CN102368866B - 基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法，包括四种基于直接链路信道信息修正的中继选择策略。首先通过定时器的设置，和分立式调度机制的建立，使得中继选择过程不再需要一个中枢调控单元，而是由各中继分立地协同完成，降低了设备复杂度。其次在进行中继选择时，指出了原有选择策略的不足，创新性地利用直接链路的信道信息，对中继选择策略进行修正，并提出了四种具体的修正方法，改善了通信性能。

Description

基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是基于网络编码的多中继协作通信中的一种中继选择方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们对传输速率、传输可靠性、资源利用率以及通信安全等性能要求越来越高。R.Ahlswede等人于2000年提出了网络编码（Network Coding）的概念，其核心思想是允许网络结点对网络传输信息进行编码处理，增加单次传输的信息量。网络编码在提高网络吞吐量，改善负载均衡，减小传输延迟，节省结点能耗，增强网络鲁棒性方面有很多优势，成为了通信网络中信息处理和传输理论研究上的重大突破。它一经提出便引起了国际学术界的广泛关注，并被广泛应用于Ad hoc网络、传感器网络、P2P内容分发、分布式文件存储和网络安全等领域，是当前网络通信研究的热点之一。

另外，在无线网络通信中，中继协作通信，是对抗多径衰落，提高通信质量的重要手段之一。在中继网络中，信源向信宿发送消息，中继节点也同时接收到这个消息，并将其转发给信宿（或者是经过一定处理之后再进行转发）。然后信宿再利用收到的所有消息，进行解码。在这样的传输模型下，中继节点对信源-信宿之间的通信起到了一定的协助作用，等同于在不需要配置多天线的条件下，提供了一定的空间分集，提高了通信质量。

但是多中继协作，带来的是高功耗和高复杂度，这是无线网络通信，特别是移动通信中所不能接受的负担。中继选择，是解决这一问题的一种简单的方法。通过一定的选择策略，在一簇中继中，选出符合条件的一个或者多个中继，来协助此次通信。其余的中继节点处于待机状态。显然，这种做法能较大的节省能耗。A.Bletsas，A.Khisi等人于2006年发表在IEEE J.Select.Areas.Commun上的文章“A simple cooperative diversity method based on network pathselection”，较早地提出了中继选择的基本协议。Yindi Jing，H.Jafarkhani于2009年在IEEE Trans.on Wireless Commun.上发表的“Single and multiple relay selection schemes and theirachievable diversity orders”一文，则总结提出了几种中继选择的方案，并证明，通过适当的中继选择策略，单中继通信能够达到与全中继协作同样的满分集增益。这就为单中继选择的研究前景和实用性奠定了理论基础。

2004年3GPP的多伦多会议，提出了著名的LTE（Long Term Evolution）项目。这是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。Type-II中继是LTE项目中关于中继的一种重要的提案，该类中继没有小区ID，其应用目的是提供对主eNB信号的分集，或者和主eNB一起进行协作传送，以增加小区容量。Type-II中继与Type-I中继在理论研究上的最大区别在于，在Type-II中继场景中，信源（eNB）与信宿（UE）之间存在着直接的通信链路。因此，按照这样的网络拓扑结构，网络编码在多信源Type-II中继场景中的应用便顺理成章。而目前对于中继选择的研究，大都是基于1-N-1网络（即网络中存在1个信源，N个中继和1个信宿）模型，直接链路的信道情况对中继选择并无影响。在多信源多接入中继网络中，是否能利用直接链路的信息，来提升中继选择的效果，在这方面并没有相关的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用分立的中继选择机制，较大地降低了中继选择的复杂度。同时在计算中继的优先度时，修正了已有策略的不足，考虑了直接链路信道信息的影响，提高了中继选择的性能。本发明具有复杂度低、操作简单的特点，同时与现有中继选择策略对比，在误码率方面具有较大的性能提升。

本发明的应用场景，为附图一所示的“2-N-1”多接入中继网络，即网络中包含有2个信源，N个中继和1个信宿。

根据本发明的一个方面，提供基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法，包括以下步骤：

步骤1：信源S₁广播出一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤2：信源S₂也同样广播一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤3：在接收到上述两个RTS信号后，信宿D以一个CTS信号广播，作为回应，

其中，RTS信号和CTS信号均为导频信号，不携带其他信息，以事先约定的频率和功率发送，在接收到RTS信号和CTS信号后，每个中继，都可以获得与它相关的三条链路的信道信息，所述信道信息包括两条信源-信宿信道的信息，两条信源-中继信道的信息，以及中继-信宿的信道信息；

步骤4：每一个中继，根据已获得的信道信息，通过事先约定的优先度计算函数，计算出本中继参与协作通信的优先度值，

每个中继节点，都设置有一个独立的定时器，其定时值与本中继优先度值呈负相关，使得优先度最高的中继节点定时器先完成计时，

完成计时后，此时该中继节点广播一个AFR信号，其他中继在接收到AFR信号后，停止定时器并切换到等待监听模式；

步骤5：信宿D以广播SFR信号作为确认信号，各中继以及两个信源S₁、S₂均接收到此确认信号，中继选择过程结束，开始进行消息的传输。

优选地，所述优先度计算函数使用了信源-信宿之间的直接链路的信道信息。

优选地，所述优先度计算函数如下：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i=\min \{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2,P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2,P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2\left\}\right\},$

其中，

代表信源S₁和信宿D之间的信道参数，代表信源S₂和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的信道参数，

代表中继i和信宿D之间的信道参数，代表信源S₁和中继i之间的加权信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的加权信道参数，h_i代表中继i的优先度值，h_best为最后被选出的中继的优先度值。

优选地，所述优先度计算函数如下：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i={(\frac{1}{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2})}^{-1}\},$

其中，

代表信源S₁和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₂和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的信道参数，

代表中继i和信宿D之间的信道参数，代表信源S₁和中继i之间的加权信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的加权信道参数，h_i代表中继i的优先度值，h_best为最后被选出的中继的优先度值。

本发明的工作原理如下：

分立的中继选择机制：以往的中继选择机制，绝大多数是由信宿作为中枢调控来完成。信宿能够综合中继网络中所有的信道信息，通过复杂的计算，列出各中继的优先度。然后从中选出一个或者多个优先级高的中继，参与此次协作通信。并将选择的结果广播给各中继以及信源，然后按照既定的程序进行通信。本发明提出的自适应的分立式的中继选择机制，则不需要一个中枢调控单元，全部由中继自身分立地完成。每个中继通过计算自己的优先度，设置定时器值。策略上，保证使得优先度最高的中继，其定时器能够最早清零。在定时器清零后，本中继将向网络中所有节点广播一个申请协作消息，以示自己为优先权值最高的中继。其他中继节点在接收到此消息后，停止计时并切换为待机状态。信宿收到申请协作消息后，给与回馈，中继选择过程完成，各节点按照既定程序进行通信。这样的中继选择机制，虽然存在一定的冲突可能，但能够减少信宿的设备复杂度，减轻调度负担。同时不需要事先知道网络的拓扑结构，也能检测出隐藏的中继。

新的中继选择策略：本发明的中继选择策略克服了现有技术领域中的技术偏见，以往的中继选择策略，都是基于中继相关的几条链路（信源-中继，中继-信宿）来确定中继的优先度。直觉上看，两条直接链路（S₁-D，S₂-D），与众多中继节点并无联系。使用不同的中继节点，在传输过程中，区别也只在于与节点直接相关的三条链路。因此，直接链路的引入，似乎不会对中继的选择产生影响。

以一个极端的反例来说明直觉的错误。以最佳最差信道选择为例，假设一个极端的场景。假设在某次传输过程中，S₁-D信道足够强，使得信宿D能够正确解出S₁发送的信息；同时S₂-D非常差，根本无法解码。此时，所有的中继节点，都距离S₁较远，但离S₂和D较近。存在一个中继j，在所有的中继中，j距离S₁最近，但离S₂和D最远。

所示场景如附图2。

以公式来说明：

$h_{S_{2}D}<<h_{S_{1}D},h_{S_1{R}_j}=\underset{i}{\max }\left\{h_{S_1{R}_i}\right\}$

$h_{S_2{R}_j}=\underset{i}{\min }\left\{h_{S_2{R}_i}\right\},h_{R_{j}D}=\underset{i}{\min }\left\{h_{R_{i}D}\right\}$

$h_{S_1{R}_i}=\min \{h_{S_1{R}_i},h_{S_2{R}_i},h_{R_{i}D}\},i=\mathrm{1,2},...,N$

依照以往的准则， $h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i=\min \{P{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2,P{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2{P}_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2\left\}\right\},$ 则中继j将被选中，参与此次协作通信。如此则问题产生：信源1发射的信号，由于直接链路足够好，并不需要j的协助；同时，信源2发射的信号，中继j又不能够提供较好的协助。这对研究者的启发就是，直接链路的引入，对中继选择策略会造成一定影响。在多接入中继信道中进行中继选择，所选出的中继应该是能联合地对两个信源的通信进行较好的协助，而不是只服务于一个信源。因此本发明提出了改进的中继选择策略。

附图说明

图1为2-N-1多接入中继信道。

图2为说明以往策略不足之处的一个反例。

图3为中继选择机制的流程示意图。图中

图4为实施例的网络信道模型图。

图5为中继平均分布于单位圆内的仿真效果图。

图6为中继平均分布于单位圆内纵轴上的仿真效果图。

图3中：将所述步骤1、步骤2整合在一幅子图中，且为方便起见，仅以两个中继为例。

图5中：横轴为中继和信源的发射功率，纵轴为平均误码率。

图5、图6中：

BWCS曲线代表原有的“最佳最差信道选择”策略；

Weighted BWCS曲线代表本发明提出的“加权最佳最差信道选择”策略；

Average SNR曲线代表原有的“平均信噪比选择”策略；

Separate ASNR曲线代表本发明提出的“分离平均信噪比选择”策略；

Harmonic Mean曲线代表原有的“最佳调和平均选择”策略；

Weighted HM曲线代表本发明提出的“最佳加权调和平均选择”策略；

Weighted BWHM曲线代表本发明提出的“加权最佳最差调和平均选择”策略。

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。

如附图四所示，本实例采用该图所示信道模型。两个信源（S₁，S₂）、一个信宿D固定于图上所示单位圆上，中继节点随机分布在单位圆内（图中并未画出）。系统采用BPSK调制。仿真中，信道均为Rayleigh衰落信道。采用Monte-Carlo仿真方法，每组方案均进行100，000次仿真试验。中继将接收到的信号进行线性叠加（即为简单的网络编码，不进行解码），然后放大转发。试验中假设中继的发射功率与信源的发射功率相同，假设信道为平坦衰落，在同一次传输中，信道情况保持不变。每次试验按照以下步骤进行：

步骤1：信源S1广播出一个RTS(ready-to-send)信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤2：信源S2也同样广播一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤3：在接收到上述两个RTS信号后，信宿D以一个CTS(clear-to-send)信号广播，作为回应。

其中，RTS信号和CTS信号均为导频信号，不携带其他信息，以事先约定的频率和功率发送，在接收到这两个信号(RTS信号和CTS信号)后，每个中继获得与它相关的三条链路的信道信息(CSI)，所述信道信息包括两条信源-信宿信道的信息，两条信源-中继信道的信息，以及中继-信宿的信道信息；

步骤4：每一个中继，根据已获得的信道信息，通过事先约定的优先度计算函数（即中继选择策略），计算出本中继参与协作通信的优先度值。

每个中继节点，都设置有一个独立的定时器。中继根据计算出得优先度值，设定定时器得定时值。其定时值与优先度值呈负相关，使得优先度最高的中继节点定时器先完成计时。

完成计时后，此时该中继节点广播一个AFR(apply-for-relay)信号。其他中继在接收到AFR信号后，停止定时器并切换到等待监听模式；

步骤5：信宿以广播SFR(select-for-relay)信号作为回应（即确认信号），各中继以及两个信源均接收到此确认信号，中继选择过程结束，开始进行消息的传输。

步骤6：两个信源随机产生一组BPSK信号序列，以额定功率发送至所述步骤4选出的中继和信宿。

步骤7：中继将所述步骤6中接收到的两组信号进行线性叠加，经过一定放大后，转发到信宿。

步骤8：信宿根据所述步骤6、步骤7中两次接收到的信号，进行解码。解码采用最大似然解码。

步骤9：计算误码个数，并存入寄存器。

更为具体地，所述优先度计算函数使用了信源-信宿之间的直接链路的信道信息。即本发明的中继选择策略使用信源-信宿之间的直接链路的信道信息来提高中继选择的性能。

优选地，假设各个中继都拥有全部直接链路的信道信息，那么在所述步骤4中计算优先度时，可以按照以下几种优选的中继选择方案：以下公式中，

代表信源S₁和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₂和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的信道参数，代表中继i和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的加权信道参数，代表信源S₂和中继i之间的加权信道参数，h_i代表中继i的优先度值，h_best为最后被选出的中继的优先度值。

第一优选方案，加权最佳最差信道选择：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i=\min \{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2,P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2,P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2\left\}\right\}.$

第二优选方案，最佳加权调和平均选择：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i={(\frac{1}{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2})}^{-1}\}.$

本实施例中，设定了两种环境。如图4，环境一中，中继节点均匀随机地分布于整个单位圆内；环境二中，中继节点均匀随机地分布在单位圆内的纵轴上。对于本发明中提出的四种优选的不同的中继选择方案，以及其相应的对照方案，在两种不同的环境下，均按照上述步骤，各反复进行了100，000次独立仿真试验，计算出总误码率，得出如图5、图6所示结果。

从图中可以看出，在两种不同场景下，本发明提出的四种优选的中继选择方案，相比较原有方案，都有较大的提高。也即是说，具有直接链路的通信网络中，将直接链路的信道信息加入到中继选择策略中，辅助进行中继选择，能够改善通信质量。

Claims (2)

1.一种基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：信源S₁广播出一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤2：信源S₂也同样广播一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤3：在接收到上述两个RTS信号后，信宿D以一个CTS信号广播，作为回应，

其中，RTS信号和CTS信号均为导频信号，不携带其他信息，以事先约定的频率和功率发送，在接收到RTS信号和CTS信号后，每个中继，都可以获得与它相关的三条链路的信道信息，所述信道信息包括两条信源-信宿信道的信息，两条信源-中继信道的信息，以及中继-信宿的信道信息；

步骤4：每一个中继，根据已获得的信道信息，通过事先约定的优先度计算函数，计算出本中继参与协作通信的优先度值，

每个中继节点，都设置有一个独立的定时器，其定时值与本中继优先度值呈负相关，使得优先度最高的中继节点定时器先完成计时，

完成计时后，此时该中继节点广播一个AFR信号，其他中继在接收到AFR信号后，停止定时器并切换到等待监听模式；

步骤5：信宿D以广播SFR信号作为确认信号，各中继以及两个信源S₁、S₂均接收到此确认信号，中继选择过程结束，开始进行消息的传输，

所述优先度计算函数使用了信源-信宿之间的直接链路的信道信息，

所述优先度计算函数如下：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i=\min \{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2,P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2,P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2\left\}\right\},$

其中，

代表信源S₁和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₂和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的信道参数，

代表中继i和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的加权信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的加权信道参数，h_i代表中继i的优先度值，h_best为最后被选出的中继的优先度值。

2.一种基于网络编码的多接入中继信道中的单中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：信源S₁广播出一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤2：信源S₂也同样广播一个RTS信号，作为发起协作通信会话的请求；

步骤3：在接收到上述两个RTS信号后，信宿D以一个CTS信号广播，作为回应，

其中，RTS信号和CTS信号均为导频信号，不携带其他信息，以事先约定的频率和功率发送，在接收到RTS信号和CTS信号后，每个中继，都可以获得与它相关的三条链路的信道信息，所述信道信息包括两条信源-信宿信道的信息，两条信源-中继信道的信息，以及中继-信宿的信道信息；

步骤4：每一个中继，根据已获得的信道信息，通过事先约定的优先度计算函数，计算出本中继参与协作通信的优先度值，

每个中继节点，都设置有一个独立的定时器，其定时值与本中继优先度值呈负相关，使得优先度最高的中继节点定时器先完成计时，

完成计时后，此时该中继节点广播一个AFR信号，其他中继在接收到AFR信号后，停止定时器并切换到等待监听模式；

步骤5：信宿D以广播SFR信号作为确认信号，各中继以及两个信源S₁、S₂均接收到此确认信号，中继选择过程结束，开始进行消息的传输，

所述优先度计算函数使用了信源-信宿之间的直接链路的信道信息，

所述优先度计算函数如下：

${\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_1{R}_i}\right|}^2$

${\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2=\frac{2{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{{\left|h_{S_{1}D}\right|}^2+{\left|h_{S_{2}D}\right|}^2}{\left|h_{S_2{R}_i}\right|}^2$

$h_{\mathrm{best}}=\underset{i}{\max }\{h_i={(\frac{1}{P{\left|h_{S_1{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P{\left|h_{S_2{R}_i\_w}\right|}^2}+\frac{1}{P_i{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2})}^{-1}\},$

其中，代表信源S₁和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₂和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的信道参数，

代表中继i和信宿D之间的信道参数，

代表信源S₁和中继i之间的加权信道参数，

代表信源S₂和中继i之间的加权信道参数，h_i代表中继i的优先度值，h_best为最后被选出的中继的优先度值。

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