一种基于模拟网络编码的乒乓中继系统的中继选择及分组方法
【专利摘要】本明公开了一种基于模拟网络编码的乒乓中继传输系统中的中继选择与分组方法。在基站以及各个中继站各自的平均发射功率确定的条件下，以最大化系统吞吐量为目的，对中继站进行选择和分组。本发明基于模拟网络编码的乒乓中继系统，不仅保留了系统传统特点，即通过两个中继站群交替转发以避免中继半双工损失，还能通过中继站选择和分组进一步提高系统的实际吞吐量。该方法仅需要系统统计信道状态信息，具有复杂度低，信令开销低的优点。
【专利说明】
一种基于模拟网络编码的乒乓中继系统的中继选择及分组 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于模拟网络编码的乒乓中继系统 的中继选择及分组方法。
【背景技术】
[0002] 近几年来，无线通信技术不断更新，无线通信产业也蓬勃发展。然而，伴随着无线 通信技术的发展，用户对无线通信业务特别是数据业务的需求量亦在高速增长。高速增长 的业务需求量以及接入设备数量给未来无线通信系统提出了严峻的挑战。
[0003] 为了应对高速增长的通信需求，通信系统密集化是下一代通信系统的趋势，即在 异构网络的架构下，在宏小区中部署大量的小基站(Small Cell)或是中继。密集化可以缩 减接入点与用户之间的传输距离，降低能量消耗，同时使得网络干扰更为复杂。协作中继作 为密集小区的一种典型形式，其是扩大小区覆盖范围，提高系统频谱效率的有效方法。然 而，由于中继站一般工作在半双工模式，即无法同时发送或者接收，基站传输一帧数据需要 两个时隙，因此会带来频谱效率的损失。乒乓中继系统通过多个中继站来交替协助传输，可 以避免半双工损失。具体来说，传输过程分为奇数和偶数时隙，基站在每个时隙都会传输新 数据。在奇数时隙，一组中继站负责接收基站的数据，另一组中继站负责转发上一时隙的数 据，在偶数时隙，之前负责接收的中继站群转发上一时隙的数据，而另一组中继站负责接 收，以此循环往复。
[0004] 在具有大量中继站的密集通信系统中进行乒乓中继传输，采用模拟网络编码是很 有优势的。模拟网络编码仅仅需要在中继站上的放大转发，信号处理相对简单，同时仅仅需 要基站以及用户终端到其本身的信道增益，而不需要全局信道增益，大大节省了获取信道 增益的信令开销。在具有多个中继站的采用模拟网络编码的乒乓中继传输系统中，中继站 的选取和分组对性能有很大的影响。以往关于乒乓中继系统的工作没有涉及中继站的选取 和分组。本发明提供了一种仅仅利用网络信道状态统计信息的中继选取和分组方法，无需 实时信道状态信息，信令开销低。同时该方法的计算复杂度仅为中继站总数的平方量级，因 此非常适合于具有大量中继站的密集通信系统。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于模拟网络编码的 乒乓中继系统的中继选择和分组方法。该方法仅仅利用网络信道状态统计信息的中继选取 和分组方法，无需实时信道状态信息，信令开销低；同时该方法的计算复杂度仅为中继站总 数的平方量级，因此非常适合于具有大量中继站的密集通信系统。
[0006] 本发明的技术方案是:在传输开始前，首先收集网络中的统计信道状态信息，即基 站到各中继站、各中继站之间以及用户终端到各中继站的方差，以此来进行中继站的选择 和分组，之后，在各时隙传输之前，基站广播训练序列，各中继站以此获得基站到其的信道 增益，之后用户终端广播训练序列，利用信道互易，各中继站以此获得其到用户终端的信道 增益，然后采用基于模拟网络编码的乒乓中继传输，在基站以及各个中继站各自的平均发 射功率受限的条件下，以最大化系统吞吐量为目的，对中继站进行选择和分组，具体包括如 下步骤：
[0007] 1.1)、在传输前，从中继站群中适当选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和 中继群B，其集合分别用Ga和Gb表示，其大小分别为Ma和Mb ;
[0008] 1.2)、在第一个时隙基站在系统中广播帧；
[0009] 1.3)、在第二个时隙，基站在系统中广播帧。同时中继站群A将第一个时隙接收到 的来自基站的信号放大并且转发给用户终端，以中继站群A中的第m个中继站为例，m选自1-MA中的任意自然数，其转发帧为^ (2)=匕",￡；", (2)/'," (l).v^ (1)，中继放大系数为
，其中yA,m( 1 )是该中继在第一个时隙的接 收信号，(1)是第一个时隙基站到该中继站的信道增益的共辄转置，gl",(2)是第二个时 隙中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，aA,m是基站到该中继站的信道增益的方差， 以,》是该中继站到用户终端的信道增益的方差，n m,k是中继站群A中的第k个中继站到该中继 站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，该中继站的平均发射功率，Mb是中 继站群B的中继站个数。用户终端收到来自中继站的采用Hjl^a^/^^作为信道增益进 行解调和译码以恢复，其中Ma是中继站群A的中继站个数；
[0010] 1.4)、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙nodd，基站在系统中广播帧xsUodd)，中 继站群B将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群A的叠加信号做模拟网络编码。以中继 站群B的第m个中继站为例，m选自1-Mb中的任意自然数，其在上一时隙接收到的帧为 >V," 0 =(~广!)+Am (~厂 0 hB.Jnodd-l)以及fk^nodd-l)分别是上一个时隙基站以及中继站群A的第k个中继站到该中 继站的信道增益，WB^nodd-l)是该中继站处的噪声。中继站将该叠加信号放大转发出去，其 转发信号为心", (^ _1) -1)，其中 ',m (?_ )为当前时隙 该中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，Y B,m为该中继站的放大系数，
，其中仰^是基站到该中继站的信道增益 的方差，你,^是该中继站到用户终端的信道增益的方差，nk,m是中继站群A中的第k个中继站 到该中继站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，PR,B,m是该中继站的平均发射功 率。用户终端收到来自中继站的采用乍为信道增益进行解调和译码以恢复 xs(n〇dd-l),；
[0011] 1.5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙rwn，基站在系统中广播帧xs(rw n)，中继 站群A将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群B的叠加信号做模拟网络编码并转发。以中 继站群A的第m个中继站为例，其转发帧为-1)^ 用户终端收到来自中继站的采用;为信道增益进行解调和译码以恢复xs (lleven-1 )；
[0012] 1.6)、在最后一个时隙，基站停止发送帧，如果是偶数时隙，由中继站群A将上一时 隙接收到的帧放大按步骤1.4)方法转发，反之则由中继站群B将上一时隙接收到的帧放大 按步骤1.5)方法转发。
[0013] 所述的基于模拟网络编码的乒乓中继系统中的中继选择与分组方法，其特征在于 步骤1.1)中于传输开始前对中继站群的选取与分组，得到中继群组A即Ga以及中继群组B即 Gb，其大小分别为Ma和Mb，其目的是最大化系统的吞吐量，具体步骤如下：
[0014] 2.1)获取基站和中继站的平均发射功率，获取各中继站以及用户的噪声功率，获 取基站到各中继站，各中继站之间，各中继站到用户的信道增益的方差；
[0015] 2.2)系统吞吐量可以表示为中继群组A和中继群组B集合的函数，即：R(Ga，Gb)= (LEvenREven+ (LMd-l )RMd)/(LEven+LMd)，其中LEv1PL m%v别奇数时隙数和偶数时隙数，由系 统事先确定，REvelPRMd分别是奇数时隙和偶数时隙可达吞吐量，其按下式计算：
[0017] 其中是用户终端的噪声功率；
[0018] 2.3)初始化，令6〇为包含所有中继的集合，中继站群六和8为空集，64=巾，68=伞， 再令全局最优中继分组方案= #，C?f =#，以及全局最优可达速率R°pt = 〇;
[0019] 2.4)如果Go为空集，则停止中继选择分组，否则，为中继站群A选取中继站i*GGo使 得新中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量1?最大，8卩 ：/\=邮^,、_(,1;/?(0,〇|/乂;），将集 合Go除去中继站i'即Go = G〇\i'将f加入中继站群A，即Ga=Ga U i，存储当前得到的系统吞 吐量1?13^ = 1?((^，(^)，如果1?13^> 1^1^，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 Gf 二仏，G7 = G，以及R_ = Rlast;
[0020] 2.5)如果Go为空集，则停止中继选择分组，否则，为中继站群B选取中继站pGGo使 得新中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量R最大，8卩 ：？ =argmax, A5 ((7 r u/)，将集 合Go除去中继站i'即Go = Go\i'将f加入中继站群B，即Gb = Gb U i，存储当前得到的系统吞 吐量1?13^ = 1?((^，(^)。如果1?13^> 1^1^，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 = = 以及R〇 pt = Rlast;
[0021] 2.6)按顺序重复步骤2.4)和2.5)，结束后输出最优中继分组方案，即Gf和C?r， 并输出两个中继组的大小，即Ma和Mb。
[0022] 所述的基于模拟网络编码的乒乓中继系统中的中继选择与分组方法，其特征在于 步骤2 ? 2)中的拉.，4，4，拉具体按以下步骤计算：
[0023] 2.2.1)如果让=￡體，则有对卿4(1:>_|,"凡",~) 2，1?'36 A的第m个中继站的噪声功率；
[0024] 2.2.2)如果k = 0dd，则有Af ， f ,上r?，其中心是中继群a 的第m个中继站的噪声功率。
[0025] 本发明通过采用上述技术，得到一种基于模拟网络编码的乒乓中继系统的中继选 择和分组方法，它对于基于模拟网络编码的乒乓中继系统，通过对中继站群有效地选择和 分组，大大提高系统吞吐量，该方法仅仅利用网络信道状态统计信息的中继选取和分组方 法，无需实时信道状态信息，信令开销低；同时该方法的计算复杂度仅为中继站总数的平方 量级，该系统吞吐量远远高于采用随机分组的方法，具有低复杂度、低信令开销的优点，该 方法非常适合于具有大量中继站的密集通信系统。
【附图说明】
[0026] 图1是基于模拟网络编码的乒乓中继系统传输示意图；
[0027] 图2是基于模拟网络编码的乒乓中继系统在采用本发明的中继选择分组方法与采 用随机中继选择分组方法在不同中继站数目下的系统总传输速率比较图。
【具体实施方式】
[0028] 如图1和图2所示，本发明的基于模拟网络编码的乒乓中继系统传输过程如图1所 示，在传输开始前，首先收集网络中的统计信道状态信息，即基站到各中继站、各中继站之 间以及用户终端到各中继站的方差，以此来进行中继站的选择和分组。之后，在各时隙传输 之前，基站广播训练序列，各中继站以此获得基站到其的信道增益，之后用户终端广播训练 序列，利用信道互易，各中继站以此获得其到用户终端的信道增益，然后开始传输。具体步 骤如下：
[0029] 1.1)、在传输前，从中继站群中适当选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和 中继群B，其集合分别用Ga和Gb表示，其大小分别为Ma和Mb ;
[0030] 1.2)、在第一个时隙基站在系统中广播帧；
[0031 ] 1.3)、在第二个时隙，基站在系统中广播帧，同时中继站群A将第一个时隙接收到 的来自基站的信号放大并且转发给用户终端，以中继站群A中的第m个中继站为例，m选至1-Ma中任意自然数，其转发帧为丨=% ^ (2)(" ⑴ ，中继放大系数为
，其中yA,m( 1 )是该中继在第一个时隙的接 收信号，是第一个时隙基站到该中继站的信道增益的共辄转置，^是第二个时 隙中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，dA,m是基站到该中继站的信道增益的方差， 以,》是该中继站到用户终端的信道增益的方差，n m,k是中继站群A中的第k个中继站到该中继 站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，该中继站的平均发射功率，Mb是中 继站群B的中继站个数。用户终端收到来自中继站的采用为信道增益进 行解调和译码以恢复，其中Ma是中继站群A的中继站个数；
[0032] 1.4)、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙11。(1(1，基站在系统中广播帧^(11。(1(1)，中 继站群B将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群A的叠加信号做模拟网络编码，以中继 站群B的第m个中继站为例，m选至1-Mb中任意自然数，其在上一时隙接收到的帧为 i)= 1) A 工)+,人迎(~厂 1)，以 hB.Jnodd-l)以及fk^nodd-l)分别是上一个时隙基站以及中继站群A的第k个中继站到该中 继站的信道增益，WB^nodd-l)是该中继站处的噪声。中继站将该叠加信号放大转发出去，其 转发帧为= /W-1) 中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，Y b , m为该中继站的放大系数，
其中如^是基站到该中继站的信道增益 的方差，你,^是该中继站到用户终端的信道增益的方差，nk,m是中继站群A中的第k个中继站 到该中继站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，PR,B,m是该中继站的平均发射功 率。用户终端收到来自中继站的采用作为信道增益进行解调和译码以恢 复xs(n〇dd_l);
[0033] 1.5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙rwn，基站在系统中广播帧xs(rwn)，中继 站群A将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群B的叠加信号做模拟网络编码并转发，以中 继站群A的第m个中继站为例，其转发帧为％ w 用户终端收到来自中继站的采用;作为信道增益进行解调和译码以恢复xs (lleven-1 )；
[0034] 1.6)、在最后一个时隙，基站停止发送帧，如果是偶数时隙，由中继站群A将上一时 隙接收到的帧放大按1.4)方法转发，反之则由中继站群B将上一时隙接收到的帧放大按 1.5)方法转发。
[0035] 对于步骤1.1)中于传输开始前对中继站群的选取与分组，得到中继群组A即Ga以 及中继群组B即G B，其大小分别为Ma和Mb，其目的是最大化系统可达吞吐量，具体步骤如下：
[0036] 2.1)获取基站和中继站的平均发射功率，获取各中继站以及用户的噪声功率，获 取基站到各中继站，各中继站之间，各中继站到用户的信道增益的方差；
[0037] 2.2)系统可达吞吐量可以表示为中继群组A和中继群组B集合的函数，即：R(Ga，Gb) =(LEvenREven+(LMd-1)R_)/(LEven+L Md)，其中LEven和别奇数时隙数和偶数时隙数，由 系统事先确定，REve4PRMd分别是奇数时隙和偶数时隙可达吞吐量，其按下式计算：
[0039] 其中是用户终端的噪声功率，4，4，4，4具体按以下步骤计算：
[0040] 2.2.1)如果k = Even，则有对_ = & (切几，，切)j A的第m个中继站的噪声功率；
[0041] 2.2.2)如果15=0(1(1，则有.1；〇^巧(1：> 1^細')\，-3行2^?1??， f , f ,其中'是中继群八 的第m个中继站的噪声功率；
[0042] 2.3)初始化，令6〇为包含所有中继的集合，中继站群六和8为空集，64=巾，68=伞， 再令全局最优中继分组方案，： = 0，以及全局最优可达速率R°Pt = 0;
[0043] 2.4)如果Go为空集，则停止中继选择分组，否则，为中继站群A选取中继站fGGo使 得新中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量1?最大，8卩：/"=叫111：?,_(,,/?(<7,〇 |/_.(7/广;，将集 合Go除去中继站i'即Go = Go\i'将f加入中继站群A，即Ga=Ga U i，存储当前得到的系统吞 吐量1?13^ = 1?((^，(^)，如果1?13^> 1^1^，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 Gf 二 h，G7 二 &，以及R〇pt = Rlast;
[0044] 2.5)如果Go为空集，则停止中继选择分组，否则，为中继站群B选取中继站fGGo使 得新中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量R最大，即：f = _max,sc。(見,Gs ，将集 合Go除去中继站i'即Go = Go\i'将f加入中继站群B，即Gb = Gb U i，存储当前得到的系统吞 吐量1?13^ = 1?((^，(^)。如果1?13^> 1^1^，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 Gf 二爲，= ，以及R_=Rlast。
[0045] 2.6)按顺序重复步骤2.4)和2.5)，结束后输出最优中继分组方案，即Gf和Gf， 并输出两个中继组的大小，即Ma和Mb。
[0046] 本发明的基于模拟网络编码的乒乓中继系统的中继选择和分组方法，它对于基于 模拟网络编码的乒乓中继系统，通过对中继站群有效地选择和分组，大大提高系统吞吐量， 该方法仅仅利用网络信道状态统计信息的中继选取和分组方法，无需实时信道状态信息， 信令开销低；同时该方法的计算复杂度仅为中继站总数的平方量级，具有低复杂度、低信令 开销的优点，该方法非常适合于具有大量中继站的密集通信系统。计算机仿真表明，基于模 拟网络编码的乒乓中继传输系统，在采用本发明的中继选择和分组方法后，其系统吞吐量 远远高于采用随机分组的方法。
【主权项】
1. 一种基于模拟网络编码的乒乓中继系统中的中继选择与分组方法，其特征在于:在 传输开始前，首先收集网络中的统计信道状态信息，即基站到各中继站、各中继站之间以及 用户终端到各中继站的方差，以此来进行中继站的选择和分组，之后，在各时隙传输之前， 基站广播训练序列，各中继站以此获得基站到其的信道增益，之后用户终端广播训练序列， 利用信道互易，各中继站以此获得其到用户终端的信道增益，然后采用基于模拟网络编码 的乒乓中继传输，在各个中继站各自的平均发射功率受限的条件下，以最大化系统吞吐量 为目的，对中继站进行选择和分组，具体包括如下步骤： 1.1)、在传输前，从所有中继站群中选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和中继 群B，其集合分别用Ga和Gb表不，其大小分别为Μα和Mb ; 1.2 )、在第一个时隙，基站在系统中广播帧； 1.3 )、在第二个时隙，基站在系统中广播帧，同时中继站群A将第一个时隙接收到的来 自基站的信号放大并且转发给用户终端，以中继站群A中的第m个中继站为例，m选自I-Μα中 的任意自然数，其转发帧为，中继放大系数为，其中yA,m( 1 )是该中继在第一个时隙的接 收信号是第一个时隙基站到该中继站的信道增益的共辄转置，￡:.,,,(2)是第二个时 隙中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，aA,m是基站到该中继站的信道增益的方差， β/^是该中继站到用户终端的信道增益的方差，nm,k是中继站群A中的第k个中继站到该中继 站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，？^/^是该中继站的平均发射功率，Mb是中 继站群B的中继站个数；用户终端收到来自中继站的采用作为信道增益进 行解调和译码以恢复，其中Μα是中继站群A的中继站个数； 1 . 4 )、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙η。d d，基站在系统中广播帧X s (nQdd)，中继站群B将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群A的叠加信号做模 拟网络编码，以中继站群B的第m个中继站为例，其在上一时隙接收到的信号为其中 hB.Jnodd-l)以及fk^nodd-l)分别是上一个时隙基站以及中继站群A的第k个中继站到该中 继站的信道增益，WB^nodd-l)是该中继站处的噪声。中继站将该叠加信号放大转发出去，其 转发信号为~^ 该中继站到用户终端的信道增益的共辄转置，γ B,m为该中继站的放大系数，，其中_,?是基站到该中继站的信道增益 的方差，你,^是该中继站到用户终端的信道增益的方差，nk,m是中继站群A中的第k个中继站 到该中继站的信道增益的方差，Ps是基站的平均发射功率，PR,B,m是该中继站的平均发射功 率，用户终端收到来自中继站的采用作为信道增益进行解调和译码以恢 复xs(n〇dd_l); 1 .5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙ne3ve3n，基站在系统中广播帧xs (neven)，中继站群A将上一时隙接收到的来自基站以及中继站群B的叠加信号做模拟 网络编码并转发;以中继站群A的第m个中继站为例，m选自Ι-Mb中的任意自然数，其转发帧为用户终端收到来自中继站的采用 乍为信道增益进行解调和译码以恢复xs(n--1); 1.6)、在最后一个时隙，基站停止发送帧，如果是偶数时隙，由中继站群A将上一时隙接 收到的帧放大按步骤1.4)方法转发，反之则由中继站群B将上一时隙接收到的帧放大按步 骤1.5)方法转发。2. 根据权利要求1中的基于模拟网络编码的乒乓中继系统中的中继选择与分组方法， 其特征在于步骤1.1)中于传输开始前对中继站群的选取与分组，得到中继群组A即Ga以及 中继群组B即Gb，其大小分别为Μα和Mb，其目的是最大化系统的吞吐量，该中继选择和分组方 法的具体步骤如下： 2.1) 获取基站和中继站的平均发射功率，获取各中继站以及用户的噪声功率，获取基 站到各中继站、各中继站之间、各中继站到用户的信道增益的方差； 2.2) 系统可达吞吐量可以表示为中继群组A和中继群组B集合的函数，即：R(Ga，Gb)= (LEvenR Even+ (LMd-l )RMd)/(LEven+LMd)，其中LEv1PL m%v别奇数时隙数和偶数时隙数，由系 统事先确定，REvelPR Md分别是奇数时隙和偶数时隙可达吞吐量，其按下式计算：其中^是用户终端的噪声功率。 2.3) 初始化，令6〇为包含所有中继的集合，中继站群4和8为空集，6/^=(})，68=(});再令 全局最优中继分组方案= #，以及全局最优可达速率R°pt = 0; 2.4) 如果Go为空集，则停止中继选择分组；否则，为中继站群A选取中继站PeGo使得新 中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量1?最大，8卩：？=吨111狀,:_(,^(6>_，_/，<：/, 7)，将集合60 除去中继站i'即Go = G〇\i*，将i*加入中继站群A，即Ga=Ga U i，存储当前得到的系统吞吐量 Rlast = R(GA，GB)，如果Rlast>R°pt，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 G:f 二 &，以及R_=Rlast。 2.5) 如果Go为空集，则停止中继选择分组；否则，为中继站群B选取中继站PeGo使得新 中继站加入后步骤2.2)中的系统吞吐量R最大，即：f = argi? (G』,u/；)，将集合Go 除去中继站i'即Go = G〇\i*，将i*加入中继站群B，即Gb = Gb U i，存储当前得到的系统吞吐量 Rlast = R(GA，GB)，如果Rlast>R°pt，则将其存储为全局最优的中继分组方案，即 Gf =見，Gf 二仏，以及rpt=Rlast; 2.6) 按顺序重复步骤2.4)和2.5)，结束后输出最优中继分组方案，即Gf和G/，并输出 两个中继组的大小，即Μα和Mb。3. 根据权利要求2中的基于模拟网络编码的乒乓中继系统中的中继选择与分组方法， 其特征在于步骤2.2)中的If，趑，4:，攻具体按以下步骤计算： 2.2.1)如果k = Even，则有丨，其中是中继群 A的第m个中继站的噪声功率； 2.2.2)如果1^ = 0(1(1，则有其中Α,λι是中继群A 的第m个中继站的噪声功率。
【文档编号】H04W40/12GK105959992SQ201610265595
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】张昱, 苏长然, 彭宏
【申请人】浙江工业大学