基于上下行门限速率非对称性的中继和用户联合选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于上下行门限速率非对称性的中继和用户联合选择方法，主要解决现有的传统最优方法实现复杂度高，网络开销和计算量大的问题。其技术方案包括：给每个中继选择对应的最优用户；基站和每个中继对应的最优用户轮流发送中继选择请求信令给中继，中继接收信令并计算基站信号功率和用户信号功率；每个中继计算度量值,根据所有中继的度量值选取最优中继；将最优中继对应的用户作为整个系统中的最优用户。本发明考虑了实际应用中上下行门限速率不相等的场景，中继和用户不需要进行信道估计，避免了集中计算端到端接收信噪比，分布式地实现了中继和用户的联合选择，降低了实现复杂度和计算量，减小了网络开销，可用于蜂窝双向中继系统。
【专利说明】
基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种中继和用户的联合选择方法，可用 于蜂窝双向中继系统。 技术背景
[0002] 双向中继传输是一个极有前途的信息传输技术，在不增加发射功率和带宽的前提 下，它可W有效地改善系统性能，提高传输覆盖范围和频谱效率，被广泛应用于移动网络W 及ad-hoc网络等。AF转发协议由于其实现简单和复杂度低的特性，被广泛地应用在中继节 点上。B.Rankov and A.Wittneben在('Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels"(IEEE J.Sel. Areas Commun.,vol.25,no .2,pp.379-389, 化b.2007.)中提出了两时隙的双向AF中继传输系统，说明了采用该方案恢复大部分的半双 工传输损失，提高了频谱效率，有效地提高了系统性能。
[0003] 将双向中继传输应用于蜂窝移动通信系统中，通过提高传输效率、抑制相邻小区 间的干扰和扩大网络覆盖度，可W极大地提升系统的性能。但是实际的蜂窝移动通信系统 中通常存在多个中继和用户，如何从中选出最优的中继节点和用户节点进行信息交互成为 关键问题。E丄i等人在"A source-relay selection scheme in two-way amplify-and-forward relaying networks"(IEEE Commun. Lett.,vol.16,no .10,pp.1564-1567, Oct.2012)中提出了多用户多中继的双向中继通信系统模型，通过在多个中继节点和多个 用户节点选择最优的中继节点和用户节点来得到多用户分集增益和多中继分集增益。G.Bi 等人在('Joint source-relay selection and transmission mode selection in two-way relay networks" (IE 邸 Int.Conf.Commun.Workshops,2014,pp.302-307)中针对存在 直传链路的多用户多中继的双向中继系统，提出了一种中继和用户的联合选择方法，并对 其进行了性能的分析，但上述研究均假设双向中继系统中的所有节点是单天线节点。
[0004] 众所周知，多天线可W显著提高双向中继系统的频谱效率和传输可靠性，如采用 多天线的MIMO技术，但是运种性能增益的提高会带来由于硬件复杂度增加带来的费用。 S.Yadav等人在('Performance evaluation and optimization for two-way relaying with multi-antenna sources"(IEEE Trans.Veh.Technol.Vol.63,no.6,pp.2982-2989) 中考虑双向中继系统的源节点装有多根天线，采用beamforming方案，对整个系统分析了误 石马性會KoN.Yan邑等人在''Two-way relayin邑 with multi-antenna sources:beamforming and antenna selection"(IEEE Trans .Veh.Technol.,vol.61, no .9,pp.3996-4008, Nov.2012)除了提出了多天线源节点采用beamforming方案，还提出了多天线源节点采用天 线选择方案，在相同的系统场景下从误码率性能方面对两种方案进行比较。
[0005] 在实际的蜂窝双向中继系统中，基站可装备多根天线，中继和用户由于尺寸和成 本的限制只装备单根天线，上下行口限速率不相等，若采用传统最优的Max-min方法进行中 继和用户的联合选择，需要计算所有潜在链路的端到端接收信噪比，节点较多时计算量大， 而且需要集中式实现，网络开销较大，实现复杂度高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于上下行口限速率非对 称性的中继和用户联合选择方法，W降低系统实现复杂度，减小网络开销和计算量。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
[000引 （1)给每个中继化选择对应的最优用户化，4￡{1，...挪，1'￡{1，...，1}，财01分 别为系统的中继数量和用户数量；
[0009] (2)基站和每个中继化对应的最优用户化'轮流发送中继选择请求信令给中继Rk， 中继Rk接收信令并计算基站信号功率和用户信号功率;
[0010] (3)设定度量值
，其中Oa和Ou均为中间变量，
，Pa、Pu和Pr分别为基站、中继和用户的发射 功率，T为用户口限信噪比和基站口限信噪比的比值
rA,th和丫 u,th分别为基站和 用户的口限信噪比
Ra,化和RiUh分别为基站和用户的口限速 率.
[0011] (4)每个中继化将步骤(2)得到的基站信号功率和用户信号功率代入度量 值公式计算恥；
「mi9l ^ ^^^^^巧最优中继1?1^*:对所有中继的度量值1^取最大值，得到其对应编号 '编号为k*的中继Rk*即为最优中继；
[0013] (6)将最优中继Rk*对应的用户化'作为整个系统中的最优用户化*。
[0014] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0015] 第一，复杂度和能量消耗低
[0016] 本发明由于只需根据接收到的信号功率进行中继和用户的选择，避免了中继和用 户进行信道估计，与传统最优的Max-min方法相比，显著降低了系统的实现复杂度和能量消 耗。
[0017] 第二，计算量和网络开销小
[0018] 本发明由于采用分布式地实现中继和用户的选择过程，无需对选择结果进行反 馈，本发明与传统最优的Max-min方法相比，避免了在基站集中计算所有潜在链路的端到端 接收信噪比，大幅度降低了计算量和网络开销，同时提高了选择结果的实时性。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明使用的蜂窝双向中继系统模型图；
[0020] 图2是本发明的实施流程图；
[0021] 图3是使用本发明方法和传统最优方法的系统中断性能对比图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】和效果作进一步描述。
[0023] 参照图1，本发明应用的蜂窝双向中继系统，包括含一个基站节点A，N个中继节点 和M个用户节点。基站节点装有S根天线，中继节点和用户节点由于尺寸和成本的限制仅装 有单根天线。所有节点同步至相同的时钟，均W半双工方式工作，且中继节点采用放大转发 协议。经过中继和用户的联合选择，基站A和被选择的用户通过被选择的中继进行两时隙的 双向中继放大转发传输信息。
[0024] 参照图2,本发明根据图1的蜂窝双向中继系统进行中继和用户联合选择的实现步 骤如下：
[0025] 步骤1，给每个中继化，选择对应的最优用户化'。
[00%] (Ia)初始化序号k = l;
[0027] (化）中继化广播一个用户选择请求信令；
[0028] (Ic)每个用户接收到该信令后，分别根据 计算接收到的基 站信号功率％&，其中y&A为用户化接收到的中继Rk发送的用户选择请求信令，为3?% 的共辆转置，E[.]为求平均数操作，并保存Pka，同时基站A利用接收到的信令通过信道估 计，得到并保存中继化和基站之间的信道系I
I其中为中继 化和基站A的第i根天线之间的信道系数，ie{l，...，S}，S为基站的天线数量；
[0029] (Id)选择中继化对应的最优用户化'：
[0030] (Idl)所有用户化根据步骤(Ic)得到的中继信号功率巧W，设置用户内置的定时器 时长卑,=r/巧W，1￡{1，. . .，M}，T为定时器时钟周期，M为系统的用户数量；
[0031] (ld2)同时启动所有用户的定时器，开始计时；
[0032] (ld3)将定时器首先结束计时的用户选择为中继化对应的最优用户化'，同时用户 化'保存序号k，r e {1，...，M}，M为系统的用户数量；
[0033] (Ie)将序号k与系统的中继数量N进行比较:若k = N，则所有中继完成选择对应的 最优用户化'，执行步骤2,否则，对序号k加1后返回步骤(化）。
[0034] 步骤2,基站和每个中继Rk对应的最优用户化'轮流发送中继选择请求信令给中继 化，中继化接收信令并计算基站信号功率巧,.4和用户信号功率。
[0035] (2a)初始化序号k = l;
[0036] (2b)中继化保持活跃，其余中继保持静默；
[0037] (2c)基站发送中继选择请求信令：
[003引（2cl)基站根据步骤（Ic)得到的h為.，计算其发送权重矢i
其中14,为1?的共辆转置，Ilh^,J为h%的弗罗贝尼乌斯范数，（?）T为矩阵的转置操作.
[0039] (2c2)基站采用最大比传输方法，发送中继选择请求信令；
[0040] (2d)中继Rk接收到该中继选择请求信令后，根据计算接收到 的基站信号功率巧1^其中3^4为中继化接收到的基站发送的中继选择请求信令，5'1,.4为杞,^ 的共辆转置，E[.]为求平均数操作，并保存
[0041] (2e)中继化对应的最优用户化'发送中继选择请求/呈A.
[0042] (2f)中继Rk接收到该中继选择请求信令后，根据 计算接收 到的用户信号功率巧:巧,，其中Ywv为中继化接收到的其对应最优用户化'发送的中继选择请 求信令，为矩阵的共辆转置操作，E[ ?]为求平均数操作，并保存巧巧；
[0043] (2g)将序号k与系统的中继数量N进行比较:若k = N，则所有中继完成操作，执行步 骤3，否则，对序号k加1后返回步骤(2b)。
[0044] 步骤3，每个中继化根据
计算得到度量值也。
[0045] (3a)所有中继利用步骤2得到的基站信号功率巧y和用户信号功率A,r,,，分别计算 得到第一变量7-^和第二变量丫片'，其中O A和O U均为中间变量， 1化出.与 ^ AM-U
，Pa、Pu和Pr分别为基站、中继和用户的发射 功率，T为用户口限信噪比和基站口限信噪比的比值：
丫 A,th和丫 U,th分别为基站和 用户的口限信噪比Ra,化和Ru,化分别为基站和用户的口限速 率.
[0046] (3b)所有中继利用步骤（3a)得到的第一变i
根据
计算也并保存。
[0047] 步骤4,根据所有中继的度量值也选择最优中继Rk*。
[004引（4a)所有中继根据步骤（3)保存的度量值4k，设置中继内置的定时器时长
T为定时器时钟周期；
[0049] (4b)同时启动所有中继的定时器，开始计时；
[0050] (4c)将定时器首先结束计时的中继选择为最优的中继Rk*。
[0051] 步骤5,最优中继Rk*发送一个带有序号k*的应答信令，所有用户接收到该应答信令 与各自保存的序号比较，将保存序号等于k*的用户选为整个系统中的最优用户化*。
[0052] 步骤6，基站A和被选择的用户化*通过被选择的中继Rk*进行两时隙的双向中继放 大转发传输信息。
[0053] 本发明的效果可通过W下仿真做进一步的说明：
[0化4] 1.仿真条件：
[0055]假设中继节点和用户节点均集中在簇中，将基站和用户簇之间的距离归一化为1， da为基站和中继簇之间的距离，山为用户簇和中继簇之间的距离，山=I -da。
[0056] 基站和中继簇之间的信道和用户簇和中继簇之间的信道系数均服从均值为0的复 高斯分布，信道增益服从瑞利衰落分布，路径损耗指数为4，基站和中继簇之间信道系数的 方羞 ^
用户簇和中继簇之间信道系数的方差
[0057] 系统中的高斯白噪声功率No= 1，系统的信噪比为SNR，系统的总功率Pt〇t = SNR*No， 基站、中继节点和用户节点的发射功率相等，即
[005引系统上下行口限速率Ra,化和化,化分别为化ps/Hz和化ps/Hz。
[0化9] 2.仿真内容与结果：
[0060] 在上述仿真条件下，固定基站和中继簇之间的距离da = 0.5,基站天线数S = 2,用 户数M=2,中继数N=U，2,3,4}。使用本发明方法与传统最优方法，对蜂窝双向中继系统的 中断概率随着信噪比SNR的变化进行仿真比较，结果如图3所示，图3中横坐标为系统的信噪 比SNR，单位为分贝（地），纵坐标为系统中断概率。
[0061] 由图3可知，应用本发明方法后，系统中断性能逼近采用传统最优方法的系统中断 性能，尤其当中继数N较小时，与采用传统最优方法的系统中断性能完全吻合。当中继数N较 大时，采用本发明方法的系统中断性能略差于采用传统最优方法的系统中断性能，但是从 相同条件下的中断概率曲线的斜率可W看出，它们获得的分集增益相等。值得注意的是本 发明方法，相比于传统最优方法，本发明方法显著降低了实现复杂度，大幅度减少了计算量 和网络开销，更适合于实际应用。
【主权项】
1. 一种基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法，包括： (1) 给每个中继化选择对应的最优用户化'，ke {1，...，N}，1'e {1，...，M}，N和Μ分别为 系统的中继数量和用户数量； (2) 基站和每个中继化对应的最优用户化'轮流发送中继选择请求信令给中继化，中继化 接收信令并计算基站信号功率4和用户信号功率Aw.; (3 )设定度量值中Φ A和Φ U均为中间变量，，Pa、Pu和Pr分别为基站、中继和用户的发射 功率，τ为用户口限信噪比和基站口限信噪比的比值丫 A,th和丫 u,th分别为基站和 用户的口限信噪比，Y,化IV.化=22&''4'1，私,化和咕化分别为基站和用户的口限速 率. (4) 每个中继化将步骤(2)得到的基站信号功率馬4和用户信号功率iVv代入度量值公 式计算恥； (5) 选取最优中继Rk*:对所有中继的度量值取最大值，得到其对应编号编号为k*的中继Rk*即为最优中继； (6) 将最优中继Rk*对应的用户化'作为整个系统中的最优用户化*。2. 根据权利要求1所述的基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法， 其特征在于，其中步骤(1)给每个中继Rk选择对应的最优用户Ui'，，实现步骤如下： (la) 中继化广播一个用户选择请求信令，ke{l，...，N}; (lb) 每个用户接收到该用户选择请求信令后，分别计算中继信号功率A，同时基站A 利用接收到的信令通过信道估计，得到并保存中继Rk和基站之间的信道系数 :其中为中继Rk和基站的第i根天线之间的信道系数，i E (1，...，S}，S为基站的天线数量； (lc) 选择中继化对应的最优用户化'，满足(ld) 中继化对应的最优用户化'向其他用户广播应答信号并记录中继化。3. 根据权利要求1所述的基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法， 其特征在于，其中步骤(2)的基站发送中继选择请求信令给中继Rk，是利用基站装有的S根 天线，采用最大比传输方法进行发送，其发送权重矢量W碼:为：其中巧％为6姑,的共辆转置，l|h細 1 !|为h碼的弗罗贝尼乌斯范数，（.）τ为矩阵的转置操 作。4. 根据权利要求1所述的基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法， 其特征在于，步骤(2)中的中继Rk得到的基站信号功率巧,^，按如下公式计算：其中为中继Rk接收到的基站发送的中继选择请求信令，沾 1,为1心:的共辆转置，E [·]为求平均数操作。5. 根据权利要求1所述的基于上下行口限速率非对称性的中继和用户联合选择方法， 其特征在于，步骤(2)中的中继Rk得到的用户信号功率按如下公式计算：其中yvv为中继化接收到的其对应最优用户化'发送的中继选择请求信令，为矩阵 的共辆转置操作，E[ ·]为求平均数操作。
【文档编号】H04W40/22GK105848244SQ201610313162
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】李靖, 郑宇 , 葛建华, 王勇, 宫丰奎
【申请人】西安电子科技大学