CN104184509A - 无线多播***中的中继协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线多播***中的中继协作传输方法，主要解决现有技术可靠性较低、开销较大的问题。其实现步骤为：1)多播用户根据瞬时信道增益选择反馈用户；2)源节点向多播用户和中继发送由本地数据经循环冗余校验编码、信道编码和调制后得到直接多播信号；3)多播用户和中继对接收信号进行解调、信道译码和校验后，由反馈用户根据其本地译码校验结果向源节点和中继反馈相应信令；4)中继根据反馈用户的信令判定是否使用中继协作传输：若是，则进行协作中继选择，并由被选择的中继发送协作多播信号，反之，中继保持静默，源节点准备发送新的多播传输。本发明具有低实现复杂度，***资源利用率高的优点，可实现无线多播业务的高效传输。

Description

无线多播***中的中继协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种无线多播***中的中继协作传输方法。

背景技术

由于无线信道受到阴影衰落、多径衰落、干扰等因素影响，发送信号在无线信道中经历严重的衰减和波动。现有大量研究成果表明，多天线技术可获得空间分集增益，能有效抵抗无线传输中多径衰落的影响，提高无线网络容量和覆盖范围。然而，无线网络用户终端由于受到体积、复杂度和功率等限制，难以应用多天线技术获取空间分集增益。

新兴的无线通信***致力于支持更高速率、更多类型的数据业务，同时，需要提高网络覆盖范围、提高无线资源利用率和无线传输可靠性。在现有无线网络中使用“中继协作”策略，可通过中继与源节点的分布式传输和信号处理，为目的节点构造“虚拟多天线阵列”，为复杂度和体积等方面受限的无线用户终端提供空间分集增益，保障无线用户不同类型业务的服务质量，提高无线网络容量、覆盖率、误码率和中断概率等多项关键性能指标。

在无线多播***中采用“中继协作”策略，需要根据多播传输性能受限于最差链路的特点，确定如何选择合适的中继对多播传输进行协作，以更好地协助源节点与用户间的多播传输，从而使得多播***的分集增益和频谱效率最大化。因此，中继选择问题是无线多播***中重要的研究内容。

针对上述问题，近年来学术界已展开了广泛的研究，并取得了一定的研究成果。

2010年H.Vicky Zhao等在“IEEE Transactions on Wireless Communications”(《国际电气电子工程师协会无线通信汇刊》)(2010年6月第9卷)发表的“Cooperative Wireless Multicast:Performance Analysis and Power/LocationOptimization”(《协作无线多播：性能分析与功率/位置优化》)中提出了两种协作多播方法，分析了这两种协作多播方法的中断性能。理论分析表明，相比于直接多播传输，该文提出的两种协作多播传输方法可以显著改善多播传输的中断性能，使多播用户获得2阶空间分集增益。此外，文中还根据中断概率的分析结果，研究了功率分配和中继位置对协作多播中断性能的影响。2013年B.Hu等在“IEEE Transactions on Vehicular Technology”(《国际电气电子工程师协会车辆技术汇刊》)(2013年6月第62卷)发表的“Wireless Multicast Using Relays:IncentiveMechanism and Analysis”(《无线多播使用中继：激励机制和分析》)中提出了一种基于博弈理论的中继协作多播传输的激励机制，并分析了该机制的吞吐量性能。理论分析表明，该激励机制可显著提升无线多播***的吞吐量。然而，上述研究均考虑所有正确译码的中继同时协作多播传输，没有涉及如何在***中利用中继选择来进一步提升多播传输性能，不能获得最大的空间分集增益。

2013年I-H.Lee等在“IEEE Communications Letters”(《国际电气电子工程师协会通信快报》)(2013年3月第17卷)发表的“Exact Outage Probability of RelaySelection in Decode-and-Forward Based Cooperative Multicast Systems”(《基于解码转发的协作多播***的中继选择精确中断概率》)上分析了协作多播***的最优中继选择中断性能。该文的中断分析表明，协作多播***的最优中继选择可获得最大的空间分集增益，提高协作多播传输的可靠性。但该文考虑的最优中继选择需要整个***的全局瞬时信道状态信息，***复杂度高，协作开销大，不利于在实际多播***中应用。

发明内容

本发明的目的在于上述现有技术的不足，提出一种无线多播***中的中继协作传输方法，以在提高多播传输可靠性，满足多播业务服务质量要求的同时，充分利用信道和发送功率等***资源，使无线用户终端获得最大的空间分集增益，从而降低协作开销，提高多播传输可靠性和无线资源利用效率。

实现本发明的技术方案是：各多播用户测量自身与源节点间链路的瞬时信道增益，根据测量结果进行反馈用户选择。在源节点发送的直接多播信号后，反馈用户根据其译码的校验结果向源节点和各中继反馈相应的信令。源节点和各中继根据收到的信令反馈，判定是否使用中继协作多播传输。若使用中继协作多播传输，则所有正确译码的中继测量自身与各多播用户间链路的瞬时信道增益，根据测量结果进行协作中继选择，并由被选择的中继发送协作多播信号；否则，所有中继保持静默，源节点将开始发送新的直接多播信号。具体步骤如下：

(1)各多播用户d_n测量自身与源节点s间链路的瞬时信道增益g(s,d_n)，并根据测量结果进行反馈用户选择，选出反馈用户d^*，其中n∈{1,...,N}，N为多播用户的总个数；

(2)源节点s对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到直接多播信号，并将该信号向所有多播用户和中继发送；

(3)所有中继和多播用户收到直接多播信号后，对该信号进行解调和译码，获取源节点s发送的数据；所有中继和反馈用户d^*对译码所得数据进行循环冗余校验，判定是否正确译码多播信号：若所有中继和反馈用户d^*用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败；

(4)反馈用户d^*根据自身译码的结果是否正确，对本次直接多播的结果进行信令反馈：若反馈用户d^*正确译码，则反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播成功信令；反之，反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播失败信令；

(5)源节点s和所有中继根据收到的信令反馈，判定是否使用中继协作多播传输：

若源节点s和所有中继收到直接多播成功信令，所有中继则不进行中继协作多播传输，源节点s将准备开始新的直接多播传输；

若源节点s和所有中继收到直接多播失败信令，则源节点s不再进行新的直接多播传输，而是由所有译码正确的中继执行步骤(6)；

(6)中继协作多播传输：

(6.1)在译码正确的各中继r_k测量自身与各多播用户d_n间链路的瞬时信道增益g(r_k,d_n)，并计算其协作性能因子η(r_k)＝min_n＝1,...,Ng(r_k,d_n)，即中继r_k与各多播用户d_n间链路的瞬时信道增益最小值，其中k∈{1,...,M}，M为译码正确的中继总数，N为***中多播用户总数；

(6.2)各译码正确的中继r_k根据其协作性能因子η(r_k)进行协作中继选择，并从中选出协作性能因子最大的中继r^*作为协作中继；

(6.3)协作中继r^*对正确译码后得到的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到协作多播信号，并将该多播信号向所有多播用户发送；

(6.4)所有多播用户在分别收到由步骤(3)发送的直接多播信号和由步骤(6.3)发送的协作多播信号后，对这两路信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。

本发明具有如下优点：

1.本发明提出了一种适用于无线多播***架构的中继协作多播传输方法，在源节点向多播用户提供多播业务时，由***中协作性能因子最大的中继为多播用户提供中继协作服务，从而在满足多播服务质量需求的同时，为多播用户构造虚拟多天线阵列，使多播用户获得最大的空间分集增益，提高了无线多播传输的可靠性。

2.本发明提出了一种基于多播用户信令反馈的自适应中继协作机制，根据反馈用户的信令决定是否使用中继协作多播传输，仅在直接多播失败时由协作中继发送协作多播信号，从而充分利用多播***中信道、发送功率、频谱等无线资源，提高无线多播传输的频谱效率。

3.本发明提出了一种分布式协作中继选择方法，通过各中继本地时钟倒计时和信令交互实现协作中继选择，降低了无线多播***中继选择复杂度，减少了协作多播传输的***开销，性能代价比高，具有较强的实用性。

上述无线多播***联合考虑协作分集技术和无线多播传输特点，充分利用信道和发送功率等***资源，使多播用户获得最大空间分集增益，从而降低协作开销、提高无线多播传输可靠性和频谱效率。

附图说明

图1是本发明使用的无线多播***模型图

图2是本发明的实现总流程图；

图3是本发明中的反馈用户选择子流程图；

图4是本发明中的协作中继选择子流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明使用的无线多播***，由1个源节点s、K个协作中继、N个多播用户构成。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1：各多播用户d_n测量其与源节点s间链路的瞬时信道增益g(s,d_n)，并根据测量结果进行反馈用户选择。

如图3所示，本步骤中从多播用户d_n中选择反馈用户d^*的具体实现如下：

1.1)源节点s广播“反馈用户选择开始”的信令；

1.2)各多播用户d_n在收到反馈用户选择开始的信令时，将本地时钟的初始时间设置为并同时从其初始时间T(d_n)向零进行倒计时；

1.3)对于率先完成倒计时多播用户d^*，由该多播用户广播反馈用户选择完成的信令，表明该用户被选为反馈用户；所选出的反馈用户的瞬时信道增益g(s,d^*)满足g(s,d^*)＝min_n＝1,...Ng(s,d_n)；

1.4)当收到反馈用户选择完成的信令时，所有多播用户停止倒计时，源节点s准备发送直接多播信号。

步骤2：源节点s对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制后，产生直接多播信号，并将该信号向所有多播用户和中继发送。

2.1)反馈用户选择完成后，源节点对本地将要被发送的数据首先进行循环冗余校验编码，以便于多播用户和中继判定多播信号接收和译码的正确性；

2.2)将循环冗余校验编码后的数据送入信道编码器，对该数据进行信道编码，提高数据的纠错检错能力，更加适应无线信道传输；

2.3)对信道编码后的数据进行调制，并将调制信号进行功率放大后发送，其中所述的信道编码器采用低密度校验码，或卷积码，或两者级联的方式，并对采用上述方式编码后的码字进行凿孔，提高编码效率。

步骤3：收到直接多播信号后，所有多播用户和中继对该信号解调并译码，各中继和反馈用户d^*进行循环冗余校验，反馈用户d^*对本次直接多播的结果进行信令反馈。

3.1)所有多播用户和中继对直接多播信号进行解调、译码，获取源节点s发送的数据；

3.2)各中继和反馈用户d^*进行循环冗余校验，判定是否正确译码多播信号：若所有中继和反馈用户d^*用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败，

由于反馈用户d^*与源节点s间链路信道增益g(s,d^*)＝min_n＝1,...Ng(s,d_n)，若反馈用户的正确译码，则可确保所有多播用户的正确译码，因此不需要所有的多播用户都进行循环冗余校验，这里只需要对反馈用户d^*进行循环冗余校验；

3.3)反馈用户d^*对本次直接多播的结果进行信令反馈：若反馈用户d^*的译码正确，则反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播成功的信令；反之，反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播失败的信令；

步骤4：源节点s和所有中继根据收到的信令反馈，确定执行新的直接多播传输，或中继协作多播传输。

4.1)当源节点s和所有中继收到直接多播成功的信令时，表明所有多播用户已正确译码源节点s的直接多播信号，不需要中继协作多播传输，则开始进行新的直接多播传输；

4.2)当源节点s和所有中继收到直接多播失败的信令时，表明存在未正确译码源节点s的直接多播信号的多播用户，执行如下步骤；

4.3)协作中继选择，

参照图4，本步骤的具体实现如下：

4.3.1)在收到来自反馈用户d^*的直接多播失败的信令后，源节点s广播协作中继选择开始的信令；

4.3.2)各正确译码中继r_k收到协作中继选择开始的信令后，计算协作性能因子η(r_k)＝min_n＝1,...,Ng(r_k,d_n)，并将本地时钟初始时间设置为T(r_k)＝μexp(-μ(r_k))，同时从其初始时间T(r_k)向零进行倒计时；

4.3.3)对于率先完成倒计时的中继r^*，由该中继广播协作中继选择完成的信令，表明该中继被选为协作中继；

该中继的协作性能因子η(r^*)满足η(r_k)＝min_n＝1,...,Ng(r_k,d_n)，即中继r_k与各多播用户d_n间链路的瞬时信道增益最小值；

4.3.4)当收到协作中继选择完成的信令时，所有正确译码中继停止倒计时，协作中继r^*准备发送协作多播信号；

4.4)协作中继r^*将由直接多播信号得到的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制后，得到协作多播信号，并将该信号经过功率放大后向所有多播用户发送。

步骤5：所有多播用户收到协作多播信号，将其与直接多播信号最大比合并，并将合并后的信号解调并译码。

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线多播***中的中继协作传输方法，包括如下步骤：

(1)各多播用户d_n测量自身与源节点s间链路的瞬时信道增益g(s,d_n)，并根据测量结果进行反馈用户选择，选出反馈用户d^*，其中n∈{1,...,N}，N为多播用户的总个数；

(2)源节点s对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到直接多播信号，并将该信号向所有多播用户和中继发送；

(3)所有中继和多播用户收到直接多播信号后，对该信号进行解调和译码，获取源节点s发送的数据；所有中继和反馈用户d^*对译码所得数据进行循环冗余校验，判定是否正确译码多播信号：若所有中继和反馈用户d^*用收到的循环冗余校验码能除尽预设的生成多项式，则表明译码正确，否则，译码失败；

(4)反馈用户d^*根据自身译码的结果是否正确，对本次直接多播的结果进行信令反馈：若反馈用户d^*正确译码，则反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播成功的信令；反之，反馈用户d^*向源节点s和所有中继反馈直接多播失败的信令；

(5)源节点s和所有中继根据收到的信令反馈，判定是否使用中继协作多播传输：

若源节点s和所有中继收到直接多播成功信令，所有中继则不进行中继协作多播传输，源节点s将准备开始新的直接多播传输；

若源节点s和所有中继收到直接多播失败信令，则源节点s不再进行新的直接多播传输，而是由所有译码正确的中继执行步骤(6)；

(6)中继协作多播传输：

(6.1)在译码正确的各中继r_k测量自身与各多播用户d_n间链路的瞬时信道增益g(r_k,d_n)，并计算其协作性能因子η(r_k)＝min_n＝1,...,Ng(r_k,d_n)，即中继r_k与各多播用户d_n间链路的瞬时信道增益最小值，其中k∈{1,...,M}，M为译码正确的中继总数，N为***中多播用户总数；

(6.2)各译码正确的中继r_k根据其协作性能因子η(r_k)进行协作中继选择，并从中选出协作性能因子最大的中继r^*作为协作中继；

(6.3)协作中继r^*对正确译码后得到的数据依次进行循环冗余校验编码、信道编码和调制，得到协作多播信号，并将该多播信号向所有多播用户发送；

(6.4)所有多播用户在分别收到由步骤(3)发送的直接多播信号和由步骤(6.3)发送的协作多播信号后，对这两路信号进行最大比合并，并对合并后的信号进行解调和译码。

2.根据权利要求1所述的无线多播***中的中继协作传输方法，其中所述步骤(1)中多播用户根据测量结果进行反馈用户d^*的选择，按如下步骤进行：

(1a)源节点s向所有多播用户广播反馈用户选择开始的信令；

(1b)各多播用户d_n在收到反馈用户选择开始的信令后，根据其瞬时信道增益测量结果g(s,d_n)，将本地时钟的初始时间T(d_n)设置为：

$T\left(d_n\right)=\mathrm{\μexp}(-\frac{1}{g(s,d_n)}),$

其中，μ为单位时间长度且满足μ>0；

(1c)各多播用户d_n的本地时钟同时开始从初始时间T(d_n)向零进行倒计时；

(1d)初始时间最小的多播用户d^*率先完成本地时钟倒计时后，被选为“反馈用户”，并向其余多播用户和源节点s发送反馈用户选择完成的信令；

(1e)所有收到反馈用户选择完成信令的多播用户停止本地时钟的倒计时，并准备接收源节点s的直接多播信号。

3.根据权利要求1所述的无线多播***中的中继协作传输方法，其中所述步骤(2)中的信道编码，采用低密度校验码，或卷积码，或两者级联的方式进行，并对采用上述方式编码后的码字进行凿孔，以提高编码效率。

4.根据权利要求1所述的无线多播***中的中继协作传输方法，其中步骤(6.2)所述的各译码正确的中继r_k根据其协作性能因子η(r_k)进行协作中继选择按如下步骤进行：

(6.2a)在收到直接多播失败信令后，源节点s向所有中继广播协作中继的选择开始信令；

(6.2b)在收到协作中继的选择开始信令后，译码正确的各中继r_k根据其协作性能因子η(r_k)，将本地时钟的初始时间T(r_k)设置为

T(r_k)＝μexp(-η(r_k))，

其中，μ为单位时间长度且满足μ>0；

(6.2c)正确译码的各中继r_k的本地时钟同时开始从其初始时间T(r_k)向零进行倒计时；

(6.2d)初始时间最小的中继r^*率先完成本地时钟倒计时后，被选为“协作中继”，并向其余中继发送协作中继选择完成信令；

(6.2e)在收到协作中继选择完成信令后，所有译码正确的中继停止本地时钟的倒计时，并保持静默，同时初始时间最小的中继r^*准备发送协作多播信号。