基于多中继单信源单信宿协作网络的增量中继传输方法

摘要

本发明公开一种基于多中继单信源单信宿协作网络的增量中继传输方法，包括步骤：1，信源S广播信号序列，所有中继R接收；2，对每个中继编号，中继按依次对信号序列进行放大转发处理；3，信宿D接收到第i个中继转发过来的信号序列后，对前面接收到的i个信号进行最大比合并，然后进行中断事件判决，并用单比特信息表示判决结果；4，D将单比特信息B反馈给信源S和所有中继，如果发生中断，则下一时隙内第i+1个中继转发信号，S保持沉默，然后重复步骤3、4，直到不发生中断或者所有中继都转发了为止；如果不发生中断，下一时隙内中继不再转发，S发送新的信号。本发明不仅能达到全分集增益，还能大大的提高频谱效率。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于多中继单信源单信宿协作网络的增量中继传输方法。 

背景技术

众所周知，无线信道存在各种各样的传播损耗，例如路径损耗、多径效应以及阴影效应等等。通常，在慢衰落信道环境中，如果一个无线信道的状态不好，那么它接下来的一段时间内信道环境质量也不会太好，即在此期间进行的传输失败的概率很高，即使重复传输相同的信号。 

由于无线信道具有广播特性，即在一次传输工程中，在信源节点的传输范围内的节点都可以接收到信号，不管它需不需要。当目的节点接受失败时，其他相邻的节点可能正确接收了。因此，如果此时相邻节点再重发一次信号给目的节点的话，则能起到很好的弥补作用。我们把这称之为协作传输，协作分集技术是由J.N.Laneman等人在2004年提出的。 

协作传输通常也叫做协同中继，即把相邻节点视作一个中继节点。有两种常见的协同中继类型，解码转发（DF）和放大转发（AF），K.J.R.Liu,A.K.Sadek,等人所著书籍《Cooperative Communications and Networking》中对两种类型做了相应的描述。在DF中，中继在转发信号之前，需要先解码。而AF中，中继只需简单的对信号做放大处理，而不需要解码。因此，相对比AF而言，DF的计算复杂度更高。所以本发明采用AF方法。 

常见的AF方案中，中继总是转发，不管原始传输成功与否，显而易见，这样的频谱效率是很低的。K.G.Seddik等人在2006年的Wireless Communications and Networking Conference上发表的“Outage Analysis ofMulti-node Amplify-and-Forward Relay networks”中提出了一种多中继在同一时隙中同时转发，提高了频谱效率，但是不能达到全部的分集增益。J.N.Laneman等人2004年发表在IEEE Trans.Inf.Theory上的“Cooperative diversityin wireless networks:Efficient protocols and outage behavior”中提出了 增量中继（Incremental relaying）的概念，即中继只有在初始传输失败的情况下才参与转发，否则不进行转发，经证明该方案不仅能够改善频谱效率，而且能够达到很高的分集增益。 

前面提到的几种AF方案中，要么只考虑了单中继增量转发的情况，要么只考虑多中继协同转发的情况。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多中继单信源单信宿协作网络的增量中继传输方法，在多个单天线中继节点环境中引入增量中继方案，从而以一种简单可行的方法改善了常规多中继协作网络中频谱效率低的弊端。本发明具有复杂度低、操作简单的特点，只需在每个中继传输结束时反馈一个单比特信息即可，同时与常规的策略对比，本方案不仅能达到全分集增益，而且具有更高的频谱效率。 

为实现上述的目的，本发明所述的基于多中继单信源单信宿协作网络的增量中继传输方法，整个传输过程分为两个阶段，包括以下步骤： 

步骤1：在第一个阶段内，信源S对所有中继广播信号序列； 

步骤2：所有中继接收到信号序列之后，对其进行放大处理； 

步骤3：在第二阶段内，所有中继按一定的顺序转发信号序列。 

步骤4：信宿接收到第i个信号后，对前面的i个信号进行最大比合并（MRC）处理，然后进行中断事件判决； 

步骤5：将结果反馈给中继和信源，如果所述步骤4的判决结果为发生中断，则下一个中继转发信号，信源保持沉默，然后重复执行所述步骤4和步骤5，直到所有中继都参与了转发或者不发生中断为止；如果所述步骤4的判决结果为不发生中断，则中继停止转发，信源发送新的信号。 

优选地，本发明中，每个中继转发结束后，信宿都会对所有接收到的信号做一次判决，并将结果反馈给每个中继R和信源S，信源S和中继R根据反馈信息，决定下一时隙的动作。 

所述判决方式如下： 

${\gamma }_{\mathrm{mrc}}^K=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(\frac{{\mathrm{SNR}\left|h_{i,d}{\beta }_i{h}_{s,i}\right|}^2}{{{\beta }_i}^2{\left|h_{i,d}\right|}^2+1}\right)K\in [1,n]$

其中 为前K个中继转发信号经过最大比合并（MRC）接收器之后的输出信噪比（SNR），h_s,i为信源和中继i之间的信道系数，h_i,d为信宿和中继i之间的信道系数，β_i为中继i的放大系数，B为单比特信息、用于表示此次传输成功或者失败，例如，B=1表示此次传输成功，B=0表示传输失败。 

上面两式的物理意义为，当第K个中继传输结束后，信宿对前K个时隙中接受到的信号进行最大比合并（MRC），并对合并后的信号进行中断事件判决，如果平均互信息大于给定的频谱效率SE，即 

$\frac{1}{K+1}\log (1+{\gamma }_{\mathrm{mrc}}^K)\ge \mathrm{SE}$

则不发生中断，信宿反馈信息，B=1，接收到信息后，信源S传输新的信号，中继不再转发。反之，发生中断，信宿反馈信息，B=0，接收到信息后，信源S不发送信号，下一个中继转发信号。 

优选地，中继按一定的秩序依次转发，所述一定秩序为预先对中继进行任意编号，不考虑信道的好坏，转发时编号从小到大依次进行。 

优选地，所述中继进行放大转发（AF）处理，具体如下： 

x_i=β_iy_s,i  i∈[1,n] 

其中y_s,i为第i个中继接收到的信号，x_i为经过放大后的发射信号，β_i为放大系数， 

${\beta }_i=\sqrt{\frac{P_i}{P_s{\left|h_{s,i}\right|}^2+N_0}},i\in [1,n]$

其中P_i为中继i的发射功率，P_s为信源的发射功率，N₀为噪声方差，h_s,i为信源和中继i之间的信道系数。 

优选地，所述信宿端采取最大比合并技术，其处理的过程具体如下： 

$y=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\alpha }_i{y}_{i,d},K\in [1,n]$

其中y_i,d为接收到来自中继i的信号，n为总的中继个数，y为合并和的信号，α_i为第i条S-R-D链路的权重系数 

${\alpha }_i=\frac{\sqrt{P_s}{\beta }_i{h}_{i,d}^{*}{h}_{s,i}^{*}}{({{\beta }_i}^2{\left|h_{i,d}\right|}^2+1)N_0},i\in [1,K]$

其中P_s为信源的发射功率，N₀为噪声方差，h_s，i为信源和中继i之间的信道系数，h_i，d为信宿和中继i之间的信道系数，β_i为中继i的放大系数，h^*表示h的共轭转置，K为该次传输过程中，参与转发的中继个数。 

本发明的工作原理如下： 

一般的协作网络中，要么只考虑多个中继每次传输过程中都参与转发信号，要么只考虑增量中继在单中继协作网络中的应用。前者虽然能够达到全部的分集增益，但是很明显，它所需占用的时隙或频谱资源非常大，换一句话说，它的频谱效率是非常低的；后者由于应用了增量中继技术，即中继不总是转发，只要当直接链路不够好的情况下，才需要中继转发信号，因此它的频谱效率要优于常规的协作方案，但是它没考虑多个中继的情况。 

本发明考虑了增量中继技术在多中继单信源单信宿协作网络中的应用，传输方案为：只有当前面的中继都传输失败时，才需要下一个中继进行转发，否则信源直接发送一个新的信号，进行下一轮的传输。本发明中在每个中继传输结束之后，需要在信宿端做一次判决，判断该中继的转发信号是否能够使得信宿端成功解码信号，并将结果反馈给信源和中继。如果可以的话，信源发送新的信号，中继不再进行转发；否则，信源不发送新的信号，下一个信号转发信号，直到所有中继都转发了。通过仿真证明，本发明不仅能达到全分集增益，更好的满足QoS（服务质量）要求，而且还改善了频谱效率。 

附图说明

图1为多中继增量中继协作网络拓扑图。 

图2为本发明的传输方案的具体流程图。 

图3为本发明提出的方案一次传输过程中需要的总时隙数，其中N=2，N=4，N=6，N=8四条曲线分别代表该总的中继个数对应的中断概率曲线，另外，本实施例中，我们令SE=1。 

图4为对应不同的中继个数，常规方案和采用了增量中继的方案的中断概率比较。 

具体实施方式

下面结合附图和仿真实例对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如附图1所示的多中继单信源单信宿中继信道。仿真中，前向信道和后向信道系数均服从独立的高斯分布，均值为0，方差为1。试验中假设中继具有相同的发射功率，均为P_s/n，n为总的中继个数。中继端和信宿端的噪声服从相同的分布。指定的频谱效率SE=1。 

为了体现本发明的优点，本发明和常规的未采用增量中继技术的多中继传输方案进行了对比，对两种方案的中断概率进行了，另外还通过仿真得出了本发明整个传输过程所需的平均时隙数。仿真采用Monte-Carlo仿真方法，每组方案均进行10，000次仿真试验。中继将接收到的信号进行放大转发。假设信道为平坦衰落，在同一次传输中，信道情况保持不变。如图2所示，每次试验按照以下步骤进行： 

步骤1：在第一个阶段内，信源S对所有中继广播信号序列； 

步骤2：所有中继接收到信号序列之后，对其进行放大处理； 

步骤3：在第二阶段内，所有中继按一定的顺序转发信号序列。 

步骤4：信宿接收到第i个信号后，对前面的i个信号进行最大比合并（MRC）处理，然后进行中断事件判决； 

步骤5：将结果反馈给中继和信源，如果所述步骤4的判决结果为发生中断，则下一个中继转发信号，信源保持沉默，然后重复执行所述步骤4和步骤5，直到所有中继都参与了转发或者不发生中断为止；如果所述步骤4的判决结果为不发生中断，则中继停止转发，信源发送新的信号。 

本实施例的应用场景，为图1所示的多中继单信源单信宿中继协作网络，网络中包含有1个信源，n个中继和1个信宿。信源、信宿和中继都是单天线。步骤4所述的判决方式，本发明中采取的进行中断事件判决，即当两点之间的最大平均互信息小于给定的频谱效率时，发生中断。具体方法如下： 

第K个中继传输完之后，信宿对前K个信号进行最大比合并（MRC），得到合并后的信号的SNR为： 

${\gamma }_{\mathrm{mrc}}^K=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\left(\frac{{\mathrm{SNR}\left|h_{i,d}{\beta }_i{h}_{s,i}\right|}^2}{{{\beta }_i}^2{\left|h_{i,d}\right|}^2+1}\right)K\in [1,n]$

此时，最大的平均互信息为： 

$I=\frac{1}{K+1}\log (1+{\gamma }_{\mathrm{mrc}}^K)$

对得到的互信息进行判决，判决方式如下 

所做的判决结果，本实施例用一个单比特的信息B保存，并返回给信源和中继。此时根据判决结果的不同，分为两种情况： 

1.如果B=1，即判决成功，下一时隙中信源可发送一个新的符号，中继不进行转发，信宿根据前K个信号进行解码。 

2.如果B=0，即判决失败，下一时隙中信源保持沉默，下一个中继放大转发信号，信宿接收到信号后，再进行判决——反馈，直到所有中继都参与转发，或者判决成功为止。 

从图3中，可以得出结论，随着SNR的增大，本发明方案所需的时隙数将大大减少，也即意味着频谱效率大大提高。从图4中，可以得出结论，和常规的方案相比，本发明方案也能达到全分集增益，而且其中断概率要更小。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。