CN102665260A - 结合功率分配的多天线终端协作式mimo中继选择方法 - Google Patents

Abstract

结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法，涉及一种多天线终端协作式MIMO中继选择方法，它是实现了多天线终端协作***中的最佳中继选择以提高***性能。其方法：从所有未找到中继节点的用户集合中选取单位发射功率下与基站之间信噪比的值ξ_i为最小的用户i，并计算用户i在直接传输方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小发射功率P_nci；从候选中继节点的用户集合中同时满足ξ_ij＞ξ_i和ξ_j＞ξ_i的M个用户中，选取所需的最小总发射功率P_coj的最小值所对应的用户j作为中继用户j；计算用户i和用户j在协作方式下所需的最小总发射功率P_coij；当P_coij小于P_nci时，选择用户j作为用户i的中继节点，完成用户i的中继节点选择。它适用于多天线终端协作式MIMO中继节点的选择。

Description

结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法

技术领域

本发明涉及一种多天线终端协作式MIMO中继选择方法。

背景技术

协作分集(Cooperative Diversity)也称为协作式MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)，是一种新的空域分集技术。其基本思想是利用无线电波的广播特性，不同用户共享彼此的天线，形成虚拟的MIMO***，从而在单天线终端的条件下也可以获得分集增益。由于不同移动终端天线间的相关性通常远远小于同一移动终端不同天线间的相关性，因而相对于传统的MIMO***，协作分集***可能获得更大的分集增益。协作分集技术可以应用在无线通信的许多领域。比如在蜂窝***中，用户间的协作可以改善盲点地区和小区边缘用户的通信质量，扩大小区的覆盖范围；在保证一定服务质量的前提下，也可以通过协作来降低整个***的能量消耗。移动终端的多天线化是一个必然的发展趋势，使用多天线终端的条件下，仍然存在协作问题。

研究表明，协作分集***中不同节点间链路的信道质量以及功率分配方案对***的性能具有很大的影响。因此，如何选取合适的中继节点以及采取适当的功率分配策略，有着非常重要的意义。目前已有不少文献对协作分集***中的中继选择和功率分配问题进行了研究，但还存在很多不足之处：

1、现有的研究基本上都是针对单天线终端协作***的，而针对多天线终端协作***中的中继选择和功率分配的研究还很少；

2、目前大部分的中继选择方法都是基于等功率分配的，由于未考虑功率分配对***性能的影响，无法为用户匹配到真正的最佳中继，限制了***的性能；

3、现有的中继选择方法的计算量普遍较高，因此很难应用于实际的***中。

发明内容

本发明是为了实现多天线终端协作***中的最佳中继选择以提高***性能，从而提供一种结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法。

结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法，它由以下步骤实现：

步骤一、从所有未找到中继节点的用户集合中选取单位发射功率下与基站之间信噪比的值ξ_i为最小的用户i，i是1与未找到中继节点的用户集合中用户总数之间的随机整数，并计算用户i在直接传输方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小发射功率P_nci；

步骤二、判断候选中继节点的用户集合中是否存在同时满足ξ_ij＞ξ_i和ξ_j＞ξ_i的M个用户，M为正整数，j为正整数，如果判断结果为否，则执行步骤二一；如果判断结果为是，则执行步骤二二；式中：ξ_ij为用户i和用户j之间单位发射功率下信噪比的值；

步骤二一、将用户i采取直接传输方式进行通信，并将用户i从未找到中继节点的用户集合中删除；并返回执行步骤一；

步骤二二、分别计算M个用户在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coj；并选取其中的最小值所对应的用户j作为中继用户j；

计算用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coij；并判断用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于p_e时所需的最小总发射功率P_coij是否小于步骤一获得的用户i在直接传输方式下所需的最小发射功率P_nci，如果判断结果为是，则执行步骤三；如果判断结果为否，则执行步骤二一；

步骤三、选择用户j作为用户i的中继节点，完成用户i的中继节点选择，并将用户i和用户j分别从未找到中继节点的用户集合和候选中继节点的用户集合中删除，返回执行步骤一，直至未找到中继节点的用户集合为空集，完成结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择。

有益效果：实现多天线终端协作***中的最佳中继选择以提高***性能。对于多天线终端协作式MIMO***，本发明能够在满足一定误比特率要求的前提下，降低节点的发射功率，减少能量的消耗，从而提高***的能量增益；并且采用中继选择与功率分配相结合的方式，使用户能够匹配到最佳的中继节点；并且计算复杂度低，大幅度的提高了***性能。

附图说明

图1是多天线终端协作式MIMO的传输模型示意图；图2是本发明与现有方法的网络平均能量增益的仿真示意图；图3是本发明与现有方法的平均计算量的仿真示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法，它由以下步骤实现：

步骤一、从所有未找到中继节点的用户集合中选取单位发射功率下与基站之间信噪比的值ξ_i为最小的用户i，i是1与未找到中继节点的用户集合中用户总数之间的随机整数，并计算用户i在直接传输方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小发射功率P_nci；

步骤二、判断候选中继节点的用户集合中是否存在同时满足ξ_ij＞ξ_i和ξ_j＞ξ_i的M个用户，M为正整数，j为正整数，如果判断结果为否，则执行步骤二一；如果判断结果为是，则执行步骤二二；式中：ξ_ij为用户i和用户j之间单位发射功率下信噪比的值；

步骤二一、将用户i采取直接传输方式进行通信，并将用户i从未找到中继节点的用户集合中删除；并返回执行步骤一；

步骤二二、分别计算M个用户在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coj；并选取其中的最小值所对应的用户j作为中继用户j；

计算用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coij；并判断用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于p_e时所需的最小总发射功率P_coij是否小于步骤一获得的用户i在直接传输方式下所需的最小发射功率P_nci，如果判断结果为是，则执行步骤三；如果判断结果为否，则执行步骤二一；

步骤三、选择用户j作为用户i的中继节点，完成用户i的中继节点选择，并将用户i和用户j分别从未找到中继节点的用户集合和候选中继节点的用户集合中删除，返回执行步骤一，直至未找到中继节点的用户集合为空集，完成结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择。

工作原理：多天线终端协作式MIMO的传输模型如图1所示。***由源节点、中继节点和目的节点组成，为了简化分析，假定所有节点配置的天线数均为2。H_SD、H_SR和H_RD分别为源-目的(S-D)、源-中继(S-R)和中继-目的(R-D)链路的信道衰落系数矩阵。

这里采用解码转发(Decode-and-Forward，DF)的协作方式。考虑低速移动的用户，假定信道为准静态平坦衰落信道，在1帧数据的传输时间内信道衰落系数保持恒定，并且接收端可以获知准确的信道状态信息(Channel State Information，CSI)。

在协作第一阶段(广播阶段)，源节点采用Alamouti空时分组编码(Space Time BlockCoding，STBC)向目的节点和中继节点广播数据信息，中继节点对接收到的信号进行2发2收Alamouti空时码的最大似然(Maximum Likelihood，ML)译码；协作第二阶段(中继阶段)，中继节点将译码后的数据按照与源节点相同的方式重新进行Alamouti编码，将信息发送给目的节点。目的节点的2个天线在协作的第一阶段和第二阶段所接收到的信号可以等效为4个接收天线同时接收到的信号进行处理，目的端进行2发4收的Alamouti空时码的最大似然译码。

假设源节点和中继节点的发射功率分别为P_s和P_R，并且同一节点的两根天线发射功率相同，接收端每根天线收到的噪声功率均为N，则S-D链路、S-R链路和R-D链路进行信号合并后得到的瞬时信号噪声功率比分别为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SD}}=\frac{P_S}{2N}{\left|\right|H_{\mathrm{SD}}\left|\right|}_F^2=P_S{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{SD}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SR}}=\frac{P_S}{2N}{\left|\right|H_{\mathrm{SR}}\left|\right|}_F^2=P_S{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{SR}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RD}}=\frac{P_R}{2N}{\left|\right|H_{\mathrm{RD}}\left|\right|}_F^2=P_R{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{RD}}---\left(3\right)$

其中，

表示Frobenius平方范数；ξ_SD、ξ_SR和ξ_RD分别代表发送端增加单位发射功率，S-D链路、S-R链路和R-D链路瞬时信号噪声功率比的增加值。

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{SD}}=\frac{{\left|\right|H_{\mathrm{SD}}\left|\right|}_F^2}{2N}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{SR}}=\frac{{\left|\right|H_{\mathrm{SR}}\left|\right|}_F^2}{2N}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{RD}}=\frac{{\left|\right|H_{\mathrm{RD}}\left|\right|}_F^2}{2N}---\left(6\right)$

假设采用BPSK调制方式，***对误比特率的要求为不高于P_e，并且采用直接传输方式和采用DF协作方式的信息传输速率相同，多天线终端协作式MIMO***中用户的能量增益可以表示为

$G=10\lg \left(\frac{P_{\mathrm{nc}}}{P_{\mathrm{co}}}\right)---\left(7\right)$

其中，P_nc表示确保用户误比特率不高于p_e，采用直接传输方式所需的最小发射功率。

P_co为协作方式下，确保用户误比特率不高于p_e时，源节点和中继节点所需的最小总发射功率。

$P_{\mathrm{co}}=P_{\mathrm{co}}^S+P_{\mathrm{co}}^R---\left(8\right)$

和

分别为采用协作方式时源节点和中继节点所需的发射功率。

定义功率分配系数k为源节点发射功率与源节点和中继节点的总发射功率之比。k的取值范围为0＜k≤1，当k＝1时，DF协作转化为直接传输模式。

$k=P_{\mathrm{co}}^S/P_{\mathrm{co}}---\left(9\right)$

源节点和中继节点所需的最小总发射功率P_co可根据各个链路的实时信噪比以及功率分配系数k求得。

只有当以下两个条件同时满足时，才有可能获得较大的能量增益。

ξ_SR＞ξ_SD                                 (10)

ξ_RD＞ξ_SD                                 (11)

当公式(10)和(11)这两个条件不能同时满足时，则协作的能量增益为负值或接近于0的值。

当公式(10)和(11)这两个条件同时满足时，使协作能量增益最大的最优功率分配系数的近似值为

${\tilde{k}}_{\mathrm{opt}}=\left\{\begin{array}{cc}0.1,& {\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{RD}}\left(\mathrm{dB}\right)-{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{SR}}\left(\mathrm{dB}\right)\&le;-10\mathrm{dB}\\ 0.5+0.04({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{RD}}\left(\mathrm{dB}\right)-{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{SR}}\left(\mathrm{dB}\right)),& -10\mathrm{dB}<{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{RD}}\left(\mathrm{dB}\right)-{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{SR}}\left(\mathrm{dB}\right)<10\mathrm{dB}\\ 0.9,& {\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{RD}}\left(\mathrm{dB}\right)-{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{SR}}\left(\mathrm{dB}\right)\&GreaterEqual;10\mathrm{dB}\end{array}\right.---\left(12\right)$

考虑用户运动速率较低的情况，此时可以将信道看作是准静态的。假设信道为平坦衰落信道，并且基站可以获得不同用户之间以及用户与基站之间的实时信噪比信息。由于信道状态可以在一段相对较长的时间内基本保持恒定，因此可以根据实时信道状态进行中继的选择。这里考虑非互惠协作的情况，将算法的优化目标定为满足一定误比特率要求的前提下，使***的总发射功率最小，即最大化***的能量增益。

假设***对误比特率的要求为不高于P_e。其中，ξ_i表示用户i增加单位发射功率，用户i-基站链路信号噪声功率比的增加值；ξ_j表示用户j增加单位发射功率，用户j-基站链路信号噪声功率比的增加值；ξ_ij表示用户i增加单位发射功率，用户i-用户j链路信号噪声功率比的增加值；P_nci表示用户i在直接传输方式下确保误比特率不大于p_e所需的最小发射功率；P_coij表示用户i将用户j作为其中继节点，并且功率分配系数的取值等于由公式(12)计算得到的在协作方式下确保误比特率不大于p_e所需的用户i和用户j最小总发射功率。

图2所示为几种不同中继选择算法网络平均能量增益曲线。仿真中假设用户在小区内均匀分布，信道为准静态平坦瑞利衰落信道，并且只考虑距离衰减和多径衰落。考虑蜂窝***上行链路的情况，同一移动终端(源节点和中继节点)不同天线之间具有一定的相关性，假设相关系数为0.3，基站(目的节点)不同天线间的相关性可以忽略。可以看出，本文提出的结合功率分配的改进WLF算法的网络平均能量增益相对于等功率分配的WLF算法大约提高了0.5dB。另外，这两种算法的平均能量增益均大大高于随机的选择方式，并随着小区中用户数量的增多而略有增加。

图3所示为本发明提出的结合功率分配的改进WLF算法以及等功率分配的一般WLF算法为一个用户选择中继的平均计算量曲线。这里假设每次根据各个链路的实时信噪比以及功率分配系数求解所需发射功率的计算量为1，按照公式(12)计算最优功率分配系数近似值

的计算量可以忽略。可以看出，结合功率分配的改进WLF算法的平均计算量大大低于等功率分配的一般WLF算法。

Claims (1)

1.结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、从所有未找到中继节点的用户集合中选取单位发射功率下与基站之间信噪比的值ξ_i为最小的用户i，i是1与未找到中继节点的用户集合中用户总数之间的随机整数，并计算用户i在直接传输方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小发射功率P_nci；

步骤二、判断候选中继节点的用户集合中是否存在同时满足ξ_ij＞ξ_i和ξ_j＞ξ_i的M个用户，M为正整数，j为正整数，如果判断结果为否，则执行步骤二一；如果判断结果为是，则执行步骤二二；式中：ξ_ij为用户i和用户j之间单位发射功率下信噪比的值；

步骤二一、将用户i采取直接传输方式进行通信，并将用户i从未找到中继节点的用户集合中删除；并返回执行步骤一；

步骤二二、分别计算M个用户在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coj；并选取其中的最小值所对应的用户j作为中继用户j；

计算用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于预设值p_e时所需的最小总发射功率P_coij；并判断用户i和该中继用户j在协作方式下确保误比特率不大于p_e时所需的最小总发射功率P_coij是否小于步骤一获得的用户i在直接传输方式下所需的最小发射功率P_nci，如果判断结果为是，则执行步骤三；如果判断结果为否，则执行步骤二一；

步骤三、选择用户j作为用户i的中继节点，完成用户i的中继节点选择，并将用户i和用户j分别从未找到中继节点的用户集合和候选中继节点的用户集合中删除，返回执行步骤一，直至未找到中继节点的用户集合为空集，完成结合功率分配的多天线终端协作式MIMO中继选择。

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