CN106921418B - 一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法，其解决非理想信道的多中继高效协作问题：首先源节点将信息发送给所有的中继节点，然后选择出能够成功解码源节点信息的中继节点，接着对成功解码的中继节点加权因子进行优化以实现协作预编码，最后转发给目的节点。本发明提出的中继协作预编码方法考虑了信道状态估计误差，相比较于传统的预编码方法提高了传输速率，显著降低了无线传输系统的中断概率。

Description

一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及无线中继通信系统中的多中继选择与协作预编码方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，人们对信息速率以及通信质量的需求也越来越高，但无线通信受其带宽、传输功率以及无线信道多径衰落的限制，很难达到理想的传输速率和通信质量。而分集技术具有不占用额外时间和带宽资源对抗多径衰落的优点，作为分集技术的典型代表，MIMO技术能够抵抗多径衰落，改善系统性能。但在很多实际场景中由于用户终端体积、功耗的限制，在用户终端安装多根天线来实现空间分集增益非常困难。在这种情况下，采用中继协作通信技术，通过多个中继的天线共享，形成虚拟的MIMO，可以有效地改进系统的物理层安全性能。

目前，协作通信的研究主要集中在以下几个方面，第一是信道容量的研究，即如何在有限的带宽资源下最大限度的提高信道容量；第二是有关协作方式的研究，即考虑中继的选择及协作方案；第三是有关协作中继可靠性的研究，即如何降低协作传输的误码率；第四是有关协作功率分配的研究，即在总功率一定的情况下如何分配节点间功率去提高系统的物理层安全性能。以上的研究很多假设信道的瞬时信道状态信息已知，但在实际通信中，由于受多种因素的影响，信道信息往往不断变化且存在误差。

考虑到实际情况，本发明公开了一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法，旨在解决具有信道估计误差的多中继高效协作问题。通过优化中继节点的加权因子以实现最佳的协作预编码方案，从而提高通信系统性能，本发明所公开的中继协作预编码方法相较于传统的预编码方法不仅提高了传输速率，同时显著降低了传输系统的中断概率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的问题提出了一种基于非理想信道状态信息的多中继选择方法，其解决具有信道估计误差的多中继高效协作问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法，具体包含如下步骤：

步骤1，将源节点信息发送给所有的中继节点；

步骤2，通过信道估计获得源节点到中继节点的瞬时状态信息及估计误差，计算出源节点到中继节点的信道容量；

步骤3，获取能够成功解码源节点信息的中继节点集合；

步骤4，对成功解码源节点信息的中继节点的加权因子进行优化以实现中继协作预编码，共同将预编码后的源节点信息转发到目的节点；

步骤5，目的节点解码来自中继节点转发的源节点信息，进而获取中继节点到目的节点的信道容量。

作为本发明一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的进一步优选方案，在步骤1中，源节点信息具体为：

其中，

表示第i个中继收到的信号，n_i表示高斯噪声，

为基于信道估计获得的源节点到第i个中继的瞬时信道衰落系数，e_hsi为信道估计误差，P_s为发送功率，s为源节点信息。

作为本发明一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的进一步优选方案，在步骤2中，源节点到中继节点的信道容量的具体计算如下：

其中，C_si为源节点到中继节点的信道容量，γ_s＝P_s/N₀，N₀为噪声功率。

作为本发明一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的进一步优选方案，在步骤4中，目的节点收到的源节点信息表示为

其中，w_i表示第i个中继的加权因子，

表示目的节点收到第i个中继节点的信号，n_d表示高斯噪声，h_id表示第i个中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，m为成功解码信息的中继个数。

作为本发明一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的进一步优选方案，在步骤5中，中继节点到目的节点的信道容量具体计算如下：

其中，C_id为中继节点到目的节点的信道容量，

其中，hh^H为Hermitian矩阵，且

为正定矩阵，H为共轭转置，m为成功解码信息的中继个数，D_n为成功解码信息的中继集合。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的预编码方法考虑到多个中继，相比于单中继更为可靠；

2、本发明考虑到信道存在估计误差，更切合实际情况；

3、在相同场景情况下本发明公开的中继预编码方法优于传统的预编码方法。

附图说明

图1是本发明基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的系统模型图；

图2是本发明基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法的流程图；

图3是本发明基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法信道估计误差和中断概率之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本系统至少包含1个源节点，1个目的节点和若干个中继节点，中继节点之间的协作保证了信息的可靠传输。

本发明提供了一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法，适用于在用户与目的用户之间不能直接通信时借助多个中继来实现信息的交互，具体步骤包括：

如图2所示，首先将源节点信息发送给所有的中继节点，并基于信道估计获得源节点到中继节点的瞬时状态信息及估计误差，计算出源节点到中继节点的信道容量；判断哪些中继节点能够成功解码信息，找出能够成功解码源节点信息的中继节点集合；最后对成功解码源节点信息的中继节点加权因子进行优化以实现中继协作预编码，并基于信道估计获得中继节点到目的节点的瞬时状态信息及估计误差，据此计算出相应的信道容量。

本专利提出的基于非理想信道状态信息的多中继选择方法，其特征是，源节点将信息s以发送功率P_s发送给所有的中继节点，中继节点接收到的信号表示为：

表示第i个中继收到的信号，n_i表示高斯噪声，h_si表示源节点到第i个中继节点的瞬时信道衰落系数。由于瞬时信道衰落系数

存在信道估计误差e_hsi，因此h_si可表示为

所以中继节点收到的源节点发送的信息可表示为：

由此可以得到源节点到中继节点的信噪比：

其中γ_s＝P_s/N₀，N₀为噪声功率。最终可得到源节点到中继节点的信道容量：

设所有能够成功解码转发信息的中继节点集合为D_m，最后对成功解码源节点信息的中继节点加权因子进行优化以实现中继协作预编码，同时将预编码后的源节点信息s以发送功率P_s转发到目的节点，此时目的节点接收到的信息可表示为：

其中w_i表示第i个中继的加权因子，

表示目的节点收到第i个中继节点的信号，n_d表示高斯噪声，h_id表示第i个中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数。由于瞬时信道衰落系数

存在信道估计误差e_hid，因此h_id可表示为

所以中继节点收到的信息可表示为：

则此时通过求解下面的优化问题可以得到加权因子：

令w＝[w₁ w₂ … w_m]，h＝[h_1d h_2d ... h_md]，e＝[e_h1d e_h2d … e_hmd]，I为m维单向量。将约束条件带入目标函数，上述优化问题进一步转化为

令A＝hh^H，

由矩阵知识知A、B为Hermitian矩阵，且B为正定矩阵。由此得广义Rayleigh商的标准形式：

为求解广义Rayleigh商，定义一个新向量

其中B^1/2表示正定矩阵B的平方根。把

代入广义Rayleigh商，则有:

由Rayleigh-Ritz定理知,当选择的向量

是与矩阵乘积(B^-1/2)^HA(B^-1/2)的特征值λ_max对应的特征向量时，广义Rayleigh商取最大值λ_max。考察矩阵乘积

用B^-1/2左乘上式，得

且

因此可以得到矩阵乘积(B^-1/2)^HA(B^-1/2)的特征值分解等价于矩阵B^-1A的特征分解，再由Rayleigh-Ritz定理知，当w是与矩阵乘积B^-1A的最大特征值λ_max对应的特征向量时，广义Rayleigh商取最大值λ_max。根据以上分析λ_max为(I+Υ_see^H)^-1hh^H对应的最大特征值，此时最优的预编码矩阵w^*为λ_max对应的特征向量。同时可以得到中继节点到目的节点的信道容量：

结合上面的分析，最终可得系统的中断概率为：

其中，Δ＝(2^2R-1)/γ_s，R表示阈值，当信道容量小于R时，发生中断

1)源节点以发射功率P_s发送信号s给所有中继节点，通过信道估计获得源节点到中继节点的瞬时状态信息及估计误差，计算出源节点到中继节点的信道容量；

2)发送方发送数据信息s后，判断哪些中继节点能够成功解码信息，找出能够成功解码源节点信息的中继节点集合；最后对成功解码源节点信息的中继节点加权因子进行优化以实现中继协作预编码，并基于信道估计获得中继节点到目的节点的瞬时状态信息及估计误差，据此计算出相应的信道容量；

3)传输结束进入下一个时隙，重新执行步骤1)。

本发明所提出的中继预编码方法与传统中继预编码方法的对比如图3所示。其中中继个数N取4和8两种情况，信道估计误差在[0 1]之间，且间隔为0.05。由图中可以看出，本发明所提出的中继协作预编码方法在相同信道估计误差的情况下，明显好于传统的中继协作预编码方法；随着信道估计误差的增大，中断概率也随之增大。

Claims (1)

1.一种基于非理想信道状态信息的中继协作预编码方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，将源节点信息发送给所有的中继节点；

步骤2，通过信道估计获得源节点到中继节点的瞬时状态信息及估计误差，计算出源节点到中继节点的信道容量；

步骤3，获取能够成功解码源节点信息的中继节点集合；

步骤4，对成功解码源节点信息的中继节点的加权因子进行优化以实现中继协作预编码，共同将预编码后的源节点信息转发到目的节点；

步骤5，目的节点解码来自中继节点转发的源节点信息，进而获取中继节点到目的节点的信道容量；

在步骤1中，源节点信息具体为：

其中，

表示第i个中继收到的信号，n_i表示高斯噪声，

为基于信道估计获得的源节点到第i个中继的瞬时信道衰落系数，e_hsi为信道估计误差，P_s为发送功率，s为源节点信息；

在步骤2中，源节点到中继节点的信道容量的具体计算如下：

其中，C_si为源节点到中继节点的信道容量，γ_s＝P_s/N₀，N₀为噪声功率；

在步骤4中，目的节点收到的源节点信息表示为

其中，w_i表示第i个中继的加权因子，

表示目的节点收到第i个中继节点的信号，n_d表示高斯噪声，h_id表示第i个中继节点到目的节点的瞬时信道衰落系数，m为成功解码信息的中继个数；

在步骤5中，中继节点到目的节点的信道容量具体计算如下：

其中，C_id为中继节点到目的节点的信道容量，

其中，hh^H为Hermitian矩阵，且

为正定矩阵，H为共轭转置，m为成功解码信息的中继个数，D_n为成功解码信息的中继集合。

Images