CN112738864B - 一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法，按如下步骤完成：S1.源节点信息广播步骤：S2.中继节点分类步骤：目的节点根据各中继节点能否正确解码，选择协作方式；S3.最优中继选择步骤：目的节点比较各中继协作的信道容量，选择最优中继；S4.目的节点选择反馈步骤：目的节点根据源节点直传的信道容量，判断能否正确接收，正确接收反馈续传信号，错误接收按照重传选择方法选择反馈信号；S5.源节点和中继节点响应反馈步骤；本发明考虑了中继节点功率低于源节点功率，且源‑中继，中继‑目的的链路状况优于源‑目的的链路状况，在重传选择中，选择信道容量最佳的重发方式，本发明不偏向使用高功率的源节点，其功率损耗得到降低。

Description

一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，尤其涉及一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法。

背景技术

近年来，无线通信技术发展迅速。多输入多输出(MIMO)技术可以有效抵抗信道中的多径衰落，信息传输的可靠性可以得到提高。但是受限于尺寸等各种原因，使得许多无线通信系统无法直接采用多天线技术。协作通信技术作为一种虚拟的多输入多输出系统，可以有效解决多天线技术的限制条件，成为现代无线通信的研究热点。

目前，中继协作通信使用最普遍的两类方案为：解码转发(DF)，放大转发(AF)。解码转发(DF)：中继节点对接收到的信号进行解码，然后再在中继器内对其编码，再转发出去。其缺点为对接收到的信号不能正确解码会造成错误传播。放大转发(AF):中继节点对接收到的信号进行放大，然后再将放大后的信号转发出去。其缺点为放大信号的过程中对噪声也进行了放大。另外，无线通信中采用类似自动请求重传(ARQ)机制的增量中继，可有效增强无线系统信息传输的有效性，并且进一步加上选择机制，即可以选择源节点进行重传(不单单只采用中继协作的方式)，可以进一步增加信息传输的可靠性。

移动通信中总是存在干扰和衰落，在信号传输过程中难免会出现差错，故对数字信号必须采用纠错、检错技术，以增强数据在信道传输中的抗干扰能力，提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠错、检错编码就是信道编码。具体见“刘玉君.信道编码(修订版)[M].河南科学技术出版社，1992”。

增量选择的混合译码放大转发(ISHDAF)方法是一种优良的协作通信方法，很好地融合了上述的方案，综合其各自的优点，避免了其缺点。通过引入自动请求重传(ARQ)方式，并针对目的节点反馈信息，分别决定采用非协作传输、源节点重传和协作传输，其中，中继协作传输采用混合译码放大转发(HDAF)方案，即可以根据中继接收端能否正确解码来自适应的选择放大转发(AF)或解码转发(DF)协作。具体见“章坚武,蒋静,包建荣,等.混合译码放大转发的增强选择策略及性能分析[J].中南大学学报(自然科学版),2017(06):1545-1551”。

然而ISHDAF方案总是优先考虑使用源节点传输信号，在实际应用中，中继链路的损耗要优于源直传链路的损耗，故所需的中继功率可以减少，因此采用ISHDAF方案着重考虑功率消耗较大的源节点会造成功率的浪费，不符合绿色环保要求。

针对以上问题，故，有必要对其进行改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法。主要区别是在直传失败的情况下，目的节点是将中继协作与源节点重传的性能综合考虑。

本发明方式的优势在于，目的节点选择的重发方式是最优的，它并没有倾向于源节点重传信号，而ISHDAF方法是在源节点重传会造成中断的情况下(即

才考虑中继协作，然而实际上源-中继链路和中继-目的链路的信道系数要优于源-目的链路的信道系数，因此中继协作的性能可能要优于源节点重传的性能(即I_R＞I_DRT)，故在目的节点处同时考虑中继协作与源节点重传性能优劣，就不会倾向于选择源节点重传，同时又由于源节点的功率要大于中继节点，故选择中继节点就可以达到降低功耗的目的。

本发明相较于ISHDAF方法，它只是对ISHDAF方法的选择方式进行优化，其中断概率与ISHDAF方法是一致的，同时设备复杂度也没有提高，但更能满足节能环保的要求。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法，包括步骤：

S1.源节点对需传输的信息比特，执行背景技术所述的信道编码调制，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.将目的节点收到的信息传输速率R作为输入参数，目的节点计算各中继的信道容量，判断中继可否正确解码。可正确解码的中继加入解码转发中继集合，剩下的中继加入放大转发中继集合，共得到两类中继协作集合；

S3.将两类中继协作集合的中继节点，分别作为输入参数，在目的节点计算各中继协作的信道容量，从中选择信道容量最优的中继；

S4.将信息传输速率R作为输入参数，目的节点根据源节点直传的信道容量，判断能否正确接收，正确接收反馈续传信号，错误接收按照重传选择方法选择反馈信号；

S5.将反馈信号作为输入参数，源节点和中继节点根据接收的反馈结果，执行以下操作：源节点续传信号、源节点重传信号、中继节点放大转发信号、中继节点解码转发信号。该四种可能的结果，即为本发明方法的最终结果，且有信道容量最优的特点。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，中继协作集合分类方法采用以下步骤完成：

S2.1.源节点将信号广播给目的节点和中继节点，目的节点d和第i个中继节点r_i收到的信号分别为：

其中，s为源节点；d为目的节点；r_i为第i个中继，N为正整数，表示中继节点的个数，i为正整数，区间为：1≤i≤N，表示中继序号；P_s为实数，表示源节点s的发射功率；h_sd为复数，表示源节点s到目的节点d的信道系数；

为复数，表示源节点s到中继节点r_i的信道系数；w_d表示源节点噪声，

表示第i个中继节点噪声，w_d与

服从均值为0，方差分别为实数

的加性高斯白噪声；

S2.2.目的节点判断中继能正确解码，即是否满足关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，上式可表示为：

其中，

为实数，满足

表示源-中继i链路的瞬时信噪比，另设门限γ_th为：

γ_th＝2^2R-1 (5)

将能正确解码的中继节点作为解码转发中继集合，表示为：

将不能正确解码的中继节点作为放大转发中继集合，表示为：

其中，Ω_DF表示解码转发中继集合，Ω_AF表示放大转发中继集合。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，信道容量最优的中继选择方法采用以下步骤完成：

S3.1.设r_i∈Ω_DF，1≤i≤m，m为正整数，表示解码转发中继个数；r_j∈Ω_AF，m+1≤j≤N，N-m表示放大转发中继个数。对于Ω_DF，其中继协作的信道容量I_DF为：

根据下式，选择Ω_DF集合中的最优中继r_k：

其中，

为实数，满足

表示中继i-目的链路的瞬时信噪比；

为实数，表示第i个中继节点的发射功率；

为复数，表示第i个中继节点到目的节点d的信道系数。

对于Ω_AF集合，其中继协作的信道容量为：

其中，

根据下式，选择Ω_AF集合中的最优中继r_l：

其中，

S3.2.对比步骤S3.1所得的两个部分最优中继r_k，r_l的信道容量，选择整体最优中继R，若满足下式：

即表明中继r_k协作的信道容量优于中继r_l协作的信道容量，此时选择的最优中继R为r_k，反之最优中继R为r_l。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S4中，目的节点选择反馈方法采用以下步骤完成：

S4.1.目的节点判断正确接收信号，则需要满足以下关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，进一步化简可得：

γ_sd＞γ_th (14)

其中

γ_th＝2^2R-1，那么有γ_sd＞γ_th则判断目的节点可以正确接收信号，γ_sd＜γ_th则判断目的节点不可正确接收信号。

S4.2.若目的节点判断结果为目的节点正确接收信号，则目的节点选择反馈信号为源节点续传，步骤S4结束；

S4.3.若目的节点判断结果为目的节点错误接收信号，则目的节点进一步将最优中继信道容量I_R与源节点重传信道容量I_DRT进行比较，其中有：

其中，

若满足：

I_R＞I_DRT (17)

则目的节点选择的反馈信号为：最优中继节点R协作传输；反之则反馈信号为：源节点重传。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明在第一时隙接收失败后，通过目的节点判断中继能否正确解码，进一步比对源节点重传互信息量与最优中继协作互信息量(源节重传：I_DRT，最优中继协作：I_R)，来决策第二时隙的发送方式。在大信噪比以及源节点功率大于中继节点功率的情况下，本发明将中继协作性能与源节点重传性能综合起来考虑，而不是在源节点已经无法满足要求时才考虑中继协作，即没有倾向于源节点重传，故可以更容易的选择中继协作方式，从而改善功率消耗。

附图说明

图1为实施例一提供的多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法流程图；

图2为实施例一提供的得到两类中继集合步骤流程图；

图3为实施例一提供的选择最优中继节点步骤流程图；

图4为实施例一提供的选择反馈信号步骤流程图；

图5为实施例一提供的中断概率性能比较示意图；

图6为实施例一提供的平均功率比较示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

本发明一种优等实施例依次经过下述主要步骤得以实现：

S1.源节点对需传输的信息比特通过信道极化以及极化编码的方法执行信道编码调制，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.将目的节点收到的信息传输速率R作为输入参数，目的节点计算各中继的信道容量，判断中继可否正确解码。可正确解码的中继加入解码转发中继集合，剩下的中继加入放大转发中继集合，共得到两类中继协作集合；

S3.将两类中继协作集合的中继节点，分别作为输入参数，在目的节点计算各中继协作的信道容量，从中选择信道容量最优的中继；

S4.将信息传输速率R作为输入参数，目的节点根据源节点直传的信道容量，判断能否正确接收，正确接收反馈续传信号，错误接收按照重传选择方法选择反馈信号；

S5.将反馈信号作为输入参数，源节点和中继节点根据接收的反馈结果，执行以下操作：源节点续传信号、源节点重传信号、中继节点放大转发信号、中继节点解码转发信号。该四种可能的结果，即为本发明方法的最终结果，且有信道容量最优的特点。

在步骤S1中，源节点对准备传输的信号序列执行信道极化以及极化编码的方法，得到编码后的码字，然后再通过二进制相移键控(BPSK)调制方法调制编码后的码字，得到调制信号后最后通过发射天线广播到所有中继节点和目的节点。具体包括：

S1.1.源节点对准备传输的信号序列执行信道极化以及极化编码的方法。

其中，信道极化方法具体为：

信道极化方法可以分成两大步：信道组合和信道分解。由于信道复用数目增多，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。通过利用无噪信道传输信号序列可以构造极化码，通过利用全噪信道传输来冻结比特，冻结比特是不传递信息的，可以用0码字表示。具体见“E.Arikan,Channel Polarization:A Methodfor Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-InputMemoryless Channels,IEEE Transactions on Information Theory,vol.55,no.7,pp.3051-3073,July 2009”。

极化编码方法具体为：

将长度为K的信息序列，经过上述背景技术所提的信道极化理论构造为长度1×L的信息码字向量u＝(u₁,u₂,…,u_L)。其中，K和L为常数，且满足K＜L。向量u的元素由K位信息比特以及L-K位冻结比特组成，冻结比特不传递信息，可用0表示。然后，总码长为L，信息位长为K的极化码P(L,K)码字向量x，通过线性变换x＝uG_L生成。其中，x＝(x₁,x₂,…,x_L)是得到的1×L维度的码字向量，

是L×L维度的生成矩阵，B_L是L×1维度的比特翻转矩阵，

是极化矩阵

的n阶Kronecker乘积，n＝log₂L。其中，Kronecker乘积表示了两个任意大小的矩阵运算：比如A是一个m×n矩阵，B是一个p×q矩阵，

，其中a_mn为矩阵A中的元素，m与n表示常数。极化编码具体见“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”。

S1.2.将步骤S11得到的编码后的码字进行BPSK调制，然后通过发射天线，广播到中继节点和目的节点。

其中，调制方式具体为二进制相移键控(BPSK)，通过以下方法实现：

其中s_T(t)表示BPSK信号，上式子中“1”和“0”是编码后码字。具体见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[M].国防工业出版社，2018”。

在步骤S2中，将目的节点通过接收天线接收到的传输速率作为输入参数，目的节点计算各中继的信道容量，判断中继可否正确解码，可正确解码的中继加入解码转发中继集合，不可正确解码的中继加入放大转发中继集合，得到两类中继协作集合；

得到两类中继协作集合方法具体为：

S2.1.源节点将信号广播给目的节点和中继节点，目的节点d和第i个中继节点r_i收到的信号分别为：

其中，s为源节点；d为目的节点；r_i为第i个中继，N为正整数，表示中继节点的个数，i为正整数，区间为：1≤i≤N，表示中继序号；P_s为实数，表示源节点s的发射功率；h_sd为复数，表示源节点s到目的节点d的信道系数；

为复数，表示源节点s到中继节点r_i的信道系数；w_d表示源节点噪声，

表示第i个中继节点噪声，w_d与

服从均值为0，方差分别为实数

的加性高斯白噪声；

S2.2.目的节点判断中继能正确解码，即是否满足关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，上式可表示为：

其中，

为实数，满足

表示源-中继i链路的瞬时信噪比，另设门限γ_th为：

γ_th＝2^2R-1 (5)

将能正确解码的中继节点作为解码转发中继集合，表示为：

将不能正确解码的中继节点作为放大转发中继集合，表示为：

其中，Ω_DF表示解码转发中继集合，Ω_AF表示放大转发中继集合。

在步骤S3中，将两类中继协作集合作为输入参数，目的节点计算各中继协作的信道容量，从中选择信道容量最优的中继；

得到信道容量最优中继方法具体为：

S3.1.设r_i∈Ω_DF，1≤i≤m，m为正整数，表示解码转发中继个数；r_j∈Ω_AF，m+1≤j≤N，N-m表示放大转发中继个数。对于Ω_DF，其中继协作的信道容量I_DF为：

根据下式，选择Ω_DF集合中的最优中继r_k：

其中，

为实数，满足

表示中继i-目的链路的瞬时信噪比；

为实数，表示第i个中继节点的发射功率；

为复数，表示第i个中继节点到目的节点d的信道系数。

对于Ω_AF集合，其中继协作的信道容量为：

其中，

根据下式，选择Ω_AF集合中的最优中继r_l：

其中，

S3.2.对比步骤S3.1所得的两个部分最优中继r_k，r_l的信道容量，选择整体最优中继R，若满足下式：

即表明中继r_k协作的信道容量优于中继r_l协作的信道容量，此时选择的最优中继R为r_k，反之最优中继R为r_l。

在步骤S4中，将信息传输速率R作为输入参数，目的节点根据源节点直传的信道容量，判断能否正确接收，正确接收反馈续传信号，错误接收按照重传选择方法选择反馈信号；

选择反馈信号方法具体为：

S4.1.目的节点判断正确接收信号，则需要满足以下关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，进一步化简可得：

γ_sd＞γ_th (14)

其中

γ_th＝2^2R-1，那么有γ_sd＞γ_th则判断目的节点可以正确接收信号，γ_sd＜γ_th则判断目的节点不可正确接收信号。

S4.2.若目的节点判断结果为目的节点正确接收信号，则目的节点选择反馈信号为源节点续传，步骤S4结束；

S4.3.若目的节点判断结果为目的节点错误接收信号，则目的节点进一步将最优中继信道容量I_R与源节点重传信道容量I_DRT进行比较，其中有：

其中，

若满足：

I_R＞I_DRT (17)

则目的节点选择的反馈信号为：最优中继节点R协作传输；反之则反馈信号为：源节点重传。

在步骤S5中，将反馈信号作为输入参数，源节点和中继节点根据接收的反馈结果，执行以下操作：源节点续传信号、源节点重传信号、中继节点放大转发信号、中继节点解码转发信号。该四种可能的结果，即为本实施例的最终结果，且有信道容量最优的特点。

具体为：

S5.源节点和中继节点接收到目的节点的广播信号，该广播信号的内容有：通知源节点续传信号、通知源节点重传信号、通知最优中继R解码转发信号、通知最优中继R放大转发信号。源和中继根据信号判断通知的是否为自己，是则执行操作，不是则保持沉默。

图1所示为本实施例的多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法流程图。图2所示为得到两类中继集合步骤流程图。图3所示为选择最优中继节点步骤流程图。图4所示为选择反馈信号步骤流程图。

图5为中断概率性能比较。分析比较了混合译码放大转发(HDAF)、增量选择的混合译码放大转发(ISHDAF)、优化增量选择的混合译码放大转发(优化ISHDAF)在本实施例情况下的中断概率。可以发现，优化ISHDAF的中断概率与ISHDAF基本一致，说明优化ISHDAF在性能上与ISHDAF相同，并且二者都优于HDAF。

图6为平均功率比较。分析了增量选择的混合译码放大转发(ISHDAF)与优化增量选择的混合译码放大转发(优化ISHDAF)在本实施例情况下的平均功率大小。可以发现，优化ISHDAF的平均功率低于ISHDAF，说明了本发明在不改变中断性能的情况下，可以实现降低能耗的要求，这是由于本发明在选择重发机制中是将中继协作与源节点重传综合考虑，避免偏向源节点重传情况，同时选择的重发机制是最优的，故不会降低中断概率同时满足降低能耗的目标。

由此可知，本发明采用了自动请求重传机制、源节点重传和中继协作传输，可较好地改善系统中断性能，同时在直传失败的情况下，目的节点进行统一比较选择最优重发方式，直接通知源节点和中继节点下一时隙的工作内容，相较于现有的ISHDAF方案没有偏向使用源节点，在大信噪比以及源节点功率大于中继节点功率的情况下可以有效降低能源损耗。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例即所运用技术原理。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实现各种改变、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范畴。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较为详细的说明，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，而本发明的范畴由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.源节点对需传输的信息比特，执行信道编码调制，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.将目的节点收到的信息传输速率R作为输入参数，目的节点计算各中继的信道容量，判断中继能否正确解码；能正确解码的中继加入解码转发中继集合，剩下的中继加入放大转发中继集合，共得到两类中继协作集合；

S3.将两类中继协作集合的中继节点，分别作为输入参数，在目的节点计算各中继协作的信道容量，从中选择信道容量最优的中继；

S4.将信息传输速率R作为输入参数，目的节点根据源节点直传的信道容量，判断能否正确接收，正确接收反馈续传信号，错误接收按照重传选择方法选择反馈信号；

S5.将反馈信号作为输入参数，源节点和中继节点根据接收的反馈结果，执行以下操作：源节点续传信号、源节点重传信号、中继节点放大转发信号、中继节点解码转发信号；该四种可能的结果，即为最终结果，且有信道容量最优的特点；

步骤S2中，中继协作集合分类方法采用以下步骤完成：

S2.1.源节点将信号广播给目的节点和中继节点，目的节点d和第i个中继节点r_i收到的信号分别为：

其中，s为源节点；d为目的节点；r_i为第i个中继，N为正整数，表示中继节点的个数，i为正整数，区间为：1≤i≤N，表示中继序号；P_s为实数，表示源节点s的发射功率；h_sd为复数，表示源节点s到目的节点d的信道系数；

为复数，表示源节点s到中继节点r_i的信道系数；w_d表示源节点噪声，

表示第i个中继节点噪声，w_d与

服从均值为0，方差分别为实数

的加性高斯白噪声；

S2.2.目的节点判断中继能正确解码，即是否满足关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，上式表示为：

其中，

为实数，满足

表示源-中继i链路的瞬时信噪比，另设门限γ_th为：

γ_th＝2^2R-1 (5)

将能正确解码的中继节点作为解码转发中继集合，表示为：

将不能正确解码的中继节点作为放大转发中继集合，表示为：

其中，Ω_DF表示解码转发中继集合，Ω_AF表示放大转发中继集合；

步骤S3中，信道容量最优的中继选择方法采用以下步骤完成：

S3.1.设r_i∈Ω_DF，1≤i≤m，m为正整数，表示解码转发中继个数；r_j∈Ω_AF，m+1≤j≤N，N-m表示放大转发中继个数， 对于Ω_DF，其中继协作的信道容量I_DF为：

根据下式，选择Ω_DF集合中的最优中继r_k：

其中，

为实数，满足

表示中继i-目的链路的瞬时信噪比；

为实数，表示第i个中继节点的发射功率；

为复数，表示第i个中继节点到目的节点d的信道系数；对于Ω_AF集合，其中继协作的信道容量为：

其中，

根据下式，选择Ω_AF集合中的最优中继r_l：

其中，

S3.2.对比步骤S3.1所得的两个部分最优中继r_k，r_l的信道容量，选择整体最优中继R，若满足下式：

即表明中继r_k协作的信道容量优于中继r_l协作的信道容量，此时选择的最优中继R为r_k，反之最优中继R为r_l；

步骤S4中，目的节点选择反馈方法采用以下步骤完成：

S4.1.目的节点判断正确接收信号，则需要满足以下关系式：

其中，R为实数，表示信息传输速率，进一步化简得：

γ_sd＞γ_th (14)

其中

γ_th＝2^2R-1，那么有γ_sd＞γ_th则判断目的节点能正确接收信号，γ_sd＜γ_th则判断目的节点不能正确接收信号；

S4.2.若目的节点判断结果为目的节点正确接收信号，则目的节点选择反馈信号为源节点续传，步骤S4结束；

S4.3.若目的节点判断结果为目的节点错误接收信号，则目的节点进一步将最优中继信道容量I_R与源节点重传信道容量I_DRT进行比较，其中有：

其中，

若满足：

I_R＞I_DRT (17)

则目的节点选择的反馈信号为：最优中继节点R协作传输；反之则反馈信号为：源节点重传。

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