專利名稱：一種基于混合自動重傳請求的自適應中繼和速率選擇方法
技術領域：
本發明屬于無線通信中的協作通信技術領域，具體涉及基于混合自動重傳請求 (HARQ)的自適應中繼和速率選擇方法。
背景技術：
協作分集技術能夠在不具備多天線的條件下有效地提供空間分集，對抗無線信道 的時變衰落。在協作通信系統中，每個移動終端都有一個或多個合作伙伴，稱為中繼節點， 由于無線信道的廣播特征，中繼節點能夠以低代價接收源節點發送的數據并將其轉發給目 的節點從而獲得分集增益。中繼節點可以采用多種轉發方式包括解碼前傳(DF)、放大前傳 (AF)或壓縮前傳(CF)等將從源節點接收到的數據轉發給目的節點，且中繼節點的數目可 以是一個或多個。多中繼協作是一種極具應用潛力的中繼策略，相對于單中繼協作，多中繼 協作能充分利用更多獲得有用信息的中繼節點，因此能夠得到更大的空間分集，支持更高 的傳輸速率。混合自動重傳請求(HARQ)是鏈路層的一種有效的對抗無線信道衰落的技術，它 在自動重傳請求(ARQ)系統的基礎上引入了前向糾錯編碼(FEC)。HARQ的基本原理是在 發送端，數據包經過循環冗余校驗(CRC)編碼后，再采用信道編碼進行前向糾錯編碼；接收 端在接收到數據后先進行信道譯碼，糾正傳輸過程中出現的錯誤，然后經過CRC校驗數據 包是否解碼正確；如果解碼正確，接收端就向發送端反饋確認信號(ACK)，發送端繼續發送 下一個數據包；如果解碼錯誤，接收端向發送端反饋否認信號(NACK)，請求重傳數據，發送 端重新發送該數據包。《國際電子與電氣工程師協會-通信選題雜志》(IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 23(1), pp. 7,2005)所公布的研究結果表明，在 中繼協同系統中引入HARQ能大大提高系統的性能。當源節點和目的節點之間的信道處于 深度衰落時，數據重傳不可避免，這時可以讓正確解碼的中繼節點重傳數據，這樣既能降低 源節點的負擔，又能增加目的節點解碼正確的概率。當系統中有多個中繼節點時，在重傳時 如何選擇合適的中繼節點是一個需要解決的問題。《國際電子與電氣工程師協會-通信選題 雜志〉〉(IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 23(1) ,pp. 7,2005)提 出的一種在正確解碼的中繼節點中選擇距離目的節點最近的中繼節點重傳數據的方法，在 源節點發送數據后，如果目的節點解碼錯誤，則向源節點和所有中繼節點反饋NACK信號， 之后所有解碼正確的中繼節點向目的節點反饋ACK信號并告知該中繼節點與目的節點的 距離，目的節點選擇距離最近的中繼節點重傳數據。但是，該方法需要知道中繼節點和目的 節點之間的距離，實現要求高。同時由于只使用了一個中繼節點，沒有充分利用其他解碼正 確的中繼節點，因此性能不高。而且在傳輸過程中采用固定的速率傳輸數據，沒有充分考慮 到無線信道的時變衰落特性，從而在信道好時浪費帶寬，在信道差時容易出錯，導致重傳次 數增加，時延增大。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于混合自動重傳請求(HARQ)的自適應中繼和速率選 擇方法，最大化系統的吞吐量，以解決協作通信中采用單中繼固定傳輸速率時吞吐量較小 的問題。本發明基于混合自動重傳請求的自適應中繼和速率選擇方法，設在源節點S和目 的節點D之間無直接通路的兩跳多中繼網絡中，有M個中繼節點R1, R2. ..Ri,...，Rm可供選 擇；其特征在于依次執行以下步驟(1)估計信道源節點向所有可供選擇的中繼節點發送估計信道的訓練序列，中 繼節點將估計出的源S與中繼節點Ri間的信道參數hsi{i = 1,2,…Μ}反饋給源節點；
(W(^i)-I ((2r -1) / 2SNR)J “(2)根據吞吐量公式吞吐量
用數值方法分別求出在選擇中繼節點數N= 1，2，"·Μ時使吞吐量R最大的傳輸速率r。pt(N)；上式 中，T是數據包最大允許延遲時隙數，SNR是發送信噪比，r是傳輸速率，t表示時隙，j表示 從0到N(t-1)-1的自然數；(3)初始化先取選擇中繼節點數N=I;(4)選擇源S與所有各中繼節點間信道參數模值最大的N個中繼節點，最大允許傳 輸速率
如果 rmax (N) > ropt (N)，令傳輸速率 r = rfflax (N)，否則令傳輸速率r = r。pt(N)；(5)根據步驟(4)中求出的傳輸速率r，由步驟(2)中吞吐量公式算出選擇N個中 繼節點下的最大吞吐量R(N)；(6)如果選擇中繼節點數N <M，令N = N+1，返回步驟(4)；(7)比較不同中繼節點數下的最大吞吐量R(N) {N= 1，2，…⑷，取使吞吐量R最 大的中繼節點數N和對應的傳輸速率r，并選擇源和所有中繼節點間信道參數模值最大的N 個中繼節點作為協作中繼節點；(8)執行協作HARQ策略數據分時隙傳輸，源節點在時隙1以步驟(7)獲得的傳 輸速率r向所選擇的中繼節點發送數據包，所選擇的中繼節點解碼后在時隙2以相同的傳 輸速率協作向目的節點發送數據包，如果目的節點解碼正確，則向中繼節點反饋確認信號 (ACK)，中繼節點向源節點反饋確認信號(ACK)，源節點準備發送新數據包；否則目的節點 向中繼節點反饋否認信號(NACK)，要求重傳數據包，并儲存該次傳輸接收到的數據包，中繼 節點在下一時隙重新發送該數據包，直到目的節點解碼正確或達到最大允許時延為止。本發明是一種適用于源節點和目的節點間無直接通路的兩跳多中繼網絡的基于 混合自動重傳請求的自適應中繼和速率選擇方法，其創新之處在于在考慮鏈路層HARQ策 略的情況下，基于最大化吞吐量的準則自適應的選擇最優的傳輸速率和協作中繼節點，從 而提高了傳輸性能。與《國際電子與電氣工程師協會-通信選題雜志》(IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, vol. 23,pp. 7,2005)提出的基于中繼-目的節點距離的單中繼 選擇方法相比，由于本發明采用了多中繼協作傳輸機制，相對單中繼傳輸能獲得更好的性 能，同時本發明將速率自適應技術與中繼選擇結合起來考慮，因而能更好的跟蹤信道特性， 提高了系統性能。
圖1為采用本發明的下行協作傳輸的移動通信系統示意圖。圖2為本發明自適應中繼和速率選擇的操作流程圖。圖3為在不同的協作中繼節點數下，吞吐量與傳輸速率的關系示意圖。圖4為本發明實施例的性能比較示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖通過具體實施例對本發明做進一步的詳細描述。實施例1 圖1給出了在源節點和目的節點間沒有直接通路的兩跳多中繼網絡中采用本發 明的下行協作傳輸的移動通信系統示意圖。圖2為本發明自適應中繼和速率選擇的操作 流程圖。基站(源節點)S向用戶(目的節點)D發送數據，小區中有M個空閑用戶R1, R2. . . Ri,. . .，Rm可以作為中繼節點。本實施例在圖1所示的協作通信系統中進行圖2所示 的本發明自適應中繼和速率選擇的操作流程為(1)在發送數據前，采用基于訓練序列的估計方法對源節點和所有中繼節點間的 信道進行估計，并將信道參數反饋給源節點。源節點根據獲得的信道參數以最大化吞吐量 為準則決定本次傳輸的傳輸速率和選擇的中繼節點；(2)中繼節點采用解碼前傳方式，在時隙1，源節點以步驟(1)獲得的速率對數據 作接近香農極限的低密度奇偶校驗碼(LDPC)編碼或Turbo編碼，并向所選擇的中繼節點發 送數據包，確保中繼節點以較大的概率解碼正確；(3)在時隙2，所選擇的中繼節點協作向目的節點發送數據包，如果目的節點解碼 正確，則向中繼節點反饋確認信號(ACK)，中繼節點向源節點反饋確認信號(ACK)，源節點 準備發送新數據包，即重新開始步驟⑴；否則目的節點向中繼節點反饋否認信號(NACK)， 要求重傳該數據包，并將此次接收的數據包儲存；(4)中繼節點在接收到目的節點反饋的否認信號(NACK)后，在下一時隙協作發送 相同的數據包，目的節點對接收到的數據與之前存儲的數據作最大比合并后譯碼，如果譯 碼正確，則反饋確認信號(ACK)，源節點開始發送新數據，即重新開始步驟(1)；否則反饋否 認信號(NACK)；(5)檢查是否達到最大時延，若未達到，則轉到步驟⑷；若達到最大時延，則中繼 節點和目的節點丟棄該數據包，源節點準備發送新數據。為了清楚地闡述步驟(1)中的自適應中繼和速率選擇過程，下面結合圖1和圖2 采用數學分析方法來說明步驟(1)的理論推導和具體實施過程。在圖1所示的本發明的下行協作傳輸的移動通信系統示意圖中，源節點用S表示， 目的節點用D表示，有M個中繼節點可供選擇，中繼節點用R1, R2... Ri, ...，Rm表示；信道是準靜態平坦衰落信道，信道在時隙內不變，每經過一個時隙信道發生變化；用hsi，hid分 別表示S-Ri, Ri-D間的信道參數，它們是復高斯隨機變量，其實部和虛部都是零均值單位功 率的高斯隨機變量；源節點可以以較小的代價獲得源_中繼節點間的信道參數；則吞吐量 式(1)中r為數據傳輸速率(bit/s/hz)，丨是平均時隙數，T是最大允許延遲時隙 數，Pout(T)是丟包率，即達到最大延遲時隙數后仍未解碼正確的概率。本實施例中設選擇了 N個中繼節點進行傳輸，則源節點和所選擇的中繼節點間的 信道容量為
(2)為使所選擇的中繼傳輸不發生中斷，則數據傳輸速率r必須小于信道容量C—即
(3)平均時隙數^T以表示為 式⑷中P。ut (t)表示經過時隙t仍未解碼正確的概率。接收端采用蔡斯合并(Chase Combining)技術，即不丟棄錯誤的數據包，而是存儲 起來，解碼前將多次傳輸的數據進行最大比合并(MRC)，再進行解碼。經過時隙t仍未解碼正確的概率 式⑶中紹〉是時隙1中繼節點Ri和目的節點D間的信道系數，該|吧|2服從指數分布。令變量
,變量 則變量χ服從自由度為2N(t_l)的卡方分布；變量χ的密度函數 變量χ的分布函數
則經過時隙t仍未解碼正確的概率
(8)將平均時隙數公式(4)和經過時隙t仍未解碼正確的概率公式(8)代入吞吐量公
式(1)，得到計算吞吐量的公式
(9)
該吞吐量R是關于傳輸速率r和選擇中繼節點數N的二元函數。 下面結合本發明自適應中繼和速率選擇的操作流程2詳細闡述基于吞吐量 最大的速率和中繼的自適應選擇方法的操作過程步驟一、估計信道源節點向所有可供選擇的中繼節點發送估計信道的訓練序列， 中繼節點將估計出的源S與中繼節點Ri間的信道參數hsi{i = 1,2,…Μ}反饋給源節點， 供源節點在下面的步驟中作出決策；步驟二、根據吞吐量公式(9)用數值最優化方法求出N個中繼節點協作傳輸下的 最優速率r。pt(N) = arg max R(N),N= 1,2,…M，當N—定時，吞吐量R是關于傳輸速率r 的一元凸函數，存在一個極大值點；步驟三、初始化先取選擇中繼節點數N=I;步驟四、選擇源與中繼節點間信道參數模值最大的N個中繼節點，時隙1的允許 最大傳輸速率
如果r_(N) >1~_洲，令傳輸速率
rfflax (N)，否則令傳輸速率r = ropt (N)；步驟五、吞吐量R是關于傳輸速率r和選擇中繼節點數N的二元函數，由于數據傳 輸速率r可由步驟四求出，故可以根據計算吞吐量的公式(9)計算出在選擇N個中繼節點 時的吞吐量R(N)；步驟六、如果中繼節點數N <M，令N = N+1，返回步驟四；步驟七、比較在不同中繼節點數下的吞吐量R(N) {N= 1，2，…⑷，取吞吐量R最 大的中繼節點數N和對應的傳輸速率r，并選擇源-中繼節點間信道參數模值最大的N個中 繼節點作為協作中繼節點。實施例2 性能仿真圖3給出了在信噪比SNR = 10dB，最大時延T = 6，根據吞吐量公式(9)得到的在 中繼數N = 8，N = 4，N = 2，N= 1吞吐量R與傳輸速率r的關系示意圖。從圖3中可以看 出，N 一定時，吞吐量R是傳輸速率r的凸函數，存在一個極大值點，也就是圖2第二步中所 要找的r。pt(N)。在傳輸速率r較小時，吞吐量R隨r增大，這時說明中繼節點-目的節點的 信道允許更快的傳輸速率。當r >r。pt(N)，重傳次數和中斷概率P。ut(T)越來越大，使得吞 吐量R反而越來越小。在相同的傳輸速率下，N = 8的吞吐量A8 > N = 4的吞吐量A4 > N = 2吞吐量A2 > N = 1吞吐量Al，隨著N的增大，R越大，這說明應該盡可能的選擇更多 的中繼節點協作傳輸數據。但是隨著選擇中繼節點數增大，源_中繼間的信道容量變小，其 允許的最大傳輸速率rmax也變小。所以應該選擇合適的中繼節點數N和傳輸速率r，使系統吞吐量R達到全局最優，這就是實施例1中敘述的優化算法所要做的工作。 圖4給出了在最大時延T = 6，可選擇中繼節點數M = 10時采用HARQ策略，用蒙
特卡羅方法表示出了本發明所提出的多中繼選擇時的性能曲線B與現有單中繼選擇時的
性能曲線C的差異。單中繼選擇即選擇源和中繼間信道最好的中繼節點以最優速率向目的
節點發送數據，計算其吞吐量。從圖4中可以看出，采用本發明的多中繼選擇參與協作相對
于單中繼能獲得相當大的增益，而由于采用多中繼協作而付出的系統復雜度也是可以接受的。
權利要求
一種基于混合自動重傳請求的自適應中繼和速率選擇方法，設在源節點S和目的節點D之間無直接通路的兩跳多中繼網絡中，有M個中繼節點R1，R2...Ri，...，RM可供選擇；其特征在于依次執行以下步驟(1)估計信道源節點向所有可供選擇的中繼節點發送估計信道的訓練序列，中繼節點將估計出的源S與中繼節點Ri間的信道參數hsi{i＝1，2，…M}反饋給源節點；(2)根據吞吐量公式吞吐量用數值方法分別求出在選擇中繼節點數N＝1，2，…M時使吞吐量R最大的傳輸速率ropt(N)；上式中，T是數據包最大允許延遲時隙數，SNR是發送信噪比，r是傳輸速率，t表示時隙，j表示從0到N(t 1) 1的自然數；(3)初始化先取選擇中繼節點數N＝1；(4)選擇源S與所有各中繼節點間信道參數模值最大的N個中繼節點，最大允許傳輸速率如果rmax(N)＞ropt(N)，令傳輸速率r＝rmax(N)，否則令傳輸速率r＝ropt(N)；(5)根據步驟(4)中求出的傳輸速率r，由步驟(2)中吞吐量公式算出選擇N個中繼節點下的最大吞吐量R(N)；(6)如果選擇中繼節點數N＜M，令N＝N+1，返回步驟(4)；(7)比較不同中繼節點數下的最大吞吐量R(N){N＝1，2，…M}，取使吞吐量R最大的中繼節點數N和對應的傳輸速率r，并選擇源和所有中繼節點間信道參數模值最大的N個中繼節點作為協作中繼節點；(8)執行協作混合自動重傳請求策略數據分時隙傳輸，源節點在時隙1以步驟(7)獲得的傳輸速率r向所選擇的中繼節點發送數據包，所選擇的中繼節點解碼后在時隙2以相同的傳輸速率協作向目的節點發送數據包，如果目的節點解碼正確，則向中繼節點反饋確認信號，中繼節點向源節點反饋確認信號，源節點準備發送新數據包；否則目的節點向中繼節點反饋否認信號，要求重傳數據包，并儲存該次傳輸接收到的數據包，中繼節點在下一時隙重新發送該數據包，直到目的節點解碼正確或達到最大允許時延為止。FSA00000236442700011.tif,FSA00000236442700012.tif
全文摘要
本發明公開了一種基于混合自動重傳請求的自適應中繼和速率選擇方法，特征是根據源節點和中繼節點間的信道參數，基于混合自動重傳請求策略的吞吐量最大化準則選擇該次傳輸參與協作的中繼節點和合適的傳輸速率，所選擇的多個中繼節點協作向目的節點發送數據，數據出錯重傳時，中繼節點向目的節點重傳數據。主要操作步驟是(1)估計源-中繼節點間的信道參數，(2)計算所有可能選擇的中繼節點數下最優傳輸速率和其對應的吞吐量，(3)以吞吐量最大的方案為選擇結果，(4)源節點向中繼節點發送數據，之后所選擇的中繼節點向目的節點協作發送數據，并在出錯時重傳數據。采用本發明方法可使吞吐量達到最大，提高了系統性能。
文檔編號H04L1/00GK101931517SQ20101025811
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月12日 優先權日2010年8月12日
發明者李輝, 趙宇峰 申請人:中國科學技術大學