用户设备1的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备1，有：

测得中继移动用户设备2的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备2，有：

测得中继移动用户设备3的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备3，有：

测得中继移动用户设备4的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备4，有：

测得中继移动用户设备5的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备5，有：

测得中继移动用户设备6的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备6，有：

测得中继移动用户设备7的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备7，有：

测得中继移动用户设备8的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备8，有：

测得中继移动用户设备9的中继信道的数据速率

对于中继移动用户设备9，有：

(2)从目的节点检测到的9个中继移动用户设备中选取中继移动用户设备2、中继移动用户设备3、中继移动用户设备6、中继移动用户设备7构成第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1，接着从其余中继移动用户设备中选取中继移动用户设备1、中继移动用户设备4、中继移动用户设备5、中继移动用户设备8、中继移动用户设备9构成第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2；

(3)在第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1中按照中继信道的U1值从大到小的顺序依次选择中继移动用户设备3、中继移动用户设备7、中继移动用户设备2、中继移动用户设备6作为中继节点；

(4)此时所选中继节点数目不够，根据中继移动用户设备节点数目的要求，在第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2中按照中继信道的U2值从大到小的顺序依次选择中继移动用户设备5、中继移动用户设备4作为中继节点。

Claims (2)

1.一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法，所述方法包括：

(一)构造信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；所述信道负荷归一化函数包括适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数和适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷归一化函数；所述适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数为：所述适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷归一化函数为：D(η_i)＝arcsinη_i/(π/2)，0≤η_i≤1；其中：表示中继基站i的第k条中继信道的信道负荷，η_i表示中继移动用户设备i的中继信道的信道负荷，η_i＝V/C_i；V是数据速率；是中继基站i的第k条中继信道的信道容量， 为中继基站i的第k根天线接收信号的信噪比；为目的节点接收到来自中继基站i的第k根天线的信号的信噪比；C_i是中继移动用户设备i的中继信道的信道容量，γ_1i为中继移动用户设备i的天线接收信号的信噪比；γ_2i为目的节点接收到来自中继移动用户设备i的天线的信号的信噪比；B是系统带宽；

(二)将信号信噪比和信道负荷映射到信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；

(三)依据信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数确定中继选择算法；所述中继选择算法包括以下步骤：

(1)当目的节点检测到的m个中继节点里存在中继基站时，分别计算每个中继基站的每条中继信道的S1、S2、S3、S4的值： 其中： 代表适用于以中继基站为中继节点情形的信噪比归一化函数；

(2)从目的节点检测到的中继基站中选取S1大于或等于S2、S3、S4的中继信道构成第一目标中继基站集合BS-SET1，接着从除第一目标中继基站集合BS-SET1中的中继信道以外的中继信道中选取S2大于或等于S1、S3、S4的中继信道构成第二目标中继基站集合BS-SET2；

(3)利用第一目标中继集合BS-SET1中的中继信道，计算所属中继基站i的值或值，若该中继基站i没有中继信道包含在第二目标中继基站集合BS-SET2中时，得到若该中继基站i同时有中继信道包含在第二目标中继基站集合BS-SET2中时，Φ_i表示该中继基站i在第一目标中继基站集合BS-SET1中的中继信道的集合；表示利用Φ_i中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量；Ψ_i表示该中继基站i在第一目标中继基站集合BS-SET1和第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道的集合；表示利用ψ_i中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量；

(4)比较由步骤(3)得到的各中继基站的值或值，根据中继节点数目的要求，按照值或值从大到小的顺序依次选择中继基站作为中继节点，并利用所选中继节点的值或值计算所用到的中继信道进行数据中继；

(5)当第一目标中继基站集合BS-SET1为空或所选中继节点数目不够时，在第二目标中继基站集合BS-SET2包含的中继信道中剔除所对应中继基站同时存在中继信道被第一目标中继基站集合BS-SET1包含情形的中继信道，接着利用第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道，计算所属中继基站i的C_S2值，得到 表示该中继基站i存在于第二目标中继基站集合BS-SET2中的中继信道的集合；C_S2表示利用集合中的中继信道传输并在目的节点处对信号进行合并处理情况下的中继信道容量；

(6)比较由步骤(5)得到的各中继基站的C_S2值，根据中继节点数目要求按照C_S2值从大到小的顺序依次选择中继基站作为中继节点，并利用所选中继节点的C_S2值计算所用到的中继信道进行数据中继；

上述各步骤中：k为正整数且1≤k≤n_i，n_i为中继基站i的天线根数，i为正整数且1≤i≤m，m为目的节点检测到的中继节点个数。

2.一种协同通信系统中多天线中继节点的选择方法，所述方法包括：

(一)构造信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；所述信道负荷归一化函数包括适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数和适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷归一化函数；所述适用于以中继基站为中继节点情形的信道负荷归一化函数为：所述适用于以中继移动用户设备为中继节点情形的信道负荷归一化函数为：D(η_i)＝arcsinη_i/(π/2)，0≤η_i≤1；其中：表示中继基站i的第k条中继信道的信道负荷，η_i表示中继移动用户设备i的中继信道的信道负荷，η_i＝V/C_i；V是数据速率；是中继基站i的第k条中继信道的信道容量， 为中继基站i的第k根天线接收信号的信噪比；为目的节点接收到来自中继基站i的第k根天线的信号的信噪比；C_i是中继移动用户设备i的中继信道的信道容量，γ_1i为中继移动用户设备i的天线接收信号的信噪比；γ_2i为目的节点接收到来自中继移动用户设备i的天线的信号的信噪比；B是系统带宽；

(二)将信号信噪比和信道负荷映射到信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数；

(三)依据信噪比归一化函数和信道负荷归一化函数确定中继选择算法；所述中继选择算法包括以下步骤：

(1)当目的节点检测到的m个中继节点里不存在中继基站，或者未选中合适的中继节点时，分别计算各中继移动用户设备的中继信道的U1、U2、U3、U4的值：U1＝min(A(γ_i),1-D(η_i))；U2＝min(A(γ_i),D(η_i))；

U3＝min(1-A(γ_i),1-D(η_i))；U4＝min(1-A(γ_i),D(η_i))；其中：γ_i表示中继移动用户设备i的中继信道的信噪比，γ_i＝min(γ_1i,γ_2i)；A(γ_i)代表以中继移动用户设备为中继节点情形的信噪比归一化函数；

(2)从目的节点检测到的m个中继移动用户设备中选取U1大于或等于U2、U3、U4的中继信道构成第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1，接着从其余中继移动用户设备中选取U2大于或等于U1、U3、U4的中继信道构成第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2；

(3)在第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1中按照中继信道的U1值从大到小的顺序依次选择所属中继移动用户设备作为中继节点；

(4)当第一目标中继移动用户设备集合UE-SET1为空或所选中继节点数目不够时，则在第二目标中继移动用户设备集合UE-SET2中按照中继信道的U2值从大到小的顺序依次选择所属中继移动用户设备作为中继节点；

上述各步骤中：i为正整数且1≤i≤m，m为目的节点检测到的中继节点个数。