CN105163362B - 应用gdc的链路自适应协作通信系统的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，先分别确定快速链路自适应时的GDC合并信噪比门限以及慢速链路自适应时的GDC合并信噪比门限；后确定中继链路分别采用快速链路自适应和慢速链路自适应时的调制级数；再选取快速和慢速快速链路自适应中较大调制级数对应的链路自适应类型为该中继链路确定的链路自适应类型；最后选取具有最大调制级数的中继链路对应的中继节点为用来进行数据转发的中继节点。本发明同时考虑了链路自适应和接收合并技术对中继选择的影响，与实际系统的应用环境一致，通过该方法能同步完成链路自适应类型和调制级数判断以及中继选择，具有很好的应用价值。

Description

应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种应用GDC(Generalized DiversityCombining，通用分集合并)的链路自适应协作通信系统的中继选择方法。

背景技术

研究表明，在蜂窝移动通信设备中，由于尺寸、造价以及硬件设备的局限，MIMO技术的应用遇到了困难，协作通信日益受到人们的重视。协作通信可以为这些设备提供有效的分集增益，并且不用放置多天线。在协作通信中，中继选择是获得更优系统性能的关键因素。

在现有移动通信系统中，链路自适应是主要的链路传输技术，链路自适应技术分为快速链路自适应和慢速链路自适应两种方式。快速链路自适应跟踪瞬时信道变化，当信道情况理想时，快速链路自适应系统具有精确度高的优势，但是由于需要频繁反馈，会增加系统的复杂度；当信道情况不理想如移动导致的信道变化剧烈时，快速链路自适应系统精确度会明显降低，并且会出现较高的中断概率。而慢速链路自适应能追踪大尺度衰落或小尺度衰落的平均，不需要频繁反馈，降低了系统的复杂度，而且当信道状况不理想如移动导致的信道变化剧烈时，慢速链路自适应相对快速链路自适应有更优的性能。需要指出的是，当前的中继选择方法中很少考虑链路自适应的影响，特别是未对快、慢速链路自适应加以区分，同时也很少考虑接收合并技术的影响。

基于此，本发明希望探讨在协作通信系统中使用链路自适应和接收合并技术时的中继选择方法，能够根据使用的不同接收合并技术，如最大比合并、选择性合并等，分别确定快、慢速链路自适应的门限，获得具体的快、慢速链路自适应算法，并通过设计具体方法选取中继节点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，其能够同时考虑链路自适应和接收合并技术对中继选择的影响。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，包括如下步骤：

步骤1：计算每条中继链路i的快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限以及慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限其中p＝1,2,…,N_M，N_M是调制级数的数目；

步骤2：根据中继链路i的信噪比γ_i和中继链路i的平均信噪比值，确定每条中继链路i分别采用快速链路自适应类型和慢速链路自适应类型传输时的调制级数；其中中继链路i的信噪比γ_i为γ_1i和γ_2i中的较小值，中继链路i的平均信噪比为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的经过GDC处理后的平均信噪比，γ_1i为源节点到中继节点i之间链路的经过GDC处理后的信噪比，γ_2i为中继节点i到目的节点之间链路的经过GDC处理后的信噪比；

步骤3：对于每条中继链路i，比较快速链路自适应类型传输时的调制级数与慢速链路自适应类型传输时的调制级数的大小，并选取较大调制级数对应的链路自适应类型为该中继链路i确定的链路自适应类型；当快速链路自适应类型传输时的调制级数与慢速链路自适应类型传输时的调制级数相等时，则选取具有最小条件符号差错概率的链路自适应类型为该中继链路i确定的自适应类型；

步骤4：选取所有中继链路中具有最大调制级数的中继链路所对应的中继节点作为用来进行数据转发的中继节点；当存在2个或2个以上调制级数最大的中继链路时，则比较这些中继链路的条件符号差错概率，并选择具有最小条件符号差错概率的中继链路所对应的中继节点进行数据转发。

步骤1具体过程如下：

设置快、慢速链路自适应时的条件符号差错概率门限分别为Γ_F和Γ_S，并取其中为中继链路i的QAM调制的I路星座尺寸，为中继链路i的QAM调制的Q路星座尺寸，M⁽ⁱ⁾为中继链路i的QAM调制级数；

当中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p时，令快速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率P_E-F(γ_i)＝Γ_F得到不同p对应的中继链路i的信噪比γ_i值，并将这些值作为快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限

当中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p时，令慢速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率得到不同p对应的中继链路i的平均信噪比值，并将这些值作为慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限

上述p＝1,…,N_M，N_M是调制级数的数目。

步骤2具体过程如下：

(i)对于快速链路自适应类型，当中继链路i的信噪比时，中继链路i通信中断；当中继链路i的信噪比时，中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当中继链路i的信噪比时，中继链路i的QAM调制级数

(ii)对于慢速链路自适应类型，当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i通信中断；当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i的QAM调制级数

上述N_M为调制级数的数目。

步骤3和步骤4中，条件符号差错概率的计算方法如下：

(i)中继链路i采用矩形调制进行快速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率P_E-F(γ_i)为：

其中，分别为中继链路i相邻I路和Q路符号之间判决距离的一半，₁F₁(；；)为合流超几何函数，中继链路i的信噪比γ_i为γ_1i和γ_2i中的较小值，γ_1i为源节点到中继节点i之间链路的经过GDC处理后的信噪比，γ_2i为中继节点i到目的节点之间链路的经过GDC处理后的信噪比；为中继链路i的QAM调制的I路星座尺寸，为中继链路i的QAM调制的Q路星座尺寸；

(ii)中继链路i采用矩形调制进行慢速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率为：

其中，

是的次微分在x＝0的值，为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的信噪比的特征函数；中继链路i的平均信噪比为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的经过GDC处理后的平均信噪比，N⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的接收分支数，L⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的用于GDC处理的接收分支数，是的个不相等极点，其代数重度分别为

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明所提中继选择方法同时考虑了链路自适应和接收合并技术对中继选择的影响，与实际系统的应用环境一致，通过该方法能同步完成链路自适应类型和调制级数判断以及中继选择，具有很好的应用价值；

(2)本发明考虑的GDC技术是一种通用分集合并技术，适用节点使用不同分集合并方式的场景，当不同节点分别采用最大比合并、选择性合并等时，链路自适应判断和中继选择结果可能不同；

(3)本发明方法既可以用于译码转发协作通信系统，也可以用于放大转发协作通信系统，具有通用性。

具体实施方式

链路自适应协作通信系统模型由1个源节点、1个目的节点和N_d＝3个中继节点构成，链路自适应类型包括快速链路自适应类型和慢速链路自适应类型，接收端采用GDC技术实现天线子集分集。协作传输分成两个时隙：在第一个时隙内，源节点向目的节点和所有中继节点广播数据；在第二个时隙内，所选的中继节点向目的节点传输数据。假设源节点与目的节点之间的信道状况很差，目的节点无法正确解调来自源节点的数据，因此忽略源节点到目的节点之间的链路。采用瑞利衰落信道。未做特别说明的情况下，本发明中的信噪比指的是即时信噪比。

(i)中继链路i(由源节点到中继节点i链路与中继节点i到目的节点链路构成)采用矩形调制进行快速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率P_E-F(γ_i)为：

其中，为中继链路i的QAM调制的I路星座尺寸，为中继链路i的QAM调制的Q路星座尺寸，分别为中继链路i相邻I路和Q路符号之间判决距离的一半，₁F₁(；；)为合流超几何函数，中继链路i的信噪比γ_i为γ_1i和γ_2i中的较小值，γ_1i为源节点到中继节点i之间链路的经过GDC处理后的信噪比，γ_2i为中继节点i到目的节点之间链路的经过GDC处理后的信噪比。

(ii)中继链路i(由源节点到中继节点i链路与中继节点i到目的节点链路构成)采用矩形调制进行慢速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率为：

其中，

是的次微分在x＝0的值，其中为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的信噪比的特征函数；中继链路i的平均信噪比为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的经过GDC处理后的平均信噪比，N⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的接收分支数，L⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的用于GDC处理的接收分支数，是的个不相等极点，其代数重度分别为

对于中继链路i来说，GDC技术从γ_i对应的N⁽ⁱ⁾个接收分支中选取L⁽ⁱ⁾个分支用于最大比合并(MRC：Maximal Ratio Combining)，如果L⁽ⁱ⁾个分支是最强的分支，GDC即为混合选择最大比合并(H-S/MRD：Hybrid-Selection/MRC)；当L⁽ⁱ⁾＝N⁽ⁱ⁾时GDC即为MRC，当L⁽ⁱ⁾＝1时GDC即为选择性合并(SC：Selective Combining)。

采用矩形调制的链路自适应技术的应用需要确定GDC合并信噪比门限，当经过GDC处理后的信噪比(对应快速链路自适应类型)或者平均信噪比(对应慢速链路自适应类型)处于两个GDC合并信噪比门限之间时，确定相适应的和在实际系统中，通常取M⁽ⁱ⁾为中继链路i的QAM调制级数。设置快、慢速链路自适应类型时的条件符号差错概率门限分别为Γ_F和Γ_S。当M⁽ⁱ⁾＝4_p，令P_E-F(γ_i)＝Γ_F得到不同p对应的γ_i值，并将这些值作为快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限当M⁽ⁱ⁾＝4^p，令得到不同p对应的值，并将这些值作为慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限其中，p＝1,…,N_M，N_M是调制级数的数目。于是：

(i)对于快速链路自适应类型，当时，中继链路i通信中断；当时，M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当时，

(ii)对于慢速链路自适应类型，当时，中继链路i通信中断；当时，M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当时，

据此，一种应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，包括如下步骤：

步骤1：确定快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限以及慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限需要指出的是，当门限不发生变化时，可以作为系统数据存于系统中，不需要每次中继选择时都计算门限。

在本发明优选实施例中，设置N⁽ⁱ⁾＝L⁽ⁱ⁾＝2，Γ_F＝Γ_S＝0.01。

由P_E-F(γ_i)＝Γ_F计算得到各中继链路采用快速链路自适应类型传输时的如下所示：

由计算得到各中继链路采用慢速链路自适应类型传输时的如下所示：

步骤2：根据中继链路i的信噪比γ_i和中继链路i的平均信噪比值，确定中继链路i分别采用快速链路自适应类型和慢速链路自适应类型传输时的调制级数。

在本发明优选实施例中，根据测量计算得到各中继链路的γ_i和值如下所示：

中继链路1：γ₁＝39，

中继链路2：γ₂＝129，

中继链路3：γ₃＝136，

如果中继链路采用快速链路自适应类型传输，根据发明内容，中继链路1采用16-QAM，中继链路2采用16-QAM，中继链路3采用16-QAM。

如果中继链路采用慢速链路自适应类型传输，根据发明内容，中继链路1采用4-QAM，中继链路2采用16-QAM，中继链路3采用16-QAM。

步骤3：对于中继链路i，比较快速链路自适应类型传输时的调制级数与慢速链路自适应类型传输时的调制级数的大小，选取较大调制级数对应的链路自适应类型为该中继链路确定的链路自适应类型；当调制级数相等时，选取具有最小条件符号差错概率的链路自适应类型为该中继链路确定的自适应类型。

在本发明优选实施例中，中继链路1应采用16-QAM快速链路自适应类型，由于中继链路2和中继链路3的调制级数相等，进一步计算中继链路2的快、慢速链路自适应类型的条件符号差错概率分别为5.6803e-07和0.0020，中继链路3的快、慢速链路自适应类型的条件符号差错概率分别为2.7519e-07和0.0022。于是，中继链路2和中继链路3都应采用16-QAM快速链路自适应类型。

步骤4：选取具有最大调制级数的中继链路对应的中继节点为用来进行数据转发的中继节点。当存在两个或两个以上这类中继节点时，比较对应中继链路的条件符号差错概率，选择具有最小条件符号差错概率的中继链路对应的中继节点进行数据转发。

在本发明优选实施例中，选取具有最大调制级数的中继链路对应的中继节点为用来进行数据转发的中继节点。当存在两个或两个以上这类中继节点时，比较对应中继链路的条件符号差错概率，选择具有最小条件符号差错概率的中继链路对应的中继节点进行数据转发。中继链路1采用16-QAM时的条件符号差错概率为0.0078，由于中继链路3的条件符号差错概率最小，故选择中继节点3进行数据转发。

以上方法主要针对译码转发协作通信系统，对于放大转发协作通信系统，则在以上方法中令γ_i＝γ_2i，同样适用。

Claims (3)

1.应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，包括如下步骤：

步骤1，计算每条中继链路i的快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限以及慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限其中p＝1,2,…,N_M，N_M是调制级数的数目；

步骤2，根据中继链路i的信噪比γ_i和中继链路i的平均信噪比值，确定每条中继链路i分别采用快速链路自适应类型和慢速链路自适应类型传输时的调制级数；其中中继链路i的信噪比γ_i为γ_1i和γ_2i中的较小值，中继链路i的平均信噪比为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的经过GDC处理后的平均信噪比，γ_1i为源节点到中继节点i之间链路的经过GDC处理后的信噪比，γ_2i为中继节点i到目的节点之间链路的经过GDC处理后的信噪比；

步骤3，对于每条中继链路i，比较快速链路自适应类型传输时的调制级数与慢速链路自适应类型传输时的调制级数的大小，并选取较大调制级数对应的链路自适应类型为该中继链路i确定的链路自适应类型；当快速链路自适应类型传输时的调制级数与慢速链路自适应类型传输时的调制级数相等时，则选取具有最小条件符号差错概率的链路自适应类型为该中继链路i确定的自适应类型；

步骤4，选取所有中继链路中具有最大调制级数的中继链路所对应的中继节点作为用来进行数据转发的中继节点；当存在2个或2个以上调制级数最大的中继链路时，则比较这些中继链路的条件符号差错概率，并选择具有最小条件符号差错概率的中继链路所对应的中继节点进行数据转发；

其特征是，

步骤3和步骤4中，条件符号差错概率的计算方法如下：

(i)中继链路i采用矩形调制进行快速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率P_E-F(γ_i)为：

其中，分别为中继链路i相邻I路和Q路符号之间判决距离的一半，₁F₁(；；)为合流超几何函数，中继链路i的信噪比γ_i为γ_1i和γ_2i中的较小值，γ_1i为源节点到中继节点i之间链路的经过GDC处理后的信噪比，γ_2i为中继节点i到目的节点之间链路的经过GDC处理后的信噪比；为中继链路i的QAM调制的I路星座尺寸，为中继链路i的QAM调制的Q路星座尺寸；

(ii)中继链路i采用矩形调制进行慢速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率为：

其中，

是的次微分在x＝0的值，其中为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的信噪比的特征函数；中继链路i的平均信噪比为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的经过GDC处理后的平均信噪比，N⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的接收分支数，L⁽ⁱ⁾为γ_1i和γ_2i中的较小值对应链路的用于GDC处理的接收分支数， 是的个不相等极点，其代数重度分别为

2.根据权利要求1所述应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，其特征是，步骤1具体过程如下：

设置快、慢速链路自适应时的条件符号差错概率门限分别为Γ_F和Γ_S，并取其中为中继链路i的QAM调制的I路星座尺寸，为中继链路i的QAM调制的Q路星座尺寸，M⁽ⁱ⁾为中继链路i的QAM调制级数；

当中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p时，令快速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率P_E-F(γ_i)＝Γ_F得到不同p对应的中继链路i的信噪比γ_i值，并将这些值作为快速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限

当中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p时，令慢速链路自适应类型传输时的条件符号差错概率得到不同p对应的中继链路i的平均信噪比值，并将这些值作为慢速链路自适应类型传输采用4^p阶QAM调制时的GDC合并信噪比门限

上述p＝1,…,N_M，N_M是调制级数的数目。

3.根据权利要求1所述应用GDC的链路自适应协作通信系统的中继选择方法，其特征是，步骤2具体过程如下：

(i)对于快速链路自适应类型，当中继链路i的信噪比时，中继链路i通信中断；当中继链路i的信噪比时，中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当中继链路i的信噪比时，中继链路i的QAM调制级数

(ii)对于慢速链路自适应类型，当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i通信中断；当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i的QAM调制级数M⁽ⁱ⁾＝4^p,p＝1,…,N_M-1；当中继链路i的平均信噪比时，中继链路i的QAM调制级数

上述N_M为调制级数的数目。