CN105227269A - 降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，该方法包括：在机会分布式空时编码协作通信网络中，选择任一用户节点为已确定用户节点，其他用户节点为已确定用户节点的备选用户节点；已确定用户节点与其备选用户节点相互发送信息，分别计算从已确定用户节点到其备选用户节点的接收信噪比以及从备选用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；根据接收信噪比和最佳的最差用户选择方法BWPS，选择已确定用户节点的最优同伴；已确定用户节点与其最优同伴通过机会分布式空时编码协作分别与基站BS进行传输数据，最终达到降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的目的。

Description

降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法。

背景技术

协作通信(Cooperativecommunication)可以使具有单根天线的移动台获得类似于MIMO系统中的某些增益，其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按照一定的方式来共享彼此的天线从而产生一个虚拟MIMO系统，从而获得发分集增益。

近年来，由于协作通信技术在改善无线通信网络的容量和系统可靠性以及抗衰落等方面的巨大优势而引起广泛关注。同时，该技术通过多个独立分布于网络中的单天线用户共享频谱等资源而获得空间分集，但同时损失了复用增益。协作通信技术与Alamouti空时编码技术的结合，有效的避免了上述问题的同时，仍能获得节点间协作带来的好处。

有研究表明，当使用译码转发协议用户间彼此译码失败时，仍使用Alamouti编码，将会引入更大的噪声，因此在协作通信应用中，提出了机会分布式空时编码(ODSTC)。然而，ODSTC在协作通信中系统性能受用户间信道条件限制，即当用户信道间条件差时，系统的中断性能也会受到影响。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法。该方法适用于单小区中用户选择方法，能够带来更低的中断概率，对于协作通信的实际应用和运营具有现实的意义。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，所述机会分布式空时编码协作通信网络包含一个基站BS和若干个用户节点，该方法包括：

步骤(1)：在机会分布式空时编码协作通信网络中，选择任一用户节点为已确定用户节点，其他用户节点为已确定用户节点的备选用户节点；

步骤(2)：已确定用户节点与其备选用户节点相互发送信息，分别计算从已确定用户节点到其备选用户节点的接收信噪比以及从备选用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；

步骤(3)：根据接收信噪比和最佳的最差用户选择方法BWPS，选择已确定用户节点的最优同伴；

步骤(4)：已确定用户节点与其最优同伴通过机会分布式空时编码协作分别与基站BS进行传输数据，最终达到降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的目的。

所述步骤(1)中的机会分布式空时编码协作通信网络为单小区译码转发DF协作通信网络。

所述单小区译码转发DF协作通信网络中的每个用户节点配置单天线。

所述单小区译码转发DF协作通信网络的传输过程采用译码转发协议。

在步骤(2)中，已确定用户节点与其备选用户节点采用全双工通信方式相互发送信息。

在步骤(2)中，从已确定用户节点到其备选用户节点以及从备选用户节点到已确定用户节点的链路信道均是独立的。

所述步骤(3)中选择已确定用户节点的最优同伴的方法为：

$k*=\arg \underset{k=1,\mathrm{2...}N}{\max }\left\{\min ({\mathrm{\γ}}_{k\→0},{\mathrm{\γ}}_{0\→k})\right\}$

其中，k表示机会分布式空时编码协作通信网络中的用户节点编号；N表示机会分布式空时编码协作通信网络中的总用户节点个数；k*表示已确定用户节点的最优同伴的节点编号，k*∈{1,2,...,N}；γ_k→0为从第k个用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；γ_0→k为从已确定用户节点到第k个用户节点的接收信噪比。

本发明的有益效果为：

(1)本发明根据已确定用户节点与其备选用户节点相互通信时的接收信噪比以及最佳的最差用户选择方法BWPS，进行选择已确定用户节点的最优同伴，通过选择已确定用户节点的最优同伴的方式进行改善用户间彼此信道条件，从而优化了原有的ODSTC系统，降低了中断概率，在实际通信系统中具有很好的适应性；

(2)本发明中的机会分布式空时编码协作通信网络适用于单小区译码转发DF协作通信网络，该单小区译码转发DF协作通信网络中的每个用户节点配置单天线，且传输过程采用译码转发协议，这样增强了用户节点间通信的稳定性；

(3)本发明中的从已确定用户节点到其备选用户节点以及从备选用户节点到已确定用户节点的链路信道均是独立的，这样提高了用户间信道的抗干扰性。

附图说明

图1是本发明的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法流程图。

图2是本发明的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法的通信网络模型图。

图3是本发明实施例中用户选择方法与现有的ODSTC系统的中断性能比对图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本实施例采用的机会分布式空时编码协作通信网络为单小区译码转发DF协作通信网络，该网络中包含N个备选用户u_k,k∈{1,2,...,N}可供用户u₀选择，因此系统共N+1个用户。网络中有一个基站BS，传输过程为译码转发协议。

该通信网络中每个用户节点配置单天线且采用全双工通信，从用户u_k到用户u₀以及从用户u₀到用户u_k链路的瞬时信道状态信息分别表示|h_k,0|²和|h_0,k|²，并且分别服从信道均值为和用户间信道独立但不一定同分布。

为了不失一般性，假设所有信道接收端噪声均为零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N₀。

如图1所示，本发明的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，包括：

步骤(1)：在机会分布式空时编码协作通信网络中，选择任一用户节点u₀为已确定用户节点，其他用户节点为已确定用户节点的备选用户节点u_k，k∈{1,2,...,N}；

步骤(2)：已确定用户节点u₀与其备选用户节点u_k相互发送信息，分别计算从已确定用户节点u₀到其备选用户节点u_k的接收信噪比γ_0→k以及从备选用户节点u_k到已确定用户节点u₀的接收信噪比γ_k→0；

步骤(3)：根据接收信噪比γ_0→k和γ_k→0以及最佳的最差用户选择方法BWPS，选择已确定用户节点u₀的最优同伴u_k*，k*∈{1,2,...,N}；

步骤(4)：已确定用户节点u₀与其最优同伴u_k*通过机会分布式空时编码协作分别与基站BS进行传输数据，最终达到降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的目的。

其中，在步骤(2)中计算从已确定用户节点u₀到其备选用户节点u_k的接收信噪比γ_0→k以及从备选用户节点u_k到已确定用户节点u₀的接收信噪比γ_k→0的过程为：

首先，用户u₀向用户u_k发送信息，同时用户u_k向u₀发送信息，发送功率都为Es/2；

然后，计算从用户u_k到用户u₀以及从用户u₀到用户u_k链路的瞬时信道状态信息|h_k,0|²和|h_0,k|²；

最后，计算从用户u_k到用户u₀以及从用户u₀到用户u_k的接收信噪比分别为γ_k→0＝γ·|h_k,0|²/2和γ_0→k＝γ·|h_0,k|²/2，其中γ＝Es/N₀，N₀表示噪声功率。

步骤(3)中选择已确定用户节点的最优同伴的方法为：

$k*=\arg \underset{k=1,\mathrm{2...}N}{\max }\left\{\min ({\mathrm{\γ}}_{k\→0},{\mathrm{\γ}}_{0\→k})\right\}$

其中，k表示机会分布式空时编码协作通信网络中的用户节点编号；N表示机会分布式空时编码协作通信网络中的总用户节点个数；k*表示已确定用户节点的最优同伴的节点编号，k*∈{1,2,...,N}；γ_k→0为从第k个用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；γ_0→k为从已确定用户节点到第k个用户节点的接收信噪比。

为了验证本发明的该方法的试验效果，首先，计算出最佳的最差用户选择方案BWPS中用户u_k*被选择的概率为：

$P(k=k*)=1+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}\underset{\left|A_k\right|=k}{\underset{A_k\⊆\{1,2,\mathrm{...},k*-1,k*+1,\mathrm{...},N\}}{\Σ}}{(-1)}^k\frac{\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{0,k*}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{k*,0}^2}}{\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{0,k*}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{k*0}^2}+\underset{j\∈A_k}{\Σ}(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{j,0}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{0,j}^2})};$

其中，表示从用户u₀到用户服从的信道均值；表示从用户到用户u₀服从的信道均值；表示从用户u₀到用户u_j服从的信道均值；表示从用户u_j到用户u₀服从的信道均值。

然后，在用户u₀和已经选择出的用户通过ODSTC协作与基站BS进行通信的过程中，第一帧数据通信时：用户u₀和用户分别发送符号x₁,x₂，计算用户u₀和用户分别接到彼此发送的符号分别为：

$y_{k*\→0}=\sqrt{\frac{Es}{2}}{h}_{k*,0}{x}_2+n_{k*,0}$

$y_{0\→k*}=\sqrt{\frac{Es}{2}}{h}_{0,k*}{x}_1+n_{0,k*}$

其中，Es/2定义为用户的发射功率；为从用户到用户u₀链路的信道增益；为从用户u₀到用户链路的信道增益；为从用户到用户u₀链路的加性高斯白噪声；n_0,k*为从用户u₀到用户链路的加性高斯白噪声。

计算从用户u₀到用户的互信息：

其中，|h_k*,0|²从用户到用户u₀链路的瞬时信道状态信息；γ表示接收噪声比。

计算基站BS接收到的信号为：

$y_d=\sqrt{\frac{Es}{2}}{h}_{0,d}{x}_1+\sqrt{\frac{Es}{2}}{h}_{h*,d}{x}_2+n_d;$

其中，h_0,d为从基站BS到用户u₀链路的信道增益；h_k*,d为从用户到基站BS链路的信道增益；n_d为基站BS第二阶段第一时隙的加性高斯白噪声。

第二帧数据通信时：如果用户u₀和用户可以同时译码彼此信号成功，则两用户采用Alamouti空时编码方法，信号-x₂*和x₁*分别被用户u₀和用户发送；否则，-x₁和x₂分别被用户u₀和用户发送；其中，x₁*和x₂*分别是x₁,x₂的复共轭。

计算用户u₀和用户同时译码彼此信号成功和失败这两种状态下基站BS的接收信号，由下式给出

$y_{0\→d}^{success}=-\sqrt{\frac{ES}{2}}{h}_{0,d}{x}_2*+\sqrt{\frac{ES}{2}}{h}_{k*,d}{x}_1*+n_d^{\′}$

$y_{0\→d}^{fail}=-\sqrt{\frac{ES}{2}}{h}_{0,d}{x}_1+\sqrt{\frac{Es}{2}}{h}_{k*,d}{x}_2+n_d^{\′};$

其中，n′_d为基站BS第二阶段第二时隙的加性高斯白噪声。

则从用户u₀或者用户到基站BS的互信息可以由下式计算得出：

$I_{0\→d}^{success}={\log }_2(1+\frac{|h_{0,d}{|}^2+|h_{k*,d}{|}^2}{2}\mathrm{\γ})$

$I_{0\→d}^{fail}={\log }_2(1+\frac{|h_{0.d}{|}^2}{2}\mathrm{\γ})$

其中，|h_0,d|²为从用户u₀到基站BS链路的瞬时信道状态信息；|h_k*,d|²为从用户到基站BS链路的瞬时信道状态信息。

计算最终使用最佳的最差用户选择方案BWPS下的用户u₀信息发生中断的概率为：

$P_{out}=\underset{k*=1}{\overset{N}{\Σ}}P(k=k*)\·\mathrm{Pr}\left(p_{ODSTC}\right|k=k*)$

其中，R为系统的目标传输速率，Pr(·)表示某事件的中断概率；为从用户u₀到基站BS链路服从的信道均值；为从用户到基站BS链路服从的信道均值。Pr(p_ODSTC|k＝k*)表示协助u₀组成ODSTC与基站BS通信的中断概率；使用蒙特卡洛仿真法对本发明测试10000次以上的独立仿真，测试中断概率性能，结果如图2所示。

图3是本发明实施例子中用户选择方法与现有的ODSTC系统的中断性能比对图。在图3用户个数N为4，图2可以看出，加上中继选择，ODSTC中断性能得到1～4dB性能改善。

本发明针对现有的单小区ODSTC系统的不足之处，结合同伴选择方法加以改善，使中断概率降低，具有一定的优越性和实用性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，所述机会分布式空时编码协作通信网络包含一个基站BS和若干个用户节点，其特征在于，该方法包括：

步骤(1)：在机会分布式空时编码协作通信网络中，选择任一用户节点为已确定用户节点，其他用户节点为已确定用户节点的备选用户节点；

步骤(2)：已确定用户节点与其备选用户节点相互发送信息，分别计算从已确定用户节点到其备选用户节点的接收信噪比以及从备选用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；

步骤(3)：根据接收信噪比和最佳的最差用户选择方法BWPS，选择已确定用户节点的最优同伴；

步骤(4)：已确定用户节点与其最优同伴通过机会分布式空时编码协作分别与基站BS进行传输数据，最终达到降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的目的。

2.如权利要求1所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的机会分布式空时编码协作通信网络为单小区译码转发DF协作通信网络。

3.如权利要求2所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，所述单小区译码转发DF协作通信网络中的每个用户节点配置单天线。

4.如权利要求2所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，所述单小区译码转发DF协作通信网络的传输过程采用译码转发协议。

5.如权利要求1所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，在步骤(2)中，已确定用户节点与其备选用户节点采用全双工通信方式相互发送信息。

6.如权利要求1所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，在步骤(2)中，从已确定用户节点到其备选用户节点以及从备选用户节点到已确定用户节点的链路信道均是独立的。

7.如权利要求1所述的降低机会分布式空时编码协作通信网络中断概率的方法，其特征在于，所述步骤(3)中选择已确定用户节点的最优同伴的方法为：

$k*=\arg \underset{k=1,\mathrm{2...}N}{\max }\left\{\min ({\mathrm{\γ}}_{k\→0},{\mathrm{\γ}}_{0\→k})\right\}$

其中，k表示机会分布式空时编码协作通信网络中的用户节点编号；N表示机会分布式空时编码协作通信网络中的总用户节点个数；k*表示已确定用户节点的最优同伴的节点编号，k*∈{1,2,...,N}；γ_k→0为从第k个用户节点到已确定用户节点的接收信噪比；γ_0→k为从已确定用户节点到第k个用户节点的接收信噪比。