CN104393965A - 多用户无线网络中的用户协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多用户无线网络中用户协作传输方法，主要解决现有技术带宽效率低、传输可靠性差的问题。其实现步骤为：1)选择目的终端；2)在第一帧内，第一用户终端发送本地数据，传输目的终端和第二用户终端接收数据；3)在第二帧内，第二用户终端发送本地数据，传输目的终端和第一用户终端接收数据；4)在第三帧内，第一用户终端和第二用户终端分别将第一帧和第二帧的译码数据进行空时编码，并将编码后的信号向传输目的终端发送；5)传输目的终端在分别收到发送的信号后，对这三帧的信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。本发明具有实现复杂度低、带宽效率高、传输可靠性好的优点，可用于多用户协作通信系统。

Description

多用户无线网络中的用户协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种多用户无线网络中的用户协作传输方法，可用于多用户协作通信系统。

背景技术

由于无线信道受到阴影衰落、多径衰落、干扰等因素的影响，发送信号在无线信道中经历严重的衰减和波动。现有大量研究成果表明，多天线技术可获得空间分集增益，能有效抵抗无线传输中多径衰落的影响，提高无线网络容量和覆盖范围。然而，无线网络中用户终端由于受到体积、复杂度和功率等限制，难以应用多天线技术获取空间分集增益。

近年来，一种多天线技术的延伸—用户协作通信技术引起了学术界的广泛关注。在蜂窝移动通信、ad-hoc和无线传感器网络中，用户协作通信技术使得多用户环境下的单天线终端按照一定方式共享彼此资源，在空间上可以为目的节点构造“虚拟多天线阵列”，从而获得发射分集增益，提高了无线传输的可靠性。用户协作通信技术是一种低成本高效率的无线资源分配方案，为多天线技术走向实用化开辟了一条新的途径，保障无线用户不同类型业务的服务质量，提高无线网络容量、覆盖率、频谱利用率、误码率和中断概率等多项关键性能指标，将会成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

北京理工大学提出的专利申请“一种高效频谱利用率的协作通信方法”(申请号200910093254.1申请公布号CN 101656560A)公开了一种在无线通信领域中提高频谱利用率的协作通信方法，具体步骤是：首先节点A采用两种不同方案分别调制自己的信息和上一时隙接收到的节点B的信息，将两路调制信号正交叠加在一起并广播出去；其次，节点B同样采用两种方案对本地信息和中继信息进行调制；然后广播叠加的调制符号；最后，目的节点D联合解调接收到两路叠加符号，获得节点A的信息；节点D采用相同的协作通信方法，获得节点B的信息。该专利申请存在的不足是：首先，该方法模型仅考虑单用户场景，忽略了在更普遍的多用户场景中用户选择获得的空间分集增益，从而带来系统可靠性的提升。其次，该方法将两路信号正交调制复杂度较高，且同时考虑噪声和信道的时变特性对信号调制的影响时，难以保证本地信号和中继信号的严格正交。

西安电子科技大学提出的专利申请“多用户无线网络中的两用户协作通信方法”(申请号200810231824.4申请公布号CN 101394255A)公开了一种多用户无线网络中的两用户协作通信方法，具体步骤是：在第一帧内，用户终端将本地编码数据调制到同相分量后向目的终端发送，伙伴终端译码和检验该数据的正确性；在第二帧内，伙伴终端分别将本地和中继编码数据调制到同相和正交分量并发送，用户终端对该本地数据进行译码和检验；在第三帧内，用户终端分别将本地和中继编码数据调制到同相和正交分量并发送，伙伴终端对该本地数据进行译码和检验；在最后一帧内，用户终端或伙伴终端发送中继数据。该专利申请存在的不足是：首先，该方法的一次协作传输过程需要四帧来完成，协作分集系统的带宽效率较低。其次，该方法在最后一帧的传输是由用户终端或伙伴终端发送，且没有涉及如何在系统中利用用户终端选择来进一步提升协作传输的性能，不能获得最大的空间分集增益。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多用户无线网络中的用户协作传输方法，以获得最大的传输频谱效率和空间分集增益，降低协作开销，提高传输可靠性和无线资源利用率。

实现本发明目的的技术方案是：利用分布式空时编码技术，使每个用户终端同时发送本地信息和中继信息，利用目的终端的传输因子进行用户选择，使协作用户终端获得最大的空间分集增益和编码增益，确保系统的传输质量。其具体步骤包括如下：

(1)目的终端选择：

(1.1)各目的终端d_n分别测量自身与第一用户终端u₁的瞬时信道增益h(u₁,d_n)和其自身与第二用户终端u₂的瞬时信道增益h(u₂,d_n)，其中，n∈{1,...,N}，N表示目的终端的总个数；

(1.2)根据测量结果，计算目的终端d_n与第一用户终端u₁和第二用户终端u₂的传输性能因子：η(d_n)＝(|h(u₁,d_n)|^-2+|h(u₂,d_n)|^-2)^-1，n∈{1,...,N}；

(1.3)根据传输性能因子η(d_n)进行目的终端选择，即将传输性能因子最大的目的终端d^*作为传输目的终端；

(2)在第一帧内，第一用户终端u₁发送本地数据，传输目的终端d^*和第二用户终端u₂接收数据：

(2.1)第一用户终端u₁对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₁，并将该信号发送至传输目的终端d^*和第二用户终端u₂；

(2.2)第二用户终端u₂收到发送信号x₁后，对该信号进行解调和译码，获取第一用户终端u₁的发送数据；

(2.3)第二用户终端u₂对译码所得的数据进行循环冗余校验；

(3)在第二帧内，第二用户终端u₂发送本地数据，传输目的终端d^*和第一用户终端u₁接收数据：

(3.1)第二用户终端u₂对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₂，并将该信号发送至传输目的终端d^*和第一用户终端u₁；

(3.2)第一用户终端u₁收到发送信号x₂后，对该信号进行解调和译码，获取第二用户终端u₂的发送数据；

(3.3)第一用户终端u₁对译码所得的数据进行循环冗余校验；

(4)在第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂分别将第一帧和第二帧的译码数据进行空时编码，并将编码后的信号向传输目的终端d^*发送：

(4.1)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码正确时，在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂同时向传输目的终端d^*发送编码信号和其中，和分别表示接收信号x₁和x₂的复共轭；

(4.2)当第一用户终端u₁译码正确，第二用户终端u₂译码失败时，在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁向传输目的终端d^*发送编码信号第二用户终端u₂保持静默；

(4.3)当第一用户终端u₁译码失败，第二用户终端u₂译码正确时，在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁保持静默，第二用户终端u₂向传输目的终端d^*发送编码信号

(4.4)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码失败时，在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均保持静默；

(5)传输目的终端d^*在分别收到由步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)发送的信号后，对第一帧、第二帧和第三帧内的信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于利用两用户终端的交互信息，选择系统中传输性能因子最大的目的终端作为传输目的终端，为用户协作构造了虚拟多天线阵列，使各用户终端获得最大的空间分集增益，提高了无线传输的可靠性。

2.本发明由于采用分布式空时编码进行用户协作，将一个协作传输周期分三帧完成，允许两用户终端同时向传输目的终端发送数据，提高了系统传输速率和协作分集系统带宽效率。

3.本发明由于采用分布式目的终端选择方法，通过各目的终端的本地时钟倒计时和信令交互实现传输目的终端选择，降低了多用户无线网络中目的终端选择复杂度，减少了用户协作传输的系统开销，性能代价比高，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明使用的多用户无线系统模型图；

图2为本发明的实现总流程图；

图3为本发明目的终端选择子流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明做进一步描述。

参照图1，本发明使用的多用户无线网络，由2个用户终端u₁和u₂，N个目的终端构成。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1：选择目的终端。

1.1)各目的终端d_n分别测量自身与第一用户终端u₁的瞬时信道增益h(u₁,d_n)和其自身与第二用户终端u₂的瞬时信道增益h(u₂,d_n)，其中，n∈{1,...,N}，N表示目的终端的总个数；

1.2)根据测量结果，计算目的终端d_n与第一用户终端u₁和第二用户终端u₂的传输性能因子：η(d_n)＝(|h(u₁,d_n)|^-2+|h(u₂,d_n)|^-2)^-1，n∈{1,...,N}；

1.3)根据传输性能因子η(d_n)进行目的终端选择，即将传输性能因子最大的目的终端d^*作为传输目的终端：

参照图3，本步骤中从各目的终端d_n中选择传输目的终端d^*的具体实现如下：

1.3.1)第一用户终端u₁和第二用户终端u₂向所有目的终端广播传输目的终端选择开始的信令；

1.3.2)各目的终端d_n在收到传输目的终端选择开始的信令后，根据其传输性能因子，将本地时钟的初始时间T(d_n)设置为：

T(d_n)＝μexp(-η(d_n))

其中，μ表示单位时间长度且满足μ＞0；

1.3.3)各目的终端d_n的本地时钟同时开始从初始时间T(d_n)向零进行倒计时；

1.3.4)初始时间最小的目的终端d^*率先完成本地时钟倒计时后，被选为“传输目的终端”，并向其余目的终端及第一用户终端u₁和第二用户终端u₂发送传输目的终端选择完成的信令；

1.3.5)所有收到传输目的终端选择完成信令的目的终端停止本地时钟倒计时，并准备接收第一用户终端u₁和第二用户终端u₂的发送信号。

步骤2：在第一帧内，第一用户终端u₁发送本地数据，传输目的终端d^*和第二用户终端u₂接收数据。

2.1)第一用户终端u₁对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₁，并将该信号向传输目的终端d^*和第二用户终端u₂发送，其中所述的信道编码采用低密度奇偶校验码，或卷积码，或两者级联的方式进行，并对采用上述编码后的码字进行凿孔，以提高编码效率；

2.2)第二用户终端u₂收到发送信号x₁后，对该信号进行解调和译码，获取第一用户终端u₁的发送数据；

2.3)第二用户终端u₂对译码所得的数据进行循环冗余校验，判定是否正确译码发送信号x₁：若第二用户终端u₂利用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败。

步骤3：在第二帧内，第二用户终端u₂发送本地数据，传输目的终端d^*和第一用户终端u₁接收数据。

3.1)第二用户终端u₂对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₂，并将该信号向传输目的终端d^*和第一用户终端u₁发送，其中所述的信道编码采用低密度奇偶校验码，或卷积码，或两者级联的方式进行，并对采用上述编码后的码字进行凿孔，以提高编码效率；

3.2)第一用户终端u₁收到发送信号x₂后，对该信号进行解调和译码，获取第二用户终端u₂的发送数据；

3.3)第一用户终端u₁对译码所得的数据进行循环冗余校验，判定是否正确译码发送信号x₂：若第一用户终端u₁利用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败。

步骤4：在第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂分别将第一帧和第二帧的译码数据进行空时编码，并将编码后的信号向传输目的终端d^*发送。

4.1)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码正确时，则在协作传输的第三帧内，由第一用户终端u₁和第二用户终端u₂同时向传输目的终端d^*发送编码信号和其中，和分别表示接收信号x₁和x₂的复共轭；

4.2)当第一用户终端u₁译码正确，而第二用户终端u₂译码失败时，则在协作传输的第三帧内，由第一用户终端u₁向传输目的终端d^*发送编码信号第二用户终端u₂保持静默；

4.3)当第一用户终端u₁译码失败，而第二用户终端u₂译码正确时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁保持静默，由第二用户终端u₂向传输目的终端d^*发送编码信号

4.4)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码失败时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均保持静默。

步骤5：传输目的终端d^*在分别收到由步骤2、步骤3和步骤4发送的信号后，对第一帧、第二帧和第三帧内的信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多用户无线网络中的用户协作传输方法，包括如下步骤：

(1)选择目的终端：

(1.1)各目的终端d_n分别测量其自身与第一用户终端u₁的瞬时信道增益h(u₁,d_n)和其自身与第二用户终端u₂的瞬时信道增益h(u₂,d_n)，其中，n∈{1,...,N}，N表示目的终端的总个数；

(1.2)根据测量结果，计算目的终端d_n与第一用户终端u₁和第二用户终端u₂的传输性能因子：η(d_n)＝(|h(u₁,d_n)|^-2+|h(u₂,d_n)|^-2)^-1，n∈{1,...,N}；

(1.3)根据传输性能因子η(d_n)进行目的终端选择，即将传输性能因子最大的目的终端d^*作为传输目的终端；

(2)在第一帧内，第一用户终端u₁发送本地数据，传输目的终端d^*和第二用户终端u₂接收数据：

(2.1)第一用户终端u₁对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₁，并将该信号发送至传输目的终端d^*和第二用户终端u₂；

(2.2)第二用户终端u₂收到发送信号x₁后，对该信号进行解调和译码，获取第一用户终端u₁的发送数据；

(2.3)第二用户终端u₂对译码所得的数据进行循环冗余校验；

(3)在第二帧内，第二用户终端u₂发送本地数据，传输目的终端d^*和第一用户终端u₁接收数据：

(3.1)第二用户终端u₂对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到发送信号x₂，并将该信号发送至传输目的终端和第一用户终端u₁；

(3.2)第一用户终端u₁收到发送信号x₂后，对该信号进行解调和译码，获取第二用户终端u₂的发送数据；

(3.3)第一用户终端u₁对译码所得的数据进行循环冗余校验；

(4)在第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂分别将第一帧和第二帧的译码数据进行空时编码，并将编码后的信号向传输目的终端d^*发送：

(4.1)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码正确时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂同时向传输目的终端d^*发送编码信号和其中，和分别表示接收信号x₁和x₂的复共轭；

(4.2)当第一用户终端u₁译码正确，第二用户终端u₂译码失败时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁向传输目的终端d^*发送编码信号第二用户终端u₂保持静默；

(4.3)当第一用户终端u₁译码失败，第二用户终端u₂译码正确时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁保持静默，第二用户终端u₂向传输目的终端d^*发送编码信号

(4.4)当第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均译码失败时，则在协作传输的第三帧内，第一用户终端u₁和第二用户终端u₂均保持静默；

(5)传输目的终端d^*在分别收到由步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)发送的信号后，对第一帧、第二帧和第三帧内的信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。

2.根据权利要求1所述的多用户无线网络中的用户协作传输方法，其中所述步骤(1.3)中根据传输性能因子η(d_n)进行目的终端选择，按如下步骤进行：

(1.3a)第一用户终端u₁和第二用户终端u₂向所有目的终端广播传输目的终端选择开始的信令；

(1.3b)各目的终端d_n在收到传输目的终端选择开始的信令后，根据其传输性能因子，将本地时钟的初始时间T(d_n)设置为_：

T(d_n)＝μexp(-η(d_n))，

其中，μ表示单位时间长度且满足μ＞0；

(1.3c)各目的终端d_n的本地时钟同时开始从初始时间T(d_n)向零进行倒计时；

(1.3d)初始时间最小的目的终端d^*率先完成本地时钟倒计时后，被选为“传输目的终端”，并向其余目的终端及第一用户终端u₁和第二用户终端u₂发送传输目的终端选择完成的信令；

(1.3e)所有收到传输目的终端选择完成信令的目的终端停止本地时钟倒计时，并准备接收第一用户终端u₁和第二用户终端u₂的发送信号。

3.根据权利要求1所述的多用户无线网络中的用户协作传输方法，其中所述步骤(2.1)、步骤(3.1)中的信道编码，采用低密度奇偶校验码，或卷积码，或两者级联的方式进行，并对采用上述编码后的码字进行凿孔，以提高编码效率。

4.根据权利要求1所述的多用户无线网络中的用户协作传输方法，其中所述步骤(2.3)、步骤(3.3)中对译码所得的数据进行循环冗余校验，是指对译码后所得的数据进行正确性检验：若第一用户终端u₁和第二用户终端u₂分别利用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败。