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      一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法與流程

      文檔序號(hào):12808885閱讀:526來(lái)源:國(guó)知局
      一種基于非理想信道狀態(tài)信息的中繼協(xié)作預(yù)編碼方法與流程

      本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域,主要涉及無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)信息速率以及通信質(zhì)量的需求也越來(lái)越高,但無(wú)線(xiàn)通信受其帶寬、傳輸功率以及無(wú)線(xiàn)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(shí)間和帶寬資源對(duì)抗多徑衰落的優(yōu)點(diǎn),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(shí)際場(chǎng)景中由于用戶(hù)終端體積、功耗的限制,在用戶(hù)終端安裝多根天線(xiàn)來(lái)實(shí)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(guò)多個(gè)中繼的天線(xiàn)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(gè)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(diǎn)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(shí)信道狀態(tài)信息已知,但在實(shí)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(shí)際情況,本發(fā)明公開(kāi)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(jì)誤差的多中繼高效協(xié)作問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)的加權(quán)因子以實(shí)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(kāi)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(shí)顯著降低了傳輸系統(tǒng)的中斷概率。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)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(jì)誤差的多中繼高效協(xié)作問(wèn)題。

      本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)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(diǎn)信息發(fā)送給所有的中繼節(jié)點(diǎn);

      步驟2,通過(guò)信道估計(jì)獲得源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)狀態(tài)信息及估計(jì)誤差,計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道容量;

      步驟3,獲取能夠成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)集合;

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

      步驟5,目的節(jié)點(diǎn)解碼來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點(diǎn)信息,進(jìn)而獲取中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)信息具體為:

      其中,表示第i個(gè)中繼收到的信號(hào),ni表示高斯噪聲,為基于信道估計(jì)獲得的源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)中繼的瞬時(shí)信道衰落系數(shù),ehsi為信道估計(jì)誤差,ps為發(fā)送功率,s為源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道容量的具體計(jì)算如下:

      其中,csi為源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)收到的源節(jié)點(diǎn)信息表示為

      其中,wi表示第i個(gè)中繼的加權(quán)因子,表示目的節(jié)點(diǎn)收到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào),nd表示高斯噪聲,hid表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)信道衰落系數(shù),m為成功解碼信息的中繼個(gè)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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道容量具體計(jì)算如下:

      其中,cid為中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道容量,其中,hhh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(gè)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(gè)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(jì)誤差,更切合實(shí)際情況;

      3、在相同場(chǎng)景情況下本發(fā)明公開(kāi)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(shuō)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(jì)誤差和中斷概率之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

      具體實(shí)施方式

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

      為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)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(gè)源節(jié)點(diǎn),1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)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(hù)與目的用戶(hù)之間不能直接通信時(shí)借助多個(gè)中繼來(lái)實(shí)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(diǎn)信息發(fā)送給所有的中繼節(jié)點(diǎn),并基于信道估計(jì)獲得源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)狀態(tài)信息及估計(jì)誤差,計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道容量;判斷哪些中繼節(jié)點(diǎn)能夠成功解碼信息,找出能夠成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)集合;最后對(duì)成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼,并基于信道估計(jì)獲得中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)狀態(tài)信息及估計(jì)誤差,據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的信道容量。

      本專(zhuān)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(diǎn)將信息s以發(fā)送功率ps發(fā)送給所有的中繼節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)表示為:表示第i個(gè)中繼收到的信號(hào),ni表示高斯噪聲,hsi表示源節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)信道衰落系數(shù)。由于瞬時(shí)信道衰落系數(shù)存在信道估計(jì)誤差ehsi,因此hsi可表示為所以中繼節(jié)點(diǎn)收到的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息可表示為:由此可以得到源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比:

      其中γs=ps/n0,n0為噪聲功率。最終可得到源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)集合為dm,最后對(duì)成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼,同時(shí)將預(yù)編碼后的源節(jié)點(diǎn)信息s以發(fā)送功率ps轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)接收到的信息可表示為:其中wi表示第i個(gè)中繼的加權(quán)因子,表示目的節(jié)點(diǎn)收到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào),nd表示高斯噪聲,hid表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)信道衰落系數(shù)。由于瞬時(shí)信道衰落系數(shù)存在信道估計(jì)誤差ehid,因此hid可表示為所以中繼節(jié)點(diǎn)收到的信息可表示為:則此時(shí)通過(guò)求解下面的優(yōu)化問(wèn)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(wèn)題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

      令a=hhh由矩陣知識(shí)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(gè)新向量其中b1/2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(duì)應(yīng)的特征向量時(shí),廣義rayleigh商取最大值λmax??疾炀仃嚦朔e用b-1/2左乘上式,得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(jià)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(duì)應(yīng)的特征向量時(shí),廣義rayleigh商取最大值λmax。根據(jù)以上分析λmax為(i+υseeh)-1hhh對(duì)應(yīng)的最大特征值,此時(shí)最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣w*為λmax對(duì)應(yīng)的特征向量。同時(shí)可以得到中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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=(22r-1)/γs,r表示閾值,當(dāng)信道容量小于r時(shí),發(fā)生中斷

      1)源節(jié)點(diǎn)以發(fā)射功率ps發(fā)送信號(hào)s給所有中繼節(jié)點(diǎn),通過(guò)信道估計(jì)獲得源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)狀態(tài)信息及估計(jì)誤差,計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能夠成功解碼信息,找出能夠成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)集合;最后對(duì)成功解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼節(jié)點(diǎn)加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作預(yù)編碼,并基于信道估計(jì)獲得中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)狀態(tài)信息及估計(jì)誤差,據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的信道容量;

      3)傳輸結(jié)束進(jìn)入下一個(gè)時(shí)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(duì)比如圖3所示。其中中繼個(gè)數(shù)n取4和8兩種情況,信道估計(jì)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(jì)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(jì)誤差的增大,中斷概率也隨之增大。

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