CN112564745A - 一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，包括步骤：S1.源节点信息广播步骤：源节点对需传输的信息比特，依次执行信道极化编码、调制，再经发射天线，将其在自由空间广播到所有中继和目的节点；S2.候选中继节点集构建方法：选择能正确译码的候选中继节点集合；S3.最优中继节点集构建方法：根据当前信噪比，在上述候选中继节点集中，选择使系统中断概率最小的最优中继集；S4.判断中继是否参与协作的方法：比较上述最优中继节点集和直传链路相关的性能，判断中继是否参与协作；S5.目的节点信息接收步骤：目的节点采用最大比合并方法，合并所有接收的信息，然后对其解调、极化译码，获得原信息。

Description

一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域，尤其涉及一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法。
背景技术
近年来在无线通信领域，多输入多输出系统(MIMO)通过分集获得性能增益得到了业界的广泛关注和研究。而协作通信是允许系统中的用户通过中继彼此间的消息到达目的地来完成协作。这样做可以有效地形成一个分布式天线阵列，达到集中式MIMO系统所获得的空间分集增益。协作通信常用的中继方式有：放大转发(AF)、解码转发(DF)、选择中继(SR)、编码协作(CC)和压缩转发(CF)等。目前协作通信的发展趋势已经从最初的单源单中继发展到单源多中继协作，协作网络一般由一个源节点，一个目的节点和N个中继节点构成，所以多中继节点的选择显得尤为重要。Bletsas等人提出一种基于瞬时信道信息进行中继选择的机会中继方案，并进一步分析了在AF和DF协作网络中的中断性能。Zhao Yi等人在AF协作网络中，基于瞬时信道信息，结合了源节点和中继节点的功率分配，提出一种最优的中继选择方法。Luo等人分析了在DF协作网络中，根据信道统计特性，选择合适的中继节点对信号进行中继，使得系统的中断概率达到最优。
极化码是在2009年由土耳其的Erdal Arikan教授基于信道的极化理论提出的一种全新的信道编码的方案。其在理论上证明能够达到香农极限的好码，其具有非常低的编译码复杂度，当码长为N时，polar码的编译码复杂度都为。信道极化理论主要包含两大步骤：信道组合和信道分解。Arikan教授研究发现，随着信道复用数目的增加，信道经过这两个步骤后，复用的比特信道会极化成两类信道：无噪信道和全噪信道。极化码的核心理念就是利用无噪信道传输有用的比特信息，利用全噪信道传输冻结信息或者不传信息。基于极化码能逼近香农极限的优良特性，将极化码应用于协作通信中的应用是个不错的选择。最早的基于极化码的中继方案是由Andersson等人通过嵌套结构提出的。结果表明，极化码可以实现对称的二进制输入物理降级中继信道的容量，并且仅在二进制错误信道中才具有良好的性能。Blasco-Serrano等人证明了将极化码用于压缩转发(CF)策略是容量可实现的。并且他还对基于极化码的随机降级中继信道下译码转发(DF)策略进行了讨论。Bravo-Santos等人对极化码用于高斯降级中继信道进行研究。Qicong Zhan等人证明了通过优化时间和信息划分参数，精心构造的极化码可以在半双工中继信道中达到理论容量。上述方案虽然可以应用于中继节点中，但是依然存在中继节点盲目参与协作传输的缺陷。
因此，本发明提出了一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，包括步骤：
S1.源节点对需要传输的信息序列通过信道极化以及极化编码的方法执行，得到编码后的码字，通过调制方法执行编码后的码字，得到调制后的信息，并将得到的调制后的信息通过发射天线广播到所有中继节点和目的节点；
S2.将通过发射天线广播的调制后的信息作为输入参数，构建候选中继节点集，并通过构建候选中继节点集的方法计算协作中继的阈值，并将链路的瞬时信噪比与协作中继的阈值进行比较，得到正确译码的候选中继节点集合；
S3.将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数，构建最优中继节点集，并通过构建最优中继节点集的方法计算候选中继节点集合中各个中继节点的等效信道增益，得到中断概率最小的最优中继节点集；
S4.将得到的中断概率最小的最优中继节点集作为输入参数，判断中继节点是否参与协作传输，若是，则中断概率最小的最优中继节点集中的中继节点对接收信息通过极化码连续删除译码方法处理，并对处理后的信息通过信道极化编码方法转发至目的节点；
S5.将转发至目的节点的信息通过最大比合并方法合并所有接收到的信息，得到信息序列，并将信息序列依次执行解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信息序列。
进一步的，所述步骤S2具体为：
S21.源节点将信号广播给中继节点和目的节点，目的节点D和第i个中继节点Ri收到的信号分别为：
Figure BDA0002806596100000031
Figure BDA0002806596100000032
其中，S表示一个源节点；D表示一个目的节点；Ri表示多个中继节点，1≤i≤N，N表示所有中继节点数目；Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和
Figure BDA0002806596100000033
是零均值且方差分别是实数
Figure BDA0002806596100000034
和
Figure BDA0002806596100000035
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的信道系数；nsd和
Figure BDA0002806596100000036
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000037
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声；
S22.第i个中继节点Ri能正确译码源节点信息，则需要满足以下关系式：
Figure BDA0002806596100000038
其中，
Figure BDA0002806596100000039
为实数，表示链路S-Ri的瞬时信噪比，V为实数，表示信息传输速率；
当中继节点能正确译码源节点信息时，需满足以下阈值关系：
γCorp，th＝2(N+1)V-1 (4)
将能正确译码源节点信息的中继节点作为候选中继节点集合，表示为：
Figure BDA00028065961000000310
其中，Ω表示正确译码的候选中继节点集合。
进一步的，所述步骤S3中将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数之后还包括判断正确译码的候选中继节点集合是否为空，若是，则所有中继节点均不能正确译码源节点的信息，采用链路直接传输，表示为：
Figure BDA00028065961000000311
其中，
Figure BDA00028065961000000312
表示采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信息；
链路直传的互信息，表示为
IDT＝log2(1+γsd) (7)
其中，
Figure BDA0002806596100000041
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比。
进一步的，所述判断正确译码的候选中继节点集合为非空时，则从正确译码的候选中继节点集合中选择中断概率最小的最优中继节点集，具体为：
源节点和目的节点的互信息的计算表示为：
Figure BDA0002806596100000042
其中，
Figure BDA0002806596100000043
为实数，表示链路S-D的瞬时信噪比；
Figure BDA0002806596100000044
为实数，表示链路Ri-D的瞬时信噪比；
Figure BDA0002806596100000045
为实数，表示中继节点Ri的发送功率；
Figure BDA0002806596100000046
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000047
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数；i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为正确译码的候选中继节点集合Ω中的元素个数；
在等功率条件
Figure BDA0002806596100000048
中断概率Pr(ISDF＜V|Ω)计算为：
Figure BDA0002806596100000049
其中，Pr(t)为实数，表示括号中变量t的概率；
从正确译码的候选中继节点集合Ω中选择M个中继节点的中断概率，表示为：
Figure BDA00028065961000000410
其中，Bopt为1×M维向量，表示最优中继节点集合；M为最优中继节点个数；
假设选择M个中继节点的中断概率最小，则可以得到：
POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M-1 (11)
POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M+1 (12)
由公式(11)、公式(12)和公式(10)，可得：
Figure BDA0002806596100000051
其中，
Figure BDA0002806596100000052
为当前信噪比。
进一步的，所述在等功率条件，选择的中断概率最小的最优中继节点集具体为：
计算正确译码的候选中继节点集合Ω中各中继节点的wi并增序排列为w1～wΩ′，且将各中继节点按wi的大小相应的增序排列为R1～RΩ′；
根据当前信噪比
Figure BDA0002806596100000053
和预先计算的
Figure BDA0002806596100000054
找出满足关系式SNReq，M′＜SNR的最小的M′值作为Mopt，其中M′的范围为1～Ω′，表示增序排列的序号；Mopt服从下式：
Figure BDA0002806596100000055
从已经排列好的候选中继集中丢弃前Mopt-1个中继节点，剩余节点作为最优中继，此时最优中继节点集合为：
Figure BDA0002806596100000056
当SNR大于SNReq，M′的最大值
Figure BDA0002806596100000057
时，Mopt为1，则候选中继集不需要丢弃节点，候选集Ω中的节点全部参与协作；当SNR过于小以至于小于SNReq，M′的最小值
Figure BDA0002806596100000058
时，找不出符合情况的Mopt值，则选择候选集中wi最大的RΩ′作为中继节点。
进一步的，所述步骤S4具体为：
S41.分别计算链路直传的互信息和中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和：
链路直传的互信息计算为：
IDT＝log2(1+γsd) (15)
其中，
Figure BDA0002806596100000061
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比；
中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和计算为：
Figure BDA0002806596100000062
S42.当链路直传比中继集合Bopt性能好时，满足：
Figure BDA0002806596100000063
从而得出结论：
Figure BDA0002806596100000064
中继节点Ri能正确译码源节点信息，需要满足
Figure BDA0002806596100000065
故将γCorp，th代入(18)，可得两者满足关系：
Figure BDA0002806596100000066
在链路直传性能优良的情况下优先直传的阈值为：
γDT，th＝M·2V-1 (20)
当链路直传的瞬时信噪比γsd超过阈值γDT，th，且
Figure BDA0002806596100000067
时，，选择直传链路S-D传输，中继集合Bopt不参与协作传输；
S43.如集合Bopt参与协作，则集合Bopt中的中继节点Ri对接收信号执行极化码连续删除译码方法处理，再次执行信道极化编码转发给目的节点D；
在Ri处，经译码转发的信号可表示为
Figure BDA0002806596100000068
则D接收的信号
Figure BDA0002806596100000069
可表示为：
Figure BDA0002806596100000071
其中，
Figure BDA0002806596100000072
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000073
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
与现有技术相比，本发明公开了在协作通信系统中，涉及到一种基于信道统计特性的最优多中继节点选择方法，并且联合极化信道编码和选择译码转发方法，实现了一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方案。根据信道统计特性定义等效信道增益的参数，利用此参数且基于当前信噪比选择使系统中断概率最小的中继节点，利用穷举算法选择这样一个最优的中继集合Bopt，共有
Figure BDA0002806596100000074
种选择方法，运算量太大，本选择方法在性能与穷举算法相似的情况下极大的降低了系统的复杂度。联合先进的信道极化编码和选择译码转发提高了系统性能。并且提出了在直传链路性能优良的情况下优先直传的阈值，克服了中继节点盲目参与协作传输的缺陷。
附图说明
图1是实施例一提供的基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法流程图；
图2是实施例一提供的源节点信息广播步骤流程图；
图3是实施例一提供的候选中继节点集构建方法流程图；
图4是实施例一提供的最优中继节点集构建方法流程图；
图5是实施例一提供的判断中继是否参与协作的方法流程图；
图6是实施例一提供的目的节点信息接收步骤流程图；
图7是实施例一提供的信道极化分布图；
图8是实施例一提供的三种主要的分集合并方式的性能比较示意图；
图9是实施例一提供的中断概率性能比较示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法。
实施例一
本实施例提供一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，包括步骤：
S1.源节点对需要传输的信息序列通过信道极化以及极化编码的方法执行，得到编码后的码字，通过调制方法执行编码后的码字，得到调制后的信息，并将得到的调制后的信息通过发射天线广播到所有中继节点和目的节点；
S2.将通过发射天线广播的调制后的信息作为输入参数，构建候选中继节点集，并通过构建候选中继节点集的方法计算协作中继的阈值，并将链路的瞬时信噪比与协作中继的阈值进行比较，得到正确译码的候选中继节点集合；
S3.将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数，构建最优中继节点集，并通过构建最优中继节点集的方法计算候选中继节点集合中各个中继节点的等效信道增益，得到中断概率最小的最优中继节点集；
S4.将得到的中断概率最小的最优中继节点集作为输入参数，判断中继节点是否参与协作传输，若是，则中断概率最小的最优中继节点集中的中继节点对接收信息通过极化码连续删除译码方法处理，并对处理后的信息通过信道极化编码方法转发至目的节点；
S5.将转发至目的节点的信息通过最大比合并方法合并所有接收到的信息，得到信息序列，并将信息序列依次执行解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信息序列。
在步骤S1中，源节点对需要传输的信息序列通过信道极化以及极化编码的方法执行，得到编码后的码字，通过调制方法执行编码后的码字，得到调制后的信息，并将得到的调制后的信息通过发射天线广播到所有中继节点和目的节点。具体包括：
S11.源节点对需要传输的信息序列，通过信道极化以及极化编码的方法执行。
其中，信道极化方法具体为：
信道极化方法主要包含两大步骤：信道组合和信道分解。随着信道复用数目的增加，信道经过这两个步骤后，复用的比特信道会极化成两类信道：无噪信道和全噪信道(还有一小部分信道介于两者之间)。极化码构造就是利用无噪信道传输消息序列，利用全噪信道传输冻结比特，冻结比特不传递信息，可全用码字0表示。具体见“E.Arikan，ChannelPolarization：A Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for SymmetricBinary-Input Memoryless Channels，IEEE Transactions on Information Theory，vol.55，no.7，pp.3051-3073，July 2009”。
极化编码方法具体为：
将长度位K的信息序列，经过背景技术所述的信道极化理论构造为长度为1×L的信息码字向量u＝(u1，u2，…，uL)。其中，K，L为自然数，且有K＜L。u的元素包含K位信息比特和L-K位冻结比特，冻结比特不传递信息，可全用码字0表示。之后，码长为L，信息位长为K的极化码P(L，K)码字x，通过消息码字u的线性变换x＝uGL，来生成。其中，x＝(x1，x2，…，xL)是生成的1×L维度的码字向量，
Figure BDA0002806596100000091
是L×L维度的生成矩阵，BL是L×1维度的比特翻转矩阵，
Figure BDA0002806596100000092
是极化矩阵
Figure BDA0002806596100000093
的n阶Kronecker乘积，n＝log2L。其中，Kronecker乘积是任意两个大小的矩阵间的运算：如果A是一个m×n的矩阵，而B是一个p×q的矩阵，
Figure BDA0002806596100000094
其中amn为矩阵A中的值，m与n为自然数。极化编码具体见“E.Arikan，Channel Polarization：A Method for Constructing Capacity-AchievingCodes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels，IEEE Transactions onInformation Theory，vol.55，no.7，pp.3051-3073，July 2009”。
S12.将步骤S11所得的编码后的码字执行调制方法，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到所有中继和目的节点。
其中，调制方法具体为：
源节点极化信道编码得到码字x＝(x1，x2，…，xL)，经过幅度、频率、相位等变化，来完成调制。具体见“H·桑卡尔，蒋靖，A·Y·戈罗霍夫，et al.极化码和调制映射：，2019.”。如二进制相移键控(BPSK)调制通过以下方法实现：si＝1-2xi，i为自然数，范围为1～L，L表示码字长度，si是xi对应的BPSK调制符号，si∈{-1，1}。
在步骤S2中，将通过发射天线广播的调制后的信息作为输入参数，构建候选中继节点集，并通过构建候选中继节点集的方法计算协作中继的阈值，并将链路的瞬时信噪比与协作中继的阈值进行比较，得到正确译码的候选中继节点集合。
候选中继节点集构建方法具体为：
S21.步骤2.1，在多中继协作系统中，包括一个源节点S，一个目的节点D和多个中继节点Ri，i的范围为1～N，其中N表示所有中继节点数目。每个中继节点都有一个全向天线。源节点将信号广播给中继和目的节点，目的节点D和第i(1≤i≤N)个中继节点Ri收到的信号分别为：
Figure BDA0002806596100000101
Figure BDA0002806596100000102
其中，Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和
Figure BDA0002806596100000103
是零均值且方差分别是实数
Figure BDA0002806596100000104
和
Figure BDA0002806596100000105
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的信道系数；而nsd和
Figure BDA0002806596100000106
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000107
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声。
步骤2.2，对于N个中继节点，一个完整的传输过程需要N+1个时隙。即如在从源到中继节点的信道衰落是不同的，部分中继节点不能正确译码，则在下一阶段这些中继节点无法转发。如第i个中继节点Ri能正确译码源节点信息，则需要满足以下关系式
Figure BDA0002806596100000111
其中，
Figure BDA0002806596100000112
为实数，表示链路S-Ri的瞬时信噪比，V为实数，表示信息传输速率。当中继节点能正确译码源节点信息时，需满足以下阈值关系：
γCorp，th＝2(N+1)V-1 (4)
将能正确译码源节点信息的中继节点作为候选中继节点集合，且其表示为：
Figure BDA0002806596100000113
在步骤S3中，将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数，构建最优中继节点集，并通过构建最优中继节点集的方法计算候选中继节点集合中各个中继节点的等效信道增益，得到中断概率最小的最优中继节点集。
S31.基于步骤S22选出的候选中继节点集合，分以下情况执行不同操作：
若候选中继集合Ω为空，即所有中继节点均不能正确译码源节点的信息，则系统不依赖中继节点，采用链路直接传输：
Figure BDA0002806596100000114
其中，
Figure BDA0002806596100000116
为采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信息。
由于没有中继节点的参与，则链路直传的互信息可表示为
IDT＝log2(1+γsd) (7)
其中，
Figure BDA0002806596100000115
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比。
S32.若候选中继集合Ω非空，则从候选中继集合中选择使系统中断概率最小的最优中继节点。
源节点和目的节点的互信息的计算表示为：
Figure BDA0002806596100000121
其中，
Figure BDA0002806596100000122
为实数，表示链路S-D的瞬时信噪比，
Figure BDA0002806596100000123
为实数，表示链路Ri-D的瞬时信噪比，
Figure BDA0002806596100000124
为实数，表示中继节点Ri的发送功率，
Figure BDA0002806596100000125
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000126
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数，i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为候选中继集Ω中的元素个数。
在等功率条件
Figure BDA0002806596100000127
且已确定了Ω下，系统的中断概率Pr(ISDF＜V|Ω)计算为：
Figure BDA0002806596100000128
其中，Pr(t)为实数，表示括号中变量t的概率。
从Ω中选择M个中继节点的中断概率为
Figure BDA0002806596100000129
其中，Bopt为1×M维向量，表示最优中继节点集合，M为最优中继节点个数。根据式POUT(Bopt|Ω)定义中继节点的等效信道增益：
Figure BDA00028065961000001210
i＝1～|Ω|。因此根据式(10)，中继节点的等效信道增益越大，那么中继节点参与协作使得系统的中断概率就越小。
S33.假设选择M个中继节点的中断概率最小，则可以得到
POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M-1 (11)
POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M+1 (12)
由式(11)，式(12)和式(10)，可得
Figure BDA0002806596100000131
其中，
Figure BDA0002806596100000132
为当前信噪比。
选择等功率下的最优中继节点集合Bopt的步骤如下：
首先，计算候选集Ω中各中继节点的wi并增序排列为w1～wΩ′，且将各中继节点按wi的大小相应的增序排列为R1～RΩ′。然后根据当前信噪比
Figure BDA0002806596100000133
和预先计算的
Figure BDA0002806596100000134
找出满足关系式
Figure BDA0002806596100000135
的最小的M′值作为Mopt，其中M′的范围为1～Ω′，表示增序排列的序号。Mopt服从下式：
Figure BDA0002806596100000136
中继节点的wi越大系统的中断概率就越小，且wi服从增序排列。则从已经排列好的候选中继集中丢弃前Mopt-1个中继节点，剩余节点作为最优中继，此时最优中继节点集合为：
Figure BDA0002806596100000137
当SNR大于SNReq，M′的最大值
Figure BDA0002806596100000138
时，Mopt为1，则候选中继集不需要丢弃节点，候选集Ω中的节点全部参与协作。当SNR过于小以至于小于SNReq，M′的最小值
Figure BDA0002806596100000139
时，找不出符合情况的Mopt值，则选择候选集中wi最大的RΩ′作为中继节点。
在步骤S4中，将得到的中断概率最小的最优中继节点集作为输入参数，判断中继节点是否参与协作传输，若是，则中断概率最小的最优中继节点集中的中继节点对接收信息通过极化码连续删除译码方法处理，并对处理后的信息通过信道极化编码方法转发至目的节点。
S41.分别计算链路直传的互信息和中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和：
链路直传的互信息计算为：
IDT＝log2(1+γsd) (15)
其中，
Figure BDA0002806596100000141
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比。
中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和计算为：
Figure BDA0002806596100000142
S42.当链路直传比中继集合Bopt性能好时，满足：
Figure BDA0002806596100000143
从而得出结论：
Figure BDA0002806596100000144
中继节点Ri能正确译码源节点信息，需要满足
Figure BDA0002806596100000145
故将γCorp，th代入(18)，可得两者满足关系：
Figure BDA0002806596100000146
所以在链路直传性能优良的情况下优先直传的阈值为
γDT，th＝M·2V-1 (20)
当链路直传的瞬时信噪比γsd超过阈值γDT，th，且
Figure BDA0002806596100000147
时，跳转到步骤S31，优先选择直传链路S-D传输，中继集合Bopt不参与协作传输。
S43.如集合Bopt参与协作，则集合Bopt中的中继节点Ri对接收信号执行背景技术所述的极化码连续删除译码方法处理后，再次执行背景技术所述的信道极化编码转发给目的节点D。在Ri处，经译码转发的信号可表示为
Figure BDA0002806596100000151
则D接收的信号
Figure BDA0002806596100000152
可表示为
Figure BDA0002806596100000153
其中，
Figure BDA0002806596100000154
是零均值且方差为实数
Figure BDA0002806596100000155
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
在步骤S5中，将转发至目的节点的信息通过最大比合并方法合并所有接收到的信息，得到信息序列，并将信息序列依次执行解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信息序列。
当接收到步骤S21和步骤S43的两个阶段的信息或步骤S31、步骤S42的仅依靠链路直传转发的信息后，目的节点执行最大比合并方法合并所有接收到的信息，然后依次执行所解调、连续删除译码方法解码得到目的节点估计的信息序列，即本方法最后的结果。
其中，最大比合并(MRC)方法具体为：
为了全部利用多路接受提供的空间分集增益，MRC选择可最大化接受SNR的权重因子，从而减少中断概率。具体见“D G Brennan，On the maximum signal-to-noise ratiorealization from several noisy signals，Proc IRE，vol 43，p 1530，Oct 1955”。特别地，如给予瞬时信道状态信息，MRC的权重因子按下式给出
Figure BDA0002806596100000156
其中，i为自然数，
Figure BDA0002806596100000157
为链路信道系数hi的共轭。
极化码译码方法具体为：
由P(L，K)定义的极化码可以通过连续删除译码(SC)方法解码。其中，L和K分别表示码长和信息位长度。信息码字向量u＝(u1，u2，…，uL)经过编码后生成码字x＝(x1，x2，…，xL)，随后将其发射到自由空间，经各中继信道传送，在接收端得到1×L维度的信道输出向量y＝(y1，y2，…，yL)。SC译码方法的估算值
Figure BDA0002806596100000158
通过下式计算得到。
Figure BDA0002806596100000161
其中，i的范围为1～L，L为极化码长，A代表信息比特位置的集合，Ac代表冻结比特位置的集合，hi是一个决策函数定义为：
Figure BDA0002806596100000162
其中，
Figure BDA0002806596100000163
是实数，表示信道转移概率；ui是0或1的整数，表示信道的输入，1×i-1维度的
Figure BDA0002806596100000164
表示前i-1个已经估计出的信息比特值。极化码译码具体见“E.Arikan，Channel Polarization：A Method for Constructing Capacity-AchievingCodes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels，IEEE Transactions onInformation Theory，vol.55，no.7，pp.3051-3073，July2009”。
图1所示为本实施例的基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法流程图。图2所示为源节点信息广播步骤流程图。图3所示为候选中继节点集构建方法流程图。图4所示为最优中继节点集构建方法流程图。图5为判断中继是否参与协作的方法流程图。
图6为目的节点信息接收步骤流程图。对于传输到目的节点的信息，执行背景技术所述的最大比合并方法，合并所有接收到的信息。然后将合并后的信息序列，依次执行背景技术所述的解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信息序列，即本方法最后的结果。
图7为信道极化分布图。当码长L为1024时，码字在传输时复用的信道中一部分信道容量接近为0变成全噪信道，另一部分信道容量接近为1变成无噪信道。极化码构造就是利用无噪信道传输消息序列，利用全噪信道传输冻结比特，冻结比特不传递信息，可全用码字0表示。
图8为三种主要的分集合并方式的性能比较。当误码率为10-3时，最大比合并相较于等增益合并和选择合并分别由1dB和2dB的性能优势。这是因为MRC为了全部利用多路接受提供的空间分集增益，选择可最大化接受SNR的权重因子，从而减少中断概率。而等增益合并和选择合并虽然利用了信道状态信息来决定它们的权重因子，但是这些方案中使用的权重因子没有任何程度的优化。
图9为中断概率性能比较。分析比较了AF、DF、选择译码转发(SDF)和直传的中断概率。在相同信噪比下，SDF协议的中断概率比DF协议要低，且随着信噪比的增加差距会越来越明显。AF和SDF的中断概率曲线的斜率近似相同，并且可以获得全分集增益。然而，SDF协议还采用了中继选择方法，从而消除了噪声干扰并避免了错误传播，因此它的性能优于AF协议。这也表明，通过确保中继节点中信息传输的正确性，可以有效地提高协作系统的可靠性。
本发明提出一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其包括了降低系统中断概率的最优多中继节点选择方法、提出了在直传链路性能优良的情况下优先直传的阈值、联合极化信道编码和选择译码转发。低复杂度的最优中继集合选择方法降低了系统复杂度，结合极化信道编码和选择译码转发提高了系统性能，从而具有较高应用价值。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，包括步骤：
S1.源节点对需要传输的信息序列通过信道极化以及极化编码的方法执行，得到编码后的码字，通过调制方法执行编码后的码字，得到调制后的信息，并将得到的调制后的信息通过发射天线广播到所有中继节点和目的节点；
S2.将通过发射天线广播的调制后的信息作为输入参数，构建候选中继节点集，并通过构建候选中继节点集的方法计算协作中继的阈值，并将链路的瞬时信噪比与协作中继的阈值进行比较，得到正确译码的候选中继节点集合；
S3.将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数，构建最优中继节点集，并通过构建最优中继节点集的方法计算候选中继节点集合中各个中继节点的等效信道增益，得到中断概率最小的最优中继节点集；
S4.将得到的中断概率最小的最优中继节点集作为输入参数，判断中继节点是否参与协作传输，若是，则中断概率最小的最优中继节点集中的中继节点对接收信息通过极化码连续删除译码方法处理，并对处理后的信息通过信道极化编码方法转发至目的节点；
S5.将转发至目的节点的信息通过最大比合并方法合并所有接收到的信息，得到信息序列，并将信息序列依次执行解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信息序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21.源节点将信号广播给中继节点和目的节点，目的节点D和第i个中继节点Ri收到的信号分别为：
Figure FDA0002806596090000011
Figure FDA0002806596090000012
其中，S表示一个源节点；D表示一个目的节点；Ri表示多个中继节点，1≤i≤N，N表示所有中继节点数目；Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和
Figure FDA0002806596090000013
是零均值且方差分别是实数
Figure FDA0002806596090000014
和
Figure FDA0002806596090000015
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的信道系数；nsd和
Figure FDA0002806596090000016
是零均值且方差为实数
Figure FDA0002806596090000017
的相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声；
S22.第i个中继节点Ri能正确译码源节点信息，则需要满足以下关系式：
Figure FDA0002806596090000021
其中，
Figure FDA0002806596090000022
为实数，表示链路S-Ri的瞬时信噪比，V为实数，表示信息传输速率；
当中继节点能正确译码源节点信息时，需满足以下阈值关系：
γCorp，th＝2(N+1)V-1 (4)
将能正确译码源节点信息的中继节点作为候选中继节点集合，表示为：
Figure FDA0002806596090000023
其中，Ω表示正确译码的候选中继节点集合。
3.根据权利要求2所述的一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，所述步骤S3中将得到的正确译码的候选中继节点集合作为输入参数之后还包括判断正确译码的候选中继节点集合是否为空，若是，则所有中继节点均不能正确译码源节点的信息，采用链路直接传输，表示为：
Figure FDA0002806596090000024
其中，
Figure FDA0002806596090000025
表示采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信息；
链路直传的互信息，表示为
IDT＝log2(1+γsd) (7)
其中，
Figure FDA0002806596090000026
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比。
4.根据权利要求3所述的一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，所述判断正确译码的候选中继节点集合为非空时，则从正确译码的候选中继节点集合中选择中断概率最小的最优中继节点集，具体为：
源节点和目的节点的互信息的计算表示为：
Figure FDA0002806596090000027
其中，
Figure FDA0002806596090000031
为实数，表示链路S-D的瞬时信噪比；
Figure FDA0002806596090000032
为实数，表示链路Ri-D的瞬时信噪比；
Figure FDA0002806596090000033
为实数，表示中继节点Ri的发送功率；
Figure FDA0002806596090000034
是零均值且方差为实数
Figure FDA00028065960900000310
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数；i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为正确译码的候选中继节点集合Ω中的元素个数；
在等功率条件
Figure FDA0002806596090000035
中断概率Pr(ISDF＜V|Ω)计算为：
Figure FDA0002806596090000036
其中，Pr(t)为实数，表示括号中变量t的概率；
从正确译码的候选中继节点集合Ω中选择M个中继节点的中断概率，表示为：
Figure FDA0002806596090000037
其中，Bopt为1×M维向量，表示最优中继节点集合；M为最优中继节点个数；
假设选择M个中继节点的中断概率最小，则可以得到：
POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M-1 (11)POUT(Bopt|Ω)M＜POUT(Bopt|Ω)M+1 (12)
由公式(11)、公式(12)和公式(10)，可得：
Figure FDA0002806596090000038
其中，
Figure FDA0002806596090000039
为当前信噪比。
5.根据权利要求4所述的一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，所述在等功率条件，选择的中断概率最小的最优中继节点集具体为：
计算正确译码的候选中继节点集合Ω中各中继节点的wi并增序排列为w1～wΩ′，且将各中继节点按wi的大小相应的增序排列为R1～RΩ′；
根据当前信噪比
Figure FDA0002806596090000041
和预先计算的
Figure FDA0002806596090000042
找出满足关系式SNReq，M′＜SNR的最小的M′值作为Mopt，其中M′的范围为1～Ω′，表示增序排列的序号；Mopt服从下式：
Figure FDA0002806596090000043
从已经排列好的候选中继集中丢弃前Mopt-1个中继节点，剩余节点作为最优中继，此时最优中继节点集合为：
Figure FDA0002806596090000044
当SNR大于SNReq，M′的最大值
Figure FDA0002806596090000045
时，Mopt为1，则候选中继集不需要丢弃节点，候选集Ω中的节点全部参与协作；当SNR过于小以至于小于SNReq，M′的最小值
Figure FDA0002806596090000046
时，找不出符合情况的Mopt值，则选择候选集中wi最大的RΩ′作为中继节点。
6.根据权利要求5所述的一种基于信道统计特性的多中继选择极化译码转发方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S41.分别计算链路直传的互信息和中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和：
链路直传的互信息计算为：
IDT＝log2(1+γsd) (15)
其中，
Figure FDA0002806596090000047
为实数，表示S-D链路的瞬时信噪比；
中继集合Bopt中所有中继节点链路S-Ri的互信息之和计算为：
Figure FDA0002806596090000051
S42.当链路直传比中继集合Bopt性能好时，满足：
Figure FDA0002806596090000052
从而得出结论：
Figure FDA0002806596090000053
中继节点Ri能正确译码源节点信息，需要满足
Figure FDA0002806596090000054
故将γCorp，th代入(18)，可得两者满足关系：
Figure FDA0002806596090000055
在链路直传性能优良的情况下优先直传的阈值为：
γDT，th＝M·2V-1 (20)
当链路直传的瞬时信噪比γsd超过阈值γDT，th，且
Figure FDA0002806596090000056
时，，选择直传链路S-D传输，中继集合Bopt不参与协作传输；
S43.如集合Bopt参与协作，则集合Bopt中的中继节点Ri对接收信号执行极化码连续删除译码方法处理，再次执行信道极化编码转发给目的节点D；
在Ri处，经译码转发的信号可表示为
Figure FDA0002806596090000057
则D接收的信号
Figure FDA0002806596090000058
可表示为：
Figure FDA0002806596090000059
其中，
Figure FDA00028065960900000510
是零均值且方差为实数
Figure FDA00028065960900000511
的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
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