一种基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法

1.本发明涉及数字通信技术领域，具体为一种基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法。


背景技术：

2.在许多无线系统中，由于受尺寸、复杂性、成本等因素的限制，移动终端无法安装多个物理天线。协作通信技术在多用户环境下通过网络节点间资源协作的方式，有效共享传输资源，形成虚拟天线阵列获得空间分集，无需在终端安装多个天线。
3.有关基本中继策略的研究主要有两种：放大转发(af)，解码转发(df)。在af方案中，中继对接收信号放大后直接转发，设备构造简单部署成本小，却存在噪声放大问题。基于此，df方案对源节点发送的消息进行解码，转发新生成的信号到目的节点，克服了噪声放大问题，但若中继解码错误则会造成错误传播。
4.针对该问题，提出了混合译码放大转发(hdaf)策略，根据信道质量自适应地在af和df方案之间切换，若中继错误解码，则转为af工作模式，提高系统性能。申请号为cn202011604134.6的专利公开了一种多中继优化增量选择的混合译码放大转发方法，通过剔除中继集合中链路质量较差的中继来降低资源的浪费，从而提高系统功率资源的利用率，但是该方法最后选择出来是单个中继(简称单中继选择方法)，该方法中断概率较高、复杂度较高、开销较大。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法，通过信道统计特性来选择最优的中继集合，无需时刻掌握系统的信道状态，开销小，同时，按照递进式过程，逐步选择信道质量较优的中继加入协作中继集，较于传统方法的单中继选择方法，提高了空间分集增益，降低了中断概率，另外，其选择复杂度与中继数呈线性关系，复杂度低。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法，包括以下步骤，
7.步骤1.源节点信息广播：包括
8.步骤1.1将需要传输的信息比特作为输入参数，通过源节点执行信道极化编码方法得到编码后的码字；
9.步骤1.2将所述码字作为输入参数，通过源节点执行信道编码调制方法以得到发射信号，并将所述发射信号由发射天线在自由空间中广播至各中继及目的节点；
10.步骤2.中继节点集分类：将所述各中继及目的节点的接收信号作为输入参数，按中继节点集分类方法执行计算，得到解码转发中继集和放大转发中继集；
11.步骤3.最优中继节点集选择：将所述解码转发中继集和所述放大转发中继集作为输入参数，按最优中继节点集选择方法执行计算，得到使系统中断概率最小的最优中继节
点集；
12.步骤4.判断中继是否参与协作：将所述最优中继节点集作为输入参数，按判断中继是否参与协作方法执行计算，判断所述最优中继节点集是否需要采用中继协作；
13.步骤5.目的节点信息接收：包括
14.步骤5.1将所述步骤4中得到的判断结果作为输入参数，通过目的节点执行最大比合并方法，合并接收到的所有信息；
15.步骤5.2将所述步骤5.1中得的所有信息作为输入参数，通过目的节点执行解调、极化译码方法，得到估计的源信息序列。
16.作为优选，所述步骤2具体包括
17.步骤2.1，源节点将信号广播至各中继及目的节点，目的节点d和第i个中继节点ri的接收信号分别为：
[0018][0019][0020]
其中，s为源节点；d为目的节点；ri为第i个中继，i为正整数，区间为1≤i≤n，表示中继序号，n为正整数，表示所有中继节点的个数；ps为实数，表示源节点s的发射功率；h
sd
为复高斯随机变量，表示源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为复高斯随机变量，表示源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为为复高斯随机变量，表示源节点s与中继节点ri之间的链路系数，且服从均值为0，方差为xs表示源节点的广播信号；wd表示目的节点处噪声，表示中继节点ri处噪声，wd与服从均值为0，方差分别为实数服从均值为0，方差分别为实数的加性高斯白噪声；步骤2.2，中继能否正确解码，即判断是否满足关系式：
[0021][0022]
其中，r为实数，表示信息传输速率，将上式进一步表示为：
[0023][0024]
其中，为实数，满足表示源-中继i链路的瞬时信噪比，另设门限为：
[0025][0026]
能正确解码的中继节点归入解码转发中继集合，可表示为：
[0027][0028]
不能正确解码的中继节点归入放大转发中继集合，可表示为：
[0029][0030]
其中，ω
df
表示解码转发中继集合，ω
af
表示放大转发中继集合。
[0031]
作为优选，所述步骤3具体包括
[0032]
步骤3.1，设ri∈ω
df
，1≤i≤m，m为正整数，表示解码转发集合ω
df
的中继个数；对于ω
df
，全转发中继协作的信道容量为：
[0033][0034]
其中，p
ri
为实数，表示中继节点ri的发射功率；为复高斯随机变量，表示第i个中继节点到目的节点d的信道系数，且服从均值为0，方差为则其中断概率表示为：
[0035][0036]
其中，c(m)＝(2
(m 1)r-1)
m 1
/(m 1)！，记分别表示源-目的链路、中继i-目的的统计信噪比；根据上式，选择ω
df
集合中的最优中继集合首先，将从大到小依次排列，即
[0037][0038]
上式，m≥0；若m＝0，则若m＝1，则若m≥2，根据下式，选择最优中继集合
[0039][0040]
其中，表示解码转发最优中断概率；k为正整数，区间为1≤k≤m-1，表示选择的中继个数，k依次增大，直到满足上式，则停止，此时有若k＝m-1依旧不满足，则取k＝m，且最终有
[0041][0042]
步骤3.2，设rj∈ω
af
，1≤j≤n，n表示放大转发集合ω
af
的中继个数，且n m＝n；对于ω
af
集合，全转发中继协作的信道容量为：
[0043]
[0044]
其中，则其中断概率表示为：
[0045][0046]
其中，c(n)＝(2
(n 1)r-1)
n 1
/(n 1)！，记表示源-中继j的统计信噪比；根据上式，选择ω
af
集合中的最优中继集合首先定义中继节点rj的等效信噪比增益
[0047][0048]
然后，将wj从大到小依次排列，即
[0049]
w1≥w2l≥wnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0050]
上式，n≥0；若n＝0，则若n＝1，则若n≥2，根据下式，选择最优中继集合
[0051][0052]
其中，表示放大转发最优中断概率；t为正整数，区间为1≤t≤n-1，表示选择的中继个数，t依次增大，直到满足上式，则停止，此时有若t＝n-1依旧不满足，则取t＝n，且最终有
[0053][0054]
步骤3.3，对比所得的两个部分最优中继集合步骤3.3，对比所得的两个部分最优中继集合的中断概率，选择整体最优中继集合ω
opt
，若满足下式：
[0055][0056]
即表明中继集合协作的中断概率优于中继集合协作的中断概率，此时选择的最优中继集合ω
opt
为反之最优中继集合ω
opt
为作为优选，所述步骤4具体包括
[0057]
步骤4.1，判断正确接收信号，则需要满足以下关系式：
[0058][0059]
其中，l为实数，表示最终能参与协作的中继数，即集合ω
opt
中的中继数；r为实数，
表示信息传输速率，进一步化简可得：
[0060][0061]
其中，那么，则判断可以正确接收信号，
[0062]
则判断不可正确接收信号；
[0063]
步骤4.2，若判断结果为正确接收信号，则不采用最优中继集ω
opt
的中继进行协作；若判断结果为错误接收信号，则采用最优中继集合ω
opt
的中继进行协作。
[0064]
有益效果
[0065]
本技术通过信道统计特性来选择最优的中继集合，无需时刻掌握系统的信道状态，开销小，同时，按照递进式过程，逐步选择信道质量较优的中继加入协作中继集，较于传统方法的单中继选择方法，提高了空间分集增益，降低了中断概率，另外，其选择复杂度与中继数呈线性关系，复杂度低。
附图说明
[0066]
图1为本发明基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法的流程图；
[0067]
图2为本发明两类中继集合分类步骤的流程图；
[0068]
图3为本发明最优中继集合选择步骤的流程图；
[0069]
图4为本发明判断中继是否参与协作的流程图；
[0070]
图5为本发明方法与现有技术中单中继选择方法、穷举法中断性能的比较图。
具体实施方式
[0071]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0072]
实施例：如图1所示，一种基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法，包括以下步骤，
[0073]
步骤1.源节点信息广播：包括
[0074]
步骤1.1将需要传输的信息比特作为输入参数，通过源节点执行信道极化编码方法得到编码后的码字。其中，信道极化编码方法采用现有技术，信道极化方法主要分为两大步：信道组合和信道分解。因信道复用数增加，当信道通过组合和分解后，比特信道将极化成两种类型：无噪信道和全噪信道。需传输的信号序列通过无噪信道进行传输，而全噪信道用来传输冻结比特，冻结比特不承担信息传输的任务，通常用码字0表示。极化编码方法信在道极化方法的基础上，可将长度为1
×
k的信息序列，构造成长度为1
×
l的码字向量u＝(u1,u2,
…
,u
l
)。其中，k与l为常数，且k《l。向量u的元素由k位信息比特以及l-k位冻结比特共同组成，冻结比特并不对信息进行传递，用0表示。接下来，总码长为l，信息位长为k的极化码p(l,k)的码字向量x，通过线性变换x＝ug
l
生成。其中，x＝(x1,x2,
…
,x
l
)是所得的1
×
l维的码字向量，是l
×
l维的生成矩阵，b
l
是l
×
l维度的比特翻转矩阵，是极
化矩阵的n阶kronecker乘积，n＝log2l。其中，kronecker乘积表示了两个任意大小的矩阵运算：例如a是一m
×
n矩阵，b是一p
×
q矩阵，则其中a
mn
为矩阵a中的元素，m与n为常数。极化编码具体见“e.arikan,channel polarization:a method for constructing capacity-achieving codes for symmetric binary-input memoryless channels,ieee transactions on information theory,vol.55,no.7,pp.3051-3073,july 2009”。
[0075]
步骤1.2将所述码字作为输入参数，通过源节点执行信道编码调制方法得到发射信号，并将所述发射信号由发射天线在自由空间中广播至各中继及目的节点。其中，信道编码调制方法采用现有技术，源节点极化信道编码得到码字x＝(x1,x2,l,x
l
)，经过幅度、频率、相位等变化，将数字信号转变为可以在自由空间中传送的模拟信号来完成调制。二进制相移键控(bpsk)将数字信号调制到载波的相位上。具体见“樊昌信，曹丽娜.通信原理(第7版)[m].国防工业出版社，2018”。
[0076]
步骤2.中继节点集分类：将所述各中继及目的节点的接收信号作为输入参数，按中继节点集分类方法执行计算，得到解码转发中继集和放大转发中继集。
[0077]
如图2所示，所述步骤2具体包括
[0078]
步骤2.1，源节点将信号广播至各中继及目的节点，目的节点d和第i个中继节点ri的接收信号分别为：
[0079][0080][0081]
其中，s为源节点；d为目的节点；ri为第i个中继，i为正整数，区间为1≤i≤n，表示中继序号，n为正整数，表示所有中继节点的个数；ps为实数，表示源节点s的发射功率；h
sd
为复高斯随机变量，表示源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为复高斯随机变量，表示源节点s与目的节点d之间的链路系数，且服从均值为0，方差为为复高斯随机变量，表示源节点s与中继节点ri之间的链路系数，且服从均值为0，方差为xs表示源节点的广播信号；wd表示目的节点处噪声，表示中继节点ri处噪声，wd与服从均值为0，方差分别为实数服从均值为0，方差分别为实数的加性高斯白噪声；
[0082]
步骤2.2，中继能否正确解码，即判断是否满足关系式：
[0083][0084]
其中，r为实数，表示信息传输速率，将上式进一步表示为：
[0085][0086]
其中，为实数，满足表示源-中继i链路的瞬时信噪比，另设门限为：
[0087][0088]
能正确解码的中继节点归入解码转发中继集合，可表示为：
[0089][0090]
不能正确解码的中继节点归入放大转发中继集合，可表示为：
[0091][0092]
其中，ω
df
表示解码转发中继集合，ω
af
表示放大转发中继集合。
[0093]
步骤3.最优中继节点集选择：将所述解码转发中继集和所述放大转发中继集作为输入参数，按最优中继节点集选择方法执行计算，得到使系统中断概率最小的最优中继节点集。
[0094]
如图3所示，所述步骤3具体包括
[0095]
步骤3.1，设ri∈ω
df
，1≤i≤m，m为正整数，表示解码转发集合ω
df
的中继个数；对于ω
df
，全转发中继协作的信道容量为：
[0096][0097]
其中，为实数，表示中继节点ri的发射功率；为复高斯随机变量，表示第i个中继节点到目的节点d的信道系数，且服从均值为0，方差为则其中断概率表示为：
[0098][0099]
其中，c(m)＝(2
(m 1)r-1)
m 1
/(m 1)！，记分别表示源-目的链路、中继i-目的的统计信噪比；根据上式，选择ω
df
集合中的最优中继集合首先，将从大到小依次排列，即
[0100][0101]
上式，m≥0；若m＝0，则若m＝1，则若m≥2，根据下式，选择最优中继集合
[0102][0103]
其中，表示解码转发最优中断概率；k为正整数，区间为1≤k≤m-1，表示选择的中继个数，k依次增大，直到满足上式，则停止，此时有若k＝m-1依旧不满足，则取k＝m，且最终有
[0104][0105]
步骤3.2，设rj∈ω
af
，1≤j≤n，n表示放大转发集合ω
af
的中继个数，且n m＝n；对于ω
af
集合，全转发中继协作的信道容量为：
[0106][0107]
其中，则其中断概率表示为：
[0108][0109]
其中，c(n)＝(2
(n 1)r-1)
n 1
/(n 1)！，记表示源-中继j的统计信噪比；根据上式，选择ω
af
集合中的最优中继集合首先定义中继节点rj的等效信噪比增益
[0110][0111]
然后，将wj从大到小依次排列，即
[0112]
w1≥w2l≥wnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0113]
上式，n≥0；若n＝0，则若n＝1，则若n≥2，根据下式，选择最优中继集合
[0114][0115]
其中，表示放大转发最优中断概率；t为正整数，区间为1≤t≤n-1，表示选择的中继个数，t依次增大，直到满足上式，则停止，此时有若t＝n-1依旧不满足，则取t＝n，且最终有
[0116][0117]
步骤3.3，对比所得的两个部分最优中继集合步骤3.3，对比所得的两个部分最优中继集合的中断概率，选择整体最优中继集合ω
opt
，若满足下式：
[0118][0119]
即表明中继集合协作的中断概率优于中继集合协作的中断概率，此时选择的最优中继集合ω
opt
为反之最优中继集合ω
opt
为
[0120]
步骤4.判断中继是否参与协作：将所述最优中继节点集作为输入参数，按判断中继是否参与协作方法执行计算，判断所述最优中继节点集是否需要采用中继协作。
[0121]
如图4所示，所述步骤4具体包括
[0122]
步骤4.1，判断正确接收信号，则需要满足以下关系式：
[0123][0124]
其中，l为实数，表示最终能参与协作的中继数，即集合ω
opt
中的中继数；r为实数，表示信息传输速率，进一步化简可得：
[0125][0126]
其中，那么，则判断可以正确接收信号，则判断不可正确接收信号。
[0127]
步骤4.2，若判断结果为正确接收信号，则不采用最优中继集ω
opt
的中继进行协作；若判断结果为错误接收信号，则采用最优中继集合ω
opt
的中继进行协作。
[0128]
步骤5.目的节点信息接收：包括
[0129]
步骤5.1将所述步骤4中得到的判断结果作为输入参数，通过目的节点执行最大比合并方法，合并接收到的所有信息。其中，最大比合并方法采用现有技术，为了充分利用空间分集增益，mrc方法通过选择可最大化接收信噪比的权重因子，来提高系统性能。特别地，若给定瞬时信道状态信息，mrc的权重因子为其中，i为实数，为链路信道系数hi的共轭。具体见“d g brennan,on the maximum signal-to-noise ratio realization from several noisy signals,proc ire,vol 43,p 1530,oct 1955”。
[0130]
步骤5.2将所述步骤5.1中得的所有信息作为输入参数，通过目的节点执行解调、极化译码方法，得到估计的源信息序列。其中，极化译码方法采用现有技术，由p(l,k)定义的极化码可通过连续删除译码(sc)方法解码。其中，l和k分别表示码长和信息位长度。sc译码方法的译码估计值由得到。其中，i的范围为1～l，l为极化码长，a代表信息比特位置的集合，ac代表冻结比特位置的集合，hi是一个决策函数。具体见“e.arikan,channel polarization:a method for constructing capacity-achieving codes for symmetric binary-input memoryless channels,ieee transactions on information theory,vol.55,no.7,pp.3051-3073,july 2009”。
[0131]
本发明基于混合译码放大转发的改进多中继集选择方法，在选择中继组过程中，它相当于事先对信道进行估计，通过信道统计特性来选择最优的中继集合，无需时刻掌握系统的信道状态，开销小，同时，按照递进式过程，逐步选择信道质量较优的中继加入协作中继集，较于传统方法的单中继选择方法，提高了空间分集增益，降低了中断概率，另外，其选择复杂度与中继数呈线性关系，复杂度低。
[0132]
如图5所示，本技术中继集选择方法与背景技术中的单中继选择方法相比，其中断概率要明显低于单中继选择方法的中断概率。且本技术方法的中断概率几乎与现有技术中穷举法的中断概率相同，但是穷举法的计算复杂度与中继数成指数相关，其比较次数为2n次，而本技术方法的计算复杂度与中继数成线性相关，其比较次数最多为n次，因此，本技术中继选择方法不仅降低了中断概率，还降低了计算复杂度，提高了系统的响应速度。
[0133]
上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。