一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，包括：構(gòu)建包括源節(jié)點S、目的節(jié)點D和n個備選中繼節(jié)點的系統(tǒng)模型；計算所有鏈路的預(yù)測信道增益，鏈路包括S?Ri鏈路和Ri?D鏈路；將S?Ri鏈路和Ri?D鏈路中預(yù)測信道增益較小的鏈路的預(yù)測信道增益作為備選中繼節(jié)點i的最終信道增益；若目標中繼節(jié)點為一個，將所有備選中繼節(jié)點中最終信道增益最大的備選中繼節(jié)點作為目標中繼節(jié)點；若目標中繼節(jié)點為L個，將所有備選中繼節(jié)點的最終信道增益由大到小的順序中前L個最終信道增益對應(yīng)的備選中繼節(jié)點作為目標中繼節(jié)點。本發(fā)明同時考慮源節(jié)點與中繼節(jié)點之間、中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間都存在信道狀態(tài)信息過時的情況，有效提高系統(tǒng)表現(xiàn)性。
【專利說明】
-種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線協(xié)作通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇 及功率分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 協(xié)作分集是無線通信中對抗多徑衰落的有效方法，在協(xié)作通信中，通過引入中繼 節(jié)點協(xié)助源節(jié)點與目的節(jié)點進行通信，并從中選擇最佳中繼節(jié)點（1或N個）用于信息傳輸， 不僅可W提高信息傳輸可靠性，而且可W減少系統(tǒng)功率損耗。
[0003] 過時信道狀態(tài)信息存在于實際的通信系統(tǒng)中，會嚴重惡化協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。 已有的中繼選擇與功率分配方法一般建立在過時信道狀態(tài)信息(0CSI，0utdated化annel Status Information)基礎(chǔ)上，往往只考慮源節(jié)點S到中繼節(jié)點R之間鏈路或者中繼節(jié)點R到 目的節(jié)點D之間鏈路，實際上S-R與R-D兩條鏈路信道狀態(tài)信息都存在過時的問題。本發(fā)明希 望提出一種同時考慮S-R與R-D兩條鏈路都存在過時信道狀態(tài)信息的情況下的最佳中繼選 擇與功率分配方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于過時信道狀態(tài) 信息的中繼選擇及功率分配方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選 擇及功率分配方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟S1，構(gòu)建系統(tǒng)模型，所述系統(tǒng)模型包括一個源節(jié)點S、一個目的節(jié)點D和η個備 選中繼節(jié)點；
[0007] 步驟S2,計算所有備選中繼節(jié)點對應(yīng)的鏈路的預(yù)測信道增益，其中，對于備選中繼 節(jié)點i，其對應(yīng)的鏈路包括源節(jié)點巧I恪選中繼節(jié)點i的鏈路S-Ri鏈路W及備選中繼節(jié)點巧U 目的節(jié)點D的鏈路R廣D鏈路，其中，i = l，2,…，η;
[000引步驟S3,對于備選中繼節(jié)點i，將其對應(yīng)的S-Ri鏈路和Ri-D鏈路中預(yù)測信道增益較 小的鏈路的預(yù)測信道增益作為備選中繼節(jié)點i的最終信道增益；
[0009] 步驟S4,若選取的目標中繼節(jié)點為一個，則將所有備選中繼節(jié)點中最終信道增益 最大的備選中繼節(jié)點作為所述目標中繼節(jié)點;若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則將所有備選 中繼節(jié)點的最終信道增益由大到小的順序中前L個最終信道增益對應(yīng)的備選中繼節(jié)點作為 所述目標中繼節(jié)點，其中，l<L《n。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明同時考慮了源節(jié)點S與中繼節(jié)點R之間W及中繼節(jié)點 R與目的節(jié)點D之間都存在信道狀態(tài)信息過時的情況，有效克服了過時CSI對系統(tǒng)性能的影 響，具有科學(xué)意義和應(yīng)用價值;本發(fā)明方法依據(jù)Bayesian估計準則的最小均方誤差估計在 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的S-R及R-D鏈路信噪比，預(yù)測信噪比高，性能好且實現(xiàn)簡單;本發(fā)明利用估計信 噪比進行中繼選擇和功率分配，可在有效減少資源損耗的同時降低系統(tǒng)中斷概率，操作簡 單、計算量少、精度較高。
[0011] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可W做如下改進。
[0012] 進一步地，步驟S2中，對于備選中繼節(jié)點i，其對應(yīng)的鏈路中S-Ri鏈路的預(yù)測信道 增益的計算公式為：
[0013]
[0014] 其中，巧。表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的S-Ri鏈路的預(yù)測信道增益，化表示S-Ri鏈路的 信道相關(guān)系數(shù)，No表示噪聲功率譜密度，瓜表示S-Ri鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)， =A、; +巧,;，其中鱗，康示S-Ri鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足嘴~CW(0，G-片A,;表示 S-Ri鏈路在中繼選擇時的信道系數(shù)
表示的均方值； 巧=(義/4兄或)-的)/屯;)。，.為表不S-Ri鏈路的信道方差，也康不S與Ri之間的距離，λ表不載 波波長，do表示預(yù)設(shè)參考距離，α表示路徑損耗系數(shù)；
[0015] Ri-D鏈路的預(yù)測信道增益的計算公式為：
[0016]
[0017] 其中，表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的Ri-D鏈路的預(yù)測信道增益，P康示Ri-D鏈路的 信道相關(guān)系數(shù)，A。。'表示Ri-D鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)，/V +巧,，，其中巧讀示 Ri-D鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足邱，~C/V佩0-向巧:,），A燦表示Ri-D鏈路在中繼選擇時的信 道系數(shù)：
表示、，.的均方值，咕=(義/4卻 )]切0，σφ表示Ri- D鏈路的信道方差;來表示Ri與D之間的距離。
[0018] 進一步地，所述基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，還包括步驟 S5，對源節(jié)點和目標中繼節(jié)點進行功率分配。
[0019] 進一步地，步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為一個，則分配給源節(jié)點S的功率為：
[0020]
；
[0021] 其中，口3表示分配給源節(jié)點5的功率，口表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，用1^表示目標中繼節(jié) 點，則聽^.表示目標中繼節(jié)點1研應(yīng)的5-1?1*鏈路的預(yù)測信道增益，巧^^表示目標中繼節(jié)點1^ } ! 對應(yīng)的Ri*-D鏈路的預(yù)測信道增益，其中，i*= 1，2，…，η;
[0022] 分配給目標中繼節(jié)點的功率為：
[002；3] Pr = P-Ps;
[0024] 其中，Pr表示分配給目標中繼節(jié)點的功率。
[0025] 進一步地，步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則分配給源節(jié)點S的功率為：
[0026]
[0027] 其中，Ps表示分配給源節(jié)點S的功率，P表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，Wave表示L個所述目標 中繼節(jié)點對應(yīng)的源節(jié)點巧I舊標中繼節(jié)點的鏈路的預(yù)測信道增益的平均值，Wmr康示L個所 述目標中繼節(jié)點對應(yīng)的目標中繼節(jié)點到目的節(jié)點D的鏈路的預(yù)測信道增益的和；
[0028] 分配給所有目標中繼節(jié)點的功率為：
[0029] Pr = P-Ps；
[0030] 分配給每個目標中繼節(jié)點的功率為：
[0031]
[0032] 其中，巧。表示分配給每個目標中繼節(jié)點的功率。
[0033] 本發(fā)明附加的方面的優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明實踐了解到。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明所述基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0035] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0036] 圖1為本發(fā)明所述基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法的流程圖。
[0037] 如圖1所示，一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，包括如下步 驟：
[0038] 步驟S1，構(gòu)建系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型包括一個源節(jié)點S、一個目的節(jié)點D和η個備選中 繼節(jié)點；不失一般性，備選中繼節(jié)點具有放大轉(zhuǎn)發(fā)的功能，由于相距很遠或被阻擋，目的節(jié) 點不能有效接收來自源節(jié)點的信號，必須通過備選中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)模型中使用的信 道為瑞利衰落信道。
[0039] 步驟S2,計算所有備選中繼節(jié)點對應(yīng)的鏈路的預(yù)測信道增益，其中，對于備選中繼 節(jié)點i，其對應(yīng)的鏈路包括源節(jié)點巧I恪選中繼節(jié)點i的鏈路S-Ri鏈路W及備選中繼節(jié)點巧U 目的節(jié)點D的鏈路R廣D鏈路，其中，i = l，2,…，η。
[0040] 步驟S3,對于備選中繼節(jié)點i，將其對應(yīng)的S-Ri鏈路和Ri-D鏈路中預(yù)測信道增益較 小的鏈路的預(yù)測信道增益作為備選中繼節(jié)點i的最終信道增益。
[0041] 步驟S4,若選取的目標中繼節(jié)點為一個，則將所有備選中繼節(jié)點中最終信道增益 最大的備選中繼節(jié)點作為目標中繼節(jié)點;若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則將所有備選中繼 節(jié)點的最終信道增益由大到小的順序中前L個最終信道增益對應(yīng)的備選中繼節(jié)點作為目標 中繼節(jié)點，其中，l<L《n。
[0042] 在本發(fā)明的具體實施例中，步驟S2中，對于備選中繼節(jié)點i，其對應(yīng)的鏈路中S-Ri 鏈路的預(yù)測信道增益的計算公式為：
[0043]
[0044] 其中，朽，表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的S-Ri鏈路的預(yù)測信道增益，化表示S-Ri鏈路的 信道相關(guān)系數(shù)，No表示噪聲功率譜密度，As,;表示S-Ri鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)，據(jù) 化ke's相關(guān)系數(shù)模型來計算S-Ri鏈路的過時信道系數(shù)，fcn =戶如,.+w、,.，其中巧，表示S-Ri 鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足鮮A…CA/(0，(l-片，/2,,表示S-Ri鏈路在中繼選擇時的信道系 數(shù)Λ,;服從圓對稱復(fù)高斯分布即
表示^的均方 值;(片=(義,/4。·如V,, /表示S-Ri鏈路的信道方差，成^表示S與Ri之間的距離，λ表 示載波波長，do表示預(yù)設(shè)參考距離，α表示路徑損耗系數(shù)；
[0045] Ri-D鏈路的預(yù)測信道增益的計算公式為：
[0046]
[0047] 其中，f和表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的Ri-D鏈路的預(yù)ii信道增益，化表示Ri-D鏈路的信 道相關(guān)系數(shù)，&抑表示Ri-D鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)，據(jù)化ke ' S相關(guān)系數(shù)模型來計算Ri-D 鏈路的過時信道系數(shù)，即A-=八與,,+化/ :，其中η,?表示Ri-D鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足 W^~GV(0，il-向而），/!,;,表示Ri-D鏈路在中繼選擇時的信道系數(shù)，/V服從圓對稱復(fù)高斯分 布即
表示6坤的均方值，為=W4?；?， 表示Ri-D鏈路的信道方差；冷，表示Ri與D之間的距離。
[004引在本發(fā)明的具體實施例中，本發(fā)明所述的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功 率分配方法，還包括步驟S5,對源節(jié)點和目標中繼節(jié)點進行功率分配。
[0049]步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為一個，令;= ，其中，表示備選中 繼節(jié)點i對應(yīng)的S-Ri鏈路的預(yù)測信噪比，;表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的Ri-D鏈路的預(yù)測信 噪比，依據(jù)Bayesian估計準則的最小均方誤差估計，可得：
[0052]其中，戶W為過時信道狀態(tài)下S-Ri鏈路信噪比，;V為過時信道狀態(tài)下Ri-D鏈路信噪 比，衣表示S-Ri鏈路的平均信噪比，表示Ri-D鏈路的平均信噪比，且：
[0055]由上可得，分配給源節(jié)點S的功率為：
[0化6]
[0057]其中，口3表示分配給源節(jié)點5的功率，口表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，用1^表示目標中繼節(jié) 點，則表示目標中繼節(jié)點1研應(yīng)的5-1?1*鏈路的預(yù)測信道增益，^、^表示目標中繼節(jié)點1^ 對應(yīng)的Ri*-D鏈路的預(yù)測信道增益，其中，i*= 1，2，…，η;
[0058]分配給目標中繼節(jié)點的功率為：
[0化9] Pr = P-Ps;
[0060] 其中，Pr表示分配給目標中繼節(jié)點的功率。
[0061] 步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則分配給源節(jié)點S的功率為：
[0062]
[0063] 其中，Ps表示分配給源節(jié)點S的功率，P表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，Wave表示L個所述目標 中繼節(jié)點對應(yīng)的源節(jié)點巧I舊標中繼節(jié)點的鏈路的預(yù)測信道增益的平均值，Wmr康示L個所 述目標中繼節(jié)點對應(yīng)的目標中繼節(jié)點到目的節(jié)點D的鏈路的預(yù)測信道增益的和；
[0064] 分配給所有目標中繼節(jié)點的功率為：
[00化]Pr = P-Ps;
[0066] 其中，Pr表示分配給所有目標中繼節(jié)點的功率；
[0067] 分配給每個目標中繼節(jié)點的功率為：
[006引
[0069] 其中，表示分配給每個目標中繼節(jié)點的功率。
[0070] 本發(fā)明提出的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，與一般中繼選 擇方法相比，本發(fā)明同時考慮了源節(jié)點S與中繼節(jié)點R之間W及中繼節(jié)點R與目的節(jié)點D之間 都存在信道狀態(tài)信息過時的情況，有效克服了過時CSI對系統(tǒng)性能的影響，具有科學(xué)意義和 應(yīng)用價值;本發(fā)明方法依據(jù)Bayesian估計準則的最小均方誤差估計在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的S-R及 R-D鏈路信噪比，預(yù)測信噪比高，性能好且實現(xiàn)簡單;本發(fā)明利用估計信噪比進行中繼選擇 和功率分配，可在有效減少資源損耗的同時降低系統(tǒng)中斷概率，操作簡單、計算量少、精度 較高。
[0071 ]下面用兩個具體示例來闡述本發(fā)明。
[0072] 示例一
[0073] 若選取的目標中繼節(jié)點為一個，備選中繼節(jié)點的個數(shù)n = 5,且，Pi = 0.9,化= 0.95; 通過計算可得：
[0076] 因此目標中繼節(jié)點1^ = 5;若預(yù)設(shè)傳輸總功率？= 1，則根巧
，可得 Ps二0.6259;pr二0.3741。
[0077] 示例二
[0078] 若選取的目標中繼節(jié)點為L個，被選中繼節(jié)點的個數(shù)n = 8,目標中繼節(jié)點的個數(shù)L =3，且化= 0.9,化= 0.95;通過計算可得：
[00川因此目標中繼節(jié)點i* = 6，4，2; Wave = 1.91 36，取化=巧·ed +巧w + =7· 9320;若 預(yù)設(shè)傳輸總功率p = l，則根據(jù)
可得，Ps = 0.8056,化=0.1944。
[0082] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"實施例一"、"實施例二"、"示例"、"具體示例"、或 "一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體方法、裝置或者特點包含于本發(fā) 明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是 相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、方法、裝置或者特點可W在任一個或多個實 施例或示例中W合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W將 本說明書中描述的不同實施例或示例W及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。
[0083] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟S1，構(gòu)建系統(tǒng)模型，所述系統(tǒng)模型包括一個源節(jié)點S、一個目的節(jié)點D和η個備選中 繼節(jié)點； 步驟S2,計算所有備選中繼節(jié)點對應(yīng)的鏈路的預(yù)測信道增益，其中，對于備選中繼節(jié)點 i，其對應(yīng)的鏈路包括源節(jié)點S到備選中繼節(jié)點i的鏈路S-Ri鏈路以及備選中繼節(jié)點i到目的 節(jié)點D的鏈路Ri-D鏈路，其中，i = l，2,…，η; 步驟S3，對于備選中繼節(jié)點i，將其對應(yīng)的S-Ri鏈路和Ri-D鏈路中預(yù)測信道增益較小的 鏈路的預(yù)測信道增益作為備選中繼節(jié)點i的最終信道增益； 步驟S4,若選取的目標中繼節(jié)點為一個，則將所有備選中繼節(jié)點中最終信道增益最大 的備選中繼節(jié)點作為所述目標中繼節(jié)點;若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則將所有備選中繼 節(jié)點的最終信道增益由大到小的順序中前L個最終信道增益對應(yīng)的備選中繼節(jié)點作為所述 目標中繼節(jié)點，其中，l<L<n。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，其特征 在于，步驟S2中，對于備選中繼節(jié)點i，其對應(yīng)的鏈路中S-Ri鏈路的預(yù)測信道增益的計算公 式為：其中，表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的S-Ri鏈路的預(yù)測信道增益，P1表示S-Ri鏈路的信道 相關(guān)系數(shù)，No表示噪聲功率譜密度，心表示S-Ri鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)， & =/?? +?，其中％表示S-Ri鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足％. -)< ) ,/?表示 s-ri鏈路在中繼選擇時的信道系數(shù)，f) = <，表示\的均方值； < /心廣表示S-Ri鏈路的信道方差乂。表示S與 Ri之間的距離，λ表示載 波波長，do表示預(yù)設(shè)參考距離，α表示路徑損耗系數(shù)； Ri-D鏈路的預(yù)測信道增益的計算公式為：其中，表示備選中繼節(jié)點i對應(yīng)的Ri-D鏈路的預(yù)測信道增益，P2表示Ri-D鏈路的信道 相關(guān)系數(shù)，表示Ri-D鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的信道系數(shù)，+氣:<?，其中表示Ri-D 鏈路的噪聲系數(shù)，且滿足《V~C〗V(0,(1 -p〗)oJ,.)，表示Ri-D鏈路在中繼選擇時的信道系 數(shù)，五= 五(丨~f)表示的均方值，<=(克，4外)2(禹/~)'4表示1^-〇鏈路 的信道方差;弋表示Ri與D之間的距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，其特征 在于，還包括步驟S5,對源節(jié)點和目標中繼節(jié)點進行功率分配。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，其特征 在于，步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為一個，則分配給源節(jié)點S的功率為：其中，Ps表示分配給源節(jié)點S的功率，P表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，用f表示目標中繼節(jié)點，則 %,表示目標中繼節(jié)點廣對應(yīng)的S-R#鏈路的預(yù)測信道增益，表示目標中繼節(jié)點廣對應(yīng)的 Ri*-D鏈路的預(yù)測信道增益，其中，i$=l，2,…，η; 分配給目標中繼節(jié)點的功率為： Pr = P-Ps； 其中，Pr表示分配給目標中繼節(jié)點的功率。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于過時信道狀態(tài)信息的中繼選擇及功率分配方法，其特征 在于，步驟S5中，若選取的目標中繼節(jié)點為L個，則分配給源節(jié)點S的功率為：其中，Ps表示分配給源節(jié)點S的功率，P表示預(yù)設(shè)傳輸總功率，Ware表示L個所述目標中繼 節(jié)點對應(yīng)的源節(jié)點S到目標中繼節(jié)點的鏈路的預(yù)測信道增益的平均值，Wmr。表示L個所述目 標中繼節(jié)點對應(yīng)的目標中繼節(jié)點到目的節(jié)點D的鏈路的預(yù)測信道增益的和； 分配給所有目標中繼節(jié)點的功率為： Pr = P-Ps； 分配給每個目標中繼節(jié)點的功率為：其中，A表示分配給每個目標中繼節(jié)點的功率。
【文檔編號】H04B7/02GK106060892SQ201610534136
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】丁嬌, 肖琨
【申請人】廣西師范大學(xué)