CN105282815A - 一种df协作网络中的多中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了DF协作网络中的多中继选择方法，所述方法包括：根据系统获得的信道系数，确定源-中继-目的链路信道类型并计算每一个中继节点的信道容量，选取候选中继节点，然后遍历计算候选中继节点中所有组合的信噪比和中断概率，再选取信噪比最大或中断概率最小的候选中继节点组合作为转发中继节点。本发明具有计算复杂度低和性能良好的优点，适用于相同信道类型中的多中继选择和不同信道类型中的多中继选择，全面考虑了现实网络中的可能信道情况，有很好的适用性。

Description

一种DF协作网络中的多中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线协作通信领域，具体涉及DF协作网络中的多中继选择方法。

背景技术

DF协作网络中继选择包括单中继选择和多中继选择，多中继选择能形成虚拟MIMO效应。多中继选择已有一些技术成果，例如基于信道波束形成算法的多AF中继选择方案，在波束形成的基础上遍历计算所有中继节点组合的信噪比，选取信噪比最大的那一组中继节点作为转发中继节点；基于人工蜂群算法的多中继选择方案，在人工蜂群算法基础上遍历计算所有中继节点组合的信噪比，寻求最佳信噪比的中继节点组合作为转发中继节点。这些多中继选择方案的主要不足在于：当中继节点很多的情况下，计算的复杂度很高，增加了系统的负。为了降低系统负担，人们提出的两用法可以降低复杂度，但是对应的多中继选择方案只是针对某一种单一的信道类型，是一种理想的模型。当通信系统同时存在多种信道时，这些方案不能很好的实现多中继选择，导致在复杂的通信系统中丧失灵活性。

发明内容

本发明所提供的DF协作网络中多信道的多中继选择方法，具有计算复杂度低和性能良好的优点，适用于相同信道类型中的多中继选择和不同信道类型中的多中继选择，全面考虑了现实网络中的可能信道情况，有很好的适用性。

方案一：所有链路的信道类型相同时的多中继选择

(1)定义源节点到第i个中继节点之间链路的信道系数为F_i，第i个中继节点到目的节点之间链路的信道系数为G_i，i＝1,2,...,N，N为中继节点总数，候选中继节点的信道容量门限为R；选取信道容量大于R所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N。

(2)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点；利用公式：遍历计算所有候选中继节点组合所对应的信噪比γ₁,γ₂,…,γ_k；

其中：k＝1,2,…,2^M；P₀是源节点的发射功率；P_k,j是第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点的发射功率；f_k,j是源节点到第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点之间链路的信道系数；g_k,j是第k个候选中继节点组合的第j个候选中继节点到目的节点之间链路的信道系数；σ²是噪声功率。

(3)选取信噪比最大的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。

方案二：各链路的信道类型相同或不同时的多中继选择

(1)定义源节点到第i个中继节点之间链路的信道系数为F_i，第i个中继节点到目的节点之间链路的信道系数为G_i，i＝1,2,...,N，N为中继节点总数，候选中继节点的信道容量门限为R；选取信道容量大于R所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N。

(2)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点；把第k个候选中继节点组合中不为0的元素所对应的候选中继节点重新排列，构成一个等效候选中继节点集合Q_k＝{e_l,l＝1,2,…,L_k},L_k≤M,L_k是第k个候选中继节点组合中不为0的元素的数目；利用公式：

遍历计算所有候选中继节点组合的中断概率p₁,p₂,…,p_k；

其中：k＝1,2,…,2^M；γ_th是信噪比中断门限；分别表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，···，第L_k个等效候选中继节点之间链路的伽马分量数目；分别表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，…，第L_k个等效候选中继节点到目的节点之间链路的伽马分量数目；h_k,1表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点之间链路的第h_k,1个伽马分量，的含义以此类推；n_k,1表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,1个伽马分量，的含义以此类推；P₀是源节点的发射功率；P_k,l是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点的发射功率；都是源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点之间链路的第h_k,l个伽马分量的参数；都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,l个伽马分量的参数；x是大于0的正整数，x＝1,2,…,L_k，m是大于0的正整数，m＝1,2,…,L_k；q是大于0的正整数，都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第x个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,x个伽马分量的参数；都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第m个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_m个伽马分量的参数；σ²是噪声功率。

(3)选取中断概率最小的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。

对应不同的衰落信道，上面所述的伽马分量参数有不同的取值，是已有成果，不再赘述。

具体实施方式

系统模型由一个源节点s、一个目的节点d和含N个DF(decode-and-forward，译码转发)类型的中继节点集r_relay＝{1,...,N}组成，不考虑源节点到目的节点的直接路径，源节点到目的节点间的通信分为两跳，第一跳是源节点广播数据，各中继节点接收数据并进行译码，第二跳是所选中继节点对译码后的数据进行重新编码并转发给目的节点。

方案一：所有链路的信道类型相同时的多中继选择，具体步骤如下：

(1)通过测量、计算得到源节点到第i个中继节点(记为源-i中继)之间链路的信道系数F_i,i＝1,2,…,N和第i个中继节点到目的节点(i中继-目的)之间链路的信道系数G_i,i＝1,2,…,N。

(2)选取候选中继节点：把源-i中继之间链路的信道系数F_i,i＝1,2,…,N代入公式计算这N个中继节点源-i中继之间链路的信噪比其中P₀是源节点的发射功率，σ²是噪声功率。再由通过公式计算源-i中继之间链路的信道容量选取候选中继节点的容量门限是R，在中寻找信道容量比R大所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N。

(3)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点，例如a_k,1,a_k,2,…,a_k,M的一个组合是‘0011’，表示第3、4个候选中继节点被选为转发中继节点。把源节点到第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点之间链路的信道系数f_k,j和第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点到目的节点之间链路的信道系数g_k,j代入公式遍历计算所有候选中继节点组合所对应的信噪比γ₁,γ₂,…,γ_k。

其中：k＝1,2,…,2^M；P₀是源节点的发射功率；P_k,j是第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点的发射功率；σ²是噪声功率。

(4)选取信噪比最大R1＝max{γ₁,γ₂,…γ_k}的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。

方案二、各链路的信道类型相同或不同时的多中继选择，具体步骤如下：

(1)通过测量、计算得到源节点到第i个中继节点(记为源-i中继)之间链路的信道系数F_i,i＝1,2,…,N和第i个中继节点到目的节点(i中继-目的)之间链路的信道系数G_i,i＝1,2,…,N。

(2)选取候选中继节点：把源-i中继之间链路的信道系数F_i,i＝1,2,…,N代入公式计算这N个中继节点源-i中继之间链路的信噪比其中P₀是源节点的发射功率，σ²是噪声功率。再由通过公式计算源-i中继之间链路的信道容量选取候选中继节点的容量门限是R，在中寻找信道容量比R大所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N。

(3)信道参数估计方法已有成熟算法，本发明不再赘述。

(4)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点，例如a_k,1,a_k,2,…,a_k,M的一个组合是‘0011’，表示第3、4个候选中继节点被选为转发中继节点。把第k个候选中继节点组合中不为0的元素所对应的候选中继节点重新排列，构成一个等效候选中继节点集合Q_k＝{e_l,l＝1,2,…,L_k},L_k≤M,L_k是第k个候选中继节点组合中不为0的元素的数目；把估算的参数代入下面的公式(1)中，遍历计算所有候选中继节点组合的中断概率p₁,p₂,…,p_k。

其中：k＝1,2,…,2^M；γ_th是信噪比中断门限；分别表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，…，第L_k个等效候选中继节点之间链路的伽马分量数目；分别表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，…，第L_k个等效候选中继节点到目的节点之间链路的伽马分量数目；h_k,1表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点之间链路的第h_k,1个伽马分量，的含义以此类推；n_k,1表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,1个伽马分量，的含义以此类推；P₀是源节点的发射功率；P_k,l是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点的发射功率；都是源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点之间链路的第h_k,l个伽马分量的参数；都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,l个伽马分量的参数；x是大于0的正整数，x＝1,2,…，L_k，m是大于0的正整数，m＝1,2,…,L_k；q是大于0的正整数，都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第x个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,x个伽马分量的参数；都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第m个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_m个伽马分量的参数；σ²是噪声功率。

(5)选取中断概率最小P＝min{P₁,P₂,…P_k}的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。

其中：

$Y_k=(1+(\underset{l=1}{\overset{L_k}{\Σ}}\frac{P_{k.l}{\left|g_{k,l}\right|}^2}{P_0{\left|f_{k,l}\right|}^2}\left)\right){\mathrm{\σ}}^2;Z_k=\frac{\underset{l=1}{\overset{L_k}{\Σ}}{P}_{k,l}{\left|g_{k,l}\right|}^2}{(1+(\underset{l=1}{\overset{L_k}{\Σ}}\frac{P_{k.l}{\left|g_{k,l}\right|}^2}{P_0{\left|f_{k,l}\right|}^2}\left)\right){\mathrm{\σ}}^2};$

Claims (2)

1.一种DF协作网络中的多中继选择方法，所述方法包括：

(1)定义源节点到第i个中继节点之间链路的信道系数为F_i，第i个中继节点到目的节点之间链路的信道系数为G_i，i＝1,2,...,N，N为中继节点总数，候选中继节点的信道容量门限为R；选取信道容量大于R所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N；

(2)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点；利用公式：遍历计算所有候选中继节点组合所对应的信噪比γ₁,γ₂,…,γ_k；

其中：k＝1,2,…,2^M；P₀是源节点的发射功率；P_k,j是第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点的发射功率；f_k,j是源节点到第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点之间链路的信道系数；g_k,j是第k个候选中继节点组合的第j个候选中继节点到目的节点之间链路的信道系数；σ²是噪声功率；

(3)选取信噪比最大的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。

2.一种DF协作网络中的多中继选择方法，所述方法包括：

(1)定义源节点到第i个中继节点之间链路的信道系数为F_i，第i个中继节点到目的节点之间链路的信道系数为G_i，i＝1,2,...,N，N为中继节点总数，候选中继节点的信道容量门限为R；选取信道容量大于R所对应的中继节点作为候选中继节点，构成候选中继节点集合D＝{d_j,j＝1,2,…,M},M≤N；

(2)将候选中继节点组合成2^M个候选中继节点组合，用a_k,j＝1表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点被选为转发中继节点，a_k,j＝0表示第k个候选中继节点组合中第j个候选中继节点不被选作转发中继节点，把第k个候选中继节点组合中不为0的元素所对应的候选中继节点重新排列，构成一个等效候选中继节点集合Q_k＝{e_l,l＝1,2,…,L_k},L_k≤M,L_k是第k个候选中继节点组合中不为0的元素的数目；利用公式：

遍历计算所

有候选中继节点组合的中断概率p₁,p₂,…,p_k；

上式中，

$\begin{array}{cc}{Y}_k=(1+(\underset{l=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_{k.l}|g_{k,l}{|}^2}{P_0|f_{k,l}{|}^2}\left)\right){\mathrm{\σ}}^2;& Z_k=\frac{\underset{l=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{k.l}|g_{k,l}{|}^2}{(1+(\underset{l=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_{k.l}|g_{k,l}{|}^2}{P_0|f_{k,l}{|}^2}\left)\right){\mathrm{\σ}}^2}\end{array};$

其中：k＝1,2,…,2^M；γ_th是信噪比中断门限；分别表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，···，第L_k个等效候选中继节点之间链路的伽马分量数目；分别表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1，第2，···，第L_k个等效候选中继节点到目的节点之间链路的伽马分量数目；h_k,1表示源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点之间链路的第h_k,1个伽马分量，的含义以此类推；n_k,1表示第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第1个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,1个伽马分量，的含义以此类推；P₀是源节点的发射功率；P_k,l是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点的发射功率；都是源节点到第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点之间链路的第h_k,l个伽马分量的参数；都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第l个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,l个伽马分量的参数；x是大于0的正整数，x＝1,2,…,L_k，m是大于0的正整数，m＝1,2,…,L_k；q是大于0的正整数， 都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第x个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_k,x个伽马分量的参数； 都是第k个候选中继节点组合对应的等效候选中继节点集合中的第m个等效候选中继节点到目的节点之间链路的第n_m个伽马分量的参数；σ²是噪声功率；

(3)选取中断概率最小的候选中继节点组合中的非零元素对应的候选中继节点作为转发中继节点。