CN105591678B - 一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法 - Google Patents

Abstract

一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，属于无线通信领域。该系统包括一个信源节点，M个目的用户节点和N个中继节点，每个节点均配有一根天线，系统工作在半双工传输模式下，其通信过程分为两步。第一步，在信道的每个相干时间内，从N个中继节点中根据全部中继选择(FSS,Full Set Selection)算法选择使系统总频谱效率达到最大值的M个目的用户节点对应的M个中继节点。第二步，通过将链路瞬时信噪比与相应设定信噪比门限值比较，选择是否进行协作传输，即进行直接传输或放大转发传输。本发明根据信道及中继节点链路条件灵活地选择不同用户的转发中继，使系统总频谱效率达到最优值的同时，提高协作中继系统的性能。

Description

一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法

技术领域

本发明涉及一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，属于无线通信领域。

背景技术

随着信息技术的高速发展，无线通信领域对数据传输的有效性和可靠性的要求越来越高，一些新的技术也随之出现。多输入多输出(MIMO)技术不以频谱资源为代价，将多径传播环境变为对用户有利的因素，极大地提高了信道容量和传输可靠性，在现代移动通信领域得到了深入的研究和应用。但由于实际环境中受到终端尺寸及硬件复杂度等的限制，MIMO技术的应用受到了很大阻碍。A.Sendonaris(参见A.Sendonaris,E.Erkip,andB.Aazhang,"User Cooperative Diversity-Part I:System Description,"IEEETrans.Commun.,vol.51,no.11,pp.1927-1938,Nov.2003.)等提出了协作通信的概念，其可使单天线终端以一定方式彼此共享天线进而形成虚拟天线阵列，发挥了MIMO技术的特点。在协作通信中，典型的协作传输方案有解码前传(DF)和放大前传(AF)。J.N.Laneman等(参见J.N.Laneman,and G.W.Wornell,"Cooperative Diversity in Wireless Networks:Efficient Protocols and Outage Behavior,"IEEE Trans.Inform,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004.)对AF方案和DF方案进行了详细的分析。

未来5G通信网络不仅需要为用户提供可靠的语音通信业务，还要满足用户多种多样的应用需求。在解决用户日益提升的高通信系统速率和高移动性要求的同时，进一步提升系统频谱效率成为综合提升无线通信系统性能的重要指标，正受到广泛关注。在中继协作通信系统中，以最优化系统频谱效率为目标进行系统优化方面，M.Taki(参见M.Taki,"Spectral efficiency optimization in amplify and forward relay network withdiversity using adaptive rate and adaptive power transmission,"IETCommunications,vol.7,no.15,pp.1656-1664,Oct.2013.)分析了AF方案下采用适当数据速率和发射功率的频谱效率优化问题，但其仅考虑了单中继单用户情况下的频谱优化。Asaduzzaman等(参见Asaduzzaman,H.Y.Kong,"Multi-relay cooperative diversityprotocol with improved spectral efficiency,"Journal of Communications andNetworks,vol.13,no.3,pp.240-249,Jun.2011.)研究了单用户情况下满足一定数据速率要求下的最优化频谱效率的多中继选择方案；X.H.Zhang等(参见X.H.Zhang,A.Ghrayeb,M.Hasna,"On relay assignment in network-coded cooperative systems,"IEEETransactions on Wireless Communications,vol.10,no.3,pp.868-876,Jan.2011.)在双向中继信道中运用全部中继选择(FSS,Full Set Selection)算法进行中继选择，其最优中继的选择依据中继到目的节点的信道增益，采用max-min选择策略进行最优中继的选择，未对频谱效率优化进行考虑。

发明内容

根据现有技术和方案的缺点和不足，本发明提出了一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，该方法以最大化频谱效率作为最优中继选择准则，能够提高频谱利用率，充分考虑不同用户信道状况选择最佳中继，有效改善用户通信质量，减少误码率，获得良好的系统性能，解决多用户情况下多中继的最优选择问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，由以下系统实现，该系统包括一个信源节点，M个目的用户节点和N个中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，采用全部中继选择(FSS,Full Set Selection)算法从N个待选中继节点中选择M个分别对应M个目的用户节点，这里选取N≥M，列出系统中所有“中继—用户”组合方式下中继的排列组合，通过计算对比求出使得系统总频谱效率达到最大值的一组作为最优的中继排列，该方法步骤如下：

1)用R_i表示第i个待选中继节点，i＝1,2,…,N，D_j表示第j个目的用户节点，j＝1,2,…,M，分别计算信源节点S到各中继节点R_i链路上的瞬时信噪比和各中继节点R_i到各目的用户节点D_j的链路上瞬时信噪比分别表示为和P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的用户节点的链路和信源节点到目的用户节点的链路所对应的信道系数，上述三信道系数均服从瑞利分布，上述三信道链路上的瞬时信噪比可表示为γ_l,l∈{SD_j,SR_i,R_iD_j}并服从指数分布，根据FSS算法，以最大化系统总频谱效率为目标，得到最优“中继—用户”组合，该中继选择方法的具体步骤为：

(1)对M个目的用户节点和N个待选中继节点进行排列，即从N个待选中继中选取M个中继，N≥M，将M个目的用户节点分别分配给所选出的M个中继节点，共有种不同的排列组合方式，其中某种“中继—用户”排列组合方式记作构成集合

(2)对某一种排列组合方式计算每个用户在中继采用放大转发方式(AF)、目的用户节点采用最大合并比接收方式下的接收信噪比，目的用户节点D_j的接收瞬时信噪比表示为：

其中，表示中继放大增益系数，表示排列组合下分配给目的用户节点D_j的中继，表示S-D_j即信源-目的用户节点链路的瞬时信噪比，表示即信源-中继-目的用户节点链路的瞬时信噪比；

(3)计算排列组合方式下对应的系统总频谱效率表示为：

其中,表示目的用户节点D_j的频谱效率，表示目的用户节点D_j获得的系统容量，W表示信道带宽；

(4)计算所有排列组合方式对应的系统总频谱效率，选择使得取得最大值的排列方式作为最优中继排列，将最优中继排列方式记为其中在最优中继排列下选出的对应各个目的用户节点的中继节点即为最佳中继节点，该最佳中继节点将参与下一步通信过程中的协作传输；

2)第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的用户节点广播信号；

3)目的用户节点将信源节点到目的用户节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值进行比较，如果前者较大，则转入步骤4)，否则转入步骤5)；

4)根据比较结果，中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

5)根据比较结果，最佳中继节点将参与协作，最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的用户节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。

本发明的优点如下：

本发明从中继选择方面考虑，采用了适用于双向中继系统的FSS算法，以最大化系统频谱效率为目标，得到各个目的用户节点对应的最佳转发中继。相比已有方案，本发明从频谱效率出发，能够同时考虑信源到中继节点和中继节点到目的用户节点的信道状况，同时考虑多中继和多用户情况，得到最优“中继—用户”组合，从而使系统频谱效率和性能显著提高。

附图说明

图1是本发明方法的系统模型图，其中：1、信源节点；2、中继节点集，21-2N分别表示N个中继节点，2b_j(j＝1,2,…,M)表示目的用户节点j对应的最佳中继节点；3、目的用户节点,31-3M分别表示M个目的用户节点；4、41-4N分别表示信源节点到N个中继节点链路上的瞬时信噪比，4b_j表示信源节点到最佳中继节点链路上的瞬时信噪比；5、5b₁-5b_M分别表示M个最佳中继节点到目的用户节点链路上的瞬时信噪比；6、61-6M分别表示信源节点到M个目的用户节点链路上的瞬时信噪比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

如图1所示，一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，由以下系统实现，该系统包括一个信源节点，M个目的用户节点和N个中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，采用全部中继选择(FSS,Full Set Selection)算法从N个待选中继节点中选择M个分别对应M个目的用户节点，这里选取N≥M，列出系统中所有“中继—用户”组合方式下中继的排列组合，通过计算对比求出使得系统总频谱效率达到最大值的一组作为最优的中继排列，该方法步骤如下：

1)用R_i表示第i个待选中继节点，i＝1,2,…,N，D_j表示第j个目的用户节点，j＝1,2,…,M，分别计算信源节点S到各中继节点R_i链路上的瞬时信噪比和各中继节点R_i到各目的用户节点D_j的链路上瞬时信噪比分别表示为和P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的用户节点的链路和信源节点到目的用户节点的链路所对应的信道系数，上述三信道系数均服从瑞利分布，上述三信道链路上的瞬时信噪比可表示为γ_l,l∈{SD_j,SR_i,R_iD_j}并服从指数分布，根据FSS算法，以最大化系统总频谱效率为目标，得到最优“中继—用户”组合，该中继选择方法的具体步骤为：

(1)对M个目的用户节点和N个待选中继节点进行排列，即从N个待选中继中选取M个中继，N≥M，将M个目的用户节点分别分配给所选出的M个中继节点，共有种不同的排列组合方式，其中某种“中继—用户”排列组合方式记作构成集合

(2)对某一种排列组合方式计算每个用户在中继采用放大转发方式(AF)、目的用户节点采用最大合并比接收方式下的接收信噪比，目的用户节点D_j的接收瞬时信噪比表示为：

其中，表示中继放大增益系数，表示排列组合下分配给目的用户节点D_j的中继，表示S-D_j即信源-目的用户节点链路的瞬时信噪比，表示即信源-中继-目的用户节点链路的瞬时信噪比；

(3)计算排列组合方式下对应的系统总频谱效率表示为：

其中,表示目的用户节点D_j的频谱效率，表示目的用户节点D_j获得的系统容量，W表示信道带宽；

(4)计算所有排列组合方式对应的系统总频谱效率，选择使得取得最大值的排列方式作为最优中继排列，将最优中继排列方式记为其中在最优中继排列下选出的对应各个目的用户节点的中继节点即为最佳中继节点，该最佳中继节点将参与下一步通信过程中的协作传输；

2)第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的用户节点广播信号；

3)目的用户节点将信源节点到目的用户节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值进行比较，如果前者较大，则转入步骤4)，否则转入步骤5)；

4)根据比较结果，中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

5)根据比较结果，最佳中继节点将参与协作，最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的用户节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。

Claims (1)

1.一种基于系统频谱效率的多用户多中继选择方法，由以下系统实现，该系统包括一个信源节点，M个目的用户节点和N个中继节点，所有节点均配有一根天线，系统工作于半双工模式下，采用全部中继选择即FSS算法从N个待选中继节点中选择M个分别对应M个目的用户节点，这里选取N≥M，列出系统中所有“中继—用户”组合方式下中继的排列组合，通过计算对比求出使得系统总频谱效率达到最大值的一组作为最优的中继排列，该方法步骤如下：

1)用R_i表示第i个待选中继节点，i＝1,2,…,N，D_j表示第j个目的用户节点，j＝1,2,…,M，分别计算信源节点S到各中继节点R_i链路上的瞬时信噪比和各中继节点R_i到各目的用户节点D_j的链路上瞬时信噪比分别表示为和P_S＝δP和P_R＝(1-δ)P分别表示信源节点和中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ为功率分配因子，N₀表示均值为零的高斯随机噪声的方差，和分别表示信源节点到中继节点的链路、中继节点到目的用户节点的链路和信源节点到目的用户节点的链路所对应的信道系数，上述三信道系数均服从瑞利分布，上述三信道链路上的瞬时信噪比可表示为γ_l,l∈{SD_j,SR_i,R_iD_j}，三瞬时信噪比各自均服从指数分布，根据FSS算法，以最大化系统总频谱效率为目标，得到最优“中继—用户”组合，该中继选择方法的具体步骤为：

(1)对M个目的用户节点和N个待选中继节点进行排列，即从N个待选中继中选取M个中继，N≥M，将M个目的用户节点分别分配给所选出的M个中继节点，共有种不同的排列组合方式，其中某种“中继—用户”排列组合方式记作构成集合

(2)对某一种排列组合方式计算每个用户在中继采用放大转发方式(AF)、目的用户节点采用最大合并比接收方式下的接收信噪比，目的用户节点D_j的接收瞬时信噪比表示为：

其中，表示中继放大增益系数，表示排列组合下分配给目的用户节点D_j的中继，表示S-D_j即信源-目的用户节点链路的瞬时信噪比，表示即信源-中继-目的用户节点链路的瞬时信噪比；

(3)计算排列组合方式下对应的系统总频谱效率表示为：

其中,表示目的用户节点D_j的频谱效率，表示目的用户节点D_j获得的系统容量，W表示信道带宽；

(4)计算所有排列组合方式对应的系统总频谱效率，选择使得取得最大值的排列方式作为最优中继排列，将最优中继排列方式记为其中在最优中继排列下选出的对应各个目的用户节点的中继节点即为最佳中继节点，该最佳中继节点将参与下一步通信过程中的协作传输；

2)第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的用户节点广播信号；

3)目的用户节点将信源节点到目的用户节点链路上的瞬时信噪比与对应链路上设定的信噪比门限值进行比较，如果前者较大，则转入步骤4)，否则转入步骤5)；

4)根据比较结果，中继节点无需参与协作，信源节点采用直接传输的方式，同时信源节点将在第二时隙发送新信息；

5)根据比较结果，最佳中继节点将参与协作，最佳中继节点在第二时隙将采用放大转发方式，目的用户节点利用最大比合并和相干解调技术将第一时隙和第二时隙收到的信息合并译码。