專利名稱：用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，確切地說，涉 及一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，屬于無線通信中的 協(xié)作通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
協(xié)作通信(Cooperative Communication)又稱合作通信。虛擬MIMO技術(shù)是 其中一個子集。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，每個移動終端都有一個或多個合作伙伴 (Partner)，或稱為中繼(Relay)。合作伙伴在傳輸自己信息的同時，還協(xié)助 其伙伴傳輸信息。這樣，在傳輸信息的過程中，每個終端同時利用了自己和合 作伙伴的空間信道，從而獲取一定的空間分集增益。通過協(xié)作，使單天線的移 動終端也能夠?qū)崿F(xiàn)空域分集，即協(xié)作分集(Cooperative Diversity),這是一種 全新的空間分集技術(shù)。由于協(xié)作的合作伙伴共享彼此的天線，從而構(gòu)成了虛擬 的多天線系統(tǒng)，即稱為虛擬MIMO。協(xié)作通信解決了難以在移動終端安裝多根 天線的問題，不必受限于終端尺寸，可推進(jìn)MIMO技術(shù)的實用化進(jìn)程。MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點已經(jīng)眾所周知，并已凈皮大多數(shù)主流協(xié)議所采納。在理想 情況下，接收天線的間隔d》波長X/2,就能夠保證各支路接收的信號互不相關(guān)。 但是，移動通信系統(tǒng)中MIMO的現(xiàn)狀是天線陣列維數(shù)較小，富散射環(huán)境。此 時電磁波波長較長，移動臺由于其尺寸或其他約束條件不能支持多天線(例如 3G系統(tǒng)工作頻率在2GHz左右，波長為15cm,需要^l妄收天線的間隔d》7.5cm), 因此無法利用本地空時編碼實現(xiàn)上行鏈路的傳輸分集。此時通過各個單天線終 端之間的協(xié)作處理，構(gòu)成虛擬的天線陣VAA (Virtual Antenna Array),可以采 用虛擬MIMO的空時信號處理技術(shù)、分布式天線、穿戴式天線等協(xié)作處理系統(tǒng) 來提高系統(tǒng)性能。隨著多種無線通信技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展，作為不可再生資源的無線電頻譜，已經(jīng)很難在2GHz以下找到足夠的頻率帶寬用于地面移動通信，未來通信系統(tǒng)的 頻點逐漸向高頻發(fā)展。隨著載頻的升高到3GHz以上，未來系統(tǒng)采用MIMO的狀 況必然是天線陣列維數(shù)較大，散射環(huán)境較差。此時波長較短，終端可以安裝 多天線(例如5GHz系統(tǒng)，波長為6cm，接收天線的間隔d > 3cm) 。 ^f旦是由于頻 率較高，主要以直射徑LOS(Line of Sight )方式傳播信號，散射環(huán)境變差，MIMO 空時編碼仍然無法取得較好的性能。此時必須通過部分用戶充當(dāng)主動散射物(協(xié) 作伙伴)，來改善散射環(huán)境，以便使得MIMO系統(tǒng)能夠正常工作。因此，從改 善信道狀況、促進(jìn)MIMO實用化，以及解決高速傳輸與覆蓋的矛盾角度，協(xié)作 通信技術(shù)均已被公認(rèn)為是未來移動通信系統(tǒng)的候選技術(shù)方案。在協(xié)作通信中，中繼節(jié)點可以采用多種轉(zhuǎn)發(fā)方式來輔助信源將信號發(fā)送至信 宿，包括解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF (Decode-and-Forward，即中繼譯出來自信源的信號后，采 用與信源端相同的編碼方式進(jìn)行編碼，再轉(zhuǎn)發(fā)給信宿)，；改大轉(zhuǎn)發(fā)AF (Amplify-and-Forward，即中繼將來自信源的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給信宿)，編碼協(xié) 作CC (Coded Cooperation,即中繼譯碼后采用與信源端不同的編碼方式，按需 只轉(zhuǎn)發(fā)冗余部分)，增量中繼(IncrementalRelaying,中繼根據(jù)目的端^J赍的直 傳成功與否的信息來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)傳等。且中繼節(jié)點的數(shù)目可以是一個或多個。在一個可選用多個空閑節(jié)點作為中繼的多中繼系統(tǒng)中(單中繼系統(tǒng),皮-現(xiàn)為 其特例)，現(xiàn)有技術(shù)通常是考慮所有中繼都采用相同轉(zhuǎn)發(fā)方式(DF、 AF等)， 并在發(fā)送總功率(即信源發(fā)送功率與各中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率之和)受限的情況下，首 先通過信道估計來估算當(dāng)前各信道狀態(tài)，并將結(jié)果反饋到發(fā)送端；然后進(jìn)行最 優(yōu)的或次最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)方式選擇、功率分配、比特分配、編碼方式選擇等等，使 系統(tǒng)能夠在滿足設(shè)定的可靠性要求條件下，傳輸效率實現(xiàn)最大化。這種現(xiàn)有技術(shù)的缺點是在多中繼系統(tǒng)中，不同的中繼所經(jīng)歷的信道狀況 可能差別很大，最佳的中繼方式也可能各不相同，如果讓所有的中繼都采用相 同的中繼方式，勢必要限制系統(tǒng)的性能。如果為每個用戶只選擇一個中繼，即 單中繼系統(tǒng)，就沒有為不同的中繼選擇不同中繼方式的問題。但是在無線網(wǎng)絡(luò)中，有些用戶往往同時可能有多個空閑的用戶適合作為它的中繼，這樣也會制 約其傳輸性能的提高。中繼的引入能給通信鏈路帶來空間分集增益，但是必然也會造成一定的額 外開銷，在某些情況下，這些開銷甚至?xí)窒魠f(xié)作增益，也就是說并非在任 何情況下都適合釆用協(xié)作通信，為此必須做出各種相應(yīng)的選擇。這個問題已經(jīng) 成為業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的焦點。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自 適應(yīng)選擇方法，該方法用于支持協(xié)作通信的無線網(wǎng)絡(luò)中，為不同用戶分別選擇不同數(shù)目的中繼；并根據(jù)當(dāng)前信道狀況，在兼顧通信的可靠性和有效性的前提 下，為每個中繼選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并在信源和各個中繼之間合理地分配功 率；以及判斷是否使用中繼。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了 一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的 自適應(yīng)選擇方法，其特征在于該方法是根據(jù)當(dāng)前的實時信道狀況，為每個中 繼節(jié)點分別選擇適宜的轉(zhuǎn)發(fā)方式，并分配相應(yīng)的發(fā)射功率；或者決定選用直傳 方式，以便能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信道容量最大化，為用戶提供滿足設(shè)定可靠性條件 下的高效通信；包括下列操作步驟(1) 估計信道對系統(tǒng)進(jìn)行信道估計，得到當(dāng)前的信道狀況參數(shù)，并將這 些信道參數(shù)反饋給信源，供其在后續(xù)步驟中做出相應(yīng)決策；(2) 選擇合作伙伴根據(jù)信道估計結(jié)果，系統(tǒng)選用一種伙伴選擇策略，以 便為當(dāng)前正要通信的終端選擇適宜的空閑終端作為其中繼，即合作伙伴；(3) 利用信道估計和伙伴選擇的結(jié)果，為每個中繼選擇最佳中繼策略，即 選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式和分配發(fā)射功率在發(fā)射總功率受限、并設(shè)置所有中繼節(jié)點 的發(fā)射功率都相同的基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)作通信中實際使用的中繼數(shù)目及其可能采 取的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的數(shù)量都是有限的情況，逐一分別計算多中繼系統(tǒng)在采用各 種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最佳功率分配方案，使得信宿能夠得到將來自信源和各中號進(jìn)行最大比合并后的輸出信噪比，即等價系統(tǒng)信噪比的最大化數(shù)值，這些最大化的等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的中繼策略轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和 功率分配方案即為所要選擇的中繼策略；(4 )根據(jù)信道容量公式，分別計算直傳信道容量和所選擇的中繼方案信道 容量根據(jù)歸一化信道容量C的計算公式C = log2(l + "，式中，y為信噪 比，以及所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和功率分配結(jié)果，計算在信宿端經(jīng)過最大比合 并后的系統(tǒng)等價信噪比^;再將該等價信噪比代入信道容量公式，得到經(jīng)過自適應(yīng)的策略選擇和功率分配后的等價系統(tǒng)信道容量(^=10§2(1 + ^),式中，是系統(tǒng)等價信噪比；再計算信源與信宿間的直傳鏈路的等價系統(tǒng)信道容量 C必j21og(l + ^),式中，^。是信源與信宿間的直傳信道的信噪比；(5)以等價信道容量較大的方案為最終選擇結(jié)果。本發(fā)明是一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其創(chuàng)新 之處是以多中繼系統(tǒng)信道容量最大化為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過窮舉的方法為各個中繼 分別選擇不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式(在某些信道條件下，最后選擇結(jié)果可能是相同 的)，并假設(shè)所有的中繼節(jié)點都使用相同的功率，為系統(tǒng)提供一種相應(yīng)的簡化的 功率分配方法。本發(fā)明方法為多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的各個中繼節(jié)點提供了較好的轉(zhuǎn)發(fā)方 式的自適應(yīng)選擇和功率自適應(yīng)分配策略，并給出了什么情況下不使用中繼的判 斷標(biāo)準(zhǔn)，使得多中繼系統(tǒng)更加智能化，進(jìn)一步提高其傳輸性能而進(jìn)入實用化。 本發(fā)明既能用于支持協(xié)作通信的無線網(wǎng)絡(luò)的上行傳輸，也能用于下行傳輸；雖 然它定位于多中繼系統(tǒng)，同樣也適用于單中繼系統(tǒng)。由于協(xié)作通信:汰術(shù)已^皮公 認(rèn)為是未來移動通信系統(tǒng)的候選技術(shù)方案，因此，隨著協(xié)作通信相關(guān)技術(shù)的不 斷發(fā)展和完善，本發(fā)明將有很好的推廣、應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法的操:作步驟流程圖。圖2是本發(fā)明用于協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個下行傳輸?shù)氖疽鈭D。該圖是在經(jīng)過了信道估計和伙伴選擇后得出的結(jié)果，圖中/ ^表示從A節(jié)點到B節(jié)點的傳輸鏈路的信道增益，L為中繼數(shù)目。圖3是本發(fā)明方法操作步驟(3)進(jìn)行中繼策略自適應(yīng)選擇的操作流程圖。 圖4是本發(fā)明的一實施例的性能比較雙中繼系統(tǒng)中不同中繼策略下的信道容量的示意圖。圖5是圖4的仿真實施例中，本發(fā)明進(jìn)行自適應(yīng)中繼策略的功率分配結(jié)果 示意圖。其中信源功率為1時中繼功率為0,表示所有功率都分配給了信源， 即系統(tǒng)選擇了直傳模式。圖6是圖4的仿真實施例中，使用本發(fā)明進(jìn)行自適應(yīng)中繼策略的轉(zhuǎn)發(fā)方式 的選擇結(jié)果示意圖。其中豎軸5表示所選擇的通信策略為直傳，4表示中繼《和 ^的轉(zhuǎn)發(fā)方式分別為DF、 DF, 3表示中繼《和^的轉(zhuǎn)發(fā)方式分別為AF、 DF， 2表示中繼《和i 2的轉(zhuǎn)發(fā)方式分別為DF、 AF, 1表示中繼《和A的轉(zhuǎn)發(fā)方式 分別為AF、 AF (圖中未示)。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作 進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明是一種用于多中繼(也適用于單中繼)通信系統(tǒng)的中繼策略的自適 應(yīng)選擇方法，該方法是根據(jù)當(dāng)前的實時信道狀況，為每個中繼節(jié)點分別選擇適 宜的轉(zhuǎn)發(fā)方式，并分配相應(yīng)的發(fā)射功率；或者決定選用直傳方式，以便能夠?qū)?現(xiàn)系統(tǒng)的信道容量最大化，為用戶提供滿足設(shè)定可靠性條件下的高效通信。參見圖1,介紹本發(fā)明方法的各個操作步驟步驟(l)估計信道對系統(tǒng)進(jìn)行信道估計，得到當(dāng)前的信道狀況參數(shù)，并 將這些信道參凄議饋^^言源，供其在后續(xù)步驟中做出相應(yīng)決策。這里的信道包括信源到信宿之間的直傳信道(直傳鏈路)和各個中繼信道(中繼鏈^各)，即信源 到各個空閑終端、再從各個空閑終端到信宿的這兩跳鏈路的合稱(如圖2所示)。步驟(2 )選擇合作伙伴根據(jù)信道估計結(jié)果，系統(tǒng)選用 一種伙伴選4奪策略， 以便為當(dāng)前正要通信的終端選擇適宜的空閑終端作為其中繼，即合作伙伴。步驟(3 )利用信道估計和伙伴選擇的結(jié)果，為每個中繼選擇最佳中繼策略，即選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和分配發(fā)射功率在發(fā)射總功率受限、并設(shè)置所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率都相同的基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)作通信中實際使用的中繼數(shù)目及其可能采取的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的數(shù)量都是有限的情況，逐一分別計算多中繼系統(tǒng)在 采用各種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最佳功率分配方案，使得信宿能夠得到將來自信源和各中繼的信號進(jìn)行最大比合并后的輸出信噪比，即等價系統(tǒng)信噪比的最大化 數(shù)值，這些最大化的等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的中繼策略轉(zhuǎn)發(fā)方式 組合和功率分配方案即為所要選擇的中繼策略。因為該步驟是本發(fā)明的關(guān)鍵，下面對其作具體說明為了節(jié)約發(fā)送功率，通常要求系統(tǒng)的發(fā)送總功率受限，這就涉及到在信源 和各中繼間如何合理分配該總功率，而功率分配又會直接影響到中繼策略的最 佳選擇，所以選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式要和功率分配問題結(jié)合在一起同時考慮、處理。確定具體的中繼或伙伴后，每個中繼要根據(jù)自己經(jīng)歷的信道狀況來選擇合 適的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式。但是，研究表明，當(dāng)中繼數(shù)目大于2時，即使所有中繼都 采用相同的轉(zhuǎn)發(fā)方式(AF或DF)， 4艮難得出最優(yōu)解，即最佳的功率分配方案。 不同中繼采用不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的多中繼系統(tǒng)肯定要比采用相同轉(zhuǎn)發(fā)方式的多中繼 系統(tǒng)更加復(fù)雜和難以分析。而對于單中繼系統(tǒng)，可以通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出最佳功 率分配方案。因此本發(fā)明方法作出下述調(diào)整讓所有的中繼節(jié)點都^f吏用相同大 小的發(fā)射功率。這樣能夠?qū)⒍嘀欣^系統(tǒng)的功率分配問題簡化為單中繼系統(tǒng)的功 率最佳分配問題，使其復(fù)雜度大大簡化，還能保證系統(tǒng)工作在一個較高水平上。對于每條中繼鏈路，利用信道估計結(jié)果，可以得到該中繼鏈路采用DF或 AF時的鏈路信噪比的計算公式以信源功率和中繼功率兩個變量為自變量的函 數(shù)。所有中繼鏈路的信噪比和直傳鏈路信噪比之和就是在信宿端經(jīng)過理想的最大比合并后的等價系統(tǒng)信噪比，這個信噪比的計算公式是有關(guān)信源功率、中繼 功率和所有中繼采用的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合等多個變量為自變量的函數(shù)。由于協(xié)作通信中實際使用的中繼數(shù)目非常有限，它們能采取的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的數(shù)目也是有 限的，這樣就可以利用窮舉方法得到在所有不同轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的等價系統(tǒng)信 噪比的計算公式。又因為總功率受限，中繼功率可表示為以信源功率為單自變 量的函數(shù)，信源功率也可表示為以中繼功率為單自變量的函數(shù)，于是可將等價 系統(tǒng)信噪比的計算公式簡化成以信源功率或中繼功率為自變量的一元函數(shù)。再 通過微分方法，就可得到在所有不同中繼組合下的最大等價系統(tǒng)信噪比及其相 應(yīng)的功率分配方案。這些最大等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)方式組 合和功率分配方案就是本發(fā)明最終選擇的中繼策略。參見圖3，介紹該關(guān)鍵操作步驟的各個具體操作內(nèi)容 (31 )選擇一種尚未處理過的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合；(32) 假設(shè)總功率受限和所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率都相同，利用信道估計 和伙伴選擇的結(jié)果，得到中繼鏈路信噪比的計算公式和直傳鏈路信噪比的計費 公式；前者以轉(zhuǎn)發(fā)方式和信源功率/中繼功率兩個變量為自變量的函數(shù)，后者以 信源功率或中繼功率為自變量的一元函數(shù)；(33) 將步驟(31)所選用的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合作為已知變量，以及每條鏈路 的信道估計結(jié)果，代入步驟(32)中得出的中繼鏈路信噪比的計算公式，分別 得到每條中繼鏈路在采用該中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合時的鏈路信噪比，再結(jié)合直傳鏈 路信噪比進(jìn)行最大比合并；又將合并后的等價系統(tǒng)信噪比的計算公式表示為以 信源功率或中繼功率為自變量的一元函^t;(34) 用微分方法、以信源功率或中繼功率為自變量求解在步驟(33)中 得出的等價系統(tǒng)信噪比函數(shù)表達(dá)式，得到在步驟(31)所選轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的 等價系統(tǒng)信噪比的最大值及相對應(yīng)的功率分配方案；(35 )判斷是否對所有可能的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合都纟丸行了步驟(32 )、 ( 33 )和(34 ) 的操作？若是，則順序執(zhí)行后續(xù)步驟(36);否則，返回執(zhí)行步驟(31)的操作； (36 )得到所有可能的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最大化的等價系統(tǒng)信噪比的最大值，這些最大化等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合及 其相應(yīng)的功率分配方案就是最終選擇的中繼策略。步驟(4)根據(jù)信道容量公式，分別計算直傳信道容量和所選擇的中繼方案信道容量根據(jù)歸一化信道容量C的計算公式C = log2(l + "，式中，；K為 信噪比，以及所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和功率分配結(jié)果，計算在信宿端經(jīng)過最大 比合并后的系統(tǒng)等價信噪比、；再將該等價信噪比代入信道容量公式，得到經(jīng) 過自適應(yīng)的策略選擇和功率分配后的等價系統(tǒng)信道容量Ce《二 log2(1 + &),式中，A《是系統(tǒng)等價信噪比；中繼只有在接收到來自信源的信號后，才能向信宿轉(zhuǎn)發(fā)處理后的信息。所以協(xié)作通信的完成時間要有兩個時隙在第 一 時隙內(nèi)信源向各中繼和信宿廣播 信息，在第二時隙內(nèi)各中繼向信宿轉(zhuǎn)發(fā)信息。上面得出的等價信道容量實際上 是在兩個時隙內(nèi)的信道容量大小。如果是在信源與信宿之間的直接傳輸，不使 用協(xié)作通信，那么在采用協(xié)作通信的兩個時隙內(nèi)信源與信宿間的直傳鏈路的等 價信道容量為=21(^(1 + ^),其中h。表示信源與信宿間信道的信噪比。步驟(5 )根據(jù)上述步驟的計算結(jié)果，以等價信道容量較大的方案為最終選 擇結(jié)果。此時，還可執(zhí)行下列操作內(nèi)容根據(jù)仙農(nóng)的信道編碼理論，在已經(jīng)研 究出來的包括Turbo碼和LDPC碼等高性能信道編碼中選擇一種編碼方式，以 便使得實際的信號傳輸速率盡可能地接近信道容量。為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明步驟(3)的中繼策略自適應(yīng)選擇方法，下面結(jié)合圖 2和圖3，以二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調(diào)制方式為例，采用數(shù)學(xué)分析方法來說 明該步驟(3)的理論推導(dǎo)過程、具體實現(xiàn)方法和結(jié)果。需要說明的是由于采用DF轉(zhuǎn)發(fā)方式的中繼鏈路的信噪比與調(diào)制方式有 關(guān)，不同調(diào)制方式所對應(yīng)的結(jié)果一般都不相同，但是其推導(dǎo)方法和實施流程大 致相同。參見圖2所示的協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個小區(qū)內(nèi)，假設(shè)當(dāng)前時刻由基站向某個 用戶X發(fā)送信息，信源和信宿分別用S和D表示。經(jīng)過信道估計和合作伙伴選擇后，可以得到系統(tǒng)分配給用戶X的合作伙伴(中繼)其他空閑用戶，并且 得到信源與各中繼、各中繼與信宿以及信源與中繼間信道的參數(shù)。令自然數(shù)L 表示中繼數(shù)目(￡ = 0表示沒有分配中繼)，《.表示中繼節(jié)點，自然數(shù)下標(biāo)/表示其序號，/^,表示信源S與各中繼/ ,之間信道的增益(或衰落系數(shù))，、,d表示各中繼《.與信宿D(zhuǎn)之間信道的增益，A切表示信源S與信宿D(zhuǎn)之間直傳信道 的增益。下面的分析推導(dǎo)適用于至少有一個中繼的情況。不失一般性，假設(shè)各傳輸信道為加性白高斯噪聲信道，在時間上表現(xiàn)為塊 衰落，在工作頻帶內(nèi)表現(xiàn)為平坦衰落。塊衰落意味著每經(jīng)過一個時間塊信道狀況就會發(fā)生改變，就要重新進(jìn)行信道估計和重新實施本發(fā)明方法。令、(0、 "d(0分別表示在t時刻《.、D處接收到的信號中的加性噪聲分量，它們都服從 均值為0的高斯分布，方差分別為"靈，c^。另外，設(shè)系統(tǒng)總功率大小為A。為簡化功率分配，規(guī)定所有中繼都使用相 同功率。假設(shè)分配給信源S和每個中繼的功率分別為& 、 A,且滿足 尸s+丄.^-g。設(shè)J表示平均能量歸一化的發(fā)送信號星座點集合，那么在t時刻信源S發(fā)送的信號可表示為V^^(0， WOez，則在中繼《和信宿D(zhuǎn)處接收 信號分別為<formula>formula see original document page 13</formula>，下面，再以第i條中繼鏈路為例，分析當(dāng)中繼《分別采用AF或DF轉(zhuǎn)發(fā)方 式時，該條中繼鏈路的信噪比大小。(一 )AF模式當(dāng)i ,.采用AF方式轉(zhuǎn)發(fā)接收到來自信源S的信號J0)時，該信號的平均功率為<formula>formula see original document page 13</formula>。為了保證中繼節(jié)點發(fā)射功率為Pw ,頁發(fā)信號為少^(0 = /^竭 0>//^(0 + /^ ,0) + "/)0)。則該第i條中繼鏈路采用AF轉(zhuǎn)發(fā)模式時的信噪比為7〃 = C,、,^尸A, + (尸,碼+ , ) ° (二)DF模式在DF模式中，中繼首先從接收到的來自發(fā)送端S的信號y碼(O中，檢測出發(fā)送信號，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。假設(shè)尸^饑(力表示采用BPSK調(diào)制方式時，接收信噪比為^時的誤碼率。S到《之間信道的信噪比為= "2 s ，則信源s發(fā)送信號5(o時，《能夠正確接收的概率為 A尸"0^,.)。對于BPSK調(diào)制有A麼0^,):2(V^^)，式中，函數(shù)g(')的計算公式為2(力=~^=廠,令x(0表示中繼《要轉(zhuǎn)發(fā)的信號，且則40可表示為為義(0 = "0 + (0;其中， W表示等價的噪聲， 它只取兩種值-2s(0 (此時x(f) = ,即《譯碼錯誤)和零(此時x(O = s(/),正確解碼無差錯)；它取值為-2s(0的概率為戶w觀OOT,),取值為零的概率為 1—A服(&)，所以其均值為^["eg (O] = _2尸^饑(7Mi >(0 。轉(zhuǎn)發(fā)信號x(O可進(jìn)一步寫為x(O = s(O + E[ (0] + 0)—五[ (0]=[1-2尸腹( )>(0+ 式中，五[ W]是等價的均值為零的噪聲。另外，根據(jù)五[ (0] = 1,^(0的方差可表示為^ = ￡{[ (0 + 2^歴0^>(0]2}=4^p巡)[l _ (y竭)〗。 這樣，《采用DF模式時，D端接收到的來自i^的再生轉(zhuǎn)發(fā)信號為=、- 2尸麗脾)+v(o+"" (o則第i條中繼鏈路的信噪比為《f = ^〗；P〗:、"'對該式進(jìn)行整V尸A +°D理，可得到《=- V《柳、- 0、 ^F")]+W由于信源功率&和中繼功率《滿足系統(tǒng)總功率約束關(guān)系式 g+丄-i^二A，因為A為系統(tǒng)設(shè)定的固定數(shù)值，故《的大小決定于g,其計算公式為^=~^ (同樣地，尸,的大小可由^確定)，這樣在當(dāng)前信道狀況下，每條中繼鏈路的鏈路信噪比Z,.都能夠表示為尸s (或尸fi )和該鏈路所用的l,(PP,采用AF時 7"(Ps)，采用DF時中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式的兩個自變量的二元函數(shù)s、'^p^—j。直傳鏈路的信噪比也可表示為A (或尸《 )的一元函數(shù)Az)=^"^。信宿端D把來自信源和L個中繼的信號經(jīng)過理想的最大比合并后的等價系統(tǒng)信噪比為 、= ^+1>,.,則該等價系統(tǒng)信噪比就是關(guān)于^ (或A)和所有中繼使用的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的函數(shù)，其中變量A的取值范圍為巧e(O，A]。令K表示L個中繼可能采用的各種轉(zhuǎn)發(fā)方式組成的集合，則K中有W = 2￡ 個元素，即W種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合，故可將K表示為K^^,^,…，A:J。對于某一 種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合&eK (/ = 1,2,...，〃)，可得出系統(tǒng)采用&時的系統(tǒng)等價信噪比V^.(A)。再采用一元函數(shù)求最大值的方法得到采用/c,.時的系統(tǒng)最大信噪比/max及其對應(yīng)的最佳功率分配Ps '。這里需要將各種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的集合 K中所有元素窮舉一遍，才能得到JV種組合方式各自對應(yīng)的最佳中繼策略。在 協(xié)作通信中，因為所選用的中繼數(shù)目通常很小(一般《5),所以組合方式N的 數(shù)值也很小，所需的計算復(fù)雜度完全能夠控制在一個可接受的范圍。這iV種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最大等價系統(tǒng)信噪比中的最大值對應(yīng)的組合^P,畫P就是本發(fā)明所要選擇的中繼策略，^一,歸,所對應(yīng)的最佳功率分配結(jié)果A =《、—《' 、 & = (g —《v "/z即為所選^奪的功率分配結(jié)果，其對應(yīng)的等價系統(tǒng)信噪比;C"=巧a/rix = Zr。'。然后，根據(jù)步驟(4)來判斷所選取的這種中繼策略是否優(yōu)于不使用中繼的 策略。要注意的是如果不使用中繼的話，全部發(fā)送功率都應(yīng)該分配給信源S，即& = g ,此時直傳信道的信噪比& = ^ 。本發(fā)明方法已經(jīng)進(jìn)行了實施試驗，圖4~圖6是該試驗實施例的各種性能 比較示意圖。圖4是本發(fā)明在雙中繼系統(tǒng)中不同中繼策略下的一實施例的信道 增益比較圖。實施例所采用的傳輸策略有四種傳統(tǒng)的所有中繼采用相同轉(zhuǎn)發(fā) 方式(信源和中繼都使用相同的DF或AF發(fā)送功率)、直傳模式和本發(fā)明功率 優(yōu)化分配的自適應(yīng)策略選擇模式。其仿真環(huán)境為系統(tǒng)總發(fā)送功率受限為1, 直傳信道增益為1.7dB，信源到兩個中繼《和i 2的信道增益分別為7dB和6dB， 并f支設(shè)兩個中繼到信宿的信道增益之和為15dB。圖4說明采用本發(fā)明自適應(yīng)策 略選擇方法所得的系統(tǒng)信道容量明顯大于采用統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)方式、等功率分配的中 繼策略，但是在某些情況下，點對點的直傳具有更好的性能。圖5和圖6的結(jié)果說明當(dāng)中繼經(jīng)歷的信道狀況不同時，為使系統(tǒng)達(dá)到最 大化的信道容量，所選擇的中繼策略亦各不相同信源信宿的功率和各中繼 的轉(zhuǎn)發(fā)方式會隨著信道狀況的改變而改變。
權(quán)利要求
1、一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于該方法是根據(jù)當(dāng)前的實時信道狀況，為每個中繼節(jié)點分別選擇適宜的轉(zhuǎn)發(fā)方式，并分配相應(yīng)的發(fā)射功率；或者決定選用直傳方式，以便能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信道容量最大化，為用戶提供滿足設(shè)定可靠性條件下的高效通信；包括下列操作步驟(1)估計信道對系統(tǒng)進(jìn)行信道估計，得到當(dāng)前的信道狀況參數(shù)，并將這些信道參數(shù)反饋給信源，供其在后續(xù)步驟中做出相應(yīng)決策；(2)選擇合作伙伴根據(jù)信道估計結(jié)果，系統(tǒng)選用一種伙伴選擇策略，以便為當(dāng)前正要通信的信源選擇適宜的空閑終端作為其中繼，即合作伙伴；(3)利用信道估計和伙伴選擇的結(jié)果，為每個中繼選擇最佳中繼策略，即選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和分配發(fā)射功率在發(fā)射總功率受限、并設(shè)置所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率都相同的基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)作通信中實際使用的中繼數(shù)目及其可能采取的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合的數(shù)量都是有限的情況，逐一分別計算多中繼系統(tǒng)在采用各種轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最佳功率分配方案，使得信宿能夠得到把來自信源和各中繼的信號進(jìn)行最大比合并后的輸出信噪比，即等價系統(tǒng)信噪比的最大化數(shù)值，這些最大化的等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的中繼策略轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和功率分配方案即為所要選擇的中繼策略；(4)根據(jù)信道容量公式，分別計算直傳信道容量和所選擇的中繼方案信道容量根據(jù)歸一化信道容量C的計算公式C＝log2(1+γ)，式中，γ為信噪比，以及所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合和功率分配結(jié)果，計算在信宿端經(jīng)過最大比合并后的系統(tǒng)等價信噪比γeq；再將該等價信噪比代入信道容量公式，得到經(jīng)過自適應(yīng)的策略選擇和功率分配后的等價系統(tǒng)信道容量Ceq＝log2(1+γeq)，式中，γeq是系統(tǒng)等價信噪比；再計算信源與信宿間的直傳鏈路的等價系統(tǒng)信道容量Cdir＝2log(1+γSD)，式中，γSD是信源與信宿間的直傳信道的信噪比；(5)以等價信道容量較大的方案為最終選擇結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于所述步驟(l)中估計的信道包括信源到信宿之間的直傳信道即直傳鏈路，以及中繼信道即中繼鏈路信源到各個中繼或空閑終端、再從各個中繼或空閑終端到信 宿的這兩跳鏈路的合稱。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于所述 步驟(3)進(jìn)一步包括下列操作內(nèi)容(31) 選擇一種尚未處理過的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合；(32) 假設(shè)總發(fā)射功率受限和所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率都相同，利用信道 估計和伙伴選擇的結(jié)果，得到中繼鏈路信噪比的計算公式和直傳鏈路信噪比的 計費公式；前者以轉(zhuǎn)發(fā)方式和信源功率/中繼功率兩個變量為自變量的函數(shù)，后 者以信源功率或中繼功率為自變量的一元函數(shù)；(33) 將步驟(31)所選用的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合作為已知變量，以及每條鏈路 的信道估計結(jié)果，代入步驟(32)中得出的中繼鏈路信噪比的計算公式，分別 得到每條中繼鏈路在采用該中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合時的鏈路信噪比，再結(jié)合直傳鏈 路信噪比進(jìn)行最大比合并；又將合并后的等價系統(tǒng)信噪比的計算公式表示為以 信源功率或中繼功率為自變量的 一元函數(shù)；(34) 用微分方法、以信源功率或中繼功率為自變量求解在步驟(33)中 得出的等價系統(tǒng)信噪比函數(shù)表達(dá)式，得到在步驟(31)所選轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的 等價系統(tǒng)信噪比的最大值及相對應(yīng)的功率分配方案；(35) 判斷是否對所有可能的轉(zhuǎn)發(fā)方式組合都執(zhí)行了步驟(32)、 (33)和 (34)的操作？若是，則執(zhí)行后續(xù)步驟(36);否則，返回執(zhí)行步驟(31)的操作；(36) 得到所有中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合下的最大化的等價系統(tǒng)信噪比的最大值， 這些最大化等價系統(tǒng)信噪比中的最大值所對應(yīng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式組合及其相應(yīng)的 功率分配方案就是最終選擇的中繼策略。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于 所述選擇的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式包括下列兩種解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF:中繼譯出來自信源的信號后，采用與信源端相同的編碼方式進(jìn)行編碼后，再轉(zhuǎn)發(fā)給信宿；放大轉(zhuǎn)發(fā)AF: 中繼將來自信源的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給信宿。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于 所述最大比合并MRC是將每個分支信號分別乘以各自分支鏈路的信噪比，再 對所有分支信號求和，該合并后的輸出信號的信噪比為各分支信噪比之和。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于所述 步驟(5)進(jìn)一步包括下列操作內(nèi)容根據(jù)仙農(nóng)的信道編碼理論，在已經(jīng)研究出 來的、包括Turbo碼和LDPC碼的高性能信道編碼中選擇一種編碼方式，以便 使得實際的信號傳輸速率盡可能地接近信道容量。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于所述 方法能夠用于支持協(xié)作通信的無線網(wǎng)絡(luò)的上行傳輸和下行傳輸。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，其特征在于所述 方法同樣適用于單中繼系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于多中繼協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，是根據(jù)當(dāng)前的實時信道狀況，為每個中繼節(jié)點分別選擇適宜的轉(zhuǎn)發(fā)方式，并分配相應(yīng)的發(fā)射功率；或決定選用直傳方式，以便能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信道容量最大化，為用戶提供滿足設(shè)定可靠性條件下的高效通信。主要操作步驟是(1)估計信道，(2)選擇合作伙伴，(3)利用信道估計和伙伴選擇的結(jié)果，為每個中繼選擇最佳中繼策略，(4)根據(jù)信道容量公式，分別計算直傳信道容量和所選擇的中繼方案信道容量，(5)以等價信道容量較大的方案為最終選擇結(jié)果。該方法依據(jù)當(dāng)前信道狀況，判斷是否使用中繼；并在兼顧通信可靠性和有效性的前提下，為每個中繼選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)策略，同時在信源和各中繼之間合理分配功率。
文檔編號H04L1/06GK101282199SQ20081010403
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月14日
發(fā)明者張鴻濤, 王曉湘, 坤 陳 申請人:北京郵電大學(xué)