CN1946016B - 基于协作分集的合并转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的技术用于协作通信系统中，在多用户节点之间高效、合理、灵活的进行协作，充分利用多用户分集增益，使得协作增益能够弥补协作开销带来的性能损失，减少协作带来的时延、提高协作效率，进而使系统整体性能得到提升。本发明中，中继节点对接收到的多个数据流进行合并处理后发送给多个用户，每个用户从接收到的合并信息中去除自身的信息即可获得其它用户的发送信息，从而减少了中继节点向多个目标节点逐个转发数据所占用的转发时间或其他信道资源，同时仍然可以带来分集增益，因此可以提高协作效率、利用分集增益和增加系统容量。

Description

基于协作分集的合并转发方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统中各通信节点的协作方式，特别是针对使用时分半双工模式、双向发送的情况下、各节点发送数据所占用的时间顺序以及数据发送策略，从而降低开销、提高系统性能和资源利用效率；其中涉及到时序分配、功率分配和编码方案等相关技术。

背景技术

由于无线信道会受到阴影衰落、多径衰落、干扰等因素的影响，发送信号在信道中传输时会经历严重的衰减和波动。大量研究结果表明，多天线技术(例如在发送端使用多根天线)可以有效的对抗信道衰落。然而，在很多实际应用中由于硬件复杂性、成本和外观等多方面因素的限制，不允许终端或通信节点配置多个天线。针对这种情况，有学者提出了一种引入用户(即节点)间协作进而获得协作分集增益的通信方式。其基本思想是多个单天线用户之间通过共享其它用户的天线，形成一个虚拟的多天线网络，进而获得类似于多天线系统的分集增益。

多用户(节点)协作时会涉及到时序关系、发送功率分配等多方面因素。其中尤为重要的一个方面是网络的双工方式，即当某个用户既要收取来自另一个用户的信息、同时又要向该用户发送信息时、多用户之间共享信道的方式和发送策略。在时分系统中，某个用户为了协助其它用户发送/接收信息，必然会使自身发送/接收信息的时间减少，从这个意义上将，协作可能会带来性能损失。但是，另一方面，用户间协作会带来一定的分集增益。因此，必须合理的设计协作模式，使得协作带来的增益大于协作引起的性能损失，进而提高系统性能。该方法提出了一种能够充分利用用户协作增益、减小发送时延进而提高网络工作效率和性能的合并转发模式。

发明内容

为了使多用户(节点)间的协作分集增益足够大，以补偿协作的性能损失，合理设计协作机制显得尤为重要。发明人提出了一种充分利用用户协作优势的方法。其基本原则是将多个用户的信息合并后发送给每个用户，而不是向每个用户独立发送一次信息。由于协作后每个用户知道其它用户的信息，则每个用户从收到的合并信息中减去其它用户的信息，即可得到自己的有用数据，进而降低开销，提高系统工作效率。

本发明中提出的方法，在每个协作周期内具体的实现步骤包括：

步骤1：在协作周期的第一段时间内，通信节点A向其对应的通信节点B发送数据，通信节点B和中继节点同时接收数据；

步骤2：在协作周期的第二段时间内，通信节点B向其对应的通信节点A发送数据，通信节点A和中继节点同时接收数据；

步骤3：在协作周期的第三段时间内，中继节点依据一定的算法将步骤1和步骤2中收到的两组信息合并后，同时发送给由该中继节点负责数据中继传输的一对通信节点A和B；

步骤4：通信节点A、B接收到来自中继节点的合并信息，并且由于每个节点已知自己发送的数据，则通过从合并信息中去除自身数据即可获得对方节点发送过来的有效数据；将此数据与在步骤1或步骤2中直接接收到的来自对方节点的数据合并处理，即可获得分集增益。在步骤1或步骤2中如果通信节点A和B无法直接接收对方发送的数据，经过以上步骤，它们仍然可以通过中继节点以较小的开销进行通信。

在上面描述的步骤3中，中继节点是将两组数据合并后发送，而不是将每组数据分别发送给目的节点，因此节省了时间开销。当步骤1和步骤2中发送的两组数据量相同的时候，中继节点合并转发可以节省一半的开销。

附图说明

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1表示本发明在三节点模型中的拓扑结构。其中N₁和N₂为需要互相传递信息的节点，N_r为中继节点：实线表示直接传输链路，虚线表示中继链路。

图2表示三节点模型中，各节点的时序关系。一个时间周期T分为P₁、P₂和P₃三个阶段，每个阶段占用的时间长度分别为：αT′、(1-α)T和T-T′，其中0≤T′≤T、0≤α≤1。每个节点在同一时刻只能接收或发送数据，不能同时收发。

具体实施方法

实际网络中通常包括多组协作节点。但是为了便于理解，在此使用一种最为典型且具有普遍适用性的网络结构——三节点模型来阐述本发明所提出的协作方法。本发明对于所有具有这个示例中基本特征的应用场合普遍适用。

在P₁阶段中，节点N₁以一定的方式发送数据D(P₁，N₁)，节点N2和中继节点N_r同时接收数据，设接收到的数据分别为D_N2(P₁，N₁)和D_Nr(P₁，N₁)。在P₂阶段中，节点N₂发送数据D(P₂，N₂)，节点N₁和中继节点N_r同时接收数据，分别为D_N1(P₂，N₂)和D_Nr(P₂，N₂)。在P₂阶段结束时，中继节点已经获得两组数据，即D_Nr(P_i，N_i)(i＝1，2)。之后，中继节点依据一定的运算法则将两组数据合并，为了便于说明，此处假设发送的数据用二进制的比特“0”和“1”表示，运算规则为逐位模二加，其它任何适于此类系统的算法同样适用。合并后的数据D(P₃，N_r)表示为：

$D(P_3,N_r)=D_{N_r}(P_1,N_1)\⊕D_{N_r}(P_2,N_2)---\left(1\right)$

中继节点N_r在P₃阶段中将合并后的数据D(P₃，N_r)采用适当的方式同时发送给节点N₁和N₂，例如多播给节点N₁和N₂，设这两个节点接收到的数据分别为D_N1(P₃，N_r)和D_N2(P₃，N_r)。由于每个节点已知自己发送的数据，因此只要从接收到的合并数据中去除自身数据即可获得对方节点发送来的信息。例如对于节点N₁。从合并信息中获得的来自节点N₂的信息为：

${D^{\′}}_{N_1}(P_2,N_2)=D(P_3,N_r)\⊕D(P_1,N_1)---\left(2\right)$

至此。节点N₁获得了两组通过不同路径获得的、包含了来自节点N₂发送信息的数据流。即D_N1(P₂，N₂)和D′_N1(P₂，N₂)。节点N₁通过选择适当的合并方式，将两组数据流合并解码，即可利用分集增益获得节点N₂发送的信息。节点N₂采用与节点N₁相同的处理方式，获得节点N₁发送的数据。

需要强调的是，中继节点可以无需对所接收到的多路信息进行某些处理(例如正交化)后再合并，而是可以直接进行合并；合并后的数据之所以在接收端能够通过简单的方法检测、而不需要诸如相关运算等复杂的检测处理，是因为其中的部分数据是发端已经知道的。另一方面，中继节点在N_r在P₃阶段发送合并的数据时所需的时间和频率等信道资源，将会比分别发送合并数据流中的各部分数据所需全部信道资源要少。

上述发送和接收过程中，除了涉及到时序关系外，还涉及到发送端编码、功率分配、速率分配、接收端解码、数据合并等方面的相关技术。此外。若节点N₁和节点N₂发送的数据具有一定的相关性，那么中继节点可以采用适当的压缩编码，降低中继节点N_r在P₃阶段中发送的数据量，进一步提高效率。

综合以上可以看出，本发明提出的合并转发协作系统具有如下特点：

1、以充分利用用户间协作分集增益进而提高系统性能为目的；

2、不同阶段占用的时间比例，可以根据具体情况的需要进行调整，具有普遍的适用性；

3、中继节点不是单纯的转发数据，而是将收到的数据进行相对简单的处理，然后以一定的方式(例如多播)发送出去，进而节省中继时间，提高系统工作效率；

4、两个通信节点发送数据的相关性越大，中继节点可以压缩的数据量也越大，性能改善越大；

5、对具体的实现方法和协议规范不敏感，具备兼容性。

总之，本发明是一种灵活实用的协作方式，其目的是以简单的结构、易实现的方法，充分发掘用户间的协作增益、提高协作效率，进而改善系统的整体性能。

Claims (8)

1.一种用于协作通信系统的合并转发协作方法，基于发送功率和发送时间的网络和信道资源，针对通信双方互相传递数据、中继节点协助传递的协作方式，中继节点将收到的来自通信双方的数据合并后发送，每个节点接收到合并信号后，从合并信号中去除自身发送信息，即可获得对方的发送信息，这一过程中，中继节点采用了先合并后转发的策略，从而减少协作时间、减小协作带来的性能损失，针对三节点模型，该方法的基本实现步骤包括：

步骤1：在协作周期的第一段时间内，通信节点A向其对应的通信节点B发送数据，通信节点B和中继节点同时接收数据；

步骤2：在协作周期的第二段时间内，通信节点B向其对应的通信节点A发送数据，通信节点A和中继节点同时接收数据；

步骤3：在协作周期的第三段时间内，中继节点依据一定的算法将步骤1和步骤2中收到的两组信息合并后，发送给由该中继节点负责数据中继传输的一对通信节点A和B；

步骤4：通信节点A、B接收到来自中继节点的合并信息，并且由于每个节点已知自己发送的数据，则通过从合并信息中去除自身数据即可获得对方节点发送过来的有效数据；将此从合并信息中获得的对方节点发送过来的有效数据与在步骤1或步骤2中直接接收到的来自对方节点的数据合并处理，即可获得分集增益，在步骤1或步骤2中如果通信节点A和B无法直接接收对方发送的数据，经过以上步骤，它们仍然可以通过中继节点以较小的开销进行通信。

2.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，可用于所有具有协作特性的通信系统。

3.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：其中涉及到的时间划分比例是能够根据具体情况进行调整的。

4.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：中继节点不只是针对某个用户的数据进行处理后转发给目标用户，而是将多个用户的信息合并处理后发送给每个用户，其中包含了所有可用的信息获取方式、转发处理机制、信息综合处理算法和发送策略相关的技术。

5.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：其中通信节点具有发送数据和接收数据的需求，在该过程中，节点会根据具体情况采取合适的发送技术和接收技术。

6.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：其中通信节点能够通过多个途径获得来自同一源点的数据，并采用适当的方式从这些数据中获得原始数据，其中包括了所有可用的检测方式以及合并方式。

7.如权利要求1中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：其中通信节点能够在处理中继节点发来的数据时，利用其中包含的已知数据，对传输信道的情况进行估计，其中包括了所有可用的信道估计方式。

8.如权利要求4中所述的用于协作通信系统的合并转发协作方法，其特征在于：中继节点将多个用户的信息合并处理后发送，其中包含了所有可用的有利于减小实际信息传输量的编码、压缩方法，以及所有可用的、向多个用户发送数据的发送方法。

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