CN104683008A - 一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，为了克服经典多址多播接入方式不能充分利用直传链路的缺陷，在信息数据传输开始前，依据两收发机对每个传输方向上的直传链路是否能够满足各自QoS需求的评估实现传输方案的选择与切换，在有直传链路能满足QoS需求的情况下充分利用直传链路的传输。本发明基于实际应用中双向传输QoS需求通常不对称考虑，以提升双向中继传输频谱效率与错误性能为目标，与多址多播接入方式相比，当直传链路信道方差仅为中继链路的一半时，频谱效率可增长11.58％，误码率可提升约3dB。

Description

一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法。

背景技术

双向中继是提升协作传输频谱效率的有效协议。在双向中继机制中，中继节点被配置在两个收发机之间用以建立两个方向的数据传输。近期关于双向中继的研究成果多关注多址多播(MABC，multiple access broadcast)接入方式。采用MABC方式接入的优势在于，两收发机能在2个时隙内完成两组信息符号的交换。

在包含两个收发机S₁、S₂，及一个中继节点R的双向中继传输模型中，若假定每个节点均配备一根天线并工作在半双工模式，则MABC接入方式包含两步：第一步，两个收发机S₁和S₂分别以功率P₁、P₂同时向中继节点发送数据，这称为多址接入(MAC)时隙；第二步，中继R对其在MAC时隙接收到的混合信号进行量化与网络编码后以功率P_R转发给两个收发机，这称为广播(BC)时隙。尽管每个收发机在时隙2接收到的都是混合信号，但由于各自都知道自己之前所发送的信息，通过自干扰消除处理后他们即可获得另一个收发机的数据。

为便于分析，假定网络中的每条链路均经历平坦慢衰落，并以h和g分别标记从中继R到收发机S₁和S₂之间的复对称信道系数。假设网络中所有的噪声样本均为独立同分布的加性高斯白噪声(AWGN)，服从分布并令α＝|h|²/σ²，β＝|g|²/σ²。将传输带宽单位化，则广播时隙中继R采用模拟网络编码(ANC)时S₁→S₂及S₂→S₁传输方向的频谱效率可分别表示为：

$I_{12}^{\mathrm{MABC}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_1\mathrm{\α}\·P_R\mathrm{\β}}{P_R\mathrm{\β}+P_1\mathrm{\α}+P_2\mathrm{\β}+1});$

$I_{21}^{\mathrm{MABC}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_2\mathrm{\α}\·P_R\mathrm{\β}}{P_R\mathrm{\α}+P_1\mathrm{\α}+P_2\mathrm{\β}+1});$

存在因子1/2是因为每信息符号的传输实际都占用两个时隙，导致每个方向上的频谱效率下降一半。此协议的双向可达和速率为

$I_{\mathrm{sum}}^{\mathrm{MABC}}=I_{12}^{\mathrm{MABC}}+I_{21}^{\mathrm{MABC}};$

可以看到，尽管每个方向上的传输仍然遭受1/2的速率损失，半双工的限制在这里可以被利用来在两个终端之间建立一个双向的连接，使得系统的和速率得到提高，这是MABC接入方式的优势所在。

仔细分析上述传输机制即可发现，MABC接入方式存在本质缺陷，由于两收发机在时隙1同时发送数据，故而彼此不能通过直传链路直接接收到对方的消息，所以MABC接入方式不能充分利用直传链路；另一方面，在实际的双向通信中，通信双方的QoS(Quality-of-Service)需求通常是不同的，而MABC接入方式及其它已有的研究成果均未考虑到这一点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，旨在解决多址多播接入方式不能充分利用直传链路、以及未考虑实际应用中双向传输QoS需求通常不对称的问题。

本发明是这样实现的，一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法在信息数据传输开始前，依据两收发机对每个传输方向上的直传链路是否能够满足各自QoS需求的评估实现传输方案的选择与切换，在有直传链路能满足QoS需求的情况下充分利用直传链路的传输。

进一步，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法具体包括以下步骤：

步骤一，两收发机S₁、S₂利用无线信道相继广播导频序列及各自的发送功率值P₁、P₂，S₂、S₁在接收到对方发来的导频序列后分别估计直传链路的信道系数k；

步骤二，根据估计的信道状态信息及获取的功率值，S₁评估直传链路接收信噪比是否不小于自身的信噪比阈值，即判断是否满足P₂γ≥η₁；同理，S₂判断是否满足P₁γ≥η₂；

步骤三，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求，S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁以功率P₁发送自己的信息数据；时隙2，S₂以功率P₂发送自己的信息数据；期间中继一直处于沉默状态；

步骤四，当P₂γ≥η₁不满足而P₁γ≥η₂满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求、S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₁、S₂分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤五，当P₂γ≥η₁满足而P₁γ≥η₂不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求而S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₂、S₁分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤六，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求，S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁和S₂分别以功率P₁、P₂同时向中继节点发送信息数据；时隙2，中继R采用模拟网络编码方式对混合数据进行转发。

进一步，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法的双向可达和速率描述为：

其中α、β、γ分别表示S₁→R、S₂→R、S₁→S₂链路的单位接收信噪比。

本发明提供的适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，基于实际应用中双向传输QoS需求通常不对称考虑，能克服经典多址多播接入方式不能充分利用直传链路的缺陷，并能显著提升双向中继传输频谱效率与错误性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于双向中继系统的自适应切换传输方法流程图；

图2是本发明实施例提供的本发明与MABC的频谱效率性能比较示意图；

图3是本发明实施例提供的本发明与MABC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，本发明实施例的适用于双向中继系统的自适应切换传输方法包括以下步骤：

步骤一，两收发机S₁、S₂利用无线信道相继广播导频序列及各自的发送功率值P₁、P₂，S₂、S₁在接收到对方发来的导频序列后分别估计直传链路的信道系数k；

步骤二，根据估计的信道状态信息及获取的功率值，S₁评估直传链路接收信噪比是否不小于自身的信噪比阈值，即判断是否满足P₂γ≥η₁；同理，S₂判断是否满足P₁γ≥η₂；

步骤三，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求，S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁以功率P₁发送自己的信息数据；时隙2，S₂以功率P₂发送自己的信息数据；期间中继一直处于沉默状态；

步骤四，当P₂γ≥η₁不满足而P₁γ≥η₂满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求、S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₁、S₂分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤五，当P₂γ≥η₁满足而P₁γ≥η₂不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求而S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₂、S₁分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤六，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求，S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁和S₂分别以功率P₁、P₂同时向中继节点发送信息数据；时隙2，中继R采用模拟网络编码方式对混合数据进行转发。

上述传输方案的双向可达和速率可描述为：

其中α、β、γ分别表示S₁→R、S₂→R、S₁→S₂链路的单位接收信噪比。

本发明实施例基于实际的双向传输QoS需求通常不对称考虑，以提升双向中继传输频谱效率与错误性能为目标，按照如下思路设计自适应切换传输方案：

在信息数据传输开始之前，S₁与S₂分别基于获取的信道状态信息(CSI)与发送功率值评估S₂→S₁与S₁→S₂传输方向上的直传链路是否能够满足各自的QoS需求(若以k标记两收发机S₁与S₂之间的复对称信道系数，令γ＝|k|²/σ²，并以η₁、η₂分别表示S₁与S₂的接收信噪比(SNR)需求阈值，则S₁与S₂需分别判断是否满足P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂)，之后通过反馈信道分别广播2bits信息表征各自评估的接收状态(其中1bit用以区分S₁与S₂，1bit用以表征接收状态)；若P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均不满足，则采用MABC传输方案。具体地，S₁、S₂在有用数据传输前分别广播00、10以表征接收状态，并在时隙1各自广播有用信息数据，中继R接收到状态码00、10后即可判断其在时隙2采用ANC方式对混合数据进行转发；若P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂仅有一个满足，不失一般性，假定S₁→S₂方向的P₁γ≥η₂满足，则可利用直传链路。即令S₁、S₂在有用数据传输前分别广播00、11以表征接收状态，S₁在时隙1广播信息数据，S₂在时隙2广播数据，时隙3中继只需将其在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发(若是P₂γ≥η₁满足，只需将状态码改为01、10，并在数据传输阶段将S₁与S₂的顺序变更)；若P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均满足，则令S₁、S₂在有用数据传输前分别广播01、11以表征接收状态，并令S₁与S₂分别在时隙1与时隙2相继广播自己的信息数据，中继则处于沉默状态。

这里状态码的广播是为了使网络中的所有节点获知两收发机评估的直传链路接收状态，以便判断网络在信息数据传输阶段该切换到何种传输协议。

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仿真来验证所述自适应切换传输方案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P₁＝P₂＝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S₁→S₂及S₂→S₁方向接收信噪比阈值分别为η₁＝20dB，η₂＝15dB，并令k，h与g的方差分别表示为c，a与b；

图2显示了本发明所述自适应切换传输方案与MABC的频谱效率性能的比较结果；仿真参数设置为a＝b＝10，SNR＝10dB，横坐标为直传链路的信道方差c与中继链路信道方差a之比；由图2可见，由于MABC传输方案不能利用直传链路，所以其频谱效率不随c的变化而变化；当满足c/a≥0.2后，本发明所述自适应切换传输方案的双向可达速率之和随着c/a的增大以很快的速率增长；当c/a＝0.5时，本发明所述传输方案的频谱效率比经典MABC传输方案的频谱效率增长了11.58％；而c/a<0.2时，自适应切换传输方案的频谱效率也最多只比MABC传输方案损失了0.18％；

图3显示了本发明所述自适应切换传输方案与经典MABC传输方案的误码率(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3可见，本发明所述自适应切换传输方案的误码率性能在仿真的整个SNR范围内都比经典MABC传输方案低；而且，它与经典MABC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MABC传输方案；这说明本发明所述传输机制具有最好的错误性能。

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)

1.一种适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，其特征在于，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法在信息数据传输开始前，依据两收发机对每个传输方向上的直传链路是否能够满足各自QoS需求的评估实现传输方案的选择与切换，在有直传链路能满足QoS需求的情况下充分利用直传链路的传输。

2.如权利要求1所述的适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，其特征在于，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法具体包括以下步骤：

步骤一，两收发机S₁、S₂利用无线信道相继广播导频序列及各自的发送功率值P₁、P₂，S₂、S₁在接收到对方发来的导频序列后分别估计直传链路的信道系数k；

步骤二，根据估计的信道状态信息及获取的功率值，S₁评估直传链路接收信噪比是否不小于自身的信噪比阈值，即判断是否满足P₂γ≥η₁；同理，S₂判断是否满足P₁γ≥η₂；

步骤三，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求，S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁以功率P₁发送自己的信息数据；时隙2，S₂以功率P₂发送自己的信息数据；期间中继一直处于沉默状态；

步骤四，当P₂γ≥η₁不满足而P₁γ≥η₂满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求、S₂广播11表征已满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₁、S₂分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤五，当P₂γ≥η₁满足而P₁γ≥η₂不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播01表征已满足QoS需求而S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，S₂、S₁分别在时隙1、2广播各自的信息数据，期间中继处于接收状态；时隙3，中继将在时隙2接收到的信息量化后以功率P_R进行AF转发；

步骤六，当P₂γ≥η₁与P₁γ≥η₂均不满足，则在有用信息数据传输开始前，S₁广播00表征未满足QoS需求，S₂广播10表征未满足QoS需求；随后，有用信息数据传输开始，时隙1，S₁和S₂分别以功率P₁、P₂同时向中继节点发送信息数据；时隙2，中继R采用模拟网络编码方式对混合数据进行转发。

3.如权利要求2所述的适用于双向中继系统的自适应切换传输方法，其特征在于，该适用于双向中继系统的自适应切换传输方法的双向可达和速率描述为：

其中α、β、γ分别表示S₁→R、S₂→R、S₁→S₂链路的单位接收信噪比。