CN108768470B - 一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，包括：源节点向中继节点发送信息，中继节点对所接收的信息进行解码，根据目的节点反馈的信道状态信息对解码后的信息进行预编码，最大化目标节点的接收信噪比，并计算预编码信道传输容量；目的节点进行信道估计获取信道状态信息，将信道状态信息量化后反馈给中继节点，并计算反馈信道传输容量；将预编码信道传输容量和反馈信道传输容量之定义为有效容量，以最大化有效容量为目标，寻求最佳的反馈信道量化比特，将预编码后的信息转发到目的节点。本发明通过寻求最佳的信道反馈量化比特，显著提高了无线中继传输的有效容量。

Description

一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法

技术领域

本发明涉及一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

在无线通信系统中，协作中继技术具有低成本、扩大覆盖范围的作用，可以有效提高通信系统的可靠性和传输速率。使用中继技术必须要进行中继预编码，中继预编码可以有效提高通信系统的信道容量，而使用中继预编码需要获取信道状态信息，信道状态信息的精确度越高，所获得的信道容量越大，但是，在现有的获取方式下，在得到信道状态信息精确度的同时，必然会因为反馈开销过大而占用较多的频带资源，对频带资源提出了更高的要求。在无线通信中，频带资源一直是极其稀缺的资源，因此如何在占用频带资源有限的情况下，获取更高精度的信道状态信息，以便在中继传输过程中，得到更加准确的多中继的权值分配，减少对资源的浪费，成为当下亟待解决的问题之一。

传输状态信息的准确获取对通信过程至关重要。发送端要获取信道状态信息，需要接收端通过反馈信道将信道状态信息的量化值反馈给发送端，对于量化的精度就提出了要求。但是，随着量化精度的提高，反馈的开销也越大，占用的频带资源越多，对系统造成了一定的负担。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，解决现有技术中中继传输过程反馈开销大、占用频带资源多的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，包括如下步骤：

源节点向中继节点发送信息，中继节点对所接收的信息进行解码，根据目的节点反馈的信道状态信息对解码后的信息进行预编码，最大化目标节点的接收信噪比，并计算预编码信道传输容量；

目的节点进行信道估计获取信道状态信息，将信道状态信息量化后反馈给中继节点，并计算反馈信道传输容量；

将预编码信道传输容量和反馈信道传输容量之定义为有效容量，以最大化有效容量为目标，寻求最佳的反馈信道量化比特，将预编码后的信息转发到目的节点。

所述预编码的具体方法如下：

设中继协同通信系统共有M个中继节点，D_n代表在第n个成功解码的中继节点集合，|D_n|代表集合D_n中的中继节点个数，权值向量为w＝[w₁,w₂,w₃,Λ,w_|Dn|]^T，w_k表示第k个中继节点的权值，k＝1,2,3,Λ,|D_n|，权值向量w，满足||w||＝1；

计算目标节点所估计到的第i个中继信道状态信息量化实际值h_id：

式中：

为信道状态信息量化值；h_ie为信道状态信息量化误差；

计算目的节点收到的信号的表达式：

式中：y_d表示目的节点接收到的信号；下标d代表目的节点；P_s为中继节点总传输功率；w^T表示权值向量w的转置；H_d表示从中继节点到目的节点真实的瞬时信道状态信息向量，

表示信道状态信息量化值向量，

H_e表示信道状态信息量化误差向量，

x_s表示发送信号；n₀表示中继节点到目的节点处的噪声；

量化误差h_ie服从以0为均值、以

为方差的高斯分布，得出目的节点的接收信噪比

N₀为目的节点处的噪声功率；

构造预编码向量如下：

求出最佳权值分配向量

式中，γ_s表示平均信噪比，

表示矩阵

的最大特征值对应的特征向量，H代表共轭转置运算。

所述接收信噪比的计算方法如下：

将最佳权值分配向量w_opt代入SNR_d的计算公式，得到如下公式：

其中，H代表共轭转置运算；

令

A和B为厄米特矩阵，且B是正定矩阵；

定义

B^1/2代表正定矩阵B的平方根，则

根据瑞利-里兹法，当最佳权值分配向量

时，所述接收信噪比

其中：λ_max为矩阵B^-1A的特征值的最大值；

为w_opt的共轭。

所述预编码信道传输容量的计算方法如下：

将最佳权值分配向量w_opt代入香农公式，按照下式求出预编码信道传输容量：

其中：下标d代表目的节点，λ_max为矩阵B^-1A的特征值的最大值。

量化误差的方差

的计算方法如下：

信道状态信息量化实际值h_id服从均值为0，方差为

的瑞利分布，将信道状态信息量化实际值h_id采用下式表示：

h_id＝Re[h_id]+jIm[h_id]

分别对h_id实部和虚部进行估计量化；

根据均匀量化的基本原理，则量化误差为h_ie＝Re[h_ie]+jIm[h_ie]，第i个信道的量化噪声功率为：

其中，△v_i为从第i个中继节点到目的节点的信道状态信息的量化间隔，

b_i表示从第i个中继节点到目的节点间的信道状态信息的最大取值；N为量化电平阶数；

h_id的实部Re[h_id]和虚部Im[h_id]均服从均值为0，方差为

的正态分布，即Pr(-b_i<Re[h_id]<b_i)＝Pr(-b_i<Im[h_id]<b_i)＝α，得出：

式中：Q(·)表示标准正态分布的互补累计分布函数，

α表示Re[h_id]在[-b_i,b_i]之间的概率取值；

根据α的概率取值计算出b_i，进而得出量化间隔△v_i；

设每条中继信道的量化比特为

则每条中继信道的量化电平阶数

将△v_i以及N代入公式计算得：

有效容量的计算方法如下：

有效容量△C＝C_d-C_f；

其中：C_d为预编码信道传输容量；C_f为反馈信道容量，

B为所有中继信道的反馈总比特数目；

有效容量的表达式为

其中,W为系统传输的带宽，T为时隙长度；

对有效容量进行优化，

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

通过定义预编码信道传输容量和反馈信道传输容量之差为有效容量，反应传输过程中在抵消反馈开销的情况下系统的传输容量，显著提高了中继通信系统的有效容量。

附图说明

图1是某一中继协同通信系统的结构示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是不同中继节点个数下平均比特与有效容量关系曲线图。

具体实施方式

本发明提供的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，首先源节点发送信息到多个中继节点，然后中继节点对所接收到的信息进行解码，并将解码信息进行预编码后转发到目的节点。中继节点预编码需要获取信道状态信息，为此目的节点首先进行信道估计，并将所估计到的信道状态信息量化后反馈给中继节点。本发明通过寻求最佳的信道反馈量化比特，显著提高了无线中继传输的有效容量。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

以图1给出的中继协同通信系统为例，包含1个源节点U，4个中继R₁～R₄，1个目的节点D，一个源节点发送信息到4个中继，中继收到信息后进行解码，然后将译码结果重新编码后转发到目的节点，在目的节点获取到当前链路的信道状态信息后进行量化，并将量化信息反馈给中继节点，中继节点获得信道的状态信息。本实施例的流程如图2所示，

已知的中继到目的节点转移矩阵H_d＝[h_1d,h_2d,h_3d,h_4d]^T(T表示转置运算，h_id表示第i个中继到目的节点之间的瞬时信道增益系数，i＝1,2,3,4,)，由于在接收端进行量化产生量化误差，可计算出

h_id为真实值，

为量化值,h_ie为量化误差，因此，

为量化值组成的向量，H_e＝[h_1e,h_2e,h_3e,h_4e]^T为量化误差组成的矩阵。

多中继的权值向量w＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T，w_k表示第k个中继节点的权值，其中k＝1,2,3,4；中继节点总传输功率为P_s，而且权值向量w满足||w||＝1。

目的节点收到的信号的表达式为：

其中，y_d表示目的节点接收到的信号；下标d代表目的节点；P_s为中继节点总传输功率；w^T表示权值向量w的转置；H_d表示从中继节点到目的节点真实的瞬时信道状态信息向量，

表示信道状态信息量化值向量，

H_e表示信道状态信息量化误差向量，

x_s表示发送信号；n₀表示中继节点到目的节点处的噪声；

量化误差服从以0为均值，

为方差的高斯分布，得出目的节点的接收信噪比

N₀为目的节点处的噪声功率，因此中继权值向量的优化问题可以构造如下，

s.t.||w||＝1，求出

其中，γ_s代表平均信噪比，

w_opt为最佳权值分配向量；

中继节点到目的节点间的信噪比,根据计算出的最佳权值分配向量，代入SNR_d可得,

进一步计算从4个中继节点到目的节点之间无线信道的传输容量，将w_opt代入香农公式，可求出在接收端的传输容量

其中下标d代表目的节点的信道容量信道,λ_max为矩阵B^-1A的特征值的最大值，

为w_opt的共轭，T代表向量的转置。

4个中继节点同时发送信息，相应的中继到目的节点间的信道容量可以表示为：

考虑到h_id服从均值为0，方差为

的瑞利分布，因此，h_id＝Re[h_id]+jIm[h_id]，分别对h_id实部和虚部进行估计量化。根据均匀量化的基本原理，量化误差为h_ie＝Re[h_ie]+jIm[h_ie]，第i个信道的量化噪声功率

其中，△v_i为从第i个中继到目的节点的信道量化间隔

b_i表示从第i个中继到目的节点间的信道状态信息的最大取值，N为量化电平阶数，i＝1,2,3,4。此外，最大概率取值b_i保证信道增益h_id以概率α落入区间[-b_i,b_i]的计算过程如下：考虑瑞利衰落信道模型h_id的实部Re[h_id]和虚部Im[h_id]均服从均值为0，方差为

的正态分布，

即Pr(-b_i<Re[h_id]<b_i)＝Pr(-b_i<Im[h_id]<b_i)＝α

因此，

式中，Q(·)表示标准正态分布的互补累计分布函数，

α表示Re[h_id]在[-b_i,b_i]之间的概率取值；

根据α的概率取值，可以计算出b_i，进而得出量化间隔△v_i。考虑每条中继信道的量化比特为

即称之为平均量化比特，则每条中继信道的量化电平阶数

将△v_i以及N代入公式计算得：

将中继预编码信道容量与反馈信道容量之差定义为有效容量，即△C＝C_d-C_f，C_f为反馈信道容量，

B为所有中继信道的反馈总比特数目，则有效容量的表达式为

其中,W为系统传输的带宽，T为时隙长度。对有效容量进行优化，

下面给出在计算机上利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定所有的无线信道独立同分布且是瑞利衰落的，|h_id|²服从均值为

的指数分布，各节点处的噪声都是均值为0，方差为N₀的平稳高斯白噪声。变量

表示每个信道的反馈回来的平均量化比特，(单位为bits)从1开始，步长为1，到20结束，

P_s＝N₀＝10dB，最大概率取值α＝0.999，中继个数分别取2、4、6、8。

图3为在取不同的中继节点个数的情况下，不同

对应的有效容量曲线图；从图3可知，无论是中继节点个数取2，4，6或8时，有效容量均随每条链路的平均量化比特

的增加而先增加后减小，在

时取得有效容量的最大值；这也说明在实际中有效容量存在一个最优值，既能满足传输容量的要求，又能保证在反馈开销一定的情况下信道状态信息的精确度。在取不同的中继数量时，通过对比可看出，虽然总体趋势是一样的，但是中继节点的数量越多，有效容量越大，它的反馈开销也越大，下降的趋势也越明显，表明寻找最佳有效容量的意义更大，在最佳有效容量处的性能要远远优于普通节点处。另外，随着中继节点个数的增加，最佳有效容量的值也越大，但是增加速度明显下降，这表明有效容量的增大不会随着中继节点个数的增加而无限增大，在取一定的中继节点个数时有效容量的最大值会趋于饱和。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

源节点向中继节点发送信息，中继节点对所接收的信息进行解码，根据目的节点反馈的信道状态信息对解码后的信息进行预编码，最大化目标节点的接收信噪比，并计算预编码信道传输容量；

目的节点进行信道估计获取信道状态信息，将信道状态信息量化后反馈给中继节点，并计算反馈信道传输容量；

将预编码信道传输容量和反馈信道传输容量之差定义为有效容量，以最大化有效容量为目标，寻求最佳的反馈信道量化比特，将预编码后的信息转发到目的节点。

2.根据权利要求1所述的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，所述预编码的具体方法如下：

设中继协同通信系统共有M个中继节点，D_n代表在第n个成功解码的中继节点集合，|D_n|代表集合D_n中的中继节点个数，权值向量为

w_k表示第k个中继节点的权值，k＝1,2,3,…,|D_n|，权值向量w满足||w||＝1；

计算目的节点所估计到的第i个中继的信道状态信息量化实际值h_id：

式中：

为信道状态信息量化值；h_ie为信道状态信息量化误差；

计算目的节点收到的信号的表达式：

式中：y_d表示目的节点d接收到的信号；P_s为中继节点总传输功率；w^T表示权值向量w的转置；H_d表示从中继节点到目的节点d真实的瞬时信道状态信息向量，

表示信道状态信息量化值向量，

H_e表示信道状态信息量化误差向量，

x_s表示发送信号；n₀表示中继节点到目的节点处的噪声；

量化误差h_ie服从以0为均值、以

为方差的高斯分布，得出目的节点的接收信噪比

N₀为目的节点处的噪声功率；

构造预编码向量如下：

求出最佳权值分配向量

式中，γ_s表示平均信噪比，

表示矩阵

的最大特征值对应的特征向量，H代表共轭转置运算。

3.根据权利要求2所述的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，所述接收信噪比的计算方法如下：

将最佳权值分配向量w_opt代入SNR_d的计算公式，得到如下公式：

其中，H代表共轭转置运算；

令

A和B为厄米特矩阵，且B是正定矩阵；

定义

B^1/2代表正定矩阵B的平方根，则

根据瑞利-里兹法，当最佳权值分配向量

时，所述接收信噪比

其中：λ_max为矩阵B^-1A的特征值的最大值；

为w_opt的共轭。

4.根据权利要求3所述的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，所述预编码信道传输容量的计算方法如下：

将最佳权值分配向量w_opt代入香农公式，按照下式求出预编码信道传输容量：

其中：下标d代表目的节点，λ_max为矩阵B^-1A的特征值的最大值。

5.根据权利要求4所述的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，量化误差的方差

的计算方法如下：

信道状态信息量化实际值h_id服从均值为0，方差为

的瑞利分布，将信道状态信息量化实际值h_id采用下式表示：

h_id＝Re[h_id]+jIm[h_id]

分别对h_id实部和虚部进行估计量化；

根据均匀量化的基本原理，则量化误差为h_ie＝Re[h_ie]+jIm[h_ie]，第i个信道的量化噪声功率为：

其中，Δv_i为从第i个中继节点到目的节点的信道状态信息的量化间隔，

b_i表示从第i个中继节点到目的节点间的信道状态信息的最大取值；N为量化电平阶数；

h_id的实部Re[h_id]和虚部Im[h_id]均服从均值为0，方差为

的正态分布，即Pr(-b_i＜Re[h_id]＜b_i)＝Pr(-b_i＜Im[h_id]＜b_i)＝α，代表得出：

式中：Q(·)表示标准正态分布的互补累计分布函数，

α表示Re[h_id]在[-b_i,b_i]之间的概率取值；

根据α的概率取值计算出b_i，进而得出量化间隔Δv_i；

设每条中继信道的量化比特为

则每条中继信道的量化电平阶数

将Δv_i以及N代入公式计算得：

6.根据权利要求5所述的反馈受限下中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于，有效容量的计算方法如下：

有效容量ΔC＝C_d-C_f；

其中：C_d为预编码信道传输容量；C_f为反馈信道容量，

B为所有中继信道的反馈总比特数目；

有效容量的表达式为

其中,W为系统传输的带宽，T为时隙长度；

对有效容量进行优化，

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