一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统与流程

本发明涉及协作通信技术领域，特别涉及一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统。

背景技术

协作分集是无线网络中克服衰落、扩大服务覆盖面、提高系统容量的一项重要技术。协作系统中单天线的终端节点按照一定的方式彼此共享各自的天线，形成虚拟的多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)传输和接收阵列，从而获得较高的分集增益。在合作系统中，典型的协作方式有是放大转发(amplify-and-forward，af)和解码转发(decode-and-forward，df)。af更容易实现，但是它在放大有用信号的同时还会放大噪声。df协作方案中中继接收来自源节点的数据，解码，再编码，最后再传输，消除了接收到的信号中所掺杂的噪声。迄今为止的实验已经证明，在低信噪比的条件下，af协议的性能要优于df协议，但是当信噪比较高时，df协议的性能要优于af协议。

网络编码技术在提高资源效率和网络吞吐量方面有很大的潜力。在协作中继技术中应用网络编码的思想，在不需要额外频率资源和发射功率的情况下可以提高协作分集系统的有效性和可靠性，空时编码发射分集技术在很多文献中都有被提出，但其仅仅适用于平坦衰落信道，但在频率选择性信道条件下，空时码的码元周期小于多径衰落的时延扩展，会导致严重的码间干扰，系统中断性能不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统，通过将正交频分复用技术(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)与空时编码技术(space-timecoding，stc)相结合，提出一种总发射功率一定的基于瞬时信道状态信息的功率分配方案，以获得更优的系统中断性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法，所述功率分配方法包括如下步骤：

建立空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；

根据所述空时协作系统模型获得端到端的信噪比；所述端到端的信噪比包括直传信噪比和协作信噪比；

根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子；

根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率。

可选的，所述建立空时协作系统模型，具体包括：

建立所述空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；所述空时协作系统模型中的每个节点均配有单天线，节点间采用半双工的方式进行通信；所述源节点和所述目的节点均采用n位的ofdm调制进行传输；

其中源节点到中继节点的频域信道为hsr＝{hsr(1),hsr(2),...,hsr(n)}；其中hsr(i),i＝1,2...n表示源节点到中继节点的第i个子信道；

其中中继节点到目的节点的频域信道为hrd＝{hrd(1),hrd(2),...,hrd(n)}；其中hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道；

其中源节点到目的节点的频域信道为hsd＝{hsd(1),hsd(2),...,hsd(n)}；其中hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道。

可选的，所述根据所述空时协作系统模型获得端到端的信噪比，具体包括：

根据公式γdirect＝2βdirect,iγ|hsd(i)|²确定所述直传信噪比；其中γdirect表示直传信噪比，βdirect,i为直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；γ为总信噪比；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；

根据公式确定所述协作信噪比；其中γco表示协作信噪比；βco,i为协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；α为源节点的功率分配因子；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；是中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子；hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道。

可选的，所述根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子，具体包括：

根据公式确定直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

根据公式确定协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

根据公式确定中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子。

可选的，所述根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率，具体包括：

根据功率分配因子βdirect,i分配直传时源节点发送的第i个子载波的功率；

根据功率分配因子βco,i分配协作时源节点发送的第i个子载波的功率；

根据功率分配因子分配中继节点发送的第i个子载波的功率。

本发明还提供了一种基于瞬时信道状态信息的功率分配系统，所述功率分配系统包括：

系统模型建立模块，用于建立空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；

信噪比获取模块，用于根据所述空时协作系统模型获得端到端的信噪比；所述端到端的信噪比包括直传信噪比和协作信噪比；

功率分配因子确定模块，用于根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子；

功率分配模块，用于根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率。

可选的，所述系统模型建立模块具体包括：

系统模型建立单元，用于建立所述空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；所述空时协作系统模型中的每个节点均配有单天线，节点间采用半双工的方式进行通信；所述源节点和所述目的节点均采用n位的ofdm调制进行传输；

其中源节点到中继节点的频域信道为hsr＝{hsr(1),hsr(2),...,hsr(n)}；其中hsr(i),i＝1,2...n表示源节点到中继节点的第i个子信道；

其中中继节点到目的节点的频域信道为hrd＝{hrd(1),hrd(2),...,hrd(n)}；其中hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道；

其中源节点到目的节点的频域信道为hsd＝{hsd(1),hsd(2),...,hsd(n)}；其中hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道。

可选的，所述信噪比获取模块具体包括：

直传信噪比确定单元，用于根据公式γdirect＝2βdirect,iγ|hsd(i)|²确定所述直传信噪比；其中γdirect表示直传信噪比，βdirect,i为直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；γ为总信噪比；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；

协作信噪比确定单元，用于根据公式确定所述协作信噪比；其中γco表示协作信噪比；βco,i为协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；α为源节点的功率分配因子；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；是中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子；hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道。

可选的，所述功率分配因子确定模块具体包括：

直传功率分配因子确定单元，用于根据公式确定直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

协作功率分配因子确定单元，用于根据公式确定协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

中继节点功率分配因子确定单元，用于根据公式确定中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子。

可选的，所述功率分配模块，具体包括：

直传功率分配单元，用于根据功率分配因子βdirect,i分配直传时源节点发送的第i个子载波的功率；

协作功率分配单元，用于根据功率分配因子βco,i分配协作时源节点发送的第i个子载波的功率；

中继功率分配单元，用于根据功率分配因子分配中继节点发送的第i个子载波的功率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统，所述方法及系统首先建立空时协作系统模型，并分析所述空时协作系统模型中端到端的信噪比关系，根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子；根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率，从而能够获得更优的系统中断性能。

此外，空时编码发射分集技术在频率选择性信道条件下，空时码的码元周期小于多径衰落的时延扩展，会导致严重的码间干扰。本发明提供的基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统通过将ofdm与空时编码技术相结合，能有效地减少无线信道的频率选择性，弥补了空时码的缺点，同时实现最优多径和空间分集增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法的流程图；

图2为本发明建立的空时协作系统模型的结构示意图；

图3为本发明提供的在时隙ⅰ和时隙ⅱ空时编码信号转发过程的示意图；

图4为本发明提供的在时隙ⅲ和时隙ⅳ空时编码信号转发过程的示意图；

图5为本发明提供的仿真得到的信噪比与中断概率之间的关系曲线图；

图6为本发明提供的一种基于瞬时信道状态信息的功率分配系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法及系统，通过将正交频分复用技术与空时编码技术相结合，提出一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方案，以获得更优的系统中断性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法的流程图。如图1所示，本发明提供的功率分配方法包括如下步骤：

步骤101：建立空时协作系统模型。

图2为本发明建立的空时协作系统模型的结构示意图。参见图2，所述空时协作系统模型包括源节点s、中继节点r和目的节点d，每个节点均配有单天线，节点间采用半双工的方式进行通信。节点s和r均采用n位的ofdm调制进行传输，hsr、hrd和hsd分别表示s到r、r到d以及s到d的频域信道。其中：

hsr＝{hsr(1),hsr(2),...,hsr(n)}；

hrd＝{hrd(1),hrd(2),...,hrd(n)}；

hsd＝{hsd(1),hsd(2),...,hsd(n)}；

节点之间采用df协议进行传输，中继节点r接收源节点s的信号，进行解调译码，对解调信号进行循环冗余校验码(cyclicredundancycheck，crc)检测，如果正确接收则进行转发，具体的发送过程如图3和图4所示。

在中继时隙源节点和中继节点的发送采用了alamouti空时编码(空时块编码，spacetimeblockcode，stbc)：

上式中c是alamouti的编码矩阵，s1和s2是两个连续时隙的发送信号，和分别表示信号s1和s2取复共轭。

空时编码发射分集技术仅适用于平坦衰落信道，在频率选择性信道条件下，空时码的码元周期小于多径衰落的时延扩展，会导致严重的码间干扰。作为一种高效的多载波调制，正交频分复用(ofdm)技术能够抵抗无线的多径衰落，且具有较高的频谱利用率。在ofdm技术中，当子载波数量远大于抽头数量时，借助于ofdm传输，频率选择性信道可以在每个子载波上被分解为相互独立的平坦衰落信道。因此本发明将ofdm与空时编码技术相结合，能有效地减少无线信道的频率选择性，弥补空时码的缺点，同时实现最优多径和空间分集增益。

图3为本发明提供的在时隙ⅰ和时隙ⅱ空时编码信号转发过程的示意图。

图4为本发明提供的在时隙ⅲ和时隙ⅳ空时编码信号转发过程的示意图。在图3和图4中，在时隙ⅰ和ⅲ源节点s将自己的信号广播给目的节点d，作为额外的信号样本，与时隙ⅱ和ⅳ的空时码接收信号进行最大比合并，所以误码率会相应的降低。

步骤102：根据所述空时协作系统模型获得端到端的信噪比。

参见图3和图4，接收信号分为四个时隙，假设所有节点间的信道在发送周期内是准静止的瑞利慢衰落信道。设源节点的发送信号为：

s1＝{s1(1),s1(2),...,s1(n)}

s2＝{s2(1),s2(2),...,s2(n)}

其中，s1表示时隙ⅰ源节点的发送信号，s2表示时隙ⅱ源节点的发送信号，时隙ⅰ与时隙ⅱ为两个连续时隙。

在时隙ⅰ目的节点和中继节点接收源节点发送的信号，可以描述为

其中，yd1(i)表示时隙ⅰ目的节点第i个子信道的接收信号；p1为源节点s的发送功率；hsd(i)表示源节点到目的节点的第i个子信道；s1(i)表示时隙ⅰ源节点第i个子信道的发送信号；nd1(i)表示时隙ⅰ目的节点第i个子信道的噪声信号。

yr1(i)表示时隙ⅰ中继节点第i个子信道的接收信号；hsr(i)表示源节点到中继节点的第i个子信道；nr1(i)表示时隙ⅰ中继节点第i个子信道的噪声信号。

时隙ⅱ目的节点的接收信号为：

其中，yd2(i)表示时隙ⅱ目的节点第i个子信道的接收信号；p1和p2分别为源节点s和中继节点r的发送功率；s2(i)表示时隙ⅱ源节点第i个子信道的发送信号；hrd(i)表示中继节点到目的节点的第i个子信道；表示时隙ⅱ中继节点第i个子信道的发送信号；nd2(i)表示时隙ⅱ目的节点第i个子信道的噪声信号。

其中nd1(i)、nr1(i)和nd2(i)是噪声序列，满足均值为0，方差为n0的复高斯分布。

时隙ⅲ目的节点和中继节点接收源节点发送的信号，可以描述为：

其中，yd3(i)表示时隙ⅲ目的节点第i个子信道的接收信号；表示时隙ⅲ源节点第i个子信道的发送信号；nd3(i)表示时隙ⅲ目的节点第i个子信道的噪声信号。yr3(i)表示时隙ⅲ中继节点第i个子信道的接收信号；nr3(i)表示时隙ⅲ中继节点第i个子信道的噪声信号。

时隙ⅳ目的节点的接收信号为：

分别其中，yd4(i)表示时隙ⅳ目的节点第i个子信道的接收信号；表示时隙ⅳ源节点第i个子信道的发送信号；表示时隙ⅱ中继节点第i个子信道的发送信号；nd4(i)表示时隙ⅳ目的节点第i个子信道的噪声信号。

其中nd3、nr3和nd4是噪声序列，满足均值为0，方差为n0的复高斯分布。

将所有时隙的接收信号进行最大比合并，检测出发送信号s1和s2。由于时隙ⅰ和ⅲ是直传，时隙ⅱ和ⅳ采用空时编码进行发送，因此，最终的信噪比可以表示为：

γtotal＝γdirect+γalamouti(7)

其中，γdirect表示直传信噪比，γalamouti表示空时编码信噪比，γtotal表示最终信噪比。

当中继节点能够正确接收源节点的信号时，式(1)、(3)、(4)和(6)中的接收信号yd1(i)、yd2(i)、yd3(i)、yd4(i)进行最大比合并，得到：

其中，分别表示信号s2和s1的最大比合并；分别为接收信号yd3(i)、yd4(i)的复共轭。其中：

其中，wij(i＝1,2,j＝1,2,3)表示最大比合并时各支路的加权系数；分别为hsd、hrd的复共轭。

所有合并后的总的信噪比为：

当中继节点不能正确接收源节点s的信号时，中继就不能参与转发，此时接收的信噪比为：

步骤103：根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子。

假设系统的发送功率受限，源节点s和中继节点r的发射总功率为p1+p2＝p，p1＝αp，则p2＝(1-α)p。其中α为源节点的功率分配因子。

由于采用ofdm调制，各子载波的瞬时信道差异较大，当s和r均知道瞬时的信道衰减参数时，可以对每个子载波的发送功率进行调配。假设n个子载波进行数据传输，以源节点s为例，一个ofdm符号的总的发送功率为ptotle,s＝np1，即每个子载波的平均发送功率为p1。令第i个子载波的功率分配因子为βi，第i个子载波的发送功率p1i＝βip1，其中i＝1,2,...,n，则可得

以第i个载波为例，因为其中中继节点r会进行crc差错检测，因此，单个载波的信号能够正确传到中继r，并不能够转发，只有一个ofdm符号内所有子载波信号都能正确传输，才能够将这个符号进行转发。所以我们需要综合考虑直传的信噪比与协作的信噪比之间的关系。直传的信噪比为：

γdirect＝2βdirect,iγ|hsd(i)|²(13)

其中γ表示总信噪比；βdirect,i是直传时，源节点s发送的第i个子载波的功率分配因子。

协作的信噪比为：

其中βco,i是协作时，源节点s发送的第i个子载波的功率分配因子；是中继节点r发送的第i个子载波的功率分配因子。

对于βdirect,i，要求信道较差的子载波分配较大功率，否则分配较小的功率。因此可以得：

同样对于协作状态，首先要满足源节点s到中继节点r能够正确传输，因此：

此时剩余的功率为：

步骤104：根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率。具体为：

根据功率分配因子βdirect,i分配直传时源节点发送的第i个子载波的功率；

根据功率分配因子βco,i分配协作时源节点发送的第i个子载波的功率；

根据功率分配因子分配中继节点发送的第i个子载波的功率。

可见，为了提高传统双向无线中继系统的性能，本发明提供的功率分配方法采用解码-转发(df)协议研究了基于ofdm的空时协作系统的功率分配方案，基于瞬时信道状态信息提出一种功率分配方法，首先搭建了空时协作的系统模型，每个节点均配有单天线，节点间采用半双工的方式进行通信，源节点和中继节点均采用n位的ofdm调制进行传输，中继节点的转发采用df协议，并且引入crc校验降低错误前向传播概率；中继时隙源节点和中继节点的发送采用了alamouti空时编码，并且采用最大比合并技术降低误码率；然后分析了端到端的信噪比关系，在系统的发送功率受限的情况下推导了系统的中断概率，并且还对已知瞬时信道状态信息下的功率分配进行了分析，并给出分配方案，获得了更优的系统中断性能。

下面通过仿真来验证本发明提供的一种基于瞬时信道状态信息的功率分配方法的有效性。仿真中假设中继r与接收节点d离得较近，与源节点s离得相对远一点，即δ²sr＝3，δ²sd＝1和δ²rd＝10，采用了n＝128个子载波ofdm调制。其中δ²sr、δ²sd和δ²rd分别表示源节点到中继节点、源节点到目的节点、中继节点到目的节点的距离，上标2表示路径损耗指数。

图5为本发明提供的仿真得到的信噪比与中断概率之间的关系曲线图，横坐标为信噪比，纵坐标表示中断概率。图5给出了两种信道状态下，最优和平均功率分配因子下的系统性能与信噪比的曲线。通过曲线可以看出，最优功率的性能要优于平均功率分配，也要优于其他功率分配下的系统中断性能，理论推导的上界与实际仿真的曲线关系相类似。当信噪比等于10db时是一个界限，当大于这个界限时，平均功率分配下的性能要低于最优功率分配下的性能约2db。从图5中可以看出，本发明基于瞬时信道状态信息的功率分配下的系统性能明显要优于统计信道状态下的系统性能。当中断概率在10^-3时，瞬时信道状态信息下的功率分配系统性能要提高约9db。统计和瞬时信道状态相比，瞬时情况下对系统的要求高，需要实时反馈，使得复杂度变高，即瞬时信道状态信息是用较高复杂度来换取系统的传输性能。

图6为本发明提供的一种基于瞬时信道状态信息的功率分配系统的结构图。如图6所示，本发明还提供一种基于瞬时信道状态信息的功率分配系统，所述功率分配系统包括：

系统模型建立模块601，用于建立空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；

信噪比获取模块602，用于根据所述空时协作系统模型获得端到端的信噪比；所述端到端的信噪比包括直传信噪比和协作信噪比；

功率分配因子确定模块603，用于根据所述端到端的信噪比确定子载波的功率分配因子；

功率分配模块604，用于根据所述功率分配因子分配所述空时协作系统模型中每个子载波的发送功率。

其中，所述系统模型建立模块601具体包括：

系统模型建立单元，用于建立所述空时协作系统模型；所述空时协作系统模型包括源节点、中继节点和目的节点；所述空时协作系统模型中的每个节点均配有单天线，节点间采用半双工的方式进行通信；所述源节点和所述目的节点均采用n位的ofdm调制进行传输；

其中源节点到中继节点的频域信道为hsr＝{hsr(1),hsr(2),...,hsr(n)}；其中hsr(i),i＝1,2...n表示源节点到中继节点的第i个子信道；

其中中继节点到目的节点的频域信道为hrd＝{hrd(1),hrd(2),...,hrd(n)}；其中hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道；

其中源节点到目的节点的频域信道为hsd＝{hsd(1),hsd(2),...,hsd(n)}；其中hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道。

所述信噪比获取模块602具体包括：

直传信噪比确定单元，用于根据公式γdirect＝2βdirect,iγ|hsd(i)|²确定所述直传信噪比；其中γdirect表示直传信噪比，βdirect,i为直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；γ为总信噪比；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；

协作信噪比确定单元，用于根据公式确定所述协作信噪比；其中γco表示协作信噪比；βco,i为协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；α为源节点的功率分配因子；hsd(i),i＝1,2...n表示源节点到目的节点的第i个子信道；是中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子；hrd(i),i＝1,2...n表示中继节点到目的节点的第i个子信道。

所述功率分配因子确定模块603具体包括：

直传功率分配因子确定单元，用于根据公式确定直传时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

协作功率分配因子确定单元，用于根据公式确定协作时源节点发送的第i个子载波的功率分配因子；

中继节点功率分配因子确定单元，用于根据公式确定中继节点发送的第i个子载波的功率分配因子。

所述功率分配模块604，具体包括：

直传功率分配单元，用于根据功率分配因子βdirect,i分配直传时源节点发送的第i个子载波的功率；

协作功率分配单元，用于根据功率分配因子βco,i分配协作时源节点发送的第i个子载波的功率；

中继功率分配单元，用于根据功率分配因子分配中继节点发送的第i个子载波的功率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。