CN104660318A - 一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法，为使协作通信系统中的源和中继做出更明智的信息传输操作，避免浪费资源进行不必要的信息转发，目的端在时隙1将反馈2bits信息表征其对通过直传链路接收到的信号的3种接收状态：成功、半成功、失败，源和中继将根据反馈信息决定其在下一时隙的操作；而且中继节点也会根据自身对数据的解调成功与否选择不同的中继转发协议。本发明在与经典协作传输机制相比仅需2bits额外开销的前提下，当直传链路信道方差仅为中继链路的一半时，频谱效率可分别达到经典AF协作传输、经典DF协作传输的120％、133％，不仅改善了协作传输的本质缺陷、提高了协作传输的频谱效率，同时也提升了协作传输的错误性能。

Description

一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法。

背景技术

协作传输技术近年来发展迅速。在协作传输中，每个移动节点可以只安装一根天线，通过在无线网络中选择适当的伙伴节点(或称为协作节点，中继节点等)参与转发消息，能够使源节点所发射的信号通过不同衰减路径到达目的节点，从而形成一个虚拟的多天线系统。协作传输使得节点间的资源共享成为了可能，除了能获得分集和复用增益外，还可能带来覆盖范围的扩大，以及因为传输路径的分割而获得路损增益等。

尽管协作传输技术具备上述诸多优势，其内在缺陷却也非常明显，在协作传输中，由于节点的半双工特性，中继不能在相同频率同时接收和发送消息，消息的传输需要经历从源端到中继、及从中继到目的端至少两跳，使得其频谱效率与直接传输相比会下降一半。因而，如何提升频谱效率是协作传输面临的重大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法，旨在改善协作传输频谱效率下降的本质缺陷，提升协作传输的频谱效率与错误性能。

本发明是这样实现的，一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法为了改善协作传输的本质缺陷，提升协作传输的频谱效率与错误性能，目的端将反馈2bits信息表征其对通过直传链路接收到的信号的3种接收状态：成功、半成功、失败；而且中继节点也会根据自身对数据的解调成功与否选择不同的中继转发协议。

进一步，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法包括以下步骤：

步骤一，时隙1，源端S以功率P_S广播自己的信息数据，中继与目的端处于接收状态；

步骤二，目的端对直传链路的接收数据进行解调，并通过反馈信道广播3种解调状态：成功、半成功、失败；

步骤三，当满足直传链路的接收信噪比不小于信噪比阈值，即P_Sγ≥η，解调状态为成功，目的端反馈的信息为11，则接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S发送新的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤四，当不满足P_Sγ≥η但满足2P_Sγ≥η，解调状态为半成功，目的端反馈的信息为10或01，则在接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S重发其在上时隙广播的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤五，当满足2P_Sγ<η，解调状态为失败，目的端反馈的信息为00，则接收到反馈信息后，源端在时隙2保持沉默，而中继节点依据接收信噪比判断其对于时隙1源所发送数据的接收状态；

步骤六，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足接收信噪比不小于正确解调的阈值，即P_Sα≥η，说明中继节点已将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用译码转发DF协议将此数据编码后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调；

步骤七，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足P_Sα<η，说明中继节点未能将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用放大转发AF协议将此数据量化后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调。

进一步，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法的频谱效率描述为：

其中α、β、γ分别表示S→R、R→D、S→D链路的单位接收信噪比。

本发明提供的基于反馈信息的协作传输机制实现方法，为了使协作通信系统中的源和中继做出更明智的信息传输操作，避免浪费资源进行不必要的信息转发，目的端将反馈2bits信息表征其对通过直传链路接收到的信号的3种接收状态：成功、半成功、失败；而且中继节点也会根据自身对数据的解调成功与否选择不同的中继转发协议。本发明所述基于反馈信息的协作传输机制在与经典AF或经典DF协作传输机制相比仅需2bits额外开销的前提下，不仅能改善协作传输的本质缺陷、大幅度提高协作传输的频谱效率，同时还能提升协作传输的错误性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于反馈信息的协作传输机制实现方法流程图；

图2是本发明实施例提供的简化的经典协作传输模型示意图。

图3是本发明实施例提供的本发明与经典协作传输机制的频谱效率性能比较示意图；

图4是本发明实施例提供的本发明与经典协作传输机制的误码率性能比较示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的基于反馈信息的协作传输机制实现方法包括以下步骤：

步骤一，时隙1，源端S以功率P_S广播自己的信息数据，中继与目的端处于接收状态；

步骤二，目的端对直传链路的接收数据进行解调，并通过反馈信道广播3种解调状态：成功、半成功、失败；

步骤三，当满足直传链路的接收信噪比不小于信噪比阈值，即P_Sγ≥η，解调状态为成功，目的端反馈的信息为11，则接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S发送新的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤四，当不满足P_Sγ≥η但满足2P_Sγ≥η，解调状态为半成功，目的端反馈的信息为10或01，则在接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S重发其在上时隙广播的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤五，当满足2P_Sγ<η，解调状态为失败，目的端反馈的信息为00，则接收到反馈信息后，源端在时隙2保持沉默，而中继节点依据接收信噪比判断其对于时隙1源所发送数据的接收状态；

步骤六，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足接收信噪比不小于正确解调的阈值，即P_Sα≥η，说明中继节点已将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用译码转发DF协议将此数据编码后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调；

步骤七，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足P_Sα<η，说明中继节点未能将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用放大转发AF协议将此数据量化后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调。

该基于反馈信息的协作传输机制实现方法的频谱效率描述为：

其中α、β、γ分别表示S→R、R→D、S→D链路的单位接收信噪比。

本发明的工作原理：

如图2所示，为简化的经典协作传输模型，源节点S通过中继节点R的协作与目的节点D通信；消息从源端到目的端的传输经历两个时隙，时隙1，源端S以一定功率广播自己的数据，中继与目的端均能接收到此消息；时隙2，中继R对上时隙接收到的数据进行处理后以一定功率转发给目的端D，目的端对两个时隙接收到的数据进行一定方式的合并后将其解调恢复；目前被广泛研究的中继转发策略主要包括放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和译码转发(Decode-and-Forward,DF)；在AF模式下，中继节点对接收到的信号进行简单的量化后转发给目的端；而DF模式下中继节点需要对接收信息进行检测和译码，再将译码后的信息重新编码后发送给目的端；

令h_SD，h_SR与h_RD分别表示直传链路S→D，中继链路S→R与R→D的循环对称复高斯信道系数，并不失一般性地假定各链路的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)相互独立且功率谱密度均为N₀；假定源与中继的发送功率分别为P_S与P_R，且目的端对直传与中继链路上的接收信息进行最大比值合并(Maximum ratio combining,MRC)；若图2所示模型中的中继R采用AF模式转发，令α＝|h_SR|²/N₀，β＝|h_RD|²/N₀,γ＝|h_SD|²/N₀，并将带宽归一化，则根据已有研究成果中的描述，其频谱效率可表达为：

$I_{\mathrm{AF}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+P_S\mathrm{\&gamma;}+\frac{P_S\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;P_R\mathrm{\&beta;}}{P_S\mathrm{\&alpha;}+P_R\mathrm{\&beta;}+1})$

若图2所示模型中的中继R采用DF模式固定转发，则根据已有研究成果中的描述，其频谱效率可表达为：

$I_{\mathrm{DF}}=\frac{1}{2}\min ({\log }_2(1+P_S\mathrm{\&alpha;}),{\log }_2(1+P_S\mathrm{\&gamma;}+P_R\mathrm{\&beta;}))$

可见，不管中继采用何种转发协议，由于相同带宽在一次信息符号的传输中被占用两次，协作传输的频谱效率在对数前的因子均为1/2，与直接传输相比下降一半(直接传输的频谱效率为I_direct＝log₂(1+P_Sγ))；

针对协作传输技术频谱效率下降的缺陷，本发明的目的在于对所述机制进行改进，提供一种基于反馈信息的协作传输机制以提高协作传输的频谱效率与错误性能；

在经典协作模型中，不管目的端在第1个时隙内对源端所发送的信息符号解调成功与否，中继节点均会在下个时隙内进行数据转发；但若S→D的直传链路条件较好，那么中继的转发则变的没有必要，而且还会浪费时隙或带宽资源；为了使源和中继更好地了解目的端对于信息符号的接收状态，以便做出更明智的信息传输操作，可在系统中设置反馈信道；同时，为使接收状态表达地更明确，反馈信息可采用2bits，比如以11表示目的端已接收成功；以10或01表示接收半成功；以00表示接收失败；这里接收半成功的意思是，虽然当前的接收不成功，但是通过评估可断定，若目的端再能接收到当前消息的一个相同信噪比(SNR)的副本，接收即可成功；

另一方面，随着硬件设施的逐步完善，设备成本的逐渐降低，为中继设置不同转发模式已不是难事；为了提高协作传输的可靠性，假定中继节点即可工作于AF模式，又可工作于DF模式，中继会选择何种工作模式则依赖于S→R链路质量的好坏。

通过以下仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：

通过Monte Carlo仿真来验证基于反馈信息的协作传输机制的频谱效率与错误性能的优势；假定功率在各节点间平均分配，即令P_S＝P_R＝P_O。将各节点间的噪声功率归一化并定义SNR＝P_O/N₀，令SNR阈值η＝20dB，并令h_SD，h_SR与h_RD的方差分别表示为c，a与b；

图3显示了本发明所述改进机制与传统机制的频谱效率性能随着直传链路的信道方差c而变化的比较结果；仿真参数设置为a＝b＝10，SNR＝10dB；由图3可见，仅当c<0.6，即当不存在S→D的直传链路或直传链路非常弱时，本发明所述传输机制的频谱效率才低于经典DF协作传输；而当满足c≥1，即c/a≥0.1或c/b≥0.1后，本发明所述传输机制的频谱效率随着c的增大以很快的速率增长；当直传链路信道方差为中继链路信道方差的一半时，本发明所述机制的频谱效率分别是经典AF协作传输、经典DF协作传输频谱效率的120％、133％；

图4显示了本发明所述改进机制与传统机制的误码率(BER)性能随着SNR而变化的比较结果；仿真参数设置为a＝b＝10，c＝5；由图4可见，本发明所述传输机制的误码率性能在仿真的整个SNR范围内都是最低的，而且，其与经典AF传输机制的BER下降速率是相同的，因而可以断定，在未仿真的SNR范围内所述传输机制的BER依然会低于经典AF协作传输；这说明本发明所述传输机制具有最好的错误性能。

综上所述，本发明所述基于反馈信息的协作传输机制在与经典协作传输机制相比仅需2bits额外开销的前提下，不仅能改善协作传输的本质缺陷、大幅度提高协作传输的频谱效率，而且还能提升协作传输的错误性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于反馈信息的协作传输机制实现方法，其特征在于，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法的目的端在时隙1将反馈2bits信息表征其对通过直传链路接收到的信号的3种接收状态：成功、半成功、失败，源和中继将根据反馈信息决定各自在下一时隙的操作；而且中继节点也会根据自身对数据的解调成功与否选择不同的中继转发协议。

2.如权利要求1所述的基于反馈信息的协作传输机制实现方法，其特征在于，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法包括以下步骤：

步骤一，时隙1，源端S以功率P_S广播自己的信息数据，中继与目的端处于接收状态；

步骤二，目的端对直传链路的接收数据进行解调，并通过反馈信道广播3种解调状态：成功、半成功、失败；

步骤三，当满足直传链路的接收信噪比不小于信噪比阈值，即P_Sγ≥η，解调状态为成功，目的端反馈的信息为11，则接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S发送新的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤四，当不满足P_Sγ≥η但满足2P_Sγ≥η，解调状态为半成功，目的端反馈的信息为10或01，则在接收到反馈信息后，源端在时隙2以功率P_S重发其在上时隙广播的信息符号，中继节点保持沉默；

步骤五，当满足2P_Sγ<η，解调状态为失败，目的端反馈的信息为00，则接收到反馈信息后，源端在时隙2保持沉默，而中继节点依据接收信噪比判断其对于时隙1源所发送数据的接收状态；

步骤六，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足接收信噪比不小于正确解调的阈值，即P_Sα≥η，说明中继节点已将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用译码转发DF协议将此数据编码后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调；

步骤七，当目的端解调状态为失败且中继在时隙1满足P_Sα<η，说明中继节点未能将时隙1源所发送的数据译码成功，则中继在时隙2采用放大转发AF协议将此数据量化后以功率P_R转发，目的端对直传链路和中继链路的接收信息最大比值合并后解调。

3.如权利要求2所述的基于反馈信息的协作传输机制实现方法，其特征在于，该基于反馈信息的协作传输机制实现方法的频谱效率描述为：

其中α、β、γ分别表示S→R、R→D、S→D链路的单位接收信噪比。