本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及無線中繼通信系統(tǒng)中的多中繼選擇與協(xié)作預(yù)編碼方法。

背景技術(shù)：

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，人們對信息速率以及通信質(zhì)量的需求也越來越高，但無線通信受其帶寬、傳輸功率以及無線信道多徑衰落的限制，很難達(dá)到理想的傳輸速率和通信質(zhì)量。而分集技術(shù)具有不占用額外時間和帶寬資源對抗多徑衰落的優(yōu)點，作為分集技術(shù)的典型代表，mimo技術(shù)能夠抵抗多徑衰落，改善系統(tǒng)性能。但在很多實際場景中由于用戶終端體積、功耗的限制，在用戶終端安裝多根天線來實現(xiàn)空間分集增益非常困難。在這種情況下，采用中繼協(xié)作通信技術(shù)，通過多個中繼的天線共享，形成虛擬的mimo，可以有效地改進(jìn)系統(tǒng)的物理層安全性能。

目前，協(xié)作通信的研究主要集中在以下幾個方面，第一是信道容量的研究，即如何在有限的帶寬資源下最大限度的提高信道容量；第二是有關(guān)協(xié)作方式的研究，即考慮中繼的選擇及協(xié)作方案；第三是有關(guān)協(xié)作中繼可靠性的研究，即如何降低協(xié)作傳輸?shù)恼`碼率；第四是有關(guān)協(xié)作功率分配的研究，即在總功率一定的情況下如何分配節(jié)點間功率去提高系統(tǒng)的物理層安全性能。以上的研究很多假設(shè)信道的瞬時信道狀態(tài)信息已知，但在實際通信中，由于受多種因素的影響，信道信息往往不斷變化且存在誤差。

考慮到實際情況，本發(fā)明公開了一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法，旨在解決具有信道估計誤差的多中繼高效協(xié)作問題。通過優(yōu)化中繼節(jié)點的加權(quán)因子以實現(xiàn)最佳的協(xié)作預(yù)編碼方案，從而提高通信系統(tǒng)性能，本發(fā)明所公開的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法相較于傳統(tǒng)的預(yù)編碼方法不僅提高了傳輸速率，同時顯著降低了傳輸系統(tǒng)的中斷概率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中的問題提出了一種基于非理想信道狀態(tài)信息的多中繼選擇方法，其解決具有信道估計誤差的多中繼高效協(xié)作問題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法，具體包含如下步驟：

步驟1，將源節(jié)點信息發(fā)送給所有的中繼節(jié)點；

步驟2，通過信道估計獲得源節(jié)點到中繼節(jié)點的瞬時狀態(tài)信息及估計誤差，計算出源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量；

步驟3，獲取能夠成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點集合；

步驟4，對成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點的加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼，共同將預(yù)編碼后的源節(jié)點信息轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點；

步驟5，目的節(jié)點解碼來自中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點信息，進(jìn)而獲取中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道容量。

作為本發(fā)明一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，源節(jié)點信息具體為：

其中，表示第i個中繼收到的信號，ni表示高斯噪聲，為基于信道估計獲得的源節(jié)點到第i個中繼的瞬時信道衰落系數(shù)，ehsi為信道估計誤差，ps為發(fā)送功率，s為源節(jié)點信息。

作為本發(fā)明一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟2中，源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量的具體計算如下：

其中，csi為源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量，γs＝ps/n0，n0為噪聲功率。

作為本發(fā)明一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟4中，目的節(jié)點收到的源節(jié)點信息表示為

其中，wi表示第i個中繼的加權(quán)因子，表示目的節(jié)點收到第i個中繼節(jié)點的信號，nd表示高斯噪聲，hid表示第i個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時信道衰落系數(shù)，m為成功解碼信息的中繼個數(shù)。

作為本發(fā)明一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟5中，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道容量具體計算如下：

其中，cid為中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道容量，其中，hh^h為hermitian矩陣，且為正定矩陣，h為共軛轉(zhuǎn)置，m為成功解碼信息的中繼個數(shù)，dn為成功解碼信息的中繼集合。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明的預(yù)編碼方法考慮到多個中繼，相比于單中繼更為可靠；

2、本發(fā)明考慮到信道存在估計誤差，更切合實際情況；

3、在相同場景情況下本發(fā)明公開的中繼預(yù)編碼方法優(yōu)于傳統(tǒng)的預(yù)編碼方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的系統(tǒng)模型圖；

圖2是本發(fā)明基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法信道估計誤差和中斷概率之間的關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本系統(tǒng)至少包含1個源節(jié)點，1個目的節(jié)點和若干個中繼節(jié)點，中繼節(jié)點之間的協(xié)作保證了信息的可靠傳輸。

本發(fā)明提供了一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法，適用于在用戶與目的用戶之間不能直接通信時借助多個中繼來實現(xiàn)信息的交互，具體步驟包括：

如圖2所示，首先將源節(jié)點信息發(fā)送給所有的中繼節(jié)點，并基于信道估計獲得源節(jié)點到中繼節(jié)點的瞬時狀態(tài)信息及估計誤差，計算出源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量；判斷哪些中繼節(jié)點能夠成功解碼信息，找出能夠成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點集合；最后對成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼，并基于信道估計獲得中繼節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時狀態(tài)信息及估計誤差，據(jù)此計算出相應(yīng)的信道容量。

本專利提出的基于非理想信道狀態(tài)信息的多中繼選擇方法，其特征是，源節(jié)點將信息s以發(fā)送功率ps發(fā)送給所有的中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收到的信號表示為：表示第i個中繼收到的信號，ni表示高斯噪聲，hsi表示源節(jié)點到第i個中繼節(jié)點的瞬時信道衰落系數(shù)。由于瞬時信道衰落系數(shù)存在信道估計誤差ehsi，因此hsi可表示為所以中繼節(jié)點收到的源節(jié)點發(fā)送的信息可表示為：由此可以得到源節(jié)點到中繼節(jié)點的信噪比：

其中γs＝ps/n0，n0為噪聲功率。最終可得到源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量：

設(shè)所有能夠成功解碼轉(zhuǎn)發(fā)信息的中繼節(jié)點集合為dm，最后對成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼，同時將預(yù)編碼后的源節(jié)點信息s以發(fā)送功率ps轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，此時目的節(jié)點接收到的信息可表示為：其中wi表示第i個中繼的加權(quán)因子，表示目的節(jié)點收到第i個中繼節(jié)點的信號，nd表示高斯噪聲，hid表示第i個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時信道衰落系數(shù)。由于瞬時信道衰落系數(shù)存在信道估計誤差ehid，因此hid可表示為所以中繼節(jié)點收到的信息可表示為：則此時通過求解下面的優(yōu)化問題可以得到加權(quán)因子：

令w＝[w1w2…wm]，h＝[h1dh2d...hmd]，e＝[eh1deh2d…ehmd]，i為m維單向量。將約束條件帶入目標(biāo)函數(shù)，上述優(yōu)化問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

令a＝hh^h，由矩陣知識知a、b為hermitian矩陣，且b為正定矩陣。由此得廣義rayleigh商的標(biāo)準(zhǔn)形式：

為求解廣義rayleigh商，定義一個新向量其中b^1/2表示正定矩陣b的平方根。把代入廣義rayleigh商，則有:

由rayleigh-ritz定理知,當(dāng)選擇的向量是與矩陣乘積(b^-1/2)^ha(b^-1/2)的特征值λmax對應(yīng)的特征向量時，廣義rayleigh商取最大值λmax?？疾炀仃嚦朔e用b^-1/2左乘上式，得且因此可以得到矩陣乘積(b^-1/2)^ha(b^-1/2)的特征值分解等價于矩陣b^-1a的特征分解，再由rayleigh-ritz定理知，當(dāng)w是與矩陣乘積b^-1a的最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量時，廣義rayleigh商取最大值λmax。根據(jù)以上分析λmax為(i+υsee^h)^-1hh^h對應(yīng)的最大特征值，此時最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣w^*為λmax對應(yīng)的特征向量。同時可以得到中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道容量：

結(jié)合上面的分析，最終可得系統(tǒng)的中斷概率為：

其中，δ＝(2^2r-1)/γs，r表示閾值，當(dāng)信道容量小于r時，發(fā)生中斷

1)源節(jié)點以發(fā)射功率ps發(fā)送信號s給所有中繼節(jié)點，通過信道估計獲得源節(jié)點到中繼節(jié)點的瞬時狀態(tài)信息及估計誤差，計算出源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量；

2)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)信息s后，判斷哪些中繼節(jié)點能夠成功解碼信息，找出能夠成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點集合；最后對成功解碼源節(jié)點信息的中繼節(jié)點加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼，并基于信道估計獲得中繼節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時狀態(tài)信息及估計誤差，據(jù)此計算出相應(yīng)的信道容量；

3)傳輸結(jié)束進(jìn)入下一個時隙，重新執(zhí)行步驟1)。

本發(fā)明所提出的中繼預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)中繼預(yù)編碼方法的對比如圖3所示。其中中繼個數(shù)n取4和8兩種情況，信道估計誤差在[01]之間，且間隔為0.05。由圖中可以看出，本發(fā)明所提出的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法在相同信道估計誤差的情況下，明顯好于傳統(tǒng)的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法；隨著信道估計誤差的增大，中斷概率也隨之增大。