CN101394255B - 多用户无线网络中的两用户协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户无线网络中的两用户协作通信方法。其步骤为：1)目的终端为用户终端选择伙伴终端；2)在第一帧内，用户终端将本地编码数据调制到同相分量后向目的终端发送，伙伴终端译码和检验该数据的正确性；3)在第二帧内，伙伴终端分别将本地和中继编码数据调制到同相和正交分量并发送，用户终端对该本地数据进行译码和检验；4)在第三帧内，用户终端分别将本地和中继编码数据调制到同相和正交分量并发送，伙伴终端对该本地数据进行译码和检验；5)在以后的偶数帧和奇数帧内，分别重复步骤3)和4)；6)在最后一帧内，用户终端或伙伴终端发送中继数据。本发明具有信道和功率资源利用率高的优点，用于无线网络中的可靠数据传输。

Description

多用户无线网络中的两用户协作通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种多用户无线网络中的两用户协作通信方法。

背景技术

多天线分集技术可以有效抵抗无线网络中多径衰落的影响，提高网络容量，改善系统性能。在蜂窝移动通信、ad hoc和无线传感器网络等无线通信系统中，终端设备由于受到功耗、体积和硬件复杂度等因素的限制，实现多天线较为困难。近年来，一种多天线技术的延伸-协作通信技术引起了各界的广泛关注。协作通信技术使得多用户环境下的单天线终端按照一定方式共享彼此资源，形成虚拟的多天线发射机以获得发射分集增益。协作通信技术是一种低成本高效的无线资源分配解决方案，为多天线技术走向实用化提供了一条新的途径，极有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

在用户协作分集系统中，由于中继传输的引入，用户的信号到达基站时需要经历用户到中继，即协作伙伴的信道和中继到基站的信道。如果规定两个用户相互作为协作伙伴向基站发送信息，协作伙伴的选择将是影响协作分集系统性能的首要因素。其次，在协作用户对形成后，由于用户均有信息向基站发送，如何在有限的系统资源条件下，如频率/时隙/码字等实现多用户信息接入，使得系统的资源利用率、编码增益和分集增益最大化，即用户协作通信方式是协作分集系统中的另一个问题。最后，由于发射功率的限制以及用户服务质量QoS的需求，用户还要根据当前系统的衰落及干扰信息自适应地在本地和伙伴信号间进行功率分配，从而尽可能充分利用有限的系统资源，提高系统资源利用率。因此，协作伙伴选择、协作通信方式以及自适应功率分配问题就成为用户协作分集系统中重要的研究内容。

传统协作分集系统中，典型的基于时分的两用户协作场景为：每个用户将自身可用时隙的一半用来发送本地信息，另一半用来发送伙伴的中继信息。显然，此类协作资源分配方式并不是最优的，会导致系统带宽扩展和协作用户的速率损失。因此，如何设计更为高效的协作资源分配方式是协作分集领域的一个重要研究方向。

2005年Erik G.Larsson等在“IEEE Communication Letters”(《国际电气电子工程师协会通信快报》)(2005年9月第9卷)发表的“Cooperative Transmit DiversityBased on Superposition Modulation”(《基于重叠调制的协作发射分集》)中提出了一种基于重叠调制的协作通信方法。该方法将用户的星座调制信号在欧式空间进行叠加，使每个用户同时发送本地信息和伙伴的中继信息。因此该方法不会导致协作系统带宽增加，能充分利用信道资源，是一种高效的协作资源分配方式。文中还说明了本地和中继信息间的功率资源分配对系统性能的影响，但并没有涉及功率分配的方法。此外，由于用户发送的本地信息和伙伴发送的中继信息采用相同的校验位，因而影响了系统性能的提高。

2007年V.Mahinthan等在“IEEE Trans.On Wireless Communications”(《国际电气电子工程师协会无线通信汇刊》)(2007年1月第6卷)发表的“ACooperativeDiversity Scheme Based on Quadrature Signaling”(《基于正交信号的协作分集机制》)中提出了一种基于正交信号的协作通信方法。该方法利用QPSK调制的同相和正交分量，使每个用户能同时发送本地信息和伙伴的中继信息。因此该方法不会导致协作系统带宽增加，也是一种高效的协作资源分配方式。该方法可以看作是一种基于信号正交的重叠调制协作通信方法，通过同相和正交分量之间的正交性，用户能以更低的复杂度从接收的伙伴信息中分离出伙伴发送的本地信息。但该文只讨论了未编码系统和传统的等功率分配方法，而没有涉及如何在系统中利用自适应信道编码和功率优化分配方法来进一步提升系统性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多用户无线网络中的两用户协作通信方法，以充分利用信道和发送功率等系统资源，使协作终端获得最大的空间分集增益和编码增益，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率。

实现本发明目的的技术方案是：利用二维星座调制信号的同相和正交分量，使每个用户同时发送本地信息和伙伴的中继信息，利用目的终端反馈的功率因子对分配给本地和中继信息的功率资源进行优化配置，使协作终端获得最大的空间分集增益和编码增益，确保系统的传输质量。具体步骤如下：

(1)希望进行协作传输的第一用户终端(A)向目的终端(D)发出请求，由目的终端在当前多用户无线网络中选择一个与第一用户终端(A)距离较近的终端作为伙伴，即第二用户终端(B)；

(2)在协作传输的第一帧内，第一用户终端(A)将本地数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量后向目的终端(D)发送，目的终端(D)和第二用户终端(B)同时接收第一用户终端(A)发送的数据；第二用户终端(B)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验；

(3)在协作传输的第二帧内，第二用户终端(B)发送本地数据，并协助第一用户终端(A)发送数据，目的终端(D)和第一用户终端(A)同时接收第二用户终端(B)发送的数据，第一用户终端(A)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验；

(4)在协作传输的第三帧内，第一用户终端(A)发送本地数据，并协助第二用户终端(B)发送数据，目的终端(D)和第二用户终端(B)同时接收第一用户终端(A)发送的数据；第二用户终端(B)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验；

(5)重复步骤(3)，完成在协作传输的第偶数帧k内，第二用户终端(B)所要发送的本地数据和协助第一用户终端(A)发送的数据，k≥4；

(6)重复步骤(4)，完成在协作传输的第奇数帧l内，第一用户终端(A)所要发送的本地数据和协助第二用户终端(B)发送的数据，l≥3；

(7)在协作传输的最后一帧内，第一用户终端(A)协助第二用户终端(B)发送数据，或第二用户终端(B)协助第一用户终端(A)发送数据。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于利用二维调制信号的同相和正交分量同时发送本地和伙伴的信息，协作时不需要扩展系统带宽，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，降低了系统复杂度，性能代价比高，具有较强的实用性；

2.本发明由于结合信道编码和自适应功率控制，该两用户协作通信可以自动地在协作通信模式和非协作通信模式之间切换，因而可实现当用户处于协作通信模式时，采用目的终端反馈回的功率因子控制本地和中继信息之间的功率，当用户处于非协作通信模式时，将全部功率分配给本地信息；

3.本发明由于采用通过对本地和中继信息间的功率进行自适应分配，不仅提高了传输质量，而且使有限的无限资源得到了有效的利用；

4.由于本发明的功率分配方法与信道编码是独立，且对其功率进行优化分配，因而可获得最大性能增益为1.5dB，并可将根据未编码系统求得的最优功率因子直接应用于编码系统；

5.由于本发明中的多用户接入控制不依赖于具体的接入协议，既可以采用目前成熟的时分多址接入TDMA、频分多址接入FDMA及码分多址接入CDMA进行用户接入，也可以采用其它类似的接入方式如正交频分多址接入OFDMA进行用户接入。

附图说明

图1.是本发明的协作通信流程图；

图2.是现有两用户协作通信系统模型图；

图3.是本发明的协作通信过程原理图；

图4.是本发明采用卷积编码时的协作通信过程原理图；

图5.是本发明采用低密度校验码LDPC编码时的协作通信过程原理图。

图6.是本发明协作终端的功率分配过程原理图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1：选择伙伴终端。

在图2所示的多用户无线网络中，希望进行协作传输的第一用户终端A向目的终端D发出请求，由目的终端D在当前网络中选择一个与第一用户终端A距离较近的终端作为伙伴，即第二用户终端B。该两用户协作通信系统模型如图2所示。其中第一用户终端A和第二用户终端B由于各自的体积、功耗和硬件复杂度等因素的限制，只能配置单天线；目的终端D可以配置一根或多根天线。目的终端D采用的多用户接入控制为时分多址接入TDMA，或频分多址接入FDMA，或码分多址接入CDMA，或正交频分多址接入OFDMA。第一用户终端A和第二用户终端B互为伙伴终端，共享彼此的信道和发送功率等资源，形成虚拟的多天线发射机向目的终端发送信息，以获得发射分集增益。

步骤2：完成在协作传输的第一帧内，第一用户终端A的数据发送、接收、译码和正确性检验。

如图3所示，第一用户终端A将本地产生的数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量后向目的终端D发送，此时，由目的终端D和第二用户终端B同时接收第一用户终端A所发送的数据；第二用户终端B从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验。其中所述的信道编码采用低密度校验码LDPC码，或卷积码，或两者的级联方式，并通过对这些码进行凿孔，从而提高编码效率；所述的对译码后的数据进行正确性检验，是通过CRC校验，或信道编码自身的校验矩阵，或信道编码自身的校验矩阵与CRC校验的级联方式进行。

步骤3：完成在协作传输的第二帧内，第二用户终端B和被协作的第一用户终端A数据的发送、接收、译码和正确性检验。

如图3所示，在协作传输的第二帧内，第二用户终端B将本地产生的数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量；将协助第一用户终端A发送的数据按照约定的信道编码方式重新进行编码，并调制到正交分量；对调制的同相分量和正交分量进行功率控制后向目的终端D发送，即目的终端D通过第一用户终端A和第二用户终端B的上行信道和终端间信道的平均值计算同相分量和正交分量的功率分配比例；将计算的功率分配比例通过控制信道反馈发送给第一用户终端A和第二用户终端B；第一用户终端A和第二用户终端B根据反馈的功率分配比例分别发送其同相分量和正交分量。

图4给出了采用凿孔卷积码进行信道编码时，协作通信过程原理图。协作终端先将本地产生的数据经过循环冗余校验CRC编码后，送入凿孔卷积码编码器编码；然后将打孔后的数据调制到同相分量；再从接收的伙伴数据中提取同相分量，经过维特比解码器解码，并将解码后的数据分为两路输出：一路送入解码校验模块进行正确性校验，将其结果作为功率控制模块的输入，另一路送入凿孔卷积码编码器，将打孔删除的数据调制到正交分量；最后将进行功率优化控制后的同相分量和正交分量合并后发送。

图5给出了采用凿孔低密度校验码LDPC码进行信道编码时，协作通信过程原理图。协作终端先将本地数据经过循环冗余校验CRC编码后，送入凿孔LDPC码编码器进行编码；然后将编码数据打孔后的数据调制到同相分量；再从接收的伙伴数据中提取同相分量，经过LDPC码解码器进行解码，将解码后的数据分为两路输出：一路送入解码校验模块进行正确性校验，将其结果作为功率控制模块的输入，另一路送入凿孔LDPC码编码器，提取将编码数据打孔删除的数据调制到正交分量；最后将进行功率优化分配后的同相分量和正交分量合并后发送。

图6给出了协作终端的功率分配过程原理图。对协作终端而言，如果该终端对伙伴终端的数据成功解码，则根据目的终端反馈回的功率分配因子对本地和中继信息进行功率分配，自动进入协作通信模式，该中继信息为第一用户终端A协助第二用户终端B发送的信息，或第二用户终端B协助第一用户终端A发送的信息；如果该终端对伙伴终端的数据解码错误，则将全部功率分配给本地信息，自动进入非协作通信模式。对目的终端而言，需要实时测量两用户终端的上行信道和终端间信道信噪比的平均值，并根据特定的调制方式，确定系统端到端误帧率FER、误符号率SER或误比特率BER等性能目标函数；然后基于特定的性能目标函数最小准则求出最优功率因子，并通过控制信道将功率因子反馈至协作终端。

假设每个用户的总发射功率归一化为1，采用的功率分配因子为β(0<β≤0.5)，即本地和中继信息的功率分别为1-β和β，在一定调制方式下，推导的系统端到端误比特率性能P_e是终端上行信道和终端间信道平均信噪比与功率因子的函数。以该函数作为目标函数，在误码率最小准则下的最优功率因子为

$\mathrm{\&beta;}=\underset{\mathrm{\&beta;}}{\arg }\min P_e$

s.t.0<β<0.5

以未编码的二进制移相键控BPSK调制系统为例，在给定信道条件下计算的β²值范围为0.18～0.35。

步骤4：完成在协作传输第三帧内，第一用户终端A和被协作的第二用户终端B数据的发送、接收、译码和正确性检验。

如图3所示，在协作传输的第三帧内，第一用户终端A将本地产生的数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量；将协助第二用户终端B发送的数据按照约定的信道编码方式重新进行编码，并调制到正交分量；对调制的同相分量和正交分量进行功率控制后向目的终端D发送，即目的终端D通过第一用户终端A和第二用户终端B的上行信道和终端间信道的平均值计算同相分量和正交分量的功率分配比例；将计算的功率分配比例通过控制信道反馈发送给第一用户终端A和第二用户终端B；第一用户终端A和第二用户终端B根据反馈的功率分配比例分别发送其同相分量和正交分量。其功率控制的方法如图6所示。

步骤5：重复步骤3，完成在协作传输的第偶数帧k内，第二用户终端B所要发送的本地数据和协助第一用户终端A发送的数据，k≥4；

步骤6：重复步骤4，完成在协作传输的第奇数帧l内，第一用户终端A所要发送的本地数据和协助第二用户终端B发送的数据，l≥3；

步骤7：完成在协作传输最后一帧内的中继数据发送。

在最后一帧内，由第一用户终端A协助发送第二用户终端B的数据，或由第二用户终端B协助发送第一用户终端A的数据。

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.多用户无线网络中的两用户协作通信方法，包括如下步骤：

(1)希望进行协作传输的第一用户终端(A)向目的终端(D)发出请求，由目的终端在当前多用户无线网络中选择一个与第一用户终端(A)距离较近的终端作为伙伴，即第二用户终端(B)；

(2)在协作传输的第一帧内，第一用户终端(A)将本地数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量后向目的终端(D)发送，目的终端(D)和第二用户终端(B)同时接收第一用户终端(A)发送的数据；第二用户终端(B)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验；

(3)在协作传输的第二帧内，第二用户终端(B)发送本地数据，并协助第一用户终端(A)发送数据，目的终端(D)和第一用户终端(A)同时接收第二用户终端(B)发送的数据，第一用户终端(A)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验：

所述的第二用户终端(B)发送本地数据，并协助第一用户终端(A)发送数据，按如下过程进行：

(3a)第二用户终端(B)将本地数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，并调制到同相分量；

(3b)第二用户终端(B)将协助第一用户终端(A)发送的数据按照约定的信道编码方式重新进行编码，并调制到正交分量；

(3c)第二用户终端(B)对调制的同相分量和正交分量进行功率控制后向目的终端(D)发送；

(4)在协作传输的第三帧内，第一用户终端(A)发送本地数据，并协助第二用户终端(B)发送数据，目的终端(D)和第二用户终端(B)同时接收第一用户终端(A)发送的数据；第二用户终端(B)从接收信号中提取同相分量后进行信道译码，并对译码后的数据进行正确性检验：

所述的第一用户终端(A)发送本地数据，并协助第二用户终端(B)发送数据，按如下过程进行：

(4a)第一用户终端(A)将本地数据依次经过循环冗余校验CRC编码和信道编码，调制到同相分量；

(4b)第一用户终端(A)将协助第二用户终端(B)发送的数据按照约定的信道编码方式重新进行编码，并调制到正交分量； 

(4c)第一用户终端(A)对调制的同相分量和正交分量进行功率控制后，向目的终端(D)发送；

(5)重复步骤(3)，完成在协作传输的第偶数帧k内，第二用户终端(B)所要发送的本地数据和协助第一用户终端(A)发送的数据，k≥4；

(6)重复步骤(4)，完成在协作传输的第奇数帧内，第一用户终端(A)所要发送的本地数据和协助第二用户终端(B)发送的数据，

≥3；

(7)在协作传输的最后一帧内，第一用户终端(A)协助第二用户终端(B)发送数据，或第二用户终端(B)协助第一用户终端(A)发送数据。

2.根据权利要求1所述的多用户无线网络中的两用户协作通信方法，其中所述的信道编码采用低密度校验码LDPC或卷积码或两者的级联方式，并通过对这些码凿孔，提高编码效率。

3.根据权利要求1所述的多用户无线网络中的两用户协作通信方法，其中步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)所述的对译码后的数据进行正确性检验，是通过CRC校验，或信道编码自身的校验矩阵，或信道编码自身的校验矩阵与CRC校验的级联方式进行。

4.根据权利要求2或3所述的多用户无线网络中的两用户协作通信方法，其中所述的对同相分量和正交分量进行功率控制，是由目的终端(D)通过第一用户终端(A)和第二用户终端(B)的上行信道和终端间信道的平均值计算同相分量和正交分量的功率分配比率；通过控制信道反馈发送给第一用户终端(A)和第二用户终端(B)；第一用户终端(A)和第二用户终端(B)利用反馈的功率分配发送其同相分量和正交分量。 

Images