专利名称：用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法
技术领域：
本发明涉及用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，属于无线数据传输技 术领域。
背景技术：
在无线环境中存在路径损耗和阴影衰落，会严重衰减信号的强度，影响系统的性能。 利用中继站可以有效的对抗无线信道中的大尺度衰落，扩大基站的覆盖范围。特别是在阴 影衰落较为严重的区域，使用中继站可以为这些区域内的用户提供可靠的信号传输。另一 方面，多输入多输出通过在发端和收端放置多根天线，通过各种空间信号处理技术能够极 大地提高通信系统的频谱利用率、降低数据传输的误码率。在蜂窝网络中，若在基站端设 置多根天线，则基站能够通过空分复用的方式在同一时隙和同一频点上支持多个用户的信 号传输。将多输入多输出技术和中继站相结合可以进一步提高系统的性能。考虑蜂窝网络 中的小区下行数据传输，假设基站架设多根天线，并且系统用一个多天线中继站辅助数据 传输。这样系统中的每个用户都能够看到两条通信链路，其中一条链路是基站和用户之间 的直通链路，另一条链路是基站通过中继站向用户传输数据的中继链路。由于无线信道中 存在大尺度衰落，用户的直通链路或者中继链路都可能因大尺度衰落而导致其不适合数据 传输，因此所有的用户都通过直通链路进行数据传输，或者所有的用户都通过中继链路进 行数据传输都会造成系统性能的损失。
发明内容
本发明的目的是提出用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，克服己有技 术的缺点，以充分发挥中继站的作用，使得系统能够有效地对抗信道中的大尺度衰落，系 统的和速率得以提升。
本发明提出的用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，共有三种不同的方 案，第一种方案包括以下步骤-
(1 — 1)建立初始用户集合设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的 大尺度衰落为/^,基站与中继站之间的大尺度衰落为A,若/^^/V则将第k个用户 置于初始直通用户集合中，若/^</^，则将第k个用户置于初始中继用户集合中，遍历
通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述操作，得到初始直通用户集合和初始中继
用户集合；
(l一2)分别依次将上述初始中继用户集合中的每一个用户放到直通用户集合中，若通信系统的和速率提高，则将该用户置于直通用户集合中，若通信系统的和速率不变或降 低，则将该用户保留在中继用户集合中，从而得到直通用户集合和中继用户集合。
本发明方法中的第二种方案为设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路 的大尺度衰落为/^，基站与中继站之间的大尺度衰落为/V中继站与用户之间的大尺度 用/^作为直通链路的度量，用^和/^的调和平均2/V^/(/i,+Z^)作为中 继链路的度量，若/^2 2/v^/(/^+;^)，则将第k个用户置于直通用户集合中，若 /^〈2a/^/(a+;^)，则将第k个用户置于中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用 户，对每个用户都进行上述操作，得到直通用户集合和中继用户集合。
本发明方法中的第三种方案包括以下步骤 (3 — 1)设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的大尺度衰落为;^， 基站与中继站之间的大尺度衰落为/V中继站与用户之间的大尺度衰落为/^,用A。"乍
为直通链路的度量，用M和/^的调和平均2/V^/(/A+Z^)作为中继链路的度量，若 /i。^2/v^/(A+z^:)，则将第k个用户置于直通用户集合中，若/^〈2/v^/^,+z^;)， 则将第k个用户置于中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上 述操作，得到直通用户集合A和中继用户集合《，计算通信系统的和速率C,;
(3—2)将通信系统的所有用户放到直通用户集合中，令中继用户集合为空集，得到 直通用户集合"2和中继用户集合及2，计算通信系统的和速率q;
(3 — 3)若C,^q，则选取D,为直通用户集合，选取《为中继用户集合，若C,〈q， 则选取A为直通用户集合，选取/ 2为中继用户集合。
本发明提出的用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，其优点是，根据用 户的信道条件将用户分为直通用户和中继用户两类，经过用户分类，系统中的每个用户都 能够通过适合自己数据传输的链路进行通信，有效地减轻信道大尺度衰落对通信系统性能 的影响，从而使得系统的和速率得以提高。
图1为应用本发明方法的通信系统示意图。 ' 图2为本发明方法的效果示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例详细介绍本发明方法-
如附图1所示，系统由一个多天线基站，多天线中继站和多个单天线用户组成，这里 的中继站为半双工，即中继站接收数据和发送数据不能同时进行。基站天线数、中继站天 线数和用户数相等，在实施例中基站天线数、中继站天线数和用户数都等于4。用户均匀 地分布在一个顶角为12(T的扇形区域内，基站位于扇形区域的顶点，中继站位于扇形区域 顶角平分线的中点。扇形区域的半径为1公里。假设基站和中继站使用相同的功率发送数据。基站和中继站之间的信道矩阵为巧-AA。其中A为瑞利分布的矩阵，代表信道的 小尺度衰落；A-10^V,"表示大尺度衰落，其中10^'Q表示阴影衰落，q为零均值正态 分布的随机变量，实施例中取^的标准差为8，《"表示路径损耗，《为基站和中继站之 间的距离，7表示路径损耗系数，实施例中取y为4。基站和用户之间的信道为
0 …0 -Ac…0 ^
0…〃0M —
其中& -io""o;是基站和第k个用户之间的大尺度衰落，其中ioWQ表示阴影衰落，f。A
为零均值正态分布的随机变量，实施例中取f。4的标准差为8，《/表示路径损耗，d。t为 基站和中继站之间的距离。中继站和用户之间的信道为
、0…0 .
L0 0…~」
其中// =10"/10《/"是基站和第1^个用户之间的大尺度衰落，其中10"/'°表示阴影衰落，f2i 为零均值正态分布的随机变量，实施例中取fu的标准差为8，《了表示路径损耗，《t为 基站和中继站之间的距离。
本发明提出了用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，目的是使系统能够 较好的发挥中继站的左右，有效地对抗信道中的大尺度衰落，使得系统的和速率得以提升。 由于系统中使用了多天线中继站，故系统中的每个用户可以看到直通链路和中继链路两条 信息通路。由于信道中存在大尺度衰落，因此用户的直通链路或者中继链路可能因大尺度 衰落导致其不适合数据传输。当其中一条链路大尺度衰落较为严重时，应当选用另外一条 信道条件较好的链路为该用户传输信号。基站根据用户的信道状态将系统中的用户分为直 通用户和中继用户。其中基站通过直通链路向直通用户发送信号，通过中继链路向中继用 户发送信号。经过用户分类，系统中的用户能够被分到信道条件较好的传输链路，从而使 得系统的和速率得以提升。
本发明提出三种用户分类的方法，具体实施方法如下。
第一种用户分类方法，包括以下步骤 (l一l)建立初始用户集合设通信系统中的第k个用户，数据接收时直通链路的大
尺度衰落为/^，数据接收时基站与中继站之间的大尺度衰落为M，若/^^/V则将第k
个用户置于初始直通用户集合中，若/^〈/v则将第k个用户置于初始中继用户集合中， 这样做的原因是考虑到中继链路是由基站到中继站的信道与中继站到用户的信道组成，如 果中继链路的第一个信道，也就是基站到中继站的信道已经比直通链路差了，那么当前的 用户应当用直通链路进行数据传输。遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述
操作，得到初始直通用户集合和初始中继用户集合；
巧=
Mm 0
5(l一2)第一步得到的只是初始的直通用户集合与初始的中继用户集合，这只是一个 比较粗略的用户分类结果，可能初始中继用户集合中的一些用户放到直通用户集合中系统 的性能会更好，因此要检查初始中继用户集合中的每一个用户，看其是否应当被置于直通 用户集合中。分别依次将初始中继用户集合中的每一个用户放到直通用户集合中，若通信 系统的和速率提高，则将该用户置于直通用户集合中，若通信系统的和速率不变或降低， 则将该用户保留在中继用户集合中，从而得到直通用户集合和中继用户集合。
第二种用户分类方法这种分类方法根据信道的大尺度衰落对用户进行分类。设对于 通信系统中的第k个用户，数据接收时直通链路的大尺度衰落为/^，数据接收时基站与
中继站之间的大尺度衰落为M ，数据接收时中继站与用户之间的大尺度衰落为/^ 。用/^ 作为直通链路信道条件的度量。由于中继链路由基站到中继站的信道以及中继站到用户的 信道组成，因此中继链路的度量应当能够同时反映出这两个信道的作用，这里用/^和;^
的调和平均2/y^/(/^+z^;)作为中继链路的度量。若/^2 2/v^/(a+;^)'则将第k 个用户置于直通用户集合中，若/^<2//1//24/(//1+/^)，则将第k个用户置于中继用户集 合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述操作，得到直通用户集合和中 继用户集合。
第三种用户分类方法，考虑到第二种用户分类方法只考虑了信道的衰落，并没有考虑 发送功率的变化。实际上影响系统性能的主要因素有两个， 一个是信道的衰落，另一个是 由于中继站为半双工，这样中继链路本身就会损失一半的数据传输速率。在发送功率比较 低时，信道衰落是影响系统性能的主要因素；在发送功率很高时，中继站的半双工特性是 影响系统性能的主要因素。因此在发送功率非常高时，比较倾向于将所有的用户都分类为 直通用户。虽然实际系统中发送功率不会很高，但中继站的半双工特性或多或少会对系统 的性能造成一些不利的影响。因此第三种用户分类方法在第二种用户分类方法的基础上作 了改进。第三种用户分类方法包括以下步骤
(3 — 1)首先利用第二种用户分类方法进行用户分类设对于通信系统中的第k个用 户，数据接收时直通链路的大尺度衰落为/^，数据接收时基站与中继站之间的大尺度衰 落为M，数据接收时中继站与用户之间的大尺度衰落为/^，用/^作为直通链路的度量， 用A和/^的调和平均2/v^/(/^+;^)作为中继链路的度量'若~ 2 2/y^/(//I+/^)， 则将第k个用户置于直通用户集合中，若~<2//1~/(//1+~)，则将第k个用户置于中 继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述操作，得到直通用户 集合A和中继用户集合《，计算通信系统的和速率C,;
(3—2)将通信系统的所有用户放到直通用户集合中，令中继用户集合为空集，这样 得到新的直通用户集合"2和新的中继用户集合A，计算通信系统的和速率C2;
(3—3)若C,^q,则最终选取的直通用户集合为A，最终选取的中继用户集合为^， 若c，〈c;,则最终选取的直通用户集合为A，最终选取的中继用户集合为^。实验证明，实施例可以有效地对抗信道中的大尺度衰落并提高系统的和速率。如附图 2所示，图中的曲线代表了不同用户分类方式下系统的和速率随发送功率变化的曲线，其 中最优的用户分类指的是遍历所有可能的用户分类，从中选取使得系统和速率最大的那个 用户集合。从图中的曲线可以看出，本发明提出的第一种用户分类的性能和最优的用户分 类的性能十分接近，并且可以看到，相对于把所有用户都分类为直通用户、把所有用户都 分类为中继用户以及随机地对用户进行分类，本发明提出的用户分类方法可以显著提高系 统的和速率。
以上所述实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修 改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1—1)建立初始用户集合设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的大尺度衰落为μ0k，基站与中继站之间的大尺度衰落为μ1，若μ0k≥μ1，则将第k个用户置于初始直通用户集合中，若μ0k<μ1，则将第k个用户置于初始中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述操作，得到初始直通用户集合和初始中继用户集合；(1—2)分别依次将上述初始中继用户集合中的每一个用户放到直通用户集合中，若通信系统的和速率提高，则将该用户置于直通用户集合中，若通信系统的和速率不变或降低，则将该用户保留在中继用户集合中，从而得到直通用户集合和中继用户集合。
2、 一种用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，其特征在于该方法为-设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的大尺度衰落为;^，基站与中继站之间的大尺度衰落为M，中继站与用户之间的大尺度衰落为/^，用//。4作为直通链路的 度量，用a和/y2i的调和平均2//,/^/(//, +//2i)作为中继链路的度量，若 //。^2/v^/"+z^;)，则将第k个用户置于直通用户集合中，若~<2//1~/^,+//2。， 则将第k个用户置于中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上 述操作，得到直通用户集合和中继用户集合。
3、 一种用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，其特征在于该方法包括 以下步骤(3 — 1)设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的大尺度衰落为/^， 基站与中继站之间的大尺度衰落为/V中继站与用户之间的大尺度衰落为/^，用/i。,作 为直通链路的度量，用^和/^的调和平均2/v^/(A+;^)作为中继链路的度量，若 /ifl^2A//2i/(A+~),则将第k个用户置于直通用户集合中，若~<2//1~/0"1+~;)， 则将第k个用户置于中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上 述操作，得到直通用户集合",和中继用户集合《，计算通信系统的和速率C,;(3—2)将通信系统的所有用户放到直通用户集合中，令中继用户集合为空集，得到 直通用户集合/)2和中继用户集合及2 ，计算通信系统的和速率C2;(3—3)若C,^q，则选取A为直通用户集合，选取《为中继用户集合，若C,〈q， 则选取￡)2为直通用户集合，选取A为中继用户集合。
全文摘要
本发明涉及用于无线通信的中继辅助数据传输的用户分类方法，属于无线数据传输技术领域。本方法的方案之一是，设通信系统中的第k个用户，在接收数据时直通链路的大尺度衰落为μ<sub>0k</sub>，基站与中继站之间的大尺度衰落为μ<sub>1</sub>，中继站与用户之间的大尺度衰落为μ<sub>2k</sub>，用μ<sub>0k</sub>作为直通链路的度量，用μ<sub>1</sub>和μ<sub>2k</sub>的调和平均2μ<sub>1</sub>μ<sub>2k</sub>/(μ<sub>1</sub>+μ<sub>2k</sub>)作为中继链路的度量，若μ<sub>0k</sub>≥2μ<sub>1</sub>μ<sub>2k</sub>/(μ<sub>1</sub>+μ<sub>2k</sub>)，则将第k个用户置于直通用户集合中，若μ<sub>0k</sub>＜2μ<sub>1</sub>μ<sub>2k</sub>/(μ<sub>1</sub>+μ<sub>2k</sub>)，则将第k个用户置于中继用户集合中，遍历通信系统中的所有用户，对每个用户都进行上述操作，得到直通用户集合和中继用户集合。本发明方法有效地减轻了信道大尺度衰落对通信系统性能的影响，从而使得系统的和速率得以提高。
文档编号H04W88/08GK101466171SQ200910077110
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者周世东, 引 孙, 李云洲, 王天恒, 翔 陈 申请人:清华大学