基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统，方法包括：信道估计及信息广播；统计信道状态信息作为输入参数，按最优中继协作集选择方法执行计算，得到使系统中断概率最小的最优中继协作集合；最优中继协作集合作为输入参数，按多中继改进功率分配方法执行计算，得到近似最小化系统中断概率的功率分配结果；功率分配结果作为输入参数，判断是否需要中继参与协作，得到判断结果；目的节点信息接收；信息序列估计。本发明专利技术在等功率分配条件下进行最优中继节点集合的选择，降低系统中断概率，避免对信道进行实时估计，改善系统复杂度与功率开销；另外，对功率分配方案进行改进，避免超越方程的求解，降低计算复杂度与系统响应时延。统响应时延。统响应时延。

【技术实现步骤摘要】
基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统


[0001]本专利技术属于数字通信
，特别涉及基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统。

技术介绍

[0002]由于受尺寸、复杂性、成本等因素的限制，移动终端难以应用多输入多输出(MIMO)技术。由此，协作通信技术应运而生，其在多用户环境下通过网络节点间协作的方式，有效共享传输资源，形成虚拟MIMO系统获得空间分集，无需在移动终端上安装多根天线。
[0003]最早出现的两种协作方案为放大转发(AF)和解码转发(DF)。其中，AF方案因其低复杂度而得到更广泛的关注。在DF方案中，接收信号在中继处需进行解码和重新编码。而在AF策略下，中继在功率约束下简单地将接收到的信号放大并转发到目的节点，无需解码和重新编码。这使得AF方案更容易、更方便地应用到实际中。之后，采用类似自动请求重传(ARQ)机制的增量中继，可使系统传输的有效性得到提高。另外，Erdal Arikan教授在2009年基于信道极化理论提出了极化码。其在理论上证明能够达到香农极限，具有较低的编译码复杂度，当码长为N时，极化码的编译码复杂度都为O(Nlog2N)。
[0004]以下对现有常用的信号处理方法进行详细说明：
[0005]1.信道估计方法
[0006]无线信道不同于有线信道，其存在很大的随机性，对接收机的设计提出了巨大的挑战。因此，信道参数估计的精度关系到接收端能否正确解调源信息，是衡量无线通信系统性能的重要指标。通过，在发射端设置导频信号，在接收端观察其衰弱情况可对信道状态信息进行估计。具体见“黄爱苹,胡荣.基于导频和多项式模型的信道估计[J].电子学报,2002(04):584
‑
586.”。
[0007]2.信道极化方法
[0008]信道极化方法主要分为两大步：信道组合和信道分解。因信道复用数增加，当信道通过组合和分解后，比特信道将极化成两种类型：无噪信道和全噪信道。需传输的信号序列通过无噪信道进行传输，而全噪信道用来传输冻结比特，冻结比特不承担信息传输的任务，通常用码字0表示。具体见“E.Arikan,Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity
‑
Achieving Codes for Symmetric Binary
‑
Input Memoryless Channels,IEEE Transactions on Information Theory,vol.55,no.7,pp.3051
‑
3073,July 2009”。
[0009]3.极化编码方法
[0010]由上述提及的信道极化理论，可将长度为1
×
K的信息序列，构造成长度为1
×
L的码字向量u＝(u1,u2,
…
,u
L
)。其中，K与L为常数，且K<L。向量u的元素由K位信息比特以及L
‑
K位冻结比特共同组成，冻结比特并不对信息进行传递，用0表示。接下来，总码长为L，信息位长为K的极化码P(L,K)的码字向量x，通过线性变换x＝uG
L
生成。其中，x＝(x1,x2,
…
,x
L
)是所得的1
×
L维的码字向量，是L
×
L维的生成矩阵，B
L
是L
×
L维度的比特翻转矩
阵，是极化矩阵的n阶Kronecker乘积，n＝log2L。其中，Kronecker乘积表示了两个任意大小的矩阵运算：例如A是一m
×
n矩阵，B是一p
×
q矩阵，则其中a
mn
为矩阵A中的元素，m与n为常数。极化编码具体见“E.Arikan,Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity
‑
Achieving Codes for Symmetric Binary
‑
Input Memoryless Channels,IEEE Transactions on Information Theory,vol.55,no.7,pp.3051
‑
3073,July 2009”。
[0011]4.调制方法
[0012]源节点极化信道编码得到码字x＝(x1,x2,
…
,x
L
)，经过幅度、频率、相位等变化，将数字信号转变为可以在自由空间中传送的模拟信号来完成调制。二进制相移键控(BPSK)将数字信号调制到载波的相位上。具体见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[M].国防工业出版社，2018”。
[0013]5.最大比合并(MRC)方法
[0014]为了充分利用空间分集增益，MRC方法通过选择可最大化接收信噪比的权重因子，来提高系统性能。特别地，若给定瞬时信道状态信息，MRC的权重因子为其中，i为实数，为链路信道系数h
i
的共轭。具体见“D G Brennan,On the maximum signal
‑
to
‑
noise ratio realization from several noisy signals,Proc IRE,vol 43,p 1530,Oct 1955”。
[0015]6.极化译码方法
[0016]由P(L,K)定义的极化码可通过连续删除译码(SC)方法解码。其中，L和K分别表示码长和信息位长度。SC译码方法的译码估计值由得到。其中，i的范围为1～L，L为极化码长，A代表信息比特位置的集合，A
c
代表冻结比特位置的集合，h
i
是一个决策函数。具体见“E.Arikan,Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity
‑
Achieving Codes for Symmetric Binary
‑
Input Memoryless Channels,IEEE Transactions on Information Theory,vol.55,no.7,pp.3051
‑
3073,July 2009”。

技术实现思路

[0017]针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的是提供基于增量放大转发的多中继协作通信方法及系统，主要区别是在选择中继组过程中，从中断概率的角度，提出了等效信道增益，以信道统计特性来选择最优的中继集合；在改进功率分配方法中，给出了源节点和中继节点分配功率的解析表达式，避免传统功率分配方案的超越方程求解。本专利技术方式的优势在于，通过信道统计特性来选择中继，无需时刻掌握系统的信道状态，开销小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于增量放大转发的多中继协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.1，信道估计及信息广播；将导频信号作为输入参数，对各链路的信道信息进行估计，得到统计信道状态信息；将待传输的信息比特作为输入参数，通过源节点执行信道极化编码，得到编码后的码字；将编码后的码字作为输入参数，通过源节点执行调制，之后由发射天线在自由空间中将其广播至各中继及目的节点；步骤1.2，将统计信道状态信息作为输入参数，按最优中继协作集选择方法执行计算，得到使系统中断概率最小的最优中继协作集合；步骤1.3，将最优中继协作集合作为输入参数，按多中继改进功率分配方法执行计算，得到近似最小化系统中断概率的功率分配结果；步骤1.4，将功率分配结果作为输入参数，判断是否需要中继参与协作，得到判断结果；步骤1.5，目的节点信息接收；将判断结果作为输入参数，目的节点执行最大比合并方法，合并接收到的所有信息，得到接收序列；步骤1.6，信息序列估计；将接收序列作为输入参数，目的节点执行解调、极化译码方法，得到估计的信息序列。2.根据权利要求1所述的基于增量放大转发的多中继协作通信方法，其特征在于，所述步骤1.2，包括以下步骤：步骤2.1，根据统计信道状态信息，在等功率分配条件下进行中继协作集合选择，多中继放大转发在大信噪比条件下的中断概率P
out
(M)为：其中，C(M)＝(2
(M+1)R
‑
1)
M+1
/(M+1)！，M为正整数，表示将参与协作的中继个数，区间为1≤M≤N；N为正整数，表示所有中继节点的个数；s为源节点；d为目的节点；r
i
为第i个中继，i为正整数，表示中继序号，区间为1≤i≤N；B
M
为选择得到的中继节点集合；P为实数，表示系统总发射功率；P
s
为实数，表示源节点s的发射功率，有P
s
＝P/(M+1)；P
ri
为实数，表示第i个中继节点的发射功率，有P
ri
＝P/(M+1)；为非负实数，表示复高斯随机变量h
sd
的方差，h
sd
为源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为为源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为为非负实数，表示复高斯随机变量的方差，为源节点s与中继节点r
i
之间的链路系数，且服从均值为0，方差为差为为非负实数，表示复高斯随机变量h
rid
的方差，h
rid
为中继节点r
i
与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为γ为非负实数，有γ＝1/N0，N0为非负实数，表示各信道上的加性高斯白噪声w的方差，w服从均值为0，方差为N0；进一步定义各中继节点r
i
的等效信道增益w
i
，其表达式为：
步骤2.2，将各中继节点r
i
，按其等效信道增益w
i
降序排列，得排列后的全中继集合Ω为：Ω＝{r
′1,r
′2,...,r
′
N
}其中，Ω表示全中继集合，中继按w
i
降序排列；设选择中继节点个数的最优值为M
opt
，得到如下表达式：，得到如下表达式：其中，表示最优的前M个中继组成的集合，有表示最优的前M个中继组成的集合，有表示中继集进行协作时得到的中断概率，进一步得到：其中，M
opt
为非负整数，表示选择得到的最优中继个数值；γ
th
为非负实数，表...

【专利技术属性】
技术研发人员：包建荣，郭潇瑶，刘超，曾嵘，翁格奇，姜斌，邱雨，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：