專利名稱：一種空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空時(shí)編碼協(xié)作方案中的中 繼選擇與功率分配聯(lián)合方案。
背景技術(shù)：
協(xié)作分集是一種通過共享不同終端天線實(shí)現(xiàn)空間分集的技術(shù)，該技術(shù)可以 有效抵抗多徑衰落并提高系統(tǒng)容量。協(xié)作分集技術(shù)可用于無線自組織網(wǎng)、無線 局域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)等多種場合，今后還會(huì)將這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，形成一種 全新的泛在智能網(wǎng)絡(luò)，引起移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大變革。
協(xié)作分集可以抵抗無線信道的多徑衰落，并且能夠提高系統(tǒng)容量，結(jié)合空 時(shí)分組編碼可以更加有效地才是高系統(tǒng)性能。
傳統(tǒng)的空時(shí)編碼協(xié)作方案選擇所有能夠?qū)υ唇K端進(jìn)行正確譯碼的終端進(jìn)行 協(xié)作，并且各協(xié)作終端采用等功率發(fā)送，但是，當(dāng)中繼終端超過一定數(shù)量時(shí)， 隨著系統(tǒng)發(fā)送總功率的增加，系統(tǒng)卻無法獲得額外的分集增益。
現(xiàn)有的空時(shí)編碼協(xié)作中的中繼選擇(local-k-best)方案，由候選終端隨機(jī)選擇 空時(shí)分組碼(Space-time Block Coding, STBC )編碼矩陣的一列，并利用CSMA MAC協(xié)議進(jìn)行信息交互，M擇相同列的終端中選出信道狀態(tài)最佳的A個(gè)終端 作為中繼。由于候選終端隨機(jī)選取STBC編碼矩陣中的一列，此方案不能保證 全分集階數(shù)，同時(shí)，由于候選終端采用CSMA MAC協(xié)議進(jìn)行信息交互會(huì)產(chǎn)生一 定的沖突概率，從而影響系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種新的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率 分配聯(lián)合方案，該聯(lián)合方案能克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，解決了協(xié)作通信中 中繼選擇與功率分配復(fù)雜度高和不易實(shí)現(xiàn)的問題。
本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇 與功率分配聯(lián)合方案，其特征在于，包括以下步驟
4步驟l，源終端以及候選中繼終端在與目的終端進(jìn)行通信時(shí)，通過控制信息 進(jìn)行相互之間信道狀態(tài)信息的測量，其中包括源終端與目的終端之間的信道狀
態(tài)信息以及候選中繼終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息；
步驟2,目的終端根據(jù)測得的源終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息以及源 終端與候選中繼終端之間的信道狀態(tài)信息進(jìn)行中繼選擇、空時(shí)編碼協(xié)作和功率 分配相關(guān)的決策，并將決策信息反々責(zé)給源終端與中繼終端；
步驟3,中繼終端接收到相應(yīng)決策信息后向源終端發(fā)送FLAG消息，通知源 終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)；
步驟4,源終端通過任何一種可選的通信方式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給中繼終
步驟5，中繼終端利用相同的空時(shí)編碼矩陣對(duì)源終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)分 組編碼，并根據(jù)由目的終端反饋的決策信息得到各自要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；
步驟6，中繼終端根據(jù)由目的終端反饋的決策信息進(jìn)行基于資源貢獻(xiàn)率的功 率分配，計(jì)算得到自身的發(fā)送功率，并使用該功率將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端；
步驟7，目的終端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到原始的發(fā)送數(shù)據(jù)，并 向源終端發(fā)送確認(rèn)信息。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟1中，源終端以及候選中繼終端在與目的終端進(jìn)行通信時(shí)，通過 協(xié)作請(qǐng)求/協(xié)作決策的控制信息進(jìn)行相互之間信道狀態(tài)信息的測量，其中包括源 終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息以及候選中繼終端與目的終端之間的信道 狀態(tài)信息。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟2中，目的終端根據(jù)測得的源終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信 息以及候選中繼終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息選擇與自身之間信道狀態(tài) 最佳的候選終端作為中繼終端(源終端也可被選為中繼終端參與協(xié)作)，規(guī)定各 個(gè)中繼終端將要傳輸空時(shí)分組編碼(STBC)后的數(shù)據(jù)，以及計(jì)算所有中繼終端 的總的信道增益，并將這些決策信息反^t給源終端與中繼終端。按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟3中，接收到目的終端反饋的決策信息中的將要發(fā)送的空時(shí)分組
編碼矩陣的列數(shù)與需要選擇的中繼終端個(gè)數(shù)相同的中繼終端向源終端發(fā)送FLAG 消息，通知源終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟4中，源終端可以用任何一種通信方式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給中 繼終端，只須保證中繼終端對(duì)源終端的數(shù)據(jù)能正確譯碼。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟5中，中繼終端具有相同的空時(shí)分組編碼矩陣，并利用該編碼矩 陣對(duì)接收且正確譯碼的源終端數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)編碼，并根據(jù)由目的終端反饋的各 個(gè)中繼終端將要發(fā)送的空時(shí)編碼矩陣的列號(hào)得到各自將要傳輸?shù)目諘r(shí)分組編碼 矩陣中的列。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟6中，中繼終端根據(jù)由目的終端反饋的各個(gè)中繼終端的信道增益 之和以及自身與目的終端之間的信道增益得到自身的資源貢獻(xiàn)率，從而計(jì)算得 到自身的發(fā)送功率，并使用該功率值將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端。
按照本發(fā)明所提供的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征 在于，在步驟7中，目的終端利用相同的空時(shí)分組編碼矩陣對(duì)接收到的來自不 同中繼終端的經(jīng)過空時(shí)分組編碼的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到源終端的原始發(fā)送 數(shù)據(jù)，如果正確譯碼，則向源終端發(fā)送ACK確認(rèn)信息，否則，等待定時(shí)器超時(shí)。
本發(fā)明的有效效果避免了通過中繼之間的信息交互進(jìn)行中繼選擇的沖突， 在保證分集階數(shù)和誤碼率性能的同時(shí)，以較低的算法復(fù)雜度提高了系統(tǒng)容量。


圖1是協(xié)作通信網(wǎng)紹4莫型示意圖2是協(xié)作請(qǐng)求示意圖3是協(xié)作決策示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述給定一個(gè)基于802. lla的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，原終端S通過與 中繼終端的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)向目的終端D傳輸數(shù)據(jù)的目的。
網(wǎng)絡(luò)中共有似個(gè)單天線終端，其中包括l個(gè)源終端、1個(gè)目的終端和M-2 個(gè)潛在中繼終端，其中有7V 2)個(gè)終端能夠?qū)υ垂?jié)點(diǎn)信息正確譯碼，
這W個(gè)終端與源終端共同構(gòu)成虛擬天線陣列VAA小區(qū)，從中選出〖個(gè)終端作為 中繼終端，源終端也可以作為接力合作終端。假設(shè)VAA小區(qū)內(nèi)各終端之間距離 較小，從而源終端可以以較小功率與VAA小區(qū)內(nèi)各終端進(jìn)行廣播通信。
本發(fā)明基于如下兩點(diǎn)^f艮i殳
1、 各終端完全同步和準(zhǔn)靜態(tài)信道環(huán)境；
2、 各終端間信道為加性高斯白噪聲的平坦瑞利衰落信道。 在該系統(tǒng)中，源終端利用較小的功率向中繼終端廣播數(shù)據(jù)，中繼終端對(duì)4妄
收信號(hào)進(jìn)行譯碼后通過分布式空時(shí)編碼方案進(jìn)行協(xié)作。假設(shè)空時(shí)編碼矩陣對(duì)各 個(gè)終端是已知的，用S表示丄(丄Si:)列空時(shí)編碼矩陣，行下標(biāo)表示時(shí)間，列 下標(biāo)表示不同的發(fā)射終端，中繼終端通過發(fā)送S中的不同列進(jìn)行協(xié)作。目的終端 處的接收信號(hào)r可以表示為
y = 57/ + Z
其中，F(xiàn)^[^w,…,&v]T表示〖個(gè)中繼終端到目的終端的信道衰落系數(shù)向量，Z表
示方差為C7。的加性高斯白噪聲。
其工作過程如圖2和圖3所示，具體實(shí)施步驟如下
步驟1源終端向VAA小區(qū)內(nèi)終端和目的終端發(fā)送R-RTS并啟動(dòng)定時(shí)器， R-RTS的格式為在RTS中添加字段〖，表示將要選出AT個(gè)終端作為中繼終端進(jìn) 行STBC編碼協(xié)作，同時(shí)將RTS中的目的地址表示為一有序矢量 [R1，R2,…,RN，D]，其中R1,R2,…,RN為VAA小區(qū)內(nèi)的終端，D為目的終端。VAA 接力小區(qū)內(nèi)的候選中繼終端和目的終端將從RTS中提取并保存《字段，但是不 回復(fù)CTS。接著，VAA小區(qū)內(nèi)的終端將按照[R1,R2,.,.，RN]的順序依次向目的終 端發(fā)送RTS。目的終端通過R-RTS和RTS分別測量與源終端和各個(gè)候選中繼終 端間的信道增益i^，得到信道增益向量
Fg"'"=問rf , ，…,巧7V+l)rf ]步驟2目的終端根據(jù)源終端與自身之間的信道增益以及候選中繼終端之間 的信道增益選出《個(gè)信道增益最大的終端作為中繼終端，并計(jì)算其信道增益之 和H，(用于之后的中繼終端的功率分配)，然后目的終端將按照信道增益向量
豆g。,"中由大到小的順序依次向選出的中繼發(fā)送CTS,并在CTS中加入co/字 段和i^^字段，分別表示各個(gè)中繼終端發(fā)送的STBC編碼矩陣的列號(hào)和各中繼 終端與目的終端之間的信道增益之和。
步驟3接收到目的終端CTS的終端通過CTS測量得到與目的終端間的信 由于信道的互惠性，/乙,i^，并提取CTS中的co/字段，將其內(nèi) 容與之前從源終端接收到的R-RTS中的K字段進(jìn)行比較，如果相同，則向源節(jié) 點(diǎn)發(fā)送FLAG消息，通知源節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；如果源終端^皮選為中繼終 端，且從目的終端接收到的CTS中的co/字段與咒字段內(nèi)容相同，則直接開始數(shù) 據(jù)傳輸，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給各個(gè)中繼終端。同時(shí)，中繼終端接收源終端的 數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備進(jìn)行STBC編碼協(xié)作，其余終端進(jìn)入休眠狀態(tài)。
步驟4由于源終端與各個(gè)中繼終端同處于VAA小區(qū)內(nèi)，距離較近，源終端 可以使用較小的功率將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給中繼終端，并保證源終端與中繼終 端都具有要發(fā)送的全部數(shù)據(jù)。
步驟5中繼終端對(duì)源終端發(fā)送的數(shù)據(jù)利用相同的空時(shí)分組編碼矩陣進(jìn)行 STBC編碼，例如，輸入連續(xù)兩個(gè)包含64個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊為^ 二[^，.j^]和 & =|>21,...、64],中繼終端按照STBC的編碼矩陣進(jìn)行編碼，編碼后分別得到 自己要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊第一個(gè)時(shí)隙，中繼終端要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分別為 x^[ ,…,氣64]和^卞,"…,^J ,第二個(gè)時(shí)隙分別為
=[—《"…,-《64]和^，2 =[^"..,《64]。然后各個(gè)中繼終端根據(jù)接收到的
CTS中的co/字段得到各自將要發(fā)送的STBC編碼矩陣的相應(yīng)列的數(shù)據(jù)。
步驟6中繼終端根據(jù)決策信息進(jìn)行基于資源貢獻(xiàn)率的功率分配。所謂資源 貢獻(xiàn)率是指，整個(gè)系統(tǒng)中共有7V種資源，每種資源的單位收益為^， / = 1,2,...7V， 第z'種資源的貢獻(xiàn)率《為
《=——^——
ri + r2 "1----r7V
假設(shè)總投入資產(chǎn)為i ，則投入到第/種資源的資產(chǎn)尺為
8尺=JR--1
且滿足約束條件7 = ^^,.。
本文提出的功率分配方案將各個(gè)中繼終端看作各種資源，每種資源的單位 收益為各中繼終端到目的終端的信道增益i^ ,根據(jù)系統(tǒng)的信道特性和香農(nóng)公 式，建立系統(tǒng)容量相關(guān)的效用函數(shù)
<formula>formula see original document page 9</formula> 、、
其中，《為第Z個(gè)中繼終端的發(fā)射功率，C7。加性高斯白噪聲的功率。 其約束條件為
1. 《=y,《，即是總發(fā)送功率為一定值。
2. 《^尸m^，即是各個(gè)中繼終端發(fā)射功率必須小于給定上限。
第/個(gè)中繼終端利用目的終端回復(fù)的CTS估計(jì)與目的終端間的信道增益i^, 并應(yīng)用基于資源貢獻(xiàn)率的資源分配方案計(jì)算自身的發(fā)射功率，即是通過CTS中 的〃■字段內(nèi)容計(jì)算自己的發(fā)射功率《
<formula>formula see original document page 9</formula>
如杲f 〉i^虹，則該中繼終端的發(fā)射功率為尸目；如果《^尸 ^,則該中繼終端 使用該功率值將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端。
步驟7目的終端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到原始的發(fā)送數(shù)據(jù)，譯 碼過程如下
假設(shè)接收端接收的連續(xù)兩個(gè)時(shí)隙的信號(hào)為^ =l/u,...，r164]和 r2=[r21,...,r2 64],根據(jù)STBC的譯碼規(guī)則可以得到譯碼后的信號(hào)為 ^=^^+/^2《和^=《2廠1—&《。譯碼后，目的終端向源終端發(fā)送ACK，如 果源終端定時(shí)器超時(shí)仍未收到ACK，則增大功率發(fā)送R-RTS，重新進(jìn)行協(xié)作請(qǐng)求。
權(quán)利要求
1、一種空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其特征在于，包括以下步驟步驟1，源終端以及候選中繼終端在與目的終端進(jìn)行通信時(shí)，通過控制信息進(jìn)行相互之間信道狀態(tài)信息的測量，其中包括源終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息以及候選中繼終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息；步驟2，目的終端根據(jù)測得的源終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息以及源終端與候選中繼終端之間的信道狀態(tài)信息進(jìn)行中繼選擇、空時(shí)編碼協(xié)作和功率分配相關(guān)的決策，并將決策信息反饋給源終端與中繼終端；步驟3，中繼終端接收到相應(yīng)決策信息后向源終端發(fā)送FLAG消息，通知源終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)；步驟4，源終端通過任何一種可選的通信方式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給中繼終端；步驟5，中繼終端利用相同的空時(shí)編碼矩陣對(duì)源終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)分組編碼，并根據(jù)由目的終端反饋的決策信息得到各自要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；步驟6，中繼終端根據(jù)由目的終端反饋的決策信息進(jìn)行基于資源貢獻(xiàn)率的功率分配，計(jì)算得到自身的發(fā)送功率，并使用該功率將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端；步驟7，目的終端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到原始的發(fā)送數(shù)據(jù)，并向源終端發(fā)送確認(rèn)信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于，在步驟1中，源終端以及候選中繼終端在與目的終端進(jìn)行通信時(shí)， 通過協(xié)作請(qǐng)求/協(xié)作決策的控制信息進(jìn)行相互之間信道狀態(tài)信息的測量，其中包 括源終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息以及候選中繼終端與目的終端之間的 信道狀態(tài)信息。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于，在步驟2中，目的終端根據(jù)測得的源終端與目的終端之間的信道狀 態(tài)信息以及候選中繼終端與目的終端之間的信道狀態(tài)信息選擇與自身之間信道 狀態(tài)最佳的候選終端作為中繼終端，規(guī)定各個(gè)中繼終端將要傳輸空時(shí)分組編碼 后的數(shù)據(jù)，以及計(jì)算所有中繼終端的總的信道增益，并將這些決策信息反饋給源終端與中繼終端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于，在步驟3中，接收到目的終端反饋的決策信息中的將要發(fā)送的空時(shí) 分組編碼矩陣的列數(shù)與需要選擇的中繼終端個(gè)數(shù)相同的中繼終端向源終端發(fā)送 FUG消息，通知源終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于，在步驟4中，源終端能用任何一種通信方式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給 中繼終端，只須保證中繼終端對(duì)源終端的數(shù)據(jù)能正確辭，碼。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于在步驟5中，中繼終端具有相同的空時(shí)分組編碼矩陣，并利用該編 碼矩陣對(duì)接收且正確譯碼的源終端數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)編碼，并根據(jù)由目的終端反饋 的各個(gè)中繼終端將要發(fā)送的空時(shí)編碼矩陣的列號(hào)得到各自將要傳輸?shù)目諘r(shí)分組 編碼矩陣中的列。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于在步驟6中，中繼終端才艮據(jù)由目的終端反々貴的各個(gè)中繼終端的信道 增益之和以及自身與目的終端之間的信道增益得到自身的資源貢獻(xiàn)率，從而計(jì) 算得到自身的發(fā)送功率，并^f吏用該功率值將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，其 特征在于在步驟7中，目的終端利用相同的空時(shí)分組編碼矩陣對(duì)接收到的來 自不同中繼終端的經(jīng)過空時(shí)分組編碼的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到源終端的原始 發(fā)送數(shù)據(jù)，如果正確譯碼，則向源終端發(fā)送ACK確iM言息，否則，等待定時(shí)器 超時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空時(shí)編碼協(xié)作中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案，包括以下步驟源終端以及候選中繼終端在與目的終端進(jìn)行通信時(shí)，進(jìn)行相互之間信道狀態(tài)信息的測量；目的終端根據(jù)測得的信道狀態(tài)信息進(jìn)行中繼選擇、空時(shí)編碼協(xié)作和功率分配相關(guān)的決策，并將決策信息反饋給源終端與中繼終端；中繼終端通知源終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)；源終端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)共享給中繼終端；中繼終端對(duì)源終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)分組編碼；并根據(jù)決策信息得到各自要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；中繼終端根據(jù)決策信息進(jìn)行基于資源貢獻(xiàn)率的功率分配，并使用該功率值將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端；目的終端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼，得到原始的發(fā)送數(shù)據(jù)，并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息。
文檔編號(hào)H04B7/02GK101651478SQ20091016763
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者健 劉, 鄺育軍, 鄭國強(qiáng), 隆克平 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)