編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法
2023-05-31 20:38:51 2
專利名稱：編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域中的功率分配方法，具體涉及一種編碼協作通信中降低中斷率的功率分配方法，用於編碼協作通信系統。
背景技術：
未來的無線通信系統需要更多的提供高速率的多媒體業務和數據業務，因此就需要採用新技術來提高信息傳輸速率。無線通信中的多徑衰落是影響通信傳輸速率和可靠性的重要因素，如何解決多徑效應帶來的影響成為提高通信質量的關鍵。雖然多輸入多輸出MIMO技術能夠使系統的性能得到提升，但是由於移動終端體積和成本的限制，在其上安裝多個天線就變的非常困難，這就限制了MIMO技術的應用。因此人們提出了協作分集技術，即在多用戶環境下，每個單天線用戶在發送自己信息的同時也為自己的協作夥伴發送信息，這樣就形成了虛擬多天線系統。由於協作分集技術具有提供空間分集克服多徑衰落、在給定速率下改善上行鏈路容量並降低中斷率的特點，目前已成為蜂窩網系統、Ad hoc網絡和傳感器網絡等領域中的研究熱點之一。Laneman等學者在「IEEE Trans.Information Theory，2004，50(12)3062-3080」上發表文章「Cooperativediversity in wireless networkefficient protocols and outage behavior」分析了放大中繼AF、解碼中繼DF和編碼協作CC等方案。其中，AF方案和DF方案均屬於重複編碼類型的中繼，因此其編碼效率很低，不能獲得較理想的編碼增益。而CC方案首先將協作分集技術與信道編碼技術相結合，可使系統能獲得更高的編碼增益，因此比AF方案和DF方案更具優越性。
2006年Hunter等學者在「IEEE Trans.on Wireless Communications 2006，5(2)283-289」上發表的論文「Diversity through Coded Cooperation」首先提出了CC方案第一階段，源節點首先對信息進行編碼並將碼字分割成兩部分；然後將其中一部分碼字以廣播形式發送；第二階段，中繼節點對接收到的信息解碼，若解碼正確則重新編碼，並將剩餘碼字部分發送。但該文獻中並沒有涉及功率分配問題的研究，所提出方案均採用平均功率分配的方法。
功率分配問題一直是通信技術中的研究熱點。在協作通信領域已有很多學者分別從誤碼率和中斷率角度出發，提出了不同的功率優化分配方法。Luo等在「IEEE TransWireless Communications，2007，6(3)793-799」上發表文章「Decode-and-Forwardcooperative diversity with power allocation in wireless networks」針對多中繼條件下DF方案，研究了發射端已知平均信道增益的條件下，通過最小化中斷率進行功率優化分配的問題。隨後，Li在「IEEE Trans.Wireless Communications，2007，6(3)948-958」上的文章「Distributed adaptive power allocation for wireless relay networks」給出了AF方案和DF方案單中繼最優功率分配係數和多中繼次優功率分配係數的閉式解。但是目前還沒有針對CC方案的功率分配方法提出，並且Hunter在「IEEE Trans.Information Theory，2006，52(2)375-391」上的文獻「Outage analysis of coded cooperation」給出的CC方案中斷率表達式過於複雜，不適合進行功率分配。因此需要尋一種適合功率分配的簡單中斷率表示方式，並根據中斷率最小法則進行功率分配。
發明內容
本發明的目的在於針對目前沒有CC方案下功率分配方案的問題，提出了一種最小化系統中斷率為目標的編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法，以降低系統的中斷率，提高通信質量。
為實現上述目的，本發明的技術方案包括如下步驟 (1)目的節點在收到來自源節點和中繼節點的信息後，分別估計源節點至中繼節點和目的節點以及中繼節點至目的節點的信道統計信息； (2)目的節點以中斷率最小為目標，根據估計的信道統計信息通過如下功率優化分配係數計算公式計算出功率優化分配係數αop，即 式中，E為系統總發射功率；a1＝2R/η-1，a2＝2R/(1-η)-1，η表示協作度，R表示傳輸速率；
和
表示信道增益方差，N表示噪聲雙邊功率譜密度； (3)利用反饋信道將功率分配係數發送給源節點和中繼節點； (4)源節點和中繼節點收到反饋的功率分配信息，源節點以分配功率Es＝αopE進行廣播，中繼節點以分配功率Er＝(1-αop)E進行中繼； (5)目的節點繼續估計兩路信道狀態信息，如果信道的狀態發生變化則按步驟(2)重新計算分配信息，如果信道的狀態未發生變化則按照原有功率分配狀態發送信息。
本發明針對目前編碼協作通信中均採用平均功率分配的問題，提出的編碼協作功率分配方法由於僅需要目的節點估計出各信道狀態的統計信息，而不需要目的節點進行搜索，因而對信道適應性強；同時由於本發明構造了系統中斷率上界的簡單表達式，並以中斷率最小為準則，得出功率優化分配係數的閉合表達式，因此運算複雜度低，且能有效降低編碼協作系統的中斷率，保證通信質量。本發明與現有功率平均分配方法相比，不僅可以有效降低編碼協作通信的中斷率，同時也可使中斷率指標固定的情況下節省發生功率。
圖1是已有的編碼協作通信模型圖； 圖2是本發明的工作流程圖； 圖3是本發明的功率優化分配與現有的平均分配方法的中斷率比較圖； 圖4是本發明基於協作度、協作用戶位置與功率優化分配係數的關係圖。
具體實施例方式 下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
圖1是本發明採用的基於功率分配的編碼協作通信模型圖。其中包括源節點、中繼節點和目的節點。hsr、hsd和hrd分別表示源節點到中繼節點和目的節點，以及中繼節點到目的節點的信道衰落係數。源節點發送的信息經過編碼分成x1和x2兩部分，源節點只發送其中的x1，中繼節點發送x2。在該系統中設傳輸速率R＝1/4bit/s/Hz，總發射功率為E，發射端調製方式為BPSK，且接收端能完全恢復信道衰落係數，並採用相干解調；選取信道為頻率非選擇性瑞利慢衰落信道，噪聲為功率譜密度N＝1的加性高斯白噪聲；設各節點在同一直線上並且中繼節點在源節點和目的節點之間。不失一般性，令源節點至目的節點的距離dsd為單位1、信道統計信息歸一化為1隻考慮中繼節點的位置變化，令源節點到中繼節點的距離為dsr＝L，中繼節點到目的節點的距離為drd＝1-L(0<L<1)。考慮到路徑損耗的影響，信道衰落係數與路徑長度成反比，路徑損耗指數選取城市蜂窩陰影的典型值3，並考慮到源節點至目的節點的信道增益方差已歸一化，則源節點至中繼節點和中繼節點至目的節點的信道狀態統計信息可分別表示為和 參照圖2，本發明利用圖1編碼協作模型進行功率優化分配的具體步驟如下 步驟1，估計兩路信道狀態信息。
源節點和中繼節點分別向目的節點發送初始信息，如訓練序列，目的節點根據接收到的信號估計得到源節點至中繼節點信道狀態統計信息
源節點至目的節點信道狀態統計信息
和中繼節點至目的節點信道狀態統計信息
步驟2，以中斷率最小為準則，按如下過程構造功率優化分配表示式αop。
2a.將編碼協作系統的中斷率表示為 式中，
表示完全協作時的中斷率，
為直接傳輸時中繼節點接收源節點信號的中斷率，
為直接傳輸時目的節點接收源節點信號的中斷率，後兩個中斷率均通過香農信道容量公式得到，即 式中，γsr表示中繼節點接收源節點信號的平均信噪比，γsd表示目的節點接收源節 點信號的平均接收信噪比，R/(1-η)表示源節點傳輸速率，η表示協作度； 2b.給出完全協作時的中斷率的上界為 式中，γrd表示目的節點接收中繼節點信號的平均接收信噪比，a1＝2R/η-1，a2＝2R/(1-η)-1； 2d將
和
代入式(1)得到系統的中斷率上界 式中，
和
表示信道統計信息，N表示噪聲功率譜密度； 2e.對式(5)求關於功率分配係數α的導數並令其等於0，得二元一次方程 (2a1Bsr-4a2Brd)α2+(8a2Brd-a1Bsr-3a1)α+(2a1-4a2Brd)＝0；(6) 2f.解式(6)得功率優化分配係數的表達式 步驟3，計算功率優化分配係數。
將目的節點估計得到源節點至中繼節點信道狀態統計信息
、源節點至目的節點信道狀態統計信息
和中繼節點至目的節點信道狀態統計信息
，以及噪聲功率譜密度N、協作度η，總發射功率E的具體參數代入式(7)，計算得出功率優化分配係數αop。
步驟4，目的節點利用反饋信道將功率優化分配係數αop發送給源節點和中繼節點。
步驟5，源節點和中繼節點分別以分配功率進行廣播與中繼。
源節點和中繼節點收到反饋的功率優化分配係數，源節點以分配功率Es＝αopE進行廣播，中繼節點以分配功率Er＝(1-αop)E進行中繼，其具體過程是在第一階段，由源節點根據接收到的功率優化分配係數調整其發送功率，以功率αopE將碼字x1以廣播形式發送；在第二階段，由中繼節點對收到的信息進行解碼操作，並判斷是否解碼正確，如果解碼正確則根據接收到的功率優化分配係數，以功率(1-αop)E將碼字x2發送至目的節點，如果解碼錯誤則保持空閒狀態；目的節點收到兩節點發送碼字後進行組合處理，然後解碼得到源端發送信息。
步驟6，目的節點繼續估計信道狀態信息，如果信道的狀態發生變化則按步驟2重新計算分配信息，如果信道的狀態未發生變化則按照原有功率分配狀態發送信息 本法明的效果可以通過以下仿真圖進一步說明 圖3比較了採用本發明功率優化分配與現有功率平均分配時系統的中斷率性能，由圖3可見，在中斷率為10-3處，當源節點到中繼節點的距離L分別取0.9、0.6和0.4時，採用本發明功率優化分配可使系統中斷率性能提升2.8dB、1.4dB和0.3dB；在L＝0.1時，由於功率優化分配係數αop趨近於0.5，因此本發明的性能與平均分配相當，這表明本發明提出的功率優化方法可以有效降低系統中斷率。
圖4分析了中繼節點在不同位置時編碼協作度η與功率優化分配係數的關係。由圖4可見，當中繼節點端距離源節點較近，即L較小時，功率優化分配係數αop在0.5附近；而中繼節點距離目的節點較近，即L較大時，功率優化分配係數αop趨近於1。這表明當源節點和中繼節點之間信道狀況較好時，採用平均功率分配即可使系統獲得最佳性能；當源節點和中繼節點之間信道狀況較差時，需要通過增大源節點的發射功率來減少中繼節點錯誤解碼的概率從而提高中繼概率。同時還表明，隨著η的增加αop也不斷增加。其原因是隨著η增加，源節點發送的碼字x1冗餘不斷減少，為了保證足夠的協作概率就必須增加源節點的發送功率。反之，當η降低時，因為有足夠的編碼冗餘保證可靠協作，故可將部分功率分配給中繼節點用於提高其傳輸性能。
本發明並不局限於上述實施例，在不脫離本申請權利要求的精神和範圍情況下，本領域的技術人員可做出各種修改或改型。
權利要求
1.一種編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法，包括以下步驟
(1)目的節點在收到來自源節點和中繼節點的信息後，分別估計源節點至中繼節點和目的節點以及中繼節點至目的節點的信道統計信息；
(2)目的節點以中斷率最小為目標，根據估計的信道統計信息通過如下功率優化分配係數計算公式計算出功率優化分配係數αop，即
式中，E為系統總發射功率；a1＝2R/η-1，a2＝2R/(1-η)-1，η表示協作度，R表示傳輸速率；
和
表示信道增益方差，N表示噪聲雙邊功率譜密度；
(3)利用反饋信道將功率分配係數發送給源節點和中繼節點；
(4)源節點和中繼節點收到反饋的功率分配信息，源節點以分配功率Es＝αopE進行廣播，中繼節點以分配功率Er＝(1-αop)E進行中繼；
(5)目的節點繼續估計兩路信道狀態信息，如果信道的狀態發生變化則按步驟(2)重新計算分配信息，如果信道的狀態未發生變化則按照原有功率分配狀態發送信息。
2.根據權利要求1所述的編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法，其中步驟(1)所述的信道統計信息是信道增益的方差值。
3.根據權利要求1所述的編碼協作通信中間低中斷率的功率優化分配方法，其中步驟(2)所述的功率優化分配係數計算公式按如下過程構建
(2a).將編碼協作系統的中斷率表示為
式中，
表示完全協作時的中斷率，
為直接傳輸時中繼節點接收源節點信號的中斷率，
為直接傳輸時目的節點接收源節點信號的中斷率，後兩個中斷率均通過香農信道容量公式得到，即
式中，γsr表示中繼節點接收源節點信號的平均信噪比，γsd表示目的節點接收源節點信號的平均接收信噪比，R/(1-η)表示源節點傳輸速率；
(2b).給出完全協作時的中斷率的上界為
式中，γrd表示目的節點接收中繼節點信號的平均接收信噪比；(2d)將
和
代入式(1)得到系統的中斷率上界
(2e)對式(5)求關於功率分配係數α的導數並令其等於0，得二元一次方程
(2a1Bsr-4a2Brd)α2+(8a2Brd-a1Bsr-3a1)a+(2a1-4a2Brd)＝0； (6)
(2f)解式(6)得功率優化分配係數的表達式
4.根據權利要求1所述的編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法，其中步驟(4)的具體過程是在系統工作周期第一階段，由源節點根據接收到的功率優化分配係數調整其發送功率，以功率αopE將碼字x1以廣播形式發送；在系統工作周期第二階段，由中繼節點對收到的信息進行解碼操作，並判斷是否解碼正確，如果解碼正確則根據接收到的功率優化分配係數，以功率(1-αop)E將碼字x2發送至目的節點，如果解碼錯誤則保持空閒狀態；目的節點收到兩節點發送碼字後進行組合處理，然後解碼得到源端發送信息。
全文摘要
發明公開了一種無線通信領域的編碼協作通信中降低中斷率的功率優化分配方法，主要解決現有功率平均分配方法下系統中斷率較高的問題。其功率優化步驟為目的節點收到來自源節點和中繼節點的信息後，分別估計源節點至中繼節點和目的節點，以及中繼節點至目的節點的信道統計信息；隨後，目的節點以中斷率最小為目標，根據估計的信道統計信息由功率優化分配公式計算出功率優化分配係數，並利用反饋信道將功率分配信息發送給源節點和中繼節點；源節點和中繼節點收到反饋到的消息，分別以分配到的功率發送信息。本發明能夠顯著降低編碼協作通信的中斷率，計算功率分配係數的方法複雜度較低，可用於編碼協作通信系統中降低系統中斷率，保證通信質量。
文檔編號H04L1/06GK101394253SQ20081023182
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月21日 優先權日2008年10月21日
發明者韓春雷, 葛建華, 勇 王, 宮豐奎, 靖 李, 明 高, 南 張 申請人:西安電子科技大學