CN103906198B - 放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，建立放大转发协作通信网络，放大转发协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D以及N个备选中继R1,R2,...,RN；传输过程分为两个阶段，第一阶段：源节点S向所有备选中继广播信号x；第二阶段：进行最佳中继选择和功率分配，被选择的最佳中继向目的节点转发信息。本发明无需源节点已知所有信道的瞬时信道状态信息，仅需各备选中继向源节点反馈自身所在两跳链路中某一跳的瞬时信道状态信息即可进行备选中继选择，反馈开销小，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种中继选择与功率分配方法，特别涉及一种放大转发(Amplify-and-Forward,AF)协议下的，基于部分信道状态信息的中继选择与功率分配方法。
背景技术
协作通信技术通过多个独立分布于无线网络中的单天线用户共享频谱等资源引入空间分集，从而获得与多输入多输出***相同的***性能，是对抗多径衰落，提高通信质量的重要手段之一。然而，其***性能的提高是以增加***复杂度和反馈负荷为代价的。比如，为了使各中继可以有效合作，中心节点可能需要分布于整个网络的各个中继的信道状态信息(Channel State Information,CSI)。对于半双工通信***而言，源节点以及各个中继需要在相互正交的信道上进行信息传输，因而大大制约了频谱利用率，并且传输方案的复杂度也较高。
中继选择技术在有效避免上述问题的同时，仍能获得节点间协作传输所带来的好处，因而受到广泛关注。有研究表明，选择单个最优中继进行信息转发同样可以获得满分集增益，并且有效降低了***复杂度，提高了频谱利用率。
然而为了进行中继选择，一方面，传统方法往往要求某中心节点(如源节点)已知网络中所有中继信道的实时信道状态信息。随着网络中中继数量的增加，该方法会给通信***带来沉重的反馈负担，所要求的反馈负荷往往难以承受，因此很难应用于实际***中。另一方面，现有一些中继选择方法仅利用有限的信道状态信息(如仅已知“源-中继”链路的CSI)进行中继选择，缺少对信道条件的充分利用，所获得的***性能与已知全部CSI所获得的***性能之间存在显著差距。
发明内容
本发明的目的是提出一种放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，该方法反馈开销小，中断概率低。
本发明的技术方案是，放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，建立放大转发协作通信网络，放大转发协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D以及N个备选中继Rk；传输过程分为两个阶段，第一阶段：源节点S向所有备选中继广播信号x；第二阶段：进行备选中继选择和功率分配，被选择的最佳中继向目的节点D转发信息。
本发明的特点还在于：
第二阶段包括备选中继自主向源节点S反馈信息的过程、源节点S进行备选中继选择和功率分配的过程。
备选中继自主向源节点反馈信息的过程包括如下两个步骤：
第一步：平均信道状态信息的比较
假设源节点S与各备选中继发射功率相等，则S-Rk和Rk-D链路的瞬时接收信噪比γSk＝PS|hSk|2/N0和γkD＝Pk|hkD|2/N0的相对大小仅与|hSk|2和|hkD|2有关；PS和Pk分别表示源节点和备选中继Rk的发射功率，|hSk|2和|hkD|2分别表示S-Rk和Rk-D链路的瞬时信道状态信息，其均值即平均信道状态信息分别为βSk和βkD，k＝1,2,...,N，N0为噪声功率；由于***中所有信道的平均信道状态信息均已知，因此各备选中继Rk，其中k＝1,2,...,N，首先对自己所在S-Rk和Rk-D链路的平均信道状态信息βSk和βkD进行比较；
第二步：瞬时信道状态信息的反馈
A、若比较结果为βSk≤βkD，则备选中继Rk将S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2反馈给源节点S；
B、若比较结果为βSk>βkD，则Rk向目的节点D发送请求信号，令其反馈Rk-D链路的瞬时信道状态信息|hkD|2；由于备选中继Rk本身已知S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2，因此备选中继Rk将|hSk|2与|hkD|2再进行比较，然后向源节点S反馈二者中的较小值。
源节点S进行备选中继选择和功率分配的过程包括如下两个步骤：
第一步：最佳中继的挑选
源节点S根据各备选中继反馈的瞬时信道状态信息，选择其中最大值所对应的备选中继做为最佳中继，即
其中表示最佳中继。相应的，其和链路的瞬时信道状态信息和平均信道状态信息分别用表示。Yk的值为
在传输的第二阶段，只有最佳中继向目的节点D转发信息；
第二步：源节点与最佳中继之间的功率分配
设***总发射功率Pt一定，令功率分配因子为ζ,其中0<ζ<1，即源节点S的发送功率为PS＝ζPt，最佳中继的发送功率为具体分配方法如下：
A、若则源节点S仅已知统计信道状态信息和此时功率分配因子为
B、若那么根据备选中继的反馈，源节点S已知瞬时信道状态信息和此时功率分配因子为
也就是说，当第一跳的统计信道状态信息较小时，源节点S采用公式(3)进行源节点S与最佳中继间的功率分配，当第二跳的统计信道状态信息较小时，则采用公式(4)进行功率分配。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明无需源节点已知所有信道的瞬时信道状态信息，仅需各备选中继向源节点反馈自身所在两跳链路中某一跳的瞬时信道状态信息即可进行备选中继选择，反馈开销小，易于实现。
2、本发明充分利用已知的信道状态信息，根据信道情况实时调整源节点与所选择的最佳中继之间的功率分配因子，通过合理的功率分配优化***性能，降低***中断概率。
附图说明
图1是本发明放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法的多备选中继协作通信网络的模型图。
图2是本发明放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法的基于部分信道状态信息的备选中继选择流程图。
图3是本发明实施例1备选中继选择方法与现有技术的***中断性能仿真对比图。
图4是本发明实施例2备选中继选择方法与现有技术的***中断性能仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，首先建立如图1所示的放大转发协作通信网络。该通信网络包括一个源节点S，一个目的节点D以及N个备选中继R1,R2,...,RN，传输过程采用放大转发协议。***中每一个节点配备单根天线并采取半双工的方式。各无线信道互相独立，且均为信道系数服从复高斯分布(信道增益服从瑞利分布)的衰落信道。用|hSk|2和|hkD|2分别表示S-Rk和Rk-D链路的瞬时信道状态信息，由瑞利分布特性可知|hSk|2和|hkD|2服从指数分布，令其均值即平均信道状态信息分别为βSk和βkD，k＝1,2,...,N。不失一般性，假设所有链路的接收端噪声均为独立的零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N0。
传输过程分为两个阶段。第一阶段：源节点S向所有备选中继广播信号x；第二阶段：进行备选中继选择和功率分配后，被选择的最佳中继向目的节点转发信息。
***中所有链路的平均信道状态信息βSk和βkD均已知，且各接收节点可通过对训练序列的估计获得发送节点到自己的传输链路的瞬时信道状态信息。即在每一条S-Rk-D链路中，备选中继Rk已知|hSk|2，目的节点D已知|hkD|2，但其它瞬时信道状态信息需要通过反馈获得。
令PS和Pk分别表示源节点和中继Rk的发射功率，γSk＝PS|hSk|2/N0、γkD＝Pk|hkD|2/N0分别表示S-Rk和Rk-D链路的瞬时接收信噪比，则目的端的互信息量为
***的中断概率为
其中R为***目标传输速率，Pr(·)表示某事件发生的概率。
容易证明：对于各个S-Rk-D链路来说，其接收端信噪比γk＝γSkγkD/(γSk+γkD+1)受限于S-Rk和Rk-D链路中信噪比γSk、γkD中较小者。因此为了提高接收端信噪比，在备选中继中以选择γSk、γkD中较小者为依据进行中继选择。
如图2所示，本发明提供的备选中继选择方法包含以下步骤：
1)备选中继自主向源节点反馈信息的过程：
第一步：平均信道状态信息的比较
假设源节点S与各备选中继Rk发射功率相等，则S-Rk和Rk-D链路的瞬时接收信噪比γSk＝PS|hSk|2/N0和γkD＝Pk|hkD|2/N0的相对大小仅与|hSk|2和|hkD|2有关。
由于***中所有信道的平均信道状态信息均已知，因此各备选中继Rk，其中k＝1,2,...,N，首先对自己所在S-Rk和Rk-D链路的平均信道状态信息βSk和βkD进行比较。
第二步：瞬时信道状态信息的反馈
A、若比较结果为βSk≤βkD，则备选中继Rk将S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2反馈给源节点S。
B、若比较结果为βSk>βkD，则备选中继Rk向目的节点D发送请求信号，令其反馈Rk-D链路的瞬时信道状态信息|hkD|2。
由于备选中继Rk本身已知S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2，因此备选中继Rk将|hSk|2与|hkD|2再进行比较，然后向源节点S反馈二者中的较小值。
2)源节点进行备选中继选择和功率分配的过程：
第一步：最佳中继的挑选
源节点S根据各备选中继Rk反馈的瞬时信道状态信息，选择其中最大值所对应的备选中继做为最佳中继即
其中表示最佳中继。相应的，其和链路的瞬时信道状态信息和平均信道状态信息分别用表示。Yk的值为
在传输的第二阶段，只有最佳中继向目的节点D转发信息。
第二步：源节点与最佳中继之间的功率分配
设***总发射功率Pt一定，令功率分配因子为ζ,其中0<ζ<1，将源节点S的发送功率表示为PS＝ζPt，最佳中继的发送功率为具体分配方法如下：
A、若则源节点S仅已知统计信道状态信息和此时***中断概率Pout可表示为
其中分别为γth＝22R-1表示***信噪比门限。K1(x)表示第二类一阶修正贝塞尔函数。在高信噪比条件下式(9)可近似为：
因此功率分配可描述为：
其中SNR＝Pt/N0为***信噪比。当信噪比较高时，公式(11)可近似为
对上式进行求解，可得此时功率分配因子为
B、若则源节点S可获得瞬时信道状态信息和在通常的传输环境中因此可将目的端接收信噪比近似为由式(6)可得该条件下的功率分配为
上式可等价为
得到此时的功率分配因子为
也就是说，当第一跳的统计信道状态信息较小时，源节点S采用公式(13)进行源节点S与最佳中继间的功率分配，当第二跳的统计信道状态信息较小时，采用公式(16)进行功率分配。
使用蒙特卡罗仿真方法对本发明进行10000次以上的独立仿真，测试中断概率性能。结果如图3和图4所示。
图3是本发明实施例1备选中继选择方法与现有方法的***中断性能仿真对比图。图4是本发明实施例2备选中继选择方法与现有方法的***中断性能仿真对比图。实施例1与实施例2的差别仅在于仿真过程中链路统计信道状态信息的不同。在图3中，“源-备选中继”及“备选中继-目的”链路的统计信道状态信息分别为和该信道条件代表备选中继1、2离源节点S较近，备选中继3、4离目的节点D较近的情况。由图3可以看出，通过使用本发明所提供的备选中继选择方法，***中断概率相比于现有源节点仅已知“源-备选中继”链路瞬时CSI的方法有所降低。比如，在中断概率为10-2处，本发明比现有方法带来了大约4dB的性能增益。通过进一步使用源节点与最佳中继间的功率分配方法，***中断性能得到进一步提升。在图4中，“源-备选中继”及“备选中继-目的”链路的统计信道状态信息分别为和该信道条件相比图3的信道条件而言各备选中继所对应的βSk和βkD差距更大。这意味着备选中继离源节点或目的节点距离差别更大的情况。由图4可以看出，本发明所带来的性能增益相比于图3进一步增加。同样在中断概率为10-2处，本发明比现有方法带来了超过5dB的性能增益。
本发明针对现有技术的不足，提出的放大转发协作网络的备选中继选择与功率分配方法，以最小化***中断概率为目标，选择单个备选中继参与信息转发。在选择过程中，各备选中继依据自身已知的统计及瞬时信道状态信息，自主判定反馈内容，向源节点反馈“源-备选中继”或“备选中继-目的”链路的瞬时信道状态信息；源节点依据备选中继所反馈的信息进行备选中继选择；而后源节点进一步在自己与所选择的备选中继之间进行功率分配。本发明具有反馈开销小，中断概率低等优良性能，具有较强的实用性。
Claims (2)
1.放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，其特征在于，建立放大转发协作通信网络，所述放大转发协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D以及N个备选中继Rk；传输过程分为两个阶段，第一阶段：源节点S向所有备选中继广播信号x；第二阶段：进行最佳中继选择和功率分配，被选择的最佳中继向目的节点D转发信息；
所述的第二阶段包括备选中继自主向源节点S反馈信息的过程、源节点S进行备选中继选择和功率分配的过程；
所述备选中继自主向源节点S反馈信息的过程包括如下两个步骤：
第一步，平均信道状态信息的比较，
假设源节点S与各备选中继发射功率相等，则S-Rk和Rk-D链路的瞬时接收信噪比γSk＝PS|hSk|2/N0和γkD＝Pk|hkD|2/N0的相对大小仅与|hSk|2和|hkD|2有关；PS和Pk分别表示源节点和备选中继Rk的发射功率，|hSk|2和|hkD|2分别表示S-Rk和Rk-D链路的瞬时信道状态信息，其均值即平均信道状态信息分别为βSk和βkD，k＝1,2,...,N，N0为噪声功率；由于***中所有信道的平均信道状态信息均已知，因此各备选中继Rk，其中k＝1,2,...,N，首先对自己所在S-Rk和Rk-D链路的平均信道状态信息βSk和βkD进行比较；
第二步，瞬时信道状态信息的反馈，
A、若比较结果为βSk≤βkD，则备选中继Rk将S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2反馈给源节点S；
B、若比较结果为βSk>βkD，则Rk向目的节点D发送请求信号，令其反馈Rk-D链路的瞬时信道状态信息|hkD|2；由于备选中继Rk本身已知S-Rk链路的瞬时信道状态信息|hSk|2，因此备选中继Rk将|hSk|2与|hkD|2再进行比较，然后向源节点S反馈二者中的较小值。
2.如权利要求1所述的放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法，其特征在于，所述源节点S进行备选中继选择和功率分配的过程包括如下两个步骤：
第一步，最佳中继的挑选
源节点S根据各备选中继反馈的瞬时信道状态信息，选择其中最大值所对应的备选中继做为最佳中继，即
<mrow>
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<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中表示最佳中继；相应的，其和链路的瞬时信道状态信息和平均信道状态信息分别用表示；Yk的值为
在传输的第二阶段，只有最佳中继向目的节点D转发信息；
第二步，源节点与最佳中继之间的功率分配
设***总发射功率Pt一定，令功率分配因子为ζ,其中0<ζ<1，即源节点S的发送功率为PS＝ζPt，最佳中继的发送功率为具体分配方法如下：
A、若则源节点S仅已知统计信道状态信息和此时功率分配因子为
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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B、若那么根据备选中继的反馈，源节点S已知瞬时信道状态信息和此时功率分配因子为
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</mrow>
也就是说，当第一跳的统计信道状态信息较小时，源节点S采用公式(3)进行源节点S与最佳中继间的功率分配，当第二跳的统计信道状态信息较小时，则采用公式(4)进行功率分配。
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Legal Events
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Granted publication date: 20171103 Termination date: 20210321 |