CN106060892A - 一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，包括：构建包括源节点S、目的节点D和n个备选中继节点的系统模型；计算所有链路的预测信道增益，链路包括S‑R_i链路和R_i‑D链路；将S‑R_i链路和R_i‑D链路中预测信道增益较小的链路的预测信道增益作为备选中继节点i的最终信道增益；若目标中继节点为一个，将所有备选中继节点中最终信道增益最大的备选中继节点作为目标中继节点；若目标中继节点为L个，将所有备选中继节点的最终信道增益由大到小的顺序中前L个最终信道增益对应的备选中继节点作为目标中继节点。本发明同时考虑源节点与中继节点之间、中继节点与目的节点之间都存在信道状态信息过时的情况，有效提高系统表现性。

Description

一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线协作通信领域，尤其涉及一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法。

背景技术

协作分集是无线通信中对抗多径衰落的有效方法，在协作通信中，通过引入中继节点协助源节点与目的节点进行通信，并从中选择最佳中继节点(1或N个)用于信息传输，不仅可以提高信息传输可靠性，而且可以减少系统功率损耗。

过时信道状态信息存在于实际的通信系统中，会严重恶化协作通信系统的性能。已有的中继选择与功率分配方法一般建立在过时信道状态信息(OCSI，Outdated ChannelStatus Information)基础上，往往只考虑源节点S到中继节点R之间链路或者中继节点R到目的节点D之间链路，实际上S-R与R-D两条链路信道状态信息都存在过时的问题。本发明希望提出一种同时考虑S-R与R-D两条链路都存在过时信道状态信息的情况下的最佳中继选择与功率分配方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建系统模型，所述系统模型包括一个源节点S、一个目的节点D和n个备选中继节点；

步骤S2，计算所有备选中继节点对应的链路的预测信道增益，其中，对于备选中继节点i，其对应的链路包括源节点S到备选中继节点i的链路S-R_i链路以及备选中继节点i到目的节点D的链路R_i-D链路，其中，i＝1,2，…，n；

步骤S3，对于备选中继节点i，将其对应的S-R_i链路和R_i-D链路中预测信道增益较小的链路的预测信道增益作为备选中继节点i的最终信道增益；

步骤S4，若选取的目标中继节点为一个，则将所有备选中继节点中最终信道增益最大的备选中继节点作为所述目标中继节点；若选取的目标中继节点为L个，则将所有备选中继节点的最终信道增益由大到小的顺序中前L个最终信道增益对应的备选中继节点作为所述目标中继节点，其中，1＜L≤n。

本发明的有益效果是：本发明同时考虑了源节点S与中继节点R之间以及中继节点R与目的节点D之间都存在信道状态信息过时的情况，有效克服了过时CSI对系统性能的影响，具有科学意义和应用价值；本发明方法依据Bayesian估计准则的最小均方误差估计在数据转发时的S-R及R-D链路信噪比，预测信噪比高，性能好且实现简单；本发明利用估计信噪比进行中继选择和功率分配，可在有效减少资源损耗的同时降低系统中断概率，操作简单、计算量少、精度较高。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，步骤S2中，对于备选中继节点i，其对应的链路中S-R_i链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{{\mathrm{sr}}_i}={\mathrm{\ρ}}_1^2|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_1^2)E\left(\right|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2)/N_0;$

其中,表示备选中继节点i对应的S-R_i链路的预测信道增益，ρ₁表示S-R_i链路的信道相关系数，N₀表示噪声功率谱密度，表示S-R_i链路在数据转发时的信道系数，其中表示S-R_i链路的噪声系数，且满足 表示S-R_i链路在中继选择时的信道系数， 表示的均方值； 表示S-R_i链路的信道方差，表示S与R_i之间的距离，λ表示载波波长，d₀表示预设参考距离，α表示路径损耗系数；

Ri-D链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{r_{i}d}={\mathrm{\ρ}}_2^2|h_{r_{i}d}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_2^2)E\left(\right|h_{r_{i}d}{|}^2)/N_0;$

其中，表示备选中继节点i对应的R_i-D链路的预测信道增益，ρ₂表示R_i-D链路的信道相关系数，表示R_i-D链路在数据转发时的信道系数，其中表示R_i-D链路的噪声系数，且满足 表示R_i-D链路在中继选择时的信道系数，表示的均方值， 表示R_i-D链路的信道方差；表示R_i与D之间的距离。

进一步地，所述基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，还包括步骤S5，对源节点和目标中继节点进行功率分配。

进一步地，步骤S5中，若选取的目标中继节点为一个，则分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{r_{i^{*}}d}}{W_{{\mathrm{sr}}_{i^{*}}}+W_{r_{i^{*}}d}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，用i^*表示目标中继节点，则表示目标中继节点i^*对应的S-R_i*链路的预测信道增益，表示目标中继节点i^*对应的R_i*-D链路的预测信道增益，其中，i^*＝1,2，…，n；

分配给目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_S；

其中，P_r表示分配给目标中继节点的功率。

进一步地，步骤S5中,若选取的目标中继节点为L个，则分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{mrc}}{W_{ave}+W_{mrc}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，W_ave表示L个所述目标中继节点对应的源节点S到目标中继节点的链路的预测信道增益的平均值，W_mrc表示L个所述目标中继节点对应的目标中继节点到目的节点D的链路的预测信道增益的和；

分配给所有目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_s；

分配给每个目标中继节点的功率为：

$P_{r_0}=\frac{P_r}{L};$

其中，表示分配给每个目标中继节点的功率。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明所述基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明所述基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法的流程图。

如图1所示，一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建系统模型，系统模型包括一个源节点S、一个目的节点D和n个备选中继节点；不失一般性，备选中继节点具有放大转发的功能，由于相距很远或被阻挡，目的节点不能有效接收来自源节点的信号，必须通过备选中继节点的转发，系统模型中使用的信道为瑞利衰落信道。

步骤S2，计算所有备选中继节点对应的链路的预测信道增益，其中，对于备选中继节点i，其对应的链路包括源节点S到备选中继节点i的链路S-R_i链路以及备选中继节点i到目的节点D的链路R_i-D链路，其中，i＝1,2，…，n。

步骤S3，对于备选中继节点i，将其对应的S-R_i链路和R_i-D链路中预测信道增益较小的链路的预测信道增益作为备选中继节点i的最终信道增益。

步骤S4，若选取的目标中继节点为一个，则将所有备选中继节点中最终信道增益最大的备选中继节点作为目标中继节点；若选取的目标中继节点为L个，则将所有备选中继节点的最终信道增益由大到小的顺序中前L个最终信道增益对应的备选中继节点作为目标中继节点，其中，1＜L≤n。

在本发明的具体实施例中，步骤S2中，对于备选中继节点i，其对应的链路中S-R_i链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{{\mathrm{sr}}_i}={\mathrm{\ρ}}_1^2|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_1^2)E\left(\right|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2)/N_0;$

其中,表示备选中继节点i对应的S-R_i链路的预测信道增益，ρ₁表示S-R_i链路的信道相关系数，N₀表示噪声功率谱密度，表示S-R_i链路在数据转发时的信道系数，据Jake’s相关系数模型来计算S-R_i链路的过时信道系数，其中表示S-R_i链路的噪声系数，且满足 表示S-R_i链路在中继选择时的信道系数，服从圆对称复高斯分布即 表示的均方值； 表示S-R_i链路的信道方差，表示S与R_i之间的距离，λ表示载波波长，d₀表示预设参考距离，α表示路径损耗系数；

R_i-D链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{r_{i}d}={\mathrm{\ρ}}_2^2|h_{r_{i}d}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_2^2)E\left(\right|h_{r_{i}d}{|}^2)/N_0;$

其中，表示备选中继节点i对应的R_i-D链路的预测信道增益，ρ₂表示R_i-D链路的信道相关系数，表示R_i-D链路在数据转发时的信道系数，据Jake’s相关系数模型来计算R_i-D链路的过时信道系数，即其中表示R_i-D链路的噪声系数，且满足 表示R_i-D链路在中继选择时的信道系数，服从圆对称复高斯分布即 表示的均方值， 表示R_i-D链路的信道方差；表示R_i与D之间的距离。

在本发明的具体实施例中，本发明所述的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，还包括步骤S5，对源节点和目标中继节点进行功率分配。

步骤S5中,若选取的目标中继节点为一个，令其中，表示备选中继节点i对应的S-R_i链路的预测信噪比，表示备选中继节点i对应的R_i-D链路的预测信噪比，依据Bayesian估计准则的最小均方误差估计，可得：

${\hat{r}}_{{\mathrm{sr}}_i}^{MMSE}={\mathrm{\ρ}}_1^2{\tilde{r}}_{{\mathrm{sr}}_i}+(1-{\mathrm{\ρ}}_1^2)\stackrel{\‾}{r_{{\mathrm{sr}}_i}};$

${\hat{r}}_{r_{i}d}^{MMSE}={\mathrm{\ρ}}_2^2{\tilde{r}}_{r_{i}d}+(1-{\mathrm{\ρ}}_2^2)\stackrel{\‾}{r_{r_{i}d}};$

其中，为过时信道状态下S-R_i链路信噪比，为过时信道状态下R_i-D链路信噪比，表示S-R_i链路的平均信噪比，表示R_i-D链路的平均信噪比，且：

$\stackrel{\‾}{r_{{\mathrm{sr}}_i}}=E\left(\right|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2)p_s/N_0$

$\stackrel{\‾}{r_{r_{i}d}}=E\left(\right|h_{r_{i}d}{|}^2)p_r/N_0$

由上可得，分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{r_{i^{*}}d}}{W_{{\mathrm{sr}}_{i^{*}}}+W_{r_{i^{*}}d}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，用i^*表示目标中继节点，则表示目标中继节点i^*对应的S-R_i*链路的预测信道增益，表示目标中继节点i^*对应的R_i*-D链路的预测信道增益，其中，i^*＝1,2，…，n；

分配给目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_S；

其中，P_r表示分配给目标中继节点的功率。

步骤S5中，若选取的目标中继节点为L个，则分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{mrc}}{W_{ave}+W_{mrc}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，W_ave表示L个所述目标中继节点对应的源节点S到目标中继节点的链路的预测信道增益的平均值，W_mrc表示L个所述目标中继节点对应的目标中继节点到目的节点D的链路的预测信道增益的和；

分配给所有目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_s；

其中，P_r表示分配给所有目标中继节点的功率；

分配给每个目标中继节点的功率为：

$P_{r_0}=\frac{P_r}{L};$

其中，表示分配给每个目标中继节点的功率。

本发明提出的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，与一般中继选择方法相比，本发明同时考虑了源节点S与中继节点R之间以及中继节点R与目的节点D之间都存在信道状态信息过时的情况，有效克服了过时CSI对系统性能的影响，具有科学意义和应用价值；本发明方法依据Bayesian估计准则的最小均方误差估计在数据转发时的S-R及R-D链路信噪比，预测信噪比高，性能好且实现简单；本发明利用估计信噪比进行中继选择和功率分配，可在有效减少资源损耗的同时降低系统中断概率，操作简单、计算量少、精度较高。

下面用两个具体示例来阐述本发明。

示例一

若选取的目标中继节点为一个，备选中继节点的个数n＝5，且，ρ₁＝0.9，ρ₂＝0.95；通过计算可得：

$W_{{\mathrm{sr}}_1}=0.3145,W_{{\mathrm{sr}}_2}=1.5775,W_{{\mathrm{sr}}_3}=1.3912,W_{{\mathrm{sr}}_4}=0.6247,W_{{\mathrm{sr}}_5}=2.9705;$

$W_{r_{1}d}=2.5428,W_{r_{2}d}=2.1261,W_{r_{3}d}=2.6230,W_{r_{4}d}=0.7388,W_{r_{5}d}=4.9707;$

因此目标中继节点i^*＝5；若预设传输总功率P＝1，则根据可得p_s＝0.6259；p_r＝0.3741。

示例二

若选取的目标中继节点为L个，被选中继节点的个数n＝8，目标中继节点的个数L＝3，且ρ₁＝0.9，ρ₂＝0.95；通过计算可得：

$\begin{array}{c}{W}_{{\mathrm{sr}}_1}=0.7798,W_{{\mathrm{sr}}_2}=1.6873,W_{{\mathrm{sr}}_3}=1.5207,W_{{\mathrm{sr}}_4}=2.0001,\\ W_{{\mathrm{sr}}_5}=0.8970,W_{{\mathrm{sr}}_6}=2.0535,W_{{\mathrm{sr}}_7}=2.6616,W_{{\mathrm{sr}}_8}=0.6529\end{array};$

$\begin{array}{c}{W}_{r_{1}d}=4.1747,W_{r_{2}d}=2.1191,W_{r_{3}d}=0.6469,W_{r_{4}d}=2.8880\\ W_{r_{5}d}=0.8233,W_{r_{6}d}=2.9249,W_{r_{7}d}=0.8199,W_{r_{8}d}=0.1957\end{array};$

因此目标中继节点i^*＝6,4,2；W_ave＝1.9136，若预设传输总功率P＝1，则根据可得，P_s＝0.8056，p_r＝0.1944。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，构建系统模型，所述系统模型包括一个源节点S、一个目的节点D和n个备选中继节点；

步骤S2，计算所有备选中继节点对应的链路的预测信道增益，其中，对于备选中继节点i，其对应的链路包括源节点S到备选中继节点i的链路S-R_i链路以及备选中继节点i到目的节点D的链路R_i-D链路，其中，i＝1,2，…，n；

步骤S3，对于备选中继节点i，将其对应的S-R_i链路和R_i-D链路中预测信道增益较小的链路的预测信道增益作为备选中继节点i的最终信道增益；

步骤S4，若选取的目标中继节点为一个，则将所有备选中继节点中最终信道增益最大的备选中继节点作为所述目标中继节点；若选取的目标中继节点为L个，则将所有备选中继节点的最终信道增益由大到小的顺序中前L个最终信道增益对应的备选中继节点作为所述目标中继节点，其中，1＜L≤n。

2.根据权利要求1所述的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，其特征在于，步骤S2中，对于备选中继节点i，其对应的链路中S-R_i链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{{\mathrm{sr}}_i}={\mathrm{\ρ}}_1^2|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_1^2)E\left(\right|h_{{\mathrm{sr}}_i}{|}^2)/N_0;$

其中,表示备选中继节点i对应的S-R_i链路的预测信道增益，ρ₁表示S-R_i链路的信道相关系数，N₀表示噪声功率谱密度，表示S-R_i链路在数据转发时的信道系数，其中表示S-R_i链路的噪声系数，且满足 表示S-R_i链路在中继选择时的信道系数， 表示的均方值； 表示S-R_i链路的信道方差，表示S与R_i之间的距离，λ表示载波波长，d₀表示预设参考距离，α表示路径损耗系数；

Ri-D链路的预测信道增益的计算公式为：

$W_{r_{i}d}={\mathrm{\ρ}}_2^2|h_{r_{i}d}{|}^2/N_0+(1-{\mathrm{\ρ}}_2^2)E\left(\right|h_{r_{i}d}{|}^2)/N_0;$

其中，表示备选中继节点i对应的R_i-D链路的预测信道增益，ρ₂表示R_i-D链路的信道相关系数，表示R_i-D链路在数据转发时的信道系数，其中表示R_i-D链路的噪声系数，且满足 表示R_i-D链路在中继选择时的信道系数， 表示的均方值， 表示R_i-D链路的信道方差；表示R_i与D之间的距离。

3.根据权利要求2所述的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，其特征在于，还包括步骤S5，对源节点和目标中继节点进行功率分配。

4.根据权利要求3所述的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，其特征在于，步骤S5中，若选取的目标中继节点为一个，则分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{r_{i^{*}}d}}{W_{{\mathrm{sr}}_{i^{*}}}+W_{r_{i^{*}}d}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，用i^*表示目标中继节点，则表示目标中继节点i^*对应的S-R_i*链路的预测信道增益，表示目标中继节点i^*对应的R_i*-D链路的预测信道增益，其中，i^*＝1,2，…，n；

分配给目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_S；

其中，P_r表示分配给目标中继节点的功率。

5.根据权利要求3所述的基于过时信道状态信息的中继选择及功率分配方法，其特征在于，步骤S5中,若选取的目标中继节点为L个，则分配给源节点S的功率为：

$P_S=\frac{W_{mrc}}{W_{ave}+W_{mrc}}P;$

其中，P_s表示分配给源节点S的功率，P表示预设传输总功率，W_ave表示L个所述目标中继节点对应的源节点S到目标中继节点的链路的预测信道增益的平均值，W_mrc表示L个所述目标中继节点对应的目标中继节点到目的节点D的链路的预测信道增益的和；

分配给所有目标中继节点的功率为：

P_r＝P-P_s；

分配给每个目标中继节点的功率为：

$P_{r_0}=\frac{P_r}{L};$

其中，表示分配给每个目标中继节点的功率。