本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種非理想條件下的中繼選擇方法。

背景技術(shù)：

中繼通信因其能夠擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高系統(tǒng)吞吐量而受到廣泛的關(guān)注。中繼選擇是提高系統(tǒng)容量的一種有效方法，如何選取中繼，成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。近年來，很多文獻(xiàn)對(duì)中繼選擇策略進(jìn)行了研究，但是大多中繼選擇策略都基于理想硬件和理想信道狀態(tài)信息。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于中繼價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用在實(shí)際通信系統(tǒng)中，實(shí)際中繼網(wǎng)絡(luò)中，射頻設(shè)備收到非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等非理想硬件損傷的影響。上述損傷雖然可以通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和校準(zhǔn)算法來減少硬件對(duì)系統(tǒng)性能的影響，但是由于估計(jì)誤差和校準(zhǔn)算法不準(zhǔn)確，仍存在一些殘留的損傷，而這些殘留損傷對(duì)系統(tǒng)性能仍產(chǎn)生重要的影響。另外，在實(shí)際系統(tǒng)中，完全獲知信道狀態(tài)信息是很難滿足的?；诖耍緦＠岢鲆环N非理想條件下中繼選擇方法。本專利的方法適用于任意衰落信道，例如瑞利、萊斯、nakagami-m、韋伯、α-μ等衰落信道。為了使其具有通用性，本例中給出為α-μ衰落信道，其中α和μ為信道衰落參數(shù)，通過設(shè)置不同的參數(shù)，α-μ分布可以表征為多種衰落分布，例如瑞利(α＝2,μ＝1)、萊斯(α＝2,μ＝2)、nakagami-m(α＝2,μ＝m)、韋伯(μ＝1)。

現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問題：在理想條件下的中繼選擇策略，沒有考慮實(shí)際系統(tǒng)面臨的問題，實(shí)際通信系統(tǒng)中，存在非理想硬件引起的失真問題，以及無法獲取理想的信道狀態(tài)信息的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種非理想條件下的中繼選擇方法，降低了實(shí)際通信系統(tǒng)中的非理想硬件損傷失真和無法獲取非理想信道狀態(tài)信息的技術(shù)問題。

一種非理想條件下的中繼選擇方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1：根據(jù)非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等殘留損傷，建立基于中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義硬件損傷模型，得到系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出損傷模型，所述系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出損傷模型由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)s、n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)rn(1≤n≤n)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)d組成：

假定源節(jié)點(diǎn)s與中繼節(jié)點(diǎn)rn之間的參數(shù)用下標(biāo)srn表示，中繼節(jié)點(diǎn)rn與目的節(jié)點(diǎn)d之間的參數(shù)用下標(biāo)rnd表示。和分別是源節(jié)點(diǎn)s和中繼節(jié)點(diǎn)rn的發(fā)送信號(hào)；和分別為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)；和分別為s→rn和rn→d信道；根據(jù)輸入輸出損傷模型獲得收發(fā)端硬件損傷引起的失真噪聲，和分別為第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數(shù)，和分別為第二個(gè)時(shí)隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數(shù)，收發(fā)端硬件損傷引起的失真參數(shù)服從高斯分布和代表復(fù)高斯接收噪聲，其中i＝srn,rnd。

s2：通過信道估計(jì)算法，獲得信道估計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)信息，信道估計(jì)誤差

所述步驟s1中的基于中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義損傷模型，系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出損傷模型可進(jìn)一步寫作：

其中和分別為s→r和r→d的信道估計(jì)誤差，和分別為s→rn和rn→d的估計(jì)信道。

s3：根據(jù)所述步驟s2中系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出模型，分別計(jì)算兩個(gè)時(shí)隙接收端接收信噪失真比(signal-to-noise-and-distortionratio,sndr)，信噪失真比被定義為信號(hào)功率與噪聲功率的比例：

根據(jù)信噪失真比的定義，計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比分別如下：

其中，s→rn和rn→d的信道估計(jì)模型分別為和ps和pr分別表示源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，和分別為s→r和r→d的硬件損傷參數(shù)，和分別為s→r和r→d的復(fù)合高斯接收噪聲方差。

s4：根據(jù)所述步驟s3中源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比獲得最優(yōu)中繼選擇方法；

中繼節(jié)點(diǎn)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)(df)協(xié)議，即當(dāng)所述源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比小于等于所述中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信失真噪比時(shí)，選擇當(dāng)所述源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比大于所述中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比時(shí)，選擇可以表示為：

在無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)接收端接收信噪失真比，選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，則最大化最小信噪失真比中繼選擇方法為：

中斷概率是用于評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的重要性能指標(biāo)，其定義為端到端的瞬時(shí)信噪失真比低于某一個(gè)固定閾值γth的概率，在α-μ衰落信道下，系統(tǒng)中斷概率性能為：

其中，中繼個(gè)數(shù)為n(1≤n≤n)，γth為固定閾值；αi，i＝srn,rnd為信道幅度平方分布函數(shù)的形狀參數(shù)；m和l為尺度參數(shù)。

本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果如下：

1、本發(fā)明提供了一種非理想條件下中繼選擇方法，基于建立中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義損傷模型，獲得發(fā)送端和接收端失真參數(shù)，根據(jù)信道估計(jì)算法，獲得信道估計(jì)誤差。通過計(jì)算獲得源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比，比較源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比，選擇最佳中繼作為源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間通信的橋梁，得到最優(yōu)中斷概率性能，提高了系統(tǒng)性能，從而提升了此方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。本發(fā)明適用于任意衰落信道，通用性強(qiáng)。

2、本發(fā)明根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)中存在的非理想硬件損傷和非理想信道狀態(tài)信息的問題，在此基礎(chǔ)上提出一種中繼選擇方法?？紤]非理想硬件造成的失真噪聲更加貼合實(shí)際情況，使得中繼選擇方法更有效應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)。考慮非理想信道狀態(tài)信息的條件，是由于在高速率情況下，很難獲得完全信道狀態(tài)信息，這樣也是為了提高本發(fā)明提出的中繼選擇方法的實(shí)用性。另外，通過在系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)采用本發(fā)明提供的選擇方法，系統(tǒng)的中斷概率性能得到有效提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的場(chǎng)景示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中不同中繼個(gè)數(shù)下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中不同閾值下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中不同衰落信道下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中不同信道估計(jì)誤差參數(shù)下中斷概率與平均信噪比的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來進(jìn)一步詳細(xì)的說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

本發(fā)明適用于任意衰落信道，例如瑞利、萊斯、nakagami-m、韋伯、α-μ等衰落信道。為了使其具有通用性，本實(shí)施例中給出的衰落信道為α-μ衰落信道，其中α和μ為信道衰落參數(shù)，通過設(shè)置不同的參數(shù)，α-μ分布可以表征為多種衰落分布，例如瑞利(α＝2,μ＝1)、萊斯(α＝2,μ＝2)、nakagami-m(α＝2,μ＝m)、韋伯(μ＝1)。

如圖1所示，一種非理想條件下中繼選擇方法流程圖，該方法將同時(shí)考慮在硬件損傷和非理想信道狀態(tài)信息的前提下進(jìn)行中繼選擇，使得該中繼選擇方法更適用于實(shí)際系統(tǒng)，從而有效提高系統(tǒng)性能，該方法包括以下步驟：

s1：根據(jù)非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等殘留損傷，建立基于中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義硬件損傷模型，如圖2所示，圖2為本發(fā)明提出的場(chǎng)景示意圖，包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。從n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)最佳中繼作為源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間通信的橋梁。源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間通信包括兩個(gè)時(shí)隙：1、源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；2、中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出損傷模型由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)s、n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)rn(1≤n≤n)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)d組成：

假定源節(jié)點(diǎn)s與中繼節(jié)點(diǎn)rn之間的參數(shù)用下標(biāo)srn表示，中繼節(jié)點(diǎn)rn與目的節(jié)點(diǎn)d之間的參數(shù)用下標(biāo)rnd表示。和分別是源節(jié)點(diǎn)s和中繼節(jié)點(diǎn)rn的發(fā)送信號(hào)；和分別為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)；和分別為s→rn和rn→d信道；根據(jù)輸入輸出損傷模型獲得收發(fā)端硬件損傷引起的失真噪聲，和分別為第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數(shù)，和分別為第二個(gè)時(shí)隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數(shù)，收發(fā)端硬件損傷引起的失真參數(shù)均服從高斯分布和代表復(fù)雜高斯接收噪聲，其中i＝srn,rnd。

s2：通過信道估計(jì)算法，獲得信道估計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)信息，信道估計(jì)誤差

所述步驟s1中的基于中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義損傷模型，可進(jìn)一步寫作：

其中和分別為s→r和r→d的信道估計(jì)誤差，和分別為s→rn和rn→d信道估計(jì)幅度。

s3：根據(jù)所述步驟s2中系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)隙的輸入輸出模型，分別計(jì)算兩個(gè)時(shí)隙接收端接收信噪失真比(signal-to-noise-and-distortionratio,sndr)，信噪失真比被定義為信號(hào)功率與噪聲功率的比例：

根據(jù)信噪失真比的定義，計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比分別如下：

其中，s→rn和rn→d的信道估計(jì)模型分別為和ps和pr分別表示源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，和分別為s→r和r→d的硬件損傷參數(shù)，和分別為s→r和r→d的復(fù)合高斯接收噪聲方差。

s4：根據(jù)所述步驟s3中源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比獲得最優(yōu)中繼選擇方法；

中繼節(jié)點(diǎn)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)(df)協(xié)議，即當(dāng)所述源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比小于等于所述中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信失真噪比時(shí)，選擇當(dāng)所述源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比大于所述中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)接收信噪失真比時(shí)，選擇可以表示為：

在無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)接收端接收信噪失真比，選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)，則最大化最小信噪失真比中繼選擇方法為：

中斷概率是用于評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的重要性能指標(biāo)，其定義為端到端的瞬時(shí)信噪失真比低于某一個(gè)固定閾值γth的概率，在α-μ衰落信道下，系統(tǒng)中斷概率性能為：

其中，中繼個(gè)數(shù)為n(1≤n≤n)，γth為固定閾值；αi，i＝srn,rnd為信道幅度平方分布函數(shù)的形狀參數(shù)；m和l為尺度參數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例僅以解碼轉(zhuǎn)發(fā)(df)中繼為例進(jìn)行說明。

如圖3所示，圖3仿真了不同中繼個(gè)數(shù)n(1≤n≤n)下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。設(shè)置如下：衰落參數(shù)αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數(shù)κ＝0.1，閾值γth＝2⁵-1＝31，信道估計(jì)誤差參數(shù)中繼數(shù)n＝1和n＝2。從圖中可以看出，多個(gè)中繼選擇與單中繼系統(tǒng)性能的對(duì)比結(jié)果。顯然，當(dāng)中繼個(gè)數(shù)增加，通過最大化最小中繼選擇方案選擇出最佳中繼，使得系統(tǒng)的中斷概率性能得到提升。

如圖4所示，圖4仿真了不同閾值下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。具體參數(shù)設(shè)置如下：衰落參數(shù)αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數(shù)κ＝0.1，信道估計(jì)誤差參數(shù)σei＝0.01，中繼數(shù)n＝1，閾值γth＝2²-1＝3和γth＝2⁵-1＝31。由圖4可知當(dāng)取較低的閾值γth＝2²-1＝3時(shí)，收發(fā)端硬件損傷和信道估計(jì)誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響較小。隨著閾值增大γth＝2⁵-1＝31，收發(fā)端硬件損傷對(duì)系統(tǒng)性能的影響較為明顯。

如圖5所示，圖5仿真了基于不同衰落參數(shù)值下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。具體參數(shù)設(shè)置如下：硬件損傷參數(shù)κ＝0.1，信道估計(jì)誤差參數(shù)閾值γth＝2⁵-1＝31，中繼數(shù)n＝1，衰落參數(shù)αi＝2，μi＝1,2,4,10。根據(jù)圖5可知在各種衰落參數(shù)下，理論分析值與蒙特卡洛仿真值吻合一致。另外，由圖5還可以看出中繼系統(tǒng)性能隨著參數(shù)μi的值增加而增加。

如圖6所示，圖6仿真了不同信道估計(jì)誤差參數(shù)下中斷概率性能隨平均信噪比的變化曲線。具體參數(shù)設(shè)置如下：衰落參數(shù)αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數(shù)κ＝0.1，閾值γth＝2⁵-1＝31，中繼數(shù)n＝2，信道估計(jì)誤差參數(shù)圖6解釋了信道估計(jì)誤差對(duì)中斷概率性能的影響，隨著信道估計(jì)誤差的增大，中斷概率性能不斷下降。此外，當(dāng)信道估計(jì)誤差相對(duì)較大時(shí)，隨著信噪比的增加，中斷概率性能曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

通過觀察圖2～圖6，可以看出在非理想硬件和非理想信道狀態(tài)信息條件下，無線通信系統(tǒng)的中斷概率性能明顯低于理想條件下的中斷概率性能，然而通過適當(dāng)增加中繼的個(gè)數(shù)，利用所提出的中繼選擇方法可以有效的提高系統(tǒng)中斷概率性能。

要說明的是，上述實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的說明而非限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員的等同替換或者根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而做的其它修改，只要沒超出本發(fā)明技術(shù)方案的思路和范圍，均應(yīng)包含在本發(fā)明所要求的權(quán)利范圍之內(nèi)。