一种适用于双向中继系统的资源优化算法
【专利摘要】一种适用于双向中继系统的资源优化算法，涉及中继选择与功率分配。两收发机利用无线信道分别发送导频序列；每个中继节点分别估计各自的两跳信道系数，设定并开启自己的定时器后处于侦听模式，一旦侦听到有中继接入网络，其它所有中继立刻停止定时器并退出；接入网络的为最优中继，它向两收发机广播自己的信道状态信息；两收发机计算各自的最优发送功率，同时广播各自包含信息量的信息；最优中继接收到两收发机的混合信号后，应用PNC映射获得发送信号，并计算最优发送功率，将映射后的信号广播出去；两收发机收到最优中继发送的数据后，各自通过PNC解调处理获得另一个收发机发送的信息；本发明通过分配资源来提高系统的传输速率。
【专利说明】—种适用于双向中继系统的资源优化算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及双向中继系统的资源优化，具体来讲是一种适用于双向协作传输系统的功率分配与中继选择算法。
【背景技术】
[0002]双向中继是提升频谱效率的有效协议，在双向中继机制中，一个或多个中继节点被配置在两个收发机之间以建立两个方向的数据传输。双向传输有3种实现方式:传统的4步方法包含两个单向中继机制,它并不依赖于网络编码；3步的TDBC(time divisionbroadcast,时分多播)方式需要3个传输时隙来交换两组信息符号，因此提升了 4步方法的带宽有效性；为了进一步提升频谱效率，又出现了 2步的MABC(multiple accessbroadcast，多址多播)，它仅需占用两个时隙即可完成两组信息符号的交换。根据中继节点对接收信号不同的处理方式，MABC的工作模式又可以分为:ANC(Analog Network Coding,模拟网络编码)和PNC (Physical-layer Network coding,物理层网络编码)。
[0003]此外有研究显示，对于特定的节点对，仅为其选择一个最优的中继可以使协作中继机制以最小的开销获得最大的收益。文献“Relay Selection in Dual-HopVehicular Networks”研究了两跳DF(Decode-and-Forward,译码转发)移动网络的中继选择。“Performance Analysis of Hybrid Relay Selection in Cooperative WirelessSystems”考虑了中继节点既可工作在DF又可工作在AF (Amplify-and-Forward,放大转发)模式时，最大化接收信噪比为目标的混合模式中继选择。而且由已有文献的分析可见，通过将有限的功率最优的分派给源和所选中继，系统的性能也可以得到提升。S.Talwar在文献“Joint Relay Sele ction and Power Allocation for Two-Way Relay Networks，，中讨论了使用ANC时双向中继网络的联合中继选择与功率分配。由于中继转发的是来自两个收发机的混合信号缩放后的副本，上述文献中每个方向上数据的传输都会存在一些功率损失，即使在最优功率分配下这种损失依然存在。相比之下，PNC可以弥补这个缺陷。
[0004]如图1所示，为使用PNC的双向协作传输的系统模型，包含两个收发机(S1和S2)，M个中继节点(Rm,m=l，“.，Μ),每个节点均配备一根天线并工作在半双工模式。设想两个收发机之间的直接链路非常弱以至于可以忽略，那么它们仅能通过中继节点的帮助来完成通信。这种情景可能发生在当直接链路被障碍物，如高山等遮挡时。假定网络中的每条链路均经历平坦慢衰落，即信道在多个传输时隙内保持不变，分别标记从第m个中继到收发WS1和S2之间的复对称信道系数为hn和gn。
[0005]图1中显示进行中继选择的两步的MABC，在第一步中，两个收发机S1和S2同时向中继节点发送数据，这可以称为MAC(多址接入)时隙。令Xi表示由Si*送的信息符号，并满足E {I Xi 12} =Pi,这里E {.}代表数学期望，Pi表示信号Xi的发送功率，则第m个中继的接收信号可以表示为:
[0006]=Krxi+gm^2+f\,
[0007]其中\是中继R1^m=I,…，M处的噪声。在第二步中，M个中继中的一个，不失一般性假定其为第m个中继，被选定对其接收信号进行调制后转发给两个收发机。这称为BC (广播)时隙。中继节点所使用的PNC调制，它不需要对接收信号进行译码，而只需简单的应用一种PNC映射来完成(PNC映射过程可参看文献“Hot topic !Physical-layer networkcoding”)。因此两收发机接收的信号分别为:
【权利要求】
1.一种适用于双向中继系统的资源优化算法，包括两个有信息交互的收发机和多个潜在的中继节点，其特征在于，包括如下步骤: 51.两收发机利用无线信道分别发送导频序列，每个中继节点收到导频序列后，分别估计其两跳信道的信道系数hm和gm，并根据该中继节点Rm的两跳信道系数hm和gm设定一个
、 cib参数为Om = -—的定时器,其中a=max( α，β )、b=min( α，β )，α = | hm |2/ σ 2表示该中继
Ia十ο节点Rm第一跳链路的单位接收信噪比，β = I gm IV σ 2表示该中继节点Rm第二跳链路的单位接收信噪比，σ 2为噪声功率； 52.每个中继节点Rm以一个与参数θπ成反比的初始值开启自己的定时器，且在等待各自的定时器衰减到零的过程中都处于侦听模式；一旦侦听到有任何一个中继接入网络，其它所有中继节点立刻停止自己的定时器并退出； 53.接入网络的中继节点即为最优中继节点，它向两收发机广播其两跳信道的信道系数hm和gm ; 54.两收发机根据所述信道状态信息分别计算各自的最优发送功率，以最优发送功率同时广播各自包含信息量的信息； 55.所述最优中继节点接收到来自两收发机的等功率的混合信号后，应用PNC映射获得发送信号，同时根据本地信道状态信息计算最优发送功率，将映射后的信号广播出去； 56.两收发机都收到最优中继节点发`送的数据后，根据各自之前所发送的数据，通过PNC解调处理，各自获得另一个收发机发送的信息。
2.如权利要求1所述的一种适用于双向中继系统的资源优化算法，其特征在于:所述S2中，每个中继节点根据Tm= λ / Θ m开启自己的定时器，其中Tm为与参数Θ m成反比的初始值，λ为初始设定的常数值，用来协调中继之间竞争耗费的时间。
3.如权利要求1所述的一种适用于双向中继系统的资源优化算法，其特征在于:所述两收发机分别为S1和S2，它们以及中继节点Rm的最优发送功率是通过最大化S1 — Rm — S2及S2 — Rm — S1两个方向上传输速率的小者得到的。
4.如权利要求3所述的一种适用于双向中继系统的资源优化算法，其特征在于:优化发送功率时，首先将双向中继看作是两个单向中继系统，继而得到双向中继系统的次优功率。
5.如权利要求4所述的一种适用于双向中继系统的资源优化算法，其特征在于:当所述次优功率被分配给参与通信的三个节点Sp S2及Rm时，再通过调整次优功率或重新分配无用功率来提升目标速率Gin。
6.如权利要求5所述的一种适用于双向中继系统的资源优化算法，其特征在于:通过所述的功率调整，当a ^ β，则对Sp S2及中继Rm的功率调整满足 ^ ο.((χ — 3\ — * ? a I * * Q- ^ΑΡι = ^iajrβ)βΡι，AF>2 = /3 ΑΡ?，= ~βΑ^1 时功率优化问题达至1J最优点，其中5为S1的次优功率值；两收发机及最佳中继的最优发送功率值为:
【文档编号】H04W72/08GK103826295SQ201410033701
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】庞立华, 王静, 张阳, 马延军, 吴延海 申请人:西安科技大学