CN114189918A - 一种用于协议通信系统的中继选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，公开了一种用于协议通信系统的中继选择方法，涉及协议通信系统，且协议通信系统至少由一个信源节点、K个中继节点和一个目的节点构成，K＝1,2,3……；所述的中继选择方法中信源节点传输信号给中继节点，中继节点将接收到的信号放大后转发到目的节点，选出通过主链路(S→Rk→D)传输信号时，目的节点的接收信噪比大于门限值所对应的中继节点集合，这样可以保证主链路通信质量的可靠性；同时，在中继节点集合中，选择有效容量最大的中继节点进行传输，可实现通信系统有效容量的最大化；整个中继选择过程，首先在保证通信具有可靠性的前提下，优化通信系统的有效容量性能，从而发挥出多中继系统的最佳性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种用于协议通信系统的中继选择方法。
背景技术
与前几代无线通信系统不同，5G/6G通信系统不仅需要提高吞吐量，还要为大规模机器通信场景提供海量连接支持，为某些关键业务传输提供超可靠低时延通信服务。协作多中继技术作为5G的重要技术，利用无线通信的广播特性，通过用户之间相互协作构成一个虚拟的分布式天线阵列，能大大提高通信的可靠性。然而，信源和所有的中继节点在多个正交信道上传输，降低了系统的频谱效率。中继选择技术通过选出当前传输性能好的中继或中继组合参与传输，不但能保障系统的可靠性传输，还能大大提高频谱利用率。
在本发明作出之前，目前应用于多中继系统的中继选择方法并不多，主要有以下三种选择方法，都存在着各自的缺陷。
第一种是基于max-min选择准则的中继选择方法，即在通过第一跳链路(S→Rk)的瞬时信噪比γsk与通过第二跳链路(Rk→D)的瞬时信噪比γkd之间选出数值更小的瞬时信噪比；然后，再比较各个中继节点选出的瞬时信噪比，找出数值最大的瞬时信噪比，该瞬时信噪比所对应的中继即为选择出的中继。max-min方法能动态保证较差一跳链路的通信质量，并进而提高传输速率；但是并没有开发利用系统最佳的通信路径，其信道传输的可靠性仍然有待提高。
第二种是随机选择方案。即利用无线信道的随机变化的特性，随机选择一个中继节点Rk*协助传输。在无线衰落信道服从独立同分布情况下，该方案能实现较好的接收性能。然而，当无线衰落信道存在相关性，或者服从非同分布情况下，该方案的接收性能较差。
需要进一步指出的是，上述两种中继选择方案仅仅考虑了系统的可靠性问题，并没有考虑系统的有效容量问题。5G/6G通信系统需要提供具有不同带宽和传输时延要求的多样化服务。比如智能交通、无人驾驶、远程实时控制、增强现实等应用，具有严格的传输时延要求，如传输时延要求低于1ms，误包率低于10-5。如FTP等文件传输业务需要有较高的吞吐量指标，对时延要求却不严格。有效容量的概念是由Wu Dapeng等教授于2003年提出，特指在一定时延服务质量要求下，信道能支持的最大传输能力。有效容量比传统的香农容量能更好地刻画不同业务服务质量下，系统的吞吐量要求。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种用于协议通信系统的中继选择方法，不但保障系统的可靠性传输，又能最大化系统的有效容量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于协议通信系统的中继选择方法，涉及协议通信系统，且协议通信系统至少由一个信源节点、K个中继节点和一个目的节点构成，K＝1,2,3……；所述的中继选择方法包括如下步骤：
步骤1：在协议通信系统的第一通信时隙中，信源节点(S)向所有的中继节点(Rk,k＝1,2,...,K)发送导频信号x，此时，任意一个中继节点(Rk,k＝1,2,...,K)的接收信号为ySRk；
步骤2：在协议通信系统的第二通信时隙中，中继节点(Rk)采用放大转发协议(AF)将来自信源节点(S)的接收信号ySRk转发给目的节点(D)；
步骤3：根据任意一个中继节点(Rk,k＝1,2,...,K)的转发信息，目的节点(D)获取接收信号，并计算出相应的接收信噪比(γskd)；
步骤4：从步骤3所获的接收信噪比(γskd)中，选定任意一个接收信噪比(γskd)作为固定门限(γth)，并基于γth＜γskd的条件构成中继节点集合SN，其中，N是满足γth＜γskd条件下的中继节点个数(N≤K)；
步骤5：若N＝0，则中继节点集合SN为空集，此时，重复步骤4，直至N≥1，此时进入步骤6；
步骤6：在中继节点集合SN中计算通过链路(S→Rk→D)时，Rk∈SN这一链路中目的节点(D)的有效容量：
其中E(·)为求均值，，θ为延迟QoS指数，C[k]为采用中继节点(Rk)进行传输时导频信号x的遍历容量，且遍历容量
步骤7：在中继节点集合SN中选择任意两个中继节点对应的有效容量(ECk(θ))进行对比，并选择有效容量(ECk(θ))大的一个中继节点。
综上，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明应用了基于门限和最大有效容量准则来实施中继选择，信源节点S传输信号给中继节点，中继节点将接收到的信号放大后转发到目的节点D，选出通过链路(S→Rk→D)传输信号，目的节点D的接收信噪比大于某一固定信噪比门限值所对应的中继节点集合SN，这样可以保证通信质量的可靠性。同时，在候选中继节点集合SN中，选择使得系统有效容量最大的中继节点协传输，即可保证通信系统的有效容量。整个中继选择的过程，首先在保证通信的一定可靠性的前提下，最大化整个通信系统的有效容量性能，从而发挥出多中继系统的最佳性能。可靠性和有效容量是衡量5G/B5G无线通信系统通信质量的重要指标，本发明具有重要的意义和实用价值。
优选的，在上述步骤1中所获取的任意一个中继节点(Rk)的接收信号为
其中，nRk为中继(Rk)处的噪声，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益,PS为信源节点(S)的发射功率。
优选的，在上述在步骤2中，根据放大转发协议(AF)对接收信号ySRk进行放大的倍数为Gk，且放大倍数Gk为固定值或变值中的一种。
优选的，在上述步骤3中，所述目的节点(D)的接收信号为：
优选的，基于上述步骤7获取一个中继节点k*，且该中继节点
进一步的，当所述放大倍数Gk采取固定值时：
所述接收信噪比(γskd)为：
其中
进一步的，当所述放大倍数Gk采取变值时：
所述接收信噪比(γskd)为：
其中
附图说明
图1为本发明的系统结构图，以示出信源节点S、中继节点Rk(k＝1,2,…,K)与目的节点D之间的通信关系。
图2和图3分别是本发明方案在以固定倍数放大前传协议下，与现有的max-min方案以及随机选择方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的中断概率和有效容量仿真对比曲线图。
图4和图5分别是本发明方案在以可变倍数放大前传协议下，与现有的max-min方案以及随机选择方案在不同中继节点个数(K)和不同信噪比(SNR)下的中断概率和有效容量仿真对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例一
如图1所示，本发明的第一种具体实施方式是，一种用于协议通信系统的中继选择方法，其步骤依次为：
步骤1：在协议通信系统的第一通信时隙中，信源节点(S)向所有的中继节点(Rk,k＝1,2,…,K)发送导频信号x，此时，任意一个中继节点(Rk,k＝1,2,…,K)的接收信号为ySRk；
具体，接收信号为
其中nRk为中继(Rk)处的噪声，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益,PS为信源节点(S)的发射功率。
步骤2：在协议通信系统的第二通信时隙中，中继节点(Rk)采用放大转发协议(AF)将来自信源节点(S)的接收信号ySRk转发给目的节点(D)；
具体根据上述ySRk的表达式，可以计算出中继节点(Rk)的放大倍数Gk为
其中PS，PRk分别为信源节点(S)和中继节点(Rk)的发射功率，N0为噪声nRk的功率，E(·)为求均值操作。
步骤3：根据任意一个中继节点(Rk,k＝1,2,…,K)的转发信息，目的节点(D)获取接收信号，并计算出相应的接收信噪比(γskd)；
具体来说，从步骤2至步骤3的过程为：中继节点(Rk)将其接收信号ySRk乘以放大倍数Gk，完成放大处理之后发送给目的节点(D)，则目的节点(D)的接收信号为
其中nD为目的节点(D)处的噪声，其噪声功率也为N0，h2k为第二跳链路(Rk→D)的信道增益；
此时，根据yRkD的表达式，并结合放大倍数Gk，目可获取相应目的节点(D)的接收信噪比
其中
步骤4：在再次发送信源节点(S)与目的节点(D)通信之前，从K个中继节点(Rk,k＝1,2,…,K)中任选一个接收信噪比(γskd)，并以此作为固定门限(γth)；而后在K个中继节点(Rk,k＝1,2,…,K)中选择接收信噪比(γskd)大于上述固定门限(γth)的中继节点，构成中继节点集合SN，其中，N是满足γth＜γskd条件的中继节点个数(N≤K)。
步骤5：若步骤S4中满足条件的中继节点个数N＝0，则说明满足条件的中继节点集合SN为空集，此时，重复步骤4，即重新选择固定门限(γth)和中继节点集合SN，直至N≥1，而后进入步骤6。基于此步骤，可以在一定程度上保证整体链路(S→Rk→D)通信的可靠性。
步骤6：将上述选出的中继节点集合SN作为集合，并基于该候选集合计算出通过(S→Rk→D)时，Rk∈SN这一链路中目的节点(D)的有效容量；
有效容量为：
其中E(·)为求均值操作,θ为延迟QoS指数，C[k]为采用中继节点(Rk)传输时导频信号x的遍历容量(香农容量)，且遍历容量
步骤7：在步骤6所提供的候选集合中选择任意两个中继节点(Rk)对应的有效容量(ECk(θ))进行对比，并选择有效容量(ECk(θ))大的一个中继节点(Rk)。以此保证经步骤7后能有效选出整体候选集合中最大的一个效容量(ECk(θ))所对应的中继节点(Rk)，即最佳中继节点(Rk)，从而进一步保证整体通信的可靠性。
另外，在步骤7的选择中，将最终选出的中继节点(Rk)记为k*，且中继节点k*应满足
在本实施例中放大倍数Gk为固定值，因此本实施例的方法适用于固定增益(放大倍数固定)的多中继网络。
实施例二
本实施例的实施方式与实施例一基本相同，不同之处为步骤2中的放大倍数
其中，PS，PRk分别为信源节点(S)和中继节点(Rk)的发射功率，N0为噪声nRk的功率。
在本实施例中放大倍数Gk为可变值，因此本实施例的方法适用于可变增益(放大倍数变化)的多中继网络。
仿真实验
以下是本发明的实施例一、二中所提供的方法的中断概率以及有效容量的实验结果。仿真实验的具体条件为：独立同分布Nakagami-m衰落信道，发射功率PS＝PRk＝1，(k＝1,2,L,K),预设信噪比门限值γth＝3。
图2和图3分别为本发明实施例一中，当中继节点个数K＝3，4时，中断概率和有效容量随信道信噪比的仿真结果曲线图。图中实线“—”、点划线“-·-·-”分别为K＝3和K＝4的情况，标注符号“o”为max-min方案，标注符号“*”为随机选择方案，标注符号“+”为本发明方案。
从图2和图3可见：本发明的实施例一中，在任意K值，任意信噪比SNR值下，中断概率明显低于max-min方案和随机选择方案，有效容量明显高于max-min方案和随机选择方案，并且随着K值的增大，本发明方案的中断概率减小，有效容量增大。例如，当K＝3时，SNR＝15dB，本发明方案的中断概率约为0.02，max-min方案的中断概率约为0.04，而随机选择方案的中断概率约为0.28；SNR＝10dB，本发明方案的有效容量约为1.03bps/s/Hz，max-min方案的约为1.00bps/s/Hz；而随机选择方案有效容量为0.97bps/s/Hz。这表明在固定增益AF协议下，本发明方案的中断概率性能和有效容量都明显好过现有方案。
图4和图5分别为本发明实施例二中，当中继节点个数K＝3，4时，中断概率和有效容量随信道信噪比的仿真结果曲线图。图中实线“—”、点划线“-·-·-”分别为K＝3和K＝4的情况，标注符号“o”为max-min方案，标注符号“*”为随机选择方案，标注符号“+”为本发明方案。
从图4和图5可见：本发明的实施例二中，在任意K值，任意信噪比SNR值下，中断概率明显低于max-min方案和随机选择方案，有效容量明显高于max-min方案和随机选择方案，并且随着K值的增大，本发明方案的中断概率减小，有效容量增大。例如，当K＝3时，SNR＝15dB，例2方案的中断概率约为0.007，max-min方案的中断概率约为0.009，而随机选择方案下的中断概率约为0.195；SNR＝10dB，例2方案有效容量约为0.95bps/s/Hz；max-min方案的有效容量约为0.94bps/s/Hz；而随机选择方案的约为0.91bps/s/Hz。这表明在变化增益AF协议下，本发明方案的中断概率性能和有效容量都明显优于现有方案。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于协议通信系统的中继选择方法，其特征在于，涉及协议通信系统，且协议通信系统至少由一个信源节点、K个中继节点和一个目的节点构成，K＝1,2,3……；所述的中继选择方法包括如下步骤：
S1.在协议通信系统的第一通信时隙中，信源节点向K个中继节点发送导频信号，中继节点接收导频信号，并记为ySRk；
S2.在协议通信系统的第二通信时隙中，中继节点采用放大转发协议向目的节点转发信号ySRk；
S3.计算信源节点到中继节点、中继节点到目的节点的信噪比γskd；
S4.从步骤S3所获的接收信噪比γskd中选定任意一个作为固定门限γth，选择γth＜γskd的中继节点构成目标中继节点集合SN，N≤K；
S5.判断N是否为O，是重复步骤S4，否进入步骤S6；
S6.计算目标中继节点集合SN中信源节点到任意一个中继节点、任意一个中继节点到目的节点有效容量；
S7.获取步骤S6中计算所得的最大有效容量，并基于所述最大有效容量选择对应中继节点。
2.根据权利要求1所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于：步骤S6中，有效容量为
其中E(·)为求均值，θ为延迟QoS指数，C[k]为采用中继节点进行传输时导频信号的遍历容量，且遍历容量
3.根据权利要求2所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于：步骤S1中所获取的任意一个中继节点(Rk)的接收信号为
其中，nRk为中继(Rk)处的噪声，h1k为第一跳链路(S→Rk)的信道增益,PS为信源节点(S)的发射功率。
4.根据权利要求3所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于：在步骤S2中，根据放大转发协议(AF)对接收信号ySRk进行放大的倍数为Gk，且放大倍数Gk为固定值或变值中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于，在步骤S3中：所述目的节点(D)的接收信号为：
6.根据权利要求4所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于，所述放大倍数Gk采取固定值时：
7.根据权利要求5所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于，所述接收信噪比(γskd)为：
其中
8.根据权利要求4所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于，所述放大倍数Gk采取变值时：
9.根据权利要求7所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于，所述接收信噪比(γskd)为：
其中
10.根据权利要求7或9所述的基于门限和最大有效容量的中继选择方法，其特征在于：基于步骤S7获取一个中继节点k*，且中继节点
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