一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法
阅读说明：本技术 一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法 (Optimal relay node selection and power distribution method under cooperative diversity system ) 是由 包建荣 亓凯梁 刘超 姜斌 吴俊� 唐向宏 邱雨 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于数字通信领域,具体涉及一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法,主要通过以下步骤完成,S1：源节点发射信号；S2：将步骤S12所得调制后的信号作为输入参数,按备选中继节点集构建方法执行计算,得到从源节点到中继节点信道质量较好的备选中继节点集；S3：将步骤S2所得备选中继节点集作为输入参数,按协作判决方法执行计算,得到适合协作的中继节点集；S4：将S3所得适合协作的中继节点集作为输入参数,按最优中继节点选取及功率分配方法,执行计算,得到使源节点到目的节点信道容量最大的最优中继节点；S5：目的节点接收信号。本发明减小了系统中断概率,提高了系统能源利用率。(The invention belongs to the field of digital communication, and particularly relates to an optimal relay node selection and power distribution method under a cooperative diversity system, which is mainly completed by the following steps of S1: a source node transmits a signal; s2: taking the modulated signal obtained in the step S12 as an input parameter, and performing calculation according to a candidate relay node set construction method to obtain a candidate relay node set with good channel quality from the source node to the relay node; s3: taking the alternative relay node set obtained in the step S2 as an input parameter, and performing calculation according to a cooperation judgment method to obtain a relay node set suitable for cooperation; s4: taking the relay node set suitable for cooperation obtained in the step S3 as an input parameter, and executing calculation according to an optimal relay node selection and power distribution method to obtain an optimal relay node which enables the channel capacity from a source node to a destination node to be maximum; s5: the destination node receives the signal. The invention reduces the system interruption probability and improves the energy utilization rate of the system.)
技术领域
本发明属于数字通信领域，具体涉及一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法。
背景技术
近年来在无线通信领域，多输入多输出系统(MIMO)通过分集获得性能增益得到了业界的广泛关注和研究。而协作通信是允许系统中的用户通过中继彼此间的消息到达目的地来完成协作。这样做可以有效地形成一个分布式天线阵列，达到集中式MIMO系统所获得的空间分集增益。协作通信常用的中继方式有：放大转发(AF)、解码转发(DF)、选择中继(SR)、编码协作(CC)和压缩转发(CF)等。Laneman J N等人分析了协作中的分布式空时编码方法，减弱了频谱效率的损失，Bletsas A等人提出了多中继系统中最优中继的方法，其在多个中继节点中选择性能最优的中继节点转发，且证明了在功率相等的条件下性能要优于分布式空时编码。但是现有技术仍存在的总功率受限的情况下系统能源利用率不高和系统容易出现中断的不足。
本发明基于现有技术的极化码编译码方法、调制方法以及最大比合并(MRC)方法，提出了一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法。其中，
1.极化码编译码方法
将长度位K的信息序列，经过信道极化理论构造为长度为1×L的信息码字向量u＝(u1,u2,…,uL)。其中，K,L为自然数，且有K<L。u的元素包含K位信息比特和L-K位冻结比特，冻结比特不传递信息，可全用码字0表示。之后，码长为L，信息位长为K的极化码P(L,K)通过极化编码的方法编为码字x，对于码字x可通过连续删除译码(SC)方法解码。信道极化理论、极化编码、连续删除译码方法具体见“E.Arikan,Channel Polarization:A Method forConstructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input MemorylessChannels,IEEE Transactions on Information Theory,vol.55,no.7,pp.3051-3073,July 2009”。
2.调制方法
源节点极化信道编码得到码字x＝(x1,x2,…,xL)，经过幅度、频率、相位等变化，来完成调制。具体见“H·桑卡尔,蒋靖,A·Y·戈罗霍夫,et al.极化码和调制映射:,2019.”。如二进制相移键控(BPSK)调制通过以下方法实现：si＝1-2xi，i为自然数，范围为1～L，L表示码字长度，si是xi对应的BPSK调制符号，si∈{-1,1}。其它调制方法类似，见上述参考文献。
3.最大比合并(MRC)方法
为了全部利用多路接受提供的空间分集增益，MRC选择可最大化接受SNR的权重因子，从而减少中断概率。具体见“D G Brennan,On the maximum signal-to-noise ratiorealization from several noisy signals,Proc IRE,vol 43,p1530,Oct 1955”。特别地，如给予瞬时信道状态信息，MRC的权重因子按下式给出：
其中，i为自然数,为链路信道系数hi的共轭。
发明内容
基于现有技术中存在的总功率受限的情况下系统能源利用率不高和系统容易出现中断的不足，本发明提供一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法，联合信道极化编码和选择译码转发方式提高了系统性能；选择使源节点到目的节点的信道容量最大的中继节点转发，降低了系统中断概率。
本发明采用以下技术方案：
一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：源节点发射信号，包括以下步骤，
S11：源节点对将要传输的原始信号，即二进制比特数据，执行信道极化编码；
S12将步骤S11所得的编码后的码字，执行幅度或相位调制方法，得到调制信号，再经发射天线广播到所有中继和目的节点；
S2：将步骤S12所得调制后的信号作为输入参数，按备选中继节点集构建方法执行计算，得到从源节点到中继节点信道质量较好的备选中继节点集；
S3：将步骤S2所得备选中继节点集作为输入参数，按协作判决方法执行计算，得到适合协作的中继节点集；
S4：将S3所得适合协作的中继节点集作为输入参数，按最优中继节点选取及功率分配方法，执行计算，得到使源节点到目的节点信道容量最大的最优中继节点；
S5：目的节点接收信号。
作为优选方案，步骤S2中，备选中继节点集构建方法包括以下步骤：
步骤S21：在多中继协作系统中，包括一个源节点S，一个目的节点D和多个中继节点Ri，i的范围为1～M。其中，M表示所有中继节点数目。源节点将信号广播给中继和目的节点，目的节点D和第i(1≤i≤M)个中继节点Ri收到的信号分别为：
其中，xs为实数，表示调制后的信号；Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和是零均值且方差分别是和且相互独立的复高斯随机变量，表示S-D和S-Ri链路的信道系数。其中，ηsd和ηsri是实数，分别表示S-D和S-Ri链路信道系数的标准差。而nsd和是零均值且方差为实数且相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声。其中，σn是实数，表示加性高斯白噪声的标准差。
步骤S22：为了得到从源节点到中继节点信道质量较好的中继节点集合，设置一个门限θ(可取1)，当S-Ri链路的信道系数模的平方大于门限值时，将该中继节点选入备选中继节点集合Ω。
作为优选方案，步骤S3中所述协作判决方法，包括以下步骤：
步骤S31：采用步骤2.2选出的备选中继节点集合，若备选中继节点集合Ω为空，即从源节点到中继节点的信道质量都不满足要求，则系统不依赖中继节点，采用链路直接传输，系统的全部功率都用于直传：
其中，为复数，表示采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信号，PTotal为实数，表示系统发射的总功率。
由于没有中继节点的参与，则链路直传的信道容量可表示为
其中，IDT为实数，表示链路直传的信道容量。
步骤S32：若备选中继节点集合Ω非空，对于Ω中任意中继节点Ri，要使得中继节点能正确译码源节点信号并转发出去，需要满足S-Ri链路的信道容量大于系统的传输速率V，即
为了保证中继节点正确译码的源节点发射功率，还需满足以下关系
其中，为实数，表示满足第i个中继节点能成功译码时源节点的发射功率。针对系统总功率受限情况，若系统总功率：PTotal小于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值：则第i个中继节点不参与协作，i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为候选中继集Ω中的元素个数。
步骤S33：分别计算Ri-D链路和S-D链路的信道系数模的平方，若这表明第i个中继节点Ri-D链路的信道质量要差于S-D链路的信道质量，则第i个中继节点不参与协作。其中，是零均值且方差为的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数，是实数，表示Ri-D链路信道系数的标准差。
作为优选方案，步骤S4中所述最优中继节点选取及功率分配方法，包括以下步骤：
步骤S41：对于系统总功率PTotal大于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值且的情况，在中继节点Ri能正确译码且Ri-D链路的信道质量要强于S-D链路的信道质量条件下，为了最大化目的节点的信噪比，应使中继节点Ri以尽可能大的功率发射。所以，第i个中继节点Ri的发射功率为：
则此时源节点到目的节点的信道容量可表示为：
步骤S42：比较链路直传的源节点到目的节点的信道容量IDT和选择第i个中继节点Ri时源节点到目的节点的信道容量Ii的大小。
因为系统的中断概率为Pr(I＜V),其中I表示源节点到目的节点的信道容量，Pr(.)为实数变量，表示概率值。所以选择使源节点到目的节点的信道容量最大能降低系统的中断概率。
于是选择有最大信道容量的节点译码转发或是直传。
Imax＝max(IDT,Ii,i＝1～|Ω|) (11)
其中，Imax为选择的最大信道容量，若Imax＝IDT,表明链路直传的信道容量最大，则跳转到步骤S31，优先选择直传链路S-D传输，中继节点不参与协作传输；若Imax＝Ii,i＝1～|Ω|，则选中的第i个中继节点Ri对接收信号执行背景技术所述的极化码连续删除译码方法处理后，再次执行背景技术所述的信道极化编码转发给目的节点D。在Ri处，经译码转发的信号可表示为则D接收的信号可表示为
其中，是零均值且方差为实数的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
作为优选方案，步骤S5中，目的节点接收信号步骤为：当接收到步骤S21和步骤S42所述的两个阶段的信号或步骤S31、步骤S41所述的仅依靠链路直传转发的信号后，目的节点执行最大比合并方法合并所有接收到的信号，然后依次执行解调、连续删除译码方法解码得到目的节点估计的信号序列，即为最后的结果。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明联合信道极化编码和译码转发方法，实现了一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法方案；针对目前系统总功率受限的情况下系统能源利用率不高的问题，提出了源节点和所选中继节点之间的功率分配方案；选择使源节点到目的节点的信道容量最大的中继节点转发，降低了系统中断概率；并且联合先进的信道极化编码和选择译码转发提高了系统性能。
附图说明
图1为本发明实施例的协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法流程图；
图2为本发明实施例源节点发射信号步骤流程图；
图3为本发明实施例备选中继节点集构建方法流程图；
图4为本发明实施例协作判决方法流程图；
图5为本发明实施例最优中继节点选取及功率分配方法流程图；
图6为本发明实施例目的节点接收信号步骤流程图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。
本实施例一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法，包括以下步骤：
S1：源节点发射信号。
源节点发射信号的步骤为：
S11：源节点对将要传输的原始信号，执行背景技术所述的信道极化编码。
S12：将步骤S11所得的编码后的码字执行背景技术所述的调制方法，再经发射天线广播到所有中继和目的节点。
S2：将步骤S12所得调制后的信号作为输入参数，按备选中继节点集构建方法执行计算，得到从源节点到中继节点信道质量较好的备选中继节点集。
其中，备选中继节点集构建方法包括以下步骤：
S21：在多中继协作系统中，包括一个源节点S，一个目的节点D和多个中继节点Ri，i的范围为1～M。其中，M表示所有中继节点数目。源节点将信号广播给中继和目的节点，目的节点D和第i(1≤i≤M)个中继节点Ri收到的信号分别为：
其中，xs为实数，表示步骤1.2所得调制后的信号；Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和是零均值且方差分别是和且相互独立的复高斯随机变量，表示S-D和S-Ri链路的信道系数。其中，ηsd和是实数，分别表示S-D和S-Ri链路信道系数的标准差。而nsd和是零均值且方差为实数且相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声。其中，σn是实数，表示加性高斯白噪声的标准差。
S22：为了得到从源节点到中继节点信道质量较好的中继节点集合，设置一个门限θ(可取1)，当S-Ri链路的信道系数模的平方大于门限值时，将该中继节点选入备选中继节点集合Ω。
S3：将步骤S2所得备选中继节点集作为输入参数，按协作判决方法执行计算，得到适合协作的中继节点集。
其中，协作判决方法采用以下步骤完成：
S31：采用步骤S22选出的备选中继节点集合，若备选中继节点集合Ω为空，即从源节点到中继节点的信道质量都不满足要求，则系统不依赖中继节点，采用链路直接传输，系统的全部功率都用于直传：
其中，为复数，表示采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信号，PTotal为实数，表示系统发射的总功率。
由于没有中继节点的参与，则链路直传的信道容量可表示为
其中，IDT为实数，表示链路直传的信道容量。
S32：若备选中继节点集合Ω非空，对于Ω中任意中继节点Ri，要使得中继节点能正确译码源节点信号并转发出去，需要满足S-Ri链路的信道容量大于系统的传输速率V，即
为了保证中继节点正确译码的源节点发射功率，还需满足以下关系
其中，为实数，表示满足第i个中继节点能成功译码时源节点的发射功率。针对系统总功率受限情况，若系统总功率：PTotal小于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值：则第i个中继节点不参与协作，i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为候选中继集Ω中的元素个数。
S33：分别计算Ri-D链路和S-D链路的信道系数模的平方，若这表明第i个中继节点Ri-D链路的信道质量要差于S-D链路的信道质量，则第i个中继节点不参与协作。其中，是零均值且方差为的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数，是实数，表示Ri-D链路信道系数的标准差。
S4：将S3所得适合协作的中继节点集作为输入参数，按最优中继节点选取及功率分配方法，执行计算，得到使源节点到目的节点信道容量最大的最优中继节点。
其中，最优中继节点选取及功率分配方法采用以下步骤完成：
S41：对于系统总功率PTotal大于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值且的情况，在中继节点Ri能正确译码且Ri-D链路的信道质量要强于S-D链路的信道质量条件下，为了最大化目的节点的信噪比，应使中继节点Ri以尽可能大的功率发射。所以第i个中继节点Ri的发射功率为
则此时源节点到目的节点的信道容量可表示为
S42：比较链路直传的源节点到目的节点的信道容量IDT和选择第i个中继节点Ri时源节点到目的节点的信道容量Ii的大小。
因为系统的中断概率为Pr(I＜V),其中I表示源节点到目的节点的信道容量，Pr(.)为实数，表示概率值。所以选择使源节点到目的节点的信道容量最大能降低系统的中断概率。
于是选择有最大信道容量的节点译码转发或是直传。
Imax＝max(IDT,Ii,i＝1～|Ω|) (22)
其中，Imax为选择的最大信道容量，若Imax＝IDT,表明链路直传的信道容量最大，则跳转到步骤S31，优先选择直传链路S-D传输，中继节点不参与协作传输；若Imax＝Ii,i＝1～|Ω|，则选中的第i个中继节点Ri对接收信号执行背景技术所述的极化码连续删除译码方法处理后，再次执行背景技术所述的信道极化编码转发给目的节点D。在Ri处，经译码转发的信号可表示为则D接收的信号可表示为
其中，是零均值且方差为实数的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
S5：目的节点接收信号，包括以下步骤，
S51：当接收到步骤S21和步骤S42所述的两个阶段的信号或步骤S31、步骤S41所述的仅依靠链路直传转发的信号到达目的节点后执行背景技术所述的最大比合并方法接收。
S52：对S51所得接收到的信号，依次执行背景技术所述的解调、极化码译码方法，得到估计的信号，即本方法最后的结果。
如图1所示，本发明实施例的一种协作分集系统下最优中继节点选择及功率分配方法，主要通过以下步骤完成：步骤一、源节点发射信号步骤：源节点对需传输的原始信号，依次执行信道极化编码、调制，再经发射天线广播到所有中继和目的节点；步骤二、备选中继节点集构建方法：选择从源节点到中继节点信道质量较好的中继节点作为备选中继节点集；步骤三，协作判决方法：针对系统总功率受限的情况及信道状态信息，判断某中继节点是否参与协作；步骤四、最优中继节点选取及功率分配方法：选择源节点到目的节点信道容量最大的中继作为最优中继节点，并在已选择的中继节点和源节点之间做功率的分配；步骤五、目的节点接收信号步骤：信号到达目的节点后采用最大比合并方法接收，然后对其解调、极化译码，得到估计的原始信号。
图2为源节点发射信号步骤流程图。源节点对需要传输的信号序列，执行背景技术所述的信道极化编码。然后将编码后的码字执行背景技术所述的调制方法，通过发射天线，将其在自由空间广播到所有中继和目的节点。
图3为备选中继节点集构建方法流程图。在多中继协作系统中，包括一个源节点S，一个目的节点D和多个中继节点Ri，i的范围为1～M。其中，M表示所有中继节点数目。源节点将信号广播给中继和目的节点，目的节点D和第i(1≤i≤M)个中继节点Ri收到的信号分别为：
其中，xs为实数，表示调制后的信号；Ps为实数，表示源节点S的发射功率；hsd和是零均值且方差分别是和且相互独立的复高斯随机变量，表示S-D和S-Ri链路的信道系数。其中，ηsd和是实数，分别表示S-D和S-Ri链路信道系数的标准差。而nsd和是零均值且方差为实数且相互独立的复高斯随机变量，分别表示S-D和S-Ri链路的加性高斯白噪声。其中，σn是实数，表示加性高斯白噪声的标准差。
为了得到从源节点到中继节点信道质量较好的中继节点集合，设置一个门限θ(可取1)，当S-Ri链路的信道系数模的平方大于门限值时，将该中继节点选入备选中继节点集合Ω。
图4为协作判决方法流程图。采用备选中继节点集合，若备选中继节点集合Ω为空，即从源节点到中继节点的信道质量都不满足要求，则系统不依赖中继节点，采用链路直接传输，系统的全部功率都用于直传：
其中，为复数，表示采用链路直接传输情况下目的节点D接收到的信号，PTotal为实数，表示系统发射的总功率。
由于没有中继节点的参与，则链路直传的信道容量可表示为
其中，IDT为实数，表示链路直传的信道容量。
若备选中继节点集合Ω非空，对于Ω中任意中继节点Ri，要使得中继节点能正确译码源节点信号并转发出去，需要满足S-Ri链路的信道容量大于系统的传输速率V，即
为了保证中继节点正确译码的源节点发射功率，还需满足以下关系
其中，PSi为实数，表示满足第i个中继节点能成功译码时源节点的发射功率。针对系统总功率受限情况，若系统总功率：PTotal小于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值：则第i个中继节点不参与协作，i为自然数，范围为1～|Ω|，|Ω|为候选中继集Ω中的元素个数。
分别计算Ri-D链路和S-D链路的信道系数模的平方，若这表明第i个中继节点Ri-D链路的信道质量要差于S-D链路的信道质量，则第i个中继节点不参与协作。其中，是零均值且方差为的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的信道系数，是实数，表示Ri-D链路信道系数的标准差。
图5为最优中继节点选取及功率分配方法流程图。对于系统总功率PTotal大于满足中继节点Ri能正确译码所需的功率最小值且的情况，在中继节点Ri能正确译码且Ri-D链路的信道质量要强于S-D链路的信道质量条件下，为了最大化目的节点的信噪比，应使中继节点Ri以尽可能大的功率发射。所以第i个中继节点Ri的发射功率为
则此时源节点到目的节点的信道容量可表示为
比较链路直传的源节点到目的节点的信道容量IDT和选择第i个中继节点Ri时源节点到目的节点的信道容量Ii的大小。
因为系统的中断概率为Pr(I＜V),其中I表示源节点到目的节点的信道容量，Pr(.)为实数，表示概率值。所以选择使源节点到目的节点的信道容量最大能降低系统的中断概率。
于是选择有最大信道容量的节点译码转发或是直传。
Imax＝max(IDT,Ii,i＝1～|Ω|) (33)
其中，Imax为选择的最大信道容量，若Imax＝IDT,表明链路直传的信道容量最大，则跳转到步骤S31，优先选择直传链路S-D传输，中继节点不参与协作传输；若Imax＝Ii,i＝1～|Ω|，则选中的第i个中继节点Ri对接收信号执行背景技术所述的极化码连续删除译码方法处理后，再次执行背景技术所述的信道极化编码转发给目的节点D。在Ri处，经译码转发的信号可表示为则D接收的信号可表示为
其中，是零均值且方差为实数的相互独立的复高斯随机变量，表示Ri-D链路的加性高斯白噪声。
图6为目的节点接收信号步骤流程图。对于传输到目的节点的信号，执行背景技术所述的最大比合并方法，合并所有接收到的信号。然后将合并后的信号序列，依次执行背景技术所述的解调、极化码译码方法，得到目的节点估计的信号，即本方法最后的结果。
以上对本发明实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。