CN105979562A - 可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法 - Google Patents

Abstract

可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，属于无线通信的可靠性传输领域。随机生成每个传输对所对应的直通链路的信道系数矩阵A、源节点与候选中继节点之间的信道系数矩阵B、候选中继节点到目的节点的信道系数矩阵C；按照直通链路信道质量从低到高的顺序对传输对进行顺序排序；根据候选中继节点个数n与候选中继节点阈值δ的大小关系，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点；每个传输对使用其各自的最优中继节点进行信息传输。在中继节点选择过程中综合考虑每个候选中继节点对应的两段信道的信道质量，同时衡量整个网络的信息传输可靠性，同时保证了信息传输的全局可靠性和全局误码率性能。

Description

可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法

技术领域

本发明属于无线通信的可靠性传输领域，具体涉及一种可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法。

背景技术

在无线通信技术中，无线信道具有衰落特性，导致目的节点无法保证零误码率地接收源节点发送的信息，限制了无线信道的通信质量。使用现有的分集技术根据无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，可以补偿衰落信道损耗，然后再使用一定的信号合并技术来改善接收信号，从而抵抗衰落引起的不良影响。多输入多输出天线技术(Multiple InputMultiple Output,MIMO)恰恰利用空间分集技术来提高无线通信系统容量、提高无线传输可靠性，降低误码率。但是由于MIMO技术使用多根发射和接收天线进行无线传输，而在实际应用中，很多设备无法配备多根天线，因此，协同通信机制的新型无线通信技术“协作通信”技术应运而生。

近年来，对协作通信的研究主要集中在以下几个方面：协同中继节点的选择、协作系统中的天线资源分配、协作认知和网络编码。其中，如何通过选择合适的中继节点来提高系统传输的可靠性是目前一个热点问题。M.D.Selvaraj等在《Performance of hybird selection andswitch-and-stay combining with decode-and-forward relaying》中提出了一种基于符号错误率的中继选择方案，实验数据说明此方案相对于文章中提出的其他方案误符号率性能得到很好的改善，但是此方案针对的是三节点两跳式的信息传输模型，网络中的信息传输不会仅仅只有一个传输对，当网络中的信息传输对增加时，此方案不能保证整个通信网络总的信息传输误码率性能。

Zhiquan Bai等在《Performance analysis of SNR-based incremental hybirddecode-amplify-forward cooperative relaying protocol》中为三点式模型提出了一种基于信噪比的混合中继协作方案，以目的节点处的接收信噪比为约束函数，通过选择合适的转发协议保证信息传输的可靠性，但是此方案是针对固定中继节点提出的，没有选择过程。然而，为了保证信息传输的可靠性，根据信道质量对候选中继节点进行一定的筛选可以提高此混合中继协作方案的误码率性能，进一步保证通信质量。

上述两种方案对信息传输可靠性的提高是相对性的，对影响因素的考量具有片面性，因此，对信息传输误码率性能的提高具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，用于为单源多目的多中继的无线通信过程中的每个传输对选择一个中继节点，包括以下步骤：

步骤1：分别为通信过程中的每个信息传输对所对应的直通链路、源节点与每个候选中继节点之间的信道、每个候选中继节点与每个目的节点之间的信道随机生成信道系数；假设有n个候选中继节点，m个目的节点，且m<n，则源节点与每个目的节点都可以形成一个信息传输对，总共可以生成m个信息传输对；

步骤2：分别收集每个信息传输对所对应的直通链路的信道系数、源节点与每个中继节点之间的信道系数以及每个中继节点与每个目的节点之间的信道系数；

将所收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数放置在信道系数矩阵A中，将所收集的源节点与n个中继节点之间的信道系数放置在信道系数矩阵B中，将所收集的n个中继到m个目的节点的信道系数放置在信道系数矩阵C中；

步骤3：根据收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数从小到大的顺序，确定直通链路信道质量从低到高的顺序，并按照直通链路信道质量从低到高的顺序对对应的m个信息传输对进行顺序排序；

步骤4：设定候选中继节点阈值δ；

步骤5：判断中继节点个数n与δ的大小关系：若n≥δ则按照步骤5.1的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输；否则按照步骤5.2的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输；

步骤5.1：找出每个候选中继节点所对应的两段信道中质量较差的一段信道，并组成集合，再从集合中选出k个较优的信道，并将该k个较优的信道的信道系数与其各自所对应的另一段信道的信道系数相加求和，将最大和值对应的候选中继节点选为当前传输对的最优中继节点，并转去执行步骤6；

步骤5.2：直接计算n个中继节点各自对应的两段信道的信道系数之和，在信道系数矩阵C中可以提取出每个中继节点到当前传输对的目的节点的信道系数，放入矩阵D1中；然后针对每个候选中继节点将其在矩阵B和矩阵D1两个矩阵中对应的值相加，并存入矩阵E1中；再然后对矩阵E1中的元素按照从大到小进行排序，排在第一位的元素对应的中继节点即为当前传输对选择的参与协作传输的最优中继节点；

步骤6：每个传输对都使用已为其各自所选择的最优中继节点进行信息传输。

根据所述的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，所述步骤4中所述的δ为小于等于10的正整数。

根据所述的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，所述步骤5.1包括如下步骤：步骤5.1.1：依次比较n个中继节点各自所对应的源节点至中继节点、中继节点至目的节点两段信道的信道质量，并为每个中继节点选择出两段信道中质量较差的一段信道；

首先从信道系数矩阵C中提取出每个中继节点到当前传输对的目的节点的信道系数，并放入矩阵D中，然后针对每个中继节点在矩阵B和矩阵D中对应的值，找到两者中较小的那个，也就是找到源节点到中继节点和中继节点到目的节点这两个信道中信道质量较差的信道，并将较小值存入矩阵E中；

步骤5.1.2：将矩阵E中的元素从大到小进行排序，即将选出的n个质量较差信道从优到次进行排序，并选出较优的前k个信道对应的中继节点；

步骤5.1.3：对所述k个中继节点各自对应的两段信道的信道系数进行求和，并根据和值的从大到小的排列顺序，对所述k个中继节点分别对应的信道质量进行优劣排序，且如果最大和值的个数等于1，将其所对应的候选中继节点选择为参与协作传输的中继节点，如果最大和值的个数大于1，则从其所对应的候选中继节点中随机选择一个作为参与协作传输的中继节点。

根据所述的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，所述步骤5.1.2中所述k的取值满足：

本发明的有益效果：本发明充分利用了收集到的信道状态信息，在中继节点选择过程中综合考虑每个候选中继节点所对应的从源节点至中继节点、中继节点至目的节点这两段信道的信道质量，同时衡量整个网络的信息传输可靠性。从而可以使得每个中继节点都能找到自己最合适的传输对，既保证了每个传输对信息传输的可靠性也保证了系统总的误码率性能。本发明可以应用于广播网络中的基站选择，根据基站到广播局和每个用户的无线信道质量为每个用户选择一个最优的基站从而保证用户接收信息的准确性。

附图说明

图1为本发明实施方式使用的单源多目的多中继协作通信模型结构示意图；

图2为本发明实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法流程图；

图3为利用本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法所得到的误码率与直通链路信息传输所得到的误码率的对比曲线图；

图4为利用本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法所得到的误码率与本实施方式中所述的另外两种基于传输可靠性的中继选择方案所达到的误码率的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细的说明。

本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，用于为单源多目的多中继的无线通信过程中的每个传输对选择一个中继节点。单源多目的多中继的无线通信系统模型，如图1所示，一个源节点S发送信息，多个目的节点D接收信息，源节点到每个目的节点都有一条直通链路，为了附图清晰，图1中没有画出直通链路。本实施方式的最终目标是为每个目的节点D或者每个信息传输对从候选中继集合中选择一个最优的中继节点参与协作传输，从而使整个无线通信网络的全局误码率达到最低。

本实施方式针对的无线通信过程还需满足以下几个条件：(1)网络中的每个节点只有一根天线，可以接收信息也可以发送信息，但是不能同时接收信息和发送信息。(2)目的节点已知所有的信道系数，包括从源节点到中继节点的信道的信道系数和从中继节点到目的节点的信道的信道系数，但是源节点和中继节点不知道任何信道系数，目的节点选择最优的中继节点并将选择结果反馈给源节点。

本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，如图2所示。具体步骤如下：

步骤S1：根据目的节点的个数，为传输对编号。

假设有n个候选中继节点，m个目的节点，且m<n，则源节点与每个目的节点都可以形成一个信息传输对，总共可以形成m个信息传输对。首先按照一定顺序为目的节点编号，如图1所示的目的节点D₁～D_m，其中符号D代表目的节点，下标1～m代表目的节点编号。然后将每个目的节点编号作为对应的每个信息传输对的编号，如图1所示的由源节点S分别与目的节点D₁～D_m构成的传输对T₁～T_m，其中符号T代表传输对，下标1～m代表传输对编号。

步骤S2：分别为每个信息传输对所对应的直通链路、源节点与每个候选中继节点之间的信道、每个候选中继节点与每个目的节点之间的信道随机生成信道系数；

步骤S3：分别收集每个信息传输对所对应的直通链路的信道系数、源节点与每个候选中继节点之间的信道系数以及每个候选中继节点与每个目的节点之间的信道系数；

将所收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数放置在信道系数矩阵A中，将所收集的源节点与n个候选中继节点之间的信道的信道系数放置在信道系数矩阵B中，将所收集的n个候选中继节点到m个目的节点的信道系数放置在信道系数矩阵C中。即，

$A=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{h}_{{\mathrm{SD}}_1}& h_{{\mathrm{SD}}_2}& h_{{\mathrm{SD}}_3}& \mathrm{...}& h_{{\mathrm{SD}}_m}\end{array}\&rsqb;---\left(1\right)$

$B=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{h}_{{\mathrm{SR}}_1}& h_{{\mathrm{SR}}_2}& h_{{\mathrm{SR}}_3}& \mathrm{...}& h_{{\mathrm{SR}}_n}\end{array}\&rsqb;---\left(2\right)$

$C=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{R_1{D}_1}& h_{R_2{D}_1}& \mathrm{...}& h_{R_n{D}_1}\\ h_{R_1{D}_2}& h_{R_2{D}_2}& \mathrm{...}& h_{R_n{D}_2}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ h_{R_1{D}_m}& h_{R_2{D}_m}& \mathrm{...}& h_{R_n{D}_m}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，符号h代表信道系数；符号R代表候选中继节点；i∈[1,m]代表目的节点编号；j∈[1,n]代表候选中继节点编号；都是均值为零，方差为1的复高斯随机变量，其中为源节点到第i个目的节点的信道系数，为源节点到第j个候选中继节点的信道系数，为第j个候选中继节点到第i个目的节点的信道系数。

步骤S4：根据收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数从小到大的顺序，确定直通链路信道质量从低到高的顺序，并按照直通链路信道质量从低到高的顺序对对应的m个信息传输对进行排序；

步骤S5：考虑到中继节点选择方案的有效性及复杂性，设定候选中继节点阈值δ；根据多次试验的结果，所述候选中继节点阈值δ设定为小于等于10的正整数较为合适；

步骤S6：判断中继节点个数n与δ的大小关系：若n≥δ则按照步骤S6.1的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输；否则按照步骤S6.2的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输。

步骤S6.1：找出每个候选中继节点所对应的源节点至中继节点、中继节点至目的节点的两段信道中质量较差的一段信道，并组成集合，再从集合中选出k个较优的信道，并将该k个较优的信道的信道系数与其各自所对应的另一段信道的信道系数相加求和，将最大和值对应的候选中继节点选为当前传输对的最优中继节点。

步骤S6.1.1：依次比较n个候选中继节点各自所对应的源节点至本中继节点、本中继节点至目的节点的两段信道的信道质量，并为每个候选中继节点选择出所述两段信道中信道质量较差的一段信道；

首先从信道系数矩阵C中提取出每个中继节点到当前第i个传输对所对应的目的节点的信道系数，并放入矩阵D中：

$D=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{h}_{R_1{D}_i}& h_{R_2{D}_i}& h_{R_3{D}_i}& \mathrm{...}& h_{R_n{D}_i}\end{array}\&rsqb;---\left(4\right)$

然后针对每个候选中继节点在矩阵B和矩阵D中对应的值，找到两者中较小的那个，例如，针对候选中继节点R₁在矩阵B和矩阵D中对应的值和找到和中较小的那个，也就是为了相应地找到源节点S到该中继节点R₁和该中继节点R₁到第i个目的节点这两个信道中信道质量较差的信道，并将较小值存入矩阵E中，例如若相对于较小，也就是代表源节点S到该候选中继节点R₁的信道质量相对于该候选中继节点R₁到第i个目的节点D_i的信道质量较差，则将存入矩阵E中。又如，针对候选中继节点R_n在矩阵B和矩阵D中对应的值和找到和中较小的那个，也就是为了相应地找到源节点S到该中继节点R_n和该中继节点R_n到第i个目的节点这两个信道中信道质量较差的信道，并将较小值存入矩阵E中，例如若相对于较小，也就是代表源节点S到该候选中继节点R_n的信道质量相对于该候选中继节点R_n到第i个目的节点D_i的信道质量较差，则将存入矩阵E中。即：

E＝[h₁,h₂,h₃,…,h_j,…,h_n] (5)

其中：

步骤S6.1.2：将矩阵E中的元素从大到小进行排序，即将选出的n个质量较差信道从优到次进行排序，并选出较优的前k个信道对应的候选中继节点；

k的取值取决于候选中继节点的个数n，理论上，k值越大，选择的中继节点的误码率越低，但是考虑到中继节点选择过程中的复杂度，经过多次试验得到k和n的值应满足关系：

$\frac{k}{n}\&le;10\%---\left(6\right)$

步骤S6.1.3：对所述k个中继节点各自对应的所述两段信道的信道系数进行求和，并根据和值从大到小的排列顺序，对所述k个中继节点分别对应的信道质量进行优劣排序，且如果最大和值的个数等于1，将其所对应的候选中继节点选择为参与协作传输的中继节点，如果最大和值的个数大于1，则从其所对应的候选中继节点中随机选择一个作为参与协作传输的中继节点；并转去执行步骤S7；

步骤S6.2：直接计算n个候选中继节点各自对应的所述两段信道(即源节点到中继节点对应的第一段信道、中继节点到目的节点对应的第二段信道)的信道系数之和，在信道系数矩阵C中可以提取出每个中继节点到当前第i个传输对所对应的目的节点的信道系数，放入矩阵D1中：

$D1=\&lsqb;\begin{array}{ccccc}{h}_{R_1{D}_i}& h_{R_2{D}_i}& h_{R_3{D}_i}& \mathrm{...}& h_{R_n{D}_i}\end{array}\&rsqb;---\left(10\right)$

然后针对每个候选中继节点将其在矩阵B和矩阵D1两个矩阵中对应的值相加，例如，针对候选中继节点R₁将其在矩阵B和矩阵D1中对应的值和相加求和，并将求和结果值存入矩阵E1中，即：

E1＝[h₁,h₂,h₃,…,h_j,…,h_n] (11)

其中：

再然后对矩阵E1中的元素按照从大到小进行排序，排在第一位的元素对应的中继节点即为当前传输对选择的参与协作传输的最优中继节点。

步骤S7：每个传输对都使用已为其各自所选择的最优中继节点进行信息传输。

本发明以100个候选中继节点，10个目的节点构成的中继网络为例对本发明所述方法的有效性进行验证，其中参与对比的传输方案包括：

(1)没有中继节点参与协作传输，每个传输对仅仅根据源节点发送给目的节点的信息恢复原始信息；

(2)使用最优较差中继选择方案，在此方案中，首先比较每个中继节点所对应的两段信道的信道质量，选出较差的一段信道，在较差信道集合中选择最优信道，此信道所对应的中继节点即为所选中继节点；

(3)使用最近邻中继选择方案，在此方案中，比较每个中继节点到目的节点的信道质量，不考虑源节点到每个中继节点的信道质量，为每个目的节点都选择一个中继节点到目的节点信道质量最优的节点参与协作传输。

图3为利用本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法所得到的误码率与上述方案(1)(图3中SD代表直通链路)所得到的误码率的对比曲线图，其中，“+”标识的曲线是按照本实施方式提出的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法选择的中继节点参与协作传输并按照Amplify-Forward(AF)中继转发协议进行信息传输得到的误码率曲线，“o”标识的曲线是按照上述方案(1)提出的传输方法所得到的误码率曲线。从图中可以看出随着信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)的提高两种方案的误码率都在下降，而且利用本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法所得到的误码率性能要优于方案(1)，并且随着SNR的增加优势也在增加，这说明，在协作通信中，中继节点的加入确实可以在一定程度上改善误码率性能，提高信息传输的可靠性，使得用户能够更加准确地接收到对方所发送的信息。

图4为利用本实施方式的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法所得到的误码率分别与上述方案(2)和方案(3)所得到的误码率的对比曲线图，其中，“*”标识的曲线是按照方案(2)选择的中继节点参与协作传输并按照AF中继转发协议进行信息传输得到的误码率曲线，“o”标识的曲线是按照方案(3)选择的中继节点参与协作传输并按照AF中继转发协议进行信息传输得到的误码率曲线。从图中同样可以看出随着SNR的提高三种方案的误码率都在下降，而且利用本实施方式所得到的误码率性能要略优于方案(2)和方案(3)，并且随着信噪比的增加优势也在增加，这说明，本实施方式所提出的可保证协作通信中全局误码率性能的中继选择方法确实可以改善信息传输的可靠性问题。

Claims (4)

1.一种可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，其特征在于：用于为单源多目的多中继的无线通信过程中的每个传输对选择一个中继节点，包括以下步骤：

步骤1：分别为通信过程中的每个信息传输对所对应的直通链路、源节点与每个候选中继节点之间的信道、每个候选中继节点与每个目的节点之间的信道随机生成信道系数；假设有n个候选中继节点，m个目的节点，且m<n，则源节点与每个目的节点都可以形成一个信息传输对，总共可以生成m个信息传输对；

步骤2：分别收集每个信息传输对所对应的直通链路的信道系数、源节点与每个中继节点之间的信道系数以及每个中继节点与每个目的节点之间的信道系数；

将所收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数放置在信道系数矩阵A中，将所收集的源节点与n个中继节点之间的信道系数放置在信道系数矩阵B中，将所收集的n个中继到m个目的节点的信道系数放置在信道系数矩阵C中；

步骤3：根据收集的每个传输对所对应的直通链路的信道系数从小到大的顺序，确定直通链路信道质量从低到高的顺序，并按照直通链路信道质量从低到高的顺序对对应的m个信息传输对进行顺序排序；

步骤4：设定候选中继节点阈值δ；

步骤5：判断中继节点个数n与δ的大小关系：若n≥δ则按照步骤5.1的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输；否则按照步骤5.2的方法，依照信息传输对的排序顺序，逐一为m个信息传输对选择其各自的当前最优中继节点，直到所有的传输对都被分配一个中继节点参与协作传输；

步骤5.1：找出每个候选中继节点所对应的两段信道中质量较差的一段信道，并组成集合，再从集合中选出k个较优的信道，并将该k个较优的信道的信道系数与其各自所对应的另一段信道的信道系数相加求和，将最大和值对应的候选中继节点选为当前传输对的最优中继节点，并转去执行步骤6；

步骤5.2：直接计算n个中继节点各自对应的两段信道的信道系数之和，在信道系数矩阵C中可以提取出每个中继节点到当前传输对的目的节点的信道系数，放入矩阵D1中；然后针对每个候选中继节点将其在矩阵B和矩阵D1两个矩阵中对应的值相加，并存入矩阵E1中；再然后对矩阵E1中的元素按照从大到小进行排序，排在第一位的元素对应的中继节点即为当前传输对选择的参与协作传输的最优中继节点；

步骤6：每个传输对都使用已为其各自所选择的最优中继节点进行信息传输。

2.根据权利要求1所述的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，其特征在于：所述步骤4中所述的δ为小于等于10的正整数。

3.根据权利要求1所述的可保证协作通信中全局误码率性能的中继节点选择方法，其特征在于：所述步骤5.1包括如下步骤：

步骤5.1.1：依次比较n个中继节点各自所对应的源节点至中继节点、中继节点至目的节点两段信道的信道质量，并为每个中继节点选择出两段信道中质量较差的一段信道；

首先从信道系数矩阵C中提取出每个中继节点到当前传输对的目的节点的信道系数，并放入矩阵D中，然后针对每个中继节点在矩阵B和矩阵D中对应的值，找到两者中较小的那个，也就是找到源节点到中继节点和中继节点到目的节点这两个信道中信道质量较差的信道，并将较小值存入矩阵E中；

步骤5.1.2：将矩阵E中的元素从大到小进行排序，即将选出的n个质量较差信道从优到次进行排序，并选出较优的前k个信道对应的中继节点；

步骤5.1.3：对所述k个中继节点各自对应的两段信道的信道系数进行求和，并根据和值的从大到小的排列顺序，对所述k个中继节点分别对应的信道质量进行优劣排序，且如果最大和值的个数等于1，将其所对应的候选中继节点选择为参与协作传输的中继节点，如果最大和值的个数大于1，则从其所对应的候选中继节点中随机选择一个作为参与协作传输的中继节点。

4.根据权利要求3所述的可保证协作通信中全局误码率的中继节点选择方法，所述步骤5.1.2中所述k的取值满足：