Af協作通信系統中降低誤符號率的功率分配方法

專利名稱：Af協作通信系統中降低誤符號率的功率分配方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域的功率分配方法，具體是一種降低具有N個中繼節點的AF協作通信系統的誤符號率的功率分配方法。

背景技術：
無線通信發展至今，人們對無線傳輸的數據速率和服務質量的要求不斷提高。與主要傳送語音業務的第1、第2代無線通信系統不同，第3代及第4代無線通信系統還將支持速率高達100Mb/s～1Gb/s的多媒體寬帶數據業務，因此尋求進一步擴大信道容量、改善通信質量的新技術是國內外學術界、產業界普遍關注的問題。
無線信道具有的多徑衰落特性是影響其傳輸速率與質量的重要瓶頸，而分集技術是抵抗多徑衰落的有效方式。通常采用的分集方式有時間分集、頻率分集和空間分集。然而在某些環境下，由于系統時延或帶寬資源限制，時間分集和頻率分集技術難以湊效，此時通信終端就需要借助多天線發射和接收來獲得空間資源分集。多輸入多輸出MIMO的空間分集技術正是從不同的天線發送信號，使得接收端得到經歷獨立衰落的多個信號副本，從而有效消除多徑衰落的影響，并且不需要占用額外的時間和頻帶資源，可以和其他信號處理方式相結合，因此得到了廣泛的關注。MIMO多天線技術在通信鏈路的發送端與接收端均使用多個天線，能夠將傳統通信系統中存在的多徑因素變成對用戶通信性能有利的因素，在抗多徑衰落，提高通信鏈路的通信速率和質量方面有著明顯的優勢，已逐漸被新一代無線通信系統的主流協議所采納。但應當指出，雖然發射分集技術可使系統性能得到多方面的提升，但是在實際的通信系統中，由于天線尺寸、功耗和成本等多方面的限制，通常的無線終端采用多天線是不可接受的，因此極大地限制了MIMO技術在無線移動終端中的應用。
為了解決這個問題，Sendonaris，Laneman等學者提出了一種全新的空域分集技術-協作分集，使單天線的移動終端也可以實現空域分集。它的基本思想是系統中的每個終端可以擁有自己的一個或多個合作伙伴，合伙伙伴有責任幫助其伙伴傳輸信息。這樣，每個源節點在傳輸信息的過程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空間信道，從而獲得了一定的空間分集增益。由于協作分集中的合作伙伴共享彼此的天線，從而構成了虛擬的MIMO系統，從這個意義上講，協作分集為多天線技術走向實用化提供了一條新的途徑。因此，協作通信技術在將來的4G移動通信系統中具有非常廣闊的應用前景在無線蜂窩網、Ad-hoc網、無線局域網、無線傳感器網等多種場合，協作通信技術能夠在低成本的條件下提高系統資源分配的公平性，減少系統的總功率損耗，改善通信鏈路的穩定性，并提高網絡的吞吐量。
協作分集的工作過程一般分為兩個階段第一階段，源節點以廣播方式發送信號，目的節點和所分配的中繼節點接收信號，中繼節點對接收到的信號進行處理，為第二階段作準備；第二階段，各個中繼節點將處理后的信號，按照預先分配的信道轉發給目的節點。目的節點將第一階段從源節點收到的信號和第二階段從各個中繼節點接收到的信號以一定的準則合并，譯碼出源信息。按中繼節點對對接收信號的不同處理方式，一般可以分為放大轉發AF協作分集系統和譯碼轉發DF協作分集系統。基于放大轉發的協作通信系統中，中繼節點對從源節點接收到的信號直接放大然后轉發給目的節點。而基于譯碼轉發的協作通信系統中，中繼節點對接收到的信號進行判決檢測，然后重新編碼調制發送給目的節點，該編碼方式可以與源節點的相同，也可以不同。在某些實際的通信系統中，出于通信安全的考慮，除了通信的目的節點外，其他的中繼節點是不允許或不能對源信息進行譯碼的。并且，中繼節點對源信息進行譯碼，不僅增加了移動終端的實現復雜度，還有可能造成譯碼錯誤的后向傳播，影響通信質量。因此，基于放大轉發的協作通信系統具有更廣泛的適用性與更低的應用復雜度。
在無線通信系統中，大多數終端都是采用電池供電，尤其是在無線傳感器網絡中，節點的電池是不可更換，不能充電的，因此如何有效的利用電池能量是延長終端待機時間和網絡生存時間的關鍵因素。現有的功率分配算法，一般分為平均功率分配和自適應功率分配。采用平均功率分配時，源節點和中繼節點的發射功率相等，實現比較簡單，但是由于算法本身并沒有考慮源節點和中繼節點在網絡中的各異性，沒有充分的利用信道衰落特性，缺乏對系統的自適應性，因而極大地降低了系統能量的利用率。而自適應功率分配可以根據信道衰落特性，最優化系統的不同性能指標，因此，在使得系統的服務質量QoS滿足既定條件的情況下，采用自適應功率分配可以最大程度的節省系統能量。因此，自適應的功率分配問題就成為協作通信系統中重要的研究內容。然而，現有的許多自適應功率分配方法都是基于信道的瞬時信息的，需要時刻交換信道信息，重新再分配功率，不僅大大增加了運算的復雜度，加重了網絡信令負荷，而且降低了功率分配的可實現性。基于信道統計信息的自適應功率分配算法，只要信道的統計信息不發生變化，則不需要重新計算，減小了運算復雜度和網絡信令負荷。但是目前還沒有具體針對AF協作通信系統，利用信道的統計信息來降低誤符號率的功率分配方法。


發明內容
本發明的目的是提供一種AF協作通信系統中降低誤符號率的功率分配方法，以利用信道的統計信息降低誤符號率的功率分配，在保持消耗功率相等的情況下，能最大程度的降低系統的誤符號率，提高系統端到端傳輸的可靠性，運算復雜度和網絡信令負荷較低。
實現本發明目的的技術方案是一種在AF協作通信系統中，僅知道源到各中繼，各中繼到目的節點路徑損耗方差的情況下，對中繼節點間的自適應功率進行分配，其中系統中的中繼數為N，可以為任意的正整數，系統的調制方式可以為M-PSK或M-QAM，具體步驟如下 (1)在有中心控制器的網絡中，由中心控制器根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式，給源節點分配中繼節點；在無中心控制器的網絡中，由源節點根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式為自己選定中繼節點； (2)定時測量源節點到各個中繼節點及各個中繼節點到目的節點的路徑損耗的方差，并將這些路徑損耗方差反饋給中心控制器或源節點；如果在通信的過程中，有任意一條路徑損耗的方差發生改變及參與協作的中繼節點個數發生改變，重新測量源節點到各個中繼節點及各個中繼節點到目的節點的路徑損耗的方差，并將該路徑損耗方差反饋給中心控制器或源節點； (3)中心控制器或源節點根據所獲得的路徑損耗統計信息，對各中繼節點進行功率分配，即按照如下公式設定源端S的發射功率P0＝δ0P和中繼端Ri的發射功率 式中，

是源到第i個中繼節點Ri的路徑損耗方差；

是第i個中繼節點Ri到目的節點的路徑損耗方差；δ0表示源端S的發射功率在總功率中所占的比例；δi表示中繼端Ri的發射功率在功率中所占的比例；源節點和中繼節點的發射功率滿足功率限制P由信號發射端和服務中繼節點的發射功率限制決定； (4)中心控制器或源節點對分配后的功率信息進行廣播； (5)源節點和各個中繼節點以分配的功率，按照預先分配的信道以AF協作協議發送信息。
本發明步驟(2)所述的統計信息，包括各條路徑損耗的方差。
本發明步驟(2)所述的信息反饋，根據路徑損耗的統計特性的變化設定其反饋的頻率；該的路徑損耗的統計特性的變化，是在通信的過程中，信道本身的變化，源節點和中繼節點的位置的改變，參與協作的中繼節點的改變。
本發明的功率分配由于是在保持源節點和中繼節點所消耗的總功率相同的條件下使得系統的誤符號率最低，因此在規定系統的誤符號率限制的系統中，采用本發明的功率分配方法，可以使得系統的誤符號率在滿足既定的服務質量QoS的條件下，消耗更少的功率；同時由于本發明的功率分配公式是基于路徑損耗方差的，故運算復雜度和網絡信令負荷較低，使有限的無線資源得到了有效的利用。



下面參照附圖并結合實施例對本發明作進一步描述。
圖1是本發明的功率分配流程圖； 圖2是現有多中繼AF協作通信系統模型； 圖3是本發明的功率分配仿真圖。

具體實施例方式 本發明采用如圖2所示的多中繼AF協作通信系統模型。其中S為源節點，D為目的節點，共有N個中繼節點{R1，R2，...，RN}。節點i到節點j的路徑損耗為hij，其中hij服從均值為0，方差為σij2的復高斯分布。信道噪聲為均值為0，方差為N0的加性高斯白噪聲，所有節點的接收信號的噪聲均相等。所有節點采用QPSK調制方式，多址方式為TDMA。
參照圖1，本發明的具體步驟如下 步驟1，分配中繼節點。
在有中心控制器的網絡中，中心控制器根據源節點所處的位置、其他節點的工作方式和位置為源節點分配中繼節點。在無中心控制器的網絡中，由源節點根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式為自己選定中繼節點。
在本實施例中，假設網絡為有中心控制器的網絡，中心控制器為源節點分配一個中繼節點時為R1，分配兩個中繼節點時為R1和R2，分配三個中繼節點時為R1、R2和R3。
步驟2，測量源節點S到各個中繼節點和各個中繼節點到目標節點的路徑損耗的方差σij2。
通過系統中的測量電路測得的本實施例中的各條路徑損耗的方差值如表1中所示。
表1各條路徑損耗的方差值
表1中的這些方差就是測量源節點到各個中繼節點及各個中繼節點到目的節點的路徑損耗的統計信息。
在通信的過程中，由于信道方差會隨著信道環境、通信節點的位置及個數的改變而發生改變，因此需要定時的檢測各條信道路徑損耗方差的變化，根據路徑損耗方差的變化，即統計特性的變化設定其定時檢測反饋的頻率。檢測后如果沒有發生改變，則按照原先分配的功率繼續發射信息，如果有任意一條信道的路徑損耗方差發生了變化，則需要重新計算功率分配信息，如果檢測到參與協作的節點退出了協作，則需要重新計算功率分配信息。
步驟3，中心控制器根據所獲得的源到各個中繼，各個中繼到目的節點的路徑損耗的方差計算各個節點應分配的功率。
1.構建在總功率一定的條件下使得誤符號率最小的功率分配公式δ0和δi。
設為源節點S服務的中繼個數為N，源節點的發送功率為P0，中繼端Ri的發射功率為
1)在采用M-PSK調制方式時，推導可得系統的誤符號率為 其中， (1)式中的其他符號如表1中所示； 2)在采用M-QAM調制方式時，推導可得系統的誤符號率為 其中， bQAM＝3/(M-1)； (2)式中的其他符號如表1中所示； 3)確定接收端的誤符號率最小的數學表達式 由于公式(1)中的A和公式(2)中的B與系統的功率分配無關，所以AF協作通信系統在采用MPSK和MQAM調制方式時，使得誤符號率最小的功率分配是相同的。
設P0＝δ0P，其中δ0是源節點發射功率在總功率中所占的比例，δ0＞0，δi是中繼節點Ri發射功率在總功率中所占的比例，0≤δi＜1。
保持源節點S和中繼節點所消耗的總功率在一個協作期內保持不變，即在保持發射總功率不變的前提下，對源節點和各中繼節點間的功率分配進行優化，使得接收端的誤符號率最小的數學表達式為 4)求解(3)式得到δ0和δi的值為 2.計算各個節點應分配的功率。
1)根據式(4)和式(5)計算源節點S和各個中繼節點的功率。
當中繼節點為R1時，根據式(4)和式(5)可求得δ0＝0.8267，δ1＝0.1733，由此可得源節點S的發射功率為P0＝0.8267P，中繼節點R1的發射功率為 當中繼節點為R1和R2時，根據式(4)和式(5)可求得δ0＝0.6362，δ1＝0.1222，δ2＝0.2416，由此可得源節點S的發射功率為P0＝0.6362P，中繼節點R1和R2的發射功率分別為和 當中繼節點為R1、R2和R3時，根據式(4)和式(5)可求得δ0＝0.4883，δ1＝0.0925，δ2＝0.1821，δ3＝0.2372，由此可得源節點S的發射功率為P0＝0.4883P，中繼節點R1、R2和R3的發射功率分別為 2)確定源節點S和各個中繼節點的功率 將源節點S和各個中繼節點的功率與各自的最大發射功率相比較，如果源節點S和各個中繼節點的功率小于各自的最大發射功率，則源節點S和采用不同的中繼節點時的功率分配結果分別為 當中繼節點為R1時，源節點S的發射功率為P0＝0.8267P，中繼節點R1的發射功率為 當中繼節點為R1和R2時，源節點S的發射功率為P0＝0.6362P，中繼節點R1和R2的發射功率分別為和 當中繼節點為R1、R2和R3時，源節點S的發射功率為P0＝0.4883P，中繼節點R1、R2和R3的發射功率分別為 如果源節點或者是中繼節點所分配的功率高于其最大發射功率Pmax，則該節點應以最大發射功率發射，剩余出來的功率則按照節點之間的功率之比分配給其他的沒有超過其最大發射功率限制的節點。
步驟4，將功率分配信息廣播給源節點和各個中繼節點。
中心控制器在確定各個節點的功率分配信息后，將這些信息通過控制信道廣播給源節點S和各個中繼節點。
步驟5，源節點S和各個中繼節點按照分配的功率以AF協議與目的節點進行通信。
源節點收到功率分配信息后，在第一個階段按照分配的功率廣播發送信息，中繼節點和目標節點均接收該信號，中繼節點將接收到的信號乘以放大因子βi為第二階段做準備，βi取值為

在第二個階段，各個協作的節點在預先分配時隙上轉發放大后的信息。
目的節點將第一階段收到的源節點的信息和第二階段收到的各個中繼節點的信息采用最大比合并，譯碼出源信息。
本發明的效果可以通過以下仿真進一步說明。
本發明根據步驟2中給出的各個參數值和步驟3中所得的功率分配結果，總功率P從0dB到30dB時，仿真了本發明功率分配方案和平均功率分配方案的多中繼AF協作系統在采用QPSK調制方式時的誤符號率性能。仿真結果如圖3所示。
從圖3可以看出，本發明功率分配方案相對于平均功率分配方案有明顯的優勢。在源節點和中繼節點的總功率保持不變時，本發明功率分配方案可以明顯的降低系統的誤符號率。當限制系統的誤符號率必須滿足規定值時，采用本功率分配方案所需要的總功率明顯的低于平均功率分配方案，因此，節省了系統功率，提高了資源的利用率 需要指出的是A.本實施例是在有中心控制器的網絡中實現的，對于在無中心控制器的網絡中，其實現過程與有中心控制器的相同，所不同的是中繼點的選擇和功率分配信息的計算是由源節點進行的。B.雖然本發明仿真針對的是TDMA系統，但是由于本發明采用的方法及公式本身具有一定的普遍性，因此當應用于其他多址方式時，仍能體現本發明方案的優越性。本發明的保護范圍不限于所述的實施例。
權利要求
1.一種AF協作通信系統中降低誤符號率的功率分配方法，包括如下步驟
(1)在有中心控制器的網絡中，由中心控制器根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式，給源節點分配中繼節點；在無中心控制器的網絡中，由源節點根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式為自已選定中繼節點；
(2)測量源節點到各個中繼節點及各個中繼節點到目的節點的路徑損耗的統計信息，并將該信息反饋給中心控制器或源節點；
(3)中心控制器或源節點根據所獲得的路徑損耗統計信息，對各協作節點進行功率分配，即按照如下公式設定源端S的發射功率P0＝δ0P和中繼端Ri的發射功率
式中，N表示系統中的中繼個數，為任意的正整數；
是源到第i個中繼節點的路徑損耗方差；
是第i個中繼到目的節點的路徑損耗方差；δ0表示源端S的發射功率在總功率中所占的比例；δi表示中繼端Ri的發射功率在功率中所占的比例；源節點和中繼節點的發射功率滿足功率限制P由信號發射端和服務中繼節點的發射功率限制決定；
(4)中心控制器或源節點對分配后的功率信息進行廣播；
(5)源節點和各個中繼節點以分配的功率，按照預先分配的信道以AF協作協議發送信息。
2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(2)所述的統計信息，包括各條路徑損耗的方差。
3.根據權利要求1所述的方法，其中步驟(2)所述的信息反饋，根據路徑損耗的統計特性的變化設定其反饋的頻率。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述的路徑損耗的統計特性的變化，是在通信的過程中，信道本身的變化，源節點和中繼節點的位置的改變，參與協作的中繼節點的改變。
全文摘要
本發明公開了一種AF協作通信系統中降低誤符號率的功率分配方法。其步驟為在有中心控制器的網絡中，由中心控制器根據服務質量QoS的需求、源節點和其他節點的位置及工作方式，給源節點分配中繼節點；在無中心控制器的網絡中，由源節點選定中繼節點；定時檢測源節點到各中繼節點，各中繼節點到目的節點的路徑損耗方差并反饋給系統中的中心控制器或源節點；中心控制器或源節點對各節點按照功率分配公式進行功率分配，并廣播功率分配信息；所有節點以分配到的功率，按照預先分配的信道以AF協作協議向目的節點發送信息。本發明具有降低AF協作通信系統的誤符號率，計算復雜度及網絡信令負荷較低的優點，可用于對通信網絡終端的功率分配。
文檔編號H04B7/04GK101404530SQ20081023182
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月21日 優先權日2008年10月21日
發明者南 張, 葛建華, 靖 李, 勇 王, 宮豐奎, 明 高 申請人:西安電子科技大學