CN101557630A - 一种无线通信网络中协同节点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信网络中协同节点选择方法。它可有效提高协同分集性能，提高无线通信系统传输容量和可靠性，保障用户QoS要求，其方法为：1)信源S向周围节点发送中继请求；2)若节点空闲则发送应答信号；若没有空闲节点，则继续步骤1)；3)若仅仅一个空闲节点，则转入步骤6)，直接采取AF或DF的协同方式；4)若存在多个空闲节点，信源S根据利用信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算与这些空闲节点的距离L；然后空闲节点向目的端发送消息，根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算两者之间的距离D，并将该距离反馈给信源S；5)选择距离L和D乘积最小的那个空闲节点作为最佳中继节点；6)最后系统采用AF或者DF的协同方式。

Description

一种无线通信网络中协同节点选择方法

技术领域：

本发明涉及无线通信网络中协同节点选择方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着无线通信网络技术的发展，各种无线通信技术相继出现，这就使可利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，期望出现一种传输速率更高、成本更低、功率更小、抗干扰能力更强的无线通信技术。然而为了提高无线网络通信系统的性能，通常需要在发射端进行分集。而无线通信中的发射分集一般需要在发射端使用多根天线，但许多无线设备因受尺寸或硬件复杂度的限制，通常只有单根天线。为此，专家提出了一种新的解决方法——协同通信。该方法使用带有一根天线的移动台，在多用户环境中可以共享其他移动用户的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善无线网络通信系统的性能。

协同通信是无线网络中的一种新型的分集技术，它能够提高吞吐量、减小发送功率和对抗衰落。由于它具有分布式特点，可以使网络变得相当简单，并可以使单天线系统具有多天线的优点。同时与非协同通信相比，协同用户可以增加数据速率以及减小对信道变化的敏感程度。协同增加的数据速率可以转化为降低用户的发送功率，也就是说，与非协同的系统相比，协同系统中的用户在以相同数据速率传输数据时需要的总功率降低了，因此可以延长移动终端电池的寿命。

协同通信的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。在此详细说明一下协同通信的基本思想。如图1.

终端S和R分别向D和M发送信息，表明无线网络终端中的两个终端将它们的信息传输到两个目的地。例如，在蜂窝网络中，S和R是移动终端，D和M为同一个设备，表示目的端。无线通信之所以能支持协同分集，是因为无线介质的广播特性，从原理上讲，被发送的信号可以被任何其他终端收到并进行处理。这样，除了将信号独立传输到各自的目的地，S和R还可以互相监听各自的传输，从而联合传输它们的信息。这样就可实现协同通信。

一个极端情况就是无线中继信道，此时D和M为同一个设备，而传输终端R可以贡献它的所有的资源(如功率和带宽等)传输S的信息。在这种情况下，S就是信源，D扮演中继，这就是著名的中继信道。在这里我们实际上就是采用的这种中继信道，而没有相互帮助。该方式提供分集，因为，即使当S和D之间的信道质量很差，信息也可能通过R成功传输。同样，S也可以作为中继来传输R的信息，从而成为另一种无线中继信道。根据中继的协同策略，它既可以简单的放大信息信号，也可以进行译码然后重新编码，再发送给目的端。这两个策略就是放大前传AF(amplify-forward)和译码前传DF(decode-forward)，它们也可以用于协同分集系统中来。

在此对AF和DF进行详细的说明。

AF的基本原理是：AF策略通常又叫模拟中继策略，中继先对接收信号进行放大，接着进行重传，它也是一种基于重复码但是具有噪声放大特点的策略。中继节点处的发射信号x′₂为第一阶段中y₂的放大后所获得信号，即x′₂＝βy₂＝β(h₂₁x₁+n₂₁)。在等发射功率的约束下，放大系数为 $\mathrm{\β}=\frac{1}{\sqrt{{\left|h_{21}\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_n}^2}},$ 其中h₂₁是信道的特性，σ_n ²是信道的噪声功率。第二阶段中，仅中继发射信号的策略下目的节点的接收信号为y′₃＝h₃₂x′₂+n₃₂。目的节点在两阶段中的接收信号矢量为 $\left[\begin{array}{c}{y}_3\\ y_3^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_{31}\\ {\mathrm{\βh}}_{21}{h}_{32}\end{array}\right]x_1+\left[\begin{array}{c}{n}_{31}\\ {\mathrm{\βh}}_{32}{n}_{21}+n_{32}\end{array}\right].$ 在目的节点中，通常是采用最大比合并(MRC)得出信息。其说明图如下图2，1代表的是信源，2代表的是中继节点，3代表的是目的端。x₁表示要传送的信息，y₂是经过信道1-2之后的中继接收信号。x₂表示的经中继节点放大之后的信号。h_ij表示的是j到i的信道特性。n_ij表示的是j到i的信道噪声功率。y₃表示的是目的端直接接收来自信源的信息。y′₃表示的是目的端接收来自中继的信息。

DF的基本原理：DF策略通常又被称为数字中继策略，它又分为固定与自适应的版本。这里主要考虑中继处采用简单重复码的设计，其中继节点处的发射信号x′₂为发射信号x₁的估计。在基本的DF策略下，节点1在协同第一阶段向节点2、3进行广播，在协同的第二阶段节点2发射信号x′₂(即节点2发射前需要进行译码、重编码等信号处理)并且节点3合并来自两个路径的信号。在前面的假设下，第一阶段中节点2和节点3的接收信号分别为y₂＝h₂₁x₁+n₂₁和y₃＝h₃₁x₁+n₃₁，第二阶段中节点3接收信号为y₃＝h₃₂x′₂+n₃₂。在中继节点处正确译码(即其发射信号x′₂等于x₂)时，目的节点在两个阶段中的接收信号矢量为 $\left[\begin{array}{c}{y}_3\\ y_3^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_{31}\\ h_{32}\end{array}\right]x_1+\left[\begin{array}{c}{n}_{31}\\ n_{32}\end{array}\right].$ 在目的节点中，利用最大比合并(MRC)得出信息。该分集合并方案使得目的节点实现了两个独立信道的接收信噪比相加。但是DF策略中仅仅当中继节点对信源发射码字译码正确的条件下它才向目的端转发，否则的话中继节点将停止发射。图如附图3，其中x₁表示要信源要发送的信息，x′₂是中继节点经过译码重编码之后的信息。h_ij表示的是j到i的信道特性。n_ij表示的是j到i的信道噪声功率。y₃表示的是目的端直接接收来自信源的信息。y′₃表示的是目的端接收来自中继的信息。

上述所介绍的两种中继协同策略我们可以称为是常见的两种中继方式：AF是为非再生中继；DF为再生中继。由于在无线网络中，利用中继进行传输能够有效地提高系统传输容量以及可靠性。因此近年来许多学者都在研究如何选择中继节点的问题。在无线网络中每个节点的通信方式如附图4所示。信源是把各种可能的消息转换成原始电信号。然后由发送设备对原始信号完成某种变换，此时在进行最佳中继节点的选择问题。选择好了最佳中继节点，经发送设备出来的信号经信道同时发送给目的端和最佳中继节点。此时采取的协同方式可以是放大前传(AF)、译码前传(DF)和编码协同(CC)等方式。在接收端，信号进行译码解调的过程，然后将多路信号进行最大比合并或者是等增益合并。最后恢复出相应的信息。在无线网络中，中继的个数可以扩充至多个，形成分布式天线阵列。要使中继协同网络发挥其最大效用离不开中继管理和分配。中继管理的研究主要集中在两个方面：中继选择和功率分配。中继选择是指如何在众多中继中选择一个或者是几个中继用来辅助传输。目前中继节点的选择策略主要基于以下几类信息：物理距离、路径损耗和瞬时信道状态。合理选择可以提高系统误码率性能等问题。在这里依据物理距离和路径损耗提出了一种中继节点的选择方式。

发明内容：

本发明的目的在于为基于协同的无线网络提供一种可行的低复杂度的无线通信网络中协同节点选择方法，可以有效地提高协同分集性能，从而提高无线通信系统传输容量和可靠性，保障用户QoS要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线通信网络中协同节点选择方法，在邻近的所有的空闲节点中选择信源和空闲节点的距离L和空闲节点与目的端的距离D的乘积L*D是最小的那个节点作为最佳中继节点，具体步骤为：

1)信源将各种可能的消息转换成原始电信号；

2)原始电信号经过发送设备进行变换；

3)此时进行最佳中继节点的选择(具体步骤如下)：

①信源S向周围节点发送中继请求；

②如果节点空闲则发送应答信号；如果没有空闲节点，则继续步骤①；

③如果仅仅一个空闲节点，则转入步骤4)，直接采取AF或者是DF协同方式；

④若存在多个空闲节点，信源S可根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算出与这些空闲节点的距离L；然后空闲节点向目的端发送消息，同样根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算出两者之间的距离D，并将该距离反馈给信源S；

⑤选择使距离L和D乘积最小的那个空闲节点作为我们的最佳中继节点；

4)选择好了最佳中继节点之后，根据系统采用AF或者DF的协同方式，进行协同通信；

5)各路信号经过接收端进行译码解调；

6)然后利用最大合并比对各路信号进行合并，恢复出相应的信息；

所述协同方式为AF协同方式或DF协同方式。

本发明在无线通信网络系统上实现的协同方式。关键是对于中继节点如何选择的问题：在邻近所有的中继节点中选择信源与中继的距离L和中继与目的端的距离D的乘积(L*D)是最小的那个空闲中继节点作为我们的最佳中继节点。

本发明的有益效果是：充分利用空域资源，同时避免了其它中继节点的碰撞。从而大幅度地提高无线通信的信道容量、系统的传输质量、降低误码率。

附图说明：

图1为协同方式的原理图；

图2中继协同策略AF的说明图；

图3中继协同策略DF的说明图；

图4在无线通信系统上进行的协同通信的部分流程图；

图5本发明的中继选择的具体流程图。

其中，1.信源，2.中继节点，3.目的端，

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对比本发明作进一步说明。

图5中，一种无线通信网络中协同节点选择方法：

在邻近的所有的空闲节点中选择信源和空闲节点的距离L和空闲节点与目的端的距离D的乘积L*D是最小的那个节点作为最佳中继节点，具体步骤为：

1)信源S向周围节点发送中继请求；

2)如果节点空闲则发送应答信号；如果没有空闲节点，则继续步骤1)；

3)如果仅仅一个空闲节点，则转入步骤6)，直接采取AF或者DF的协同方式；

4)若存在多个空闲节点，信源S可根据接信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算与这些空闲节点的距离L；然后空闲节点向目的端发送消息，同样根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算出两者之间的距离D，并将该距离反馈给信源S；

5)选择使距离L和D乘积最小的那个空闲节点作为最佳中继节点；

6)最后根据系统采用AF或者DF方式进行协同通信。

所述协同方式为AF协同方式或DF协同方式。

Claims (2)

1.一种无线通信网络中协同节点选择方法，其特征是，在邻近的所有的空闲节点中选择信源和空闲节点的距离L和空闲节点与目的端的距离D的乘积L*D是最小的那个节点作为最佳中继节点，具体步骤为：

1)信源S向周围节点发送中继请求；

2)如果节点空闲则发送应答信号；如果没有空闲节点，则继续步骤1)；

3)如果仅仅一个空闲节点，则转入步骤6)，直接采取AF或者DF协同方式通信；

4)若存在多个空闲节点，信源S可根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算与这些空闲节点的距离L；然后空闲节点向目的端发送消息，同样根据信号强度、时间差、角度或者GPS信息计算出两者之间的距离D，并将该距离反馈给信源S；

5)选择使距离L和D乘积最小的那个空闲节点作为最佳中继节点；

6)最后系统采用AF或者DF方式协同通信。

2.如权利要求1所述的无线通信网络中协同节点选择方法，其特征是，所述协同方式为AF协同方式或DF协同方式。

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