基于量化映射转发连续中继的协作广播系统及广播方法与流程

本发明涉及协作广播技术领域，特别涉及基于量化映射转发连续中继的协作广播系统及广播方法。

背景技术：

协作广播是一个用于组播数据传输的有效途径。在协作广播系统中，一个中继(或者多个中继)在监听到源节点发给目标节点的信号时，会协助将该信号转发给目标节点。

依据中继模式，协作广播系统可以划分为两大类：解码转发和放大转发。这类系统有两个重要的性能指标：中断概率和吞吐量。其中，中断概率被用来评估单个解码中继的协作广播系统性能，在考虑最优中继的情况下，单个解码转发还可应用于中继协作广播系统的中断概率中。协作广播系统的中断概率研究也被扩展到了存在同信道干扰和频谱共享的认知系统，还可采用分布式和集中式协作方案的协作广播系统提出，并通过最优功率分配和中继定位策略来改善系统性能。

另外一个指标吞吐量，主要应用于解码中继的系统上。通过推导出来的吞吐量的解析表达式，信道感知的协作方案被提出来达到更高吞吐量和维持所有用户良好的公平。在协作广播系统中，分层博弈的资源分配策略被提出来平衡源节点-中继链路和中继-目标节点链路的吞吐量。

在上述基于放大转发和解码转发的协作广播系统中，当中继转发信号给所有目标节点时，源节点为了避免产生干扰不得不停止传输新的信号。为了克服这个问题，协作单播系统采用了连续中继方案；在该系统中，通过不同中继轮流转发信号的方式，源节点可以连续传输信号，重叠编码被用来减少中继间干扰所导致的可达速率损耗。另一方面，一种称为量化映射转发的新中继模式被首次提出，其通过转换中继转发的信号为高斯编码，进而获得了比放大转发、解码转发更高的可达速率。在协作单播系统中，目标节点解码信号时可以通过边信息来完美地消除中继间干扰；因此，中断概率和吞吐量的性能都被提高了。

但现阶段中，并未将连续中继与量化映射转发结合运用在协作广播系统中，因此本申请的结合连续中继与量化映射转发的协作广播系统的广播方法应运而生。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于量化映射转发连续中继的协作广播系统，包括源节点及通信连接所述源节点的至少两个中继，还包括通信连接每个所述中继的至少两个目标节点；在非首次、末次的当前时隙，所述源节点传输第二新信号至第一中继，同时第二中继传输由上一时隙所述源节点传输而至的第一新信号至所有所述目标节点，所述目标节点解码所述第一新信号；在下一时隙，所述源节点传输第三新信号至除第一中继外的其他中继，同时所述第一中继传输所述第二新信号至所有所述目标节点，所述目标节点解码所述第二新信号。

优选地，在每个时隙中，所述源节点传输新信号前，每个所述目标节点依次传输试点信号至所有所述中继，每个所述中继通过所述试点信号及互易定律评估自身至所有目标节点之间链路的信道状态信息；每个所述中继还依据可达速率计算式评估自身的可达速率并将对应的可达速率值反馈给所述源节点；所述源节点依据所述可达速率值选择具备最大可达速率的所述中继作为当前时隙的最优转发中继，并通知选定的所述最优转发中继。

优选地，在每一时隙中，被选中的所述最优转发中继通过信标将上一时隙自身与产生干扰的所述中继之间的信道增益传输给所有所述目标节点；所述目标节点通过所述信标中包含的信道增益，以及上一时隙接收的新信号，消除当前时隙接收的新信号中所包含的中继间干扰。

优选地，所述可达速率计算式的推导过程为：

设所述源节点为s，所述目标节点为dn，所述中继为rk；所述源节点与中继间，以及所述中继与所述目标节点间的所述传输信道的复合信道系数分别设为hk与gk,n；对于所有的k和n，hk和gk,n的平均功率设为βsr和βrd；所述中继间的信道增益设为ri,j(i,j∈sk和i≠j)；所述源节点和中继的传输功率分别设为ps和pr；设所述源节点s与中继rk在时隙t的传输信号分别设为xs[t]与xk[t]；

为了不失一般性，在时隙t-1，假定中继r1被选中来转发信号给所有目标节点。设在时隙t时，选定所述中继rq(q∈sk\1)转发信号xq[t]至所有所述目标节点；所述中继rp(p∈sk\q)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

在时隙t+1时，选定所述中继ru(u∈sk\q)转发信号xu[t+1]给所有所述目标节点；所述中继rv(v∈sk\u)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

其中，是方差为n0的加性高斯白噪声；

对于任一时隙，所述中继rk(k∈sk)的接收信号被量化为，

量化噪声是均值为0且方差为δk的复合高斯变量，而δk是量化失真水平；

量化映射转发速率设为，

在所述公式(6)中，对于所有的k和n，和是参数为和的指数随机变量；

协作广播系统的可达速率取决于传输速率最弱的所述目标节点，所述可达速率为，

其中，关于δk单调递减，而关于δk单调递增，所述公式(7)可得出最优量化水平为，

将所述公式(9)代入所述公式(7)，得出，

设定在当前时隙的上一时隙，选定所述中继rj转发信号至所述目标节点，在当前时隙下，可选的所述中继的集合为sk\j；

当ik达到最大值时，k为最优中继的下标，定义为，

将所述公式(11)代入所述公式(10)，得出最优量化映射中继的传输速率为，

优选地，中断概率定义为可达速率低于事先预定的目标传输速率rth的概率，表示为，

其中，表示t+1个时隙完成了t次传输，和fγk(z)是γk的累积分布函数；

设和的概率密度函数分别为，

对于所有的k和n，可得和的累计分布函数分别为，

根据所述公式(17)，获得的累计分布函数为，

求导所述公式(18)，得出的概率密度函数为，

其中可表示为，

将所述公式(16)和(19)代入所述公式(20)，获得如下：

其中，k1(x)是第二类一阶变形贝塞尔函数；

将所述公式(21)代入所述公式(13)，中断概率为，

在协作广播系统中，吞吐量表示每秒成功交付信号给所有所述目标节点的速率，具体为，

本发明还提出了一种基于量化映射转发连续中继的协作广播方法，包括以下步骤：

s1，预先设置源节点及通信连接所述源节点的至少两个中继，以及通信连接每个所述中继的至少两个目标节点；

s2，在非首次、末次的当前时隙，所述源节点传输第二新信号至第一中继，同时第二中继传输由上一时隙所述源节点传输而至的第一新信号至所有所述目标节点，所述目标节点解码所述第一新信号；

s3，在下一时隙，所述源节点传输第三新信号至除第一中继外的其他中继，同时所述第一中继传输所述第二新信号至所有所述目标节点，所述目标节点解码所述第二新信号。

优选地，在所述步骤s1后，所述步骤s2前，设置有步骤：

sx1，每个所述目标节点依次传输试点信号至所有所述中继，每个所述中继通过所述试点信号及互易定律评估自身至所有目标节点之间链路的信道状态信息；

sx2，每个所述中继依据可达速率计算式评估自身的可达速率并将对应的可达速率值反馈给所述源节点；

sx3，所述源节点依据所述可达速率值选择具备最大可达速率的所述中继作为当前时隙的最优转发中继，并通知选定的所述最优转发中继；

在所述步骤s2中，所述第一中继为非首次、末次的当前时隙的最优转发中继；

在所述步骤s3中，所述除第一中继外的其他中继为非首次、末次的当前时隙的下一时隙的所述最优转发中继。

优选地，在所述步骤s2与步骤s3中，所述中继传输由上一时隙所述源节点传输而至的新信号至所有所述目标节点，所述目标节点解码所述新信号，具体为：

所述中继通过信标将上一时隙自身与产生干扰的所述中继之间的信道增益传输给所有所述目标节点，所述目标节点通过所述信标中包含的信道增益，以及上一时隙接收的新信号，消除当前时隙接收的新信号中所包含的中继间干扰。

优选地，在所述步骤sx2中，所述可达速率计算式的推导过程为：

设所述源节点为s，所述目标节点为dn，所述中继为rk；所述源节点与中继间，以及所述中继与所述目标节点间的所述传输信道的复合信道系数分别设为hk与gk,n；对于所有的k和n，hk和gk,n的平均功率设为βsr和βrd；所述中继间的信道增益设为ri,j(i,j∈sk和i≠j)；所述源节点和中继的传输功率分别设为ps和pr；设所述源节点s与中继rk在时隙t的传输信号分别设为xs[t]与xk[t]；

为了不失一般性，在时隙t-1，假定中继r1被选中来转发信号给所有目标节点。设在时隙t时，选定所述中继rq(q∈sk\1)转发信号xq[t]至所有所述目标节点；所述中继rp(p∈sk\q)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

在时隙t+1时，选定所述中继ru(u∈sk\q)转发信号xu[t+1]给所有所述目标节点；所述中继rv(v∈sk\u)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

其中，是方差为n0的加性高斯白噪声；

对于任一时隙，所述中继rk(k∈sk)的接收信号被量化为，

量化噪声是均值为0且方差为δk的复合高斯变量，而δk是量化失真水平；

量化映射转发速率设为，

在所述公式(6)中，对于所有的k和n，和是参数为和的指数随机变量；

协作广播系统的可达速率取决于传输速率最弱的所述目标节点，所述可达速率为，

其中，关于δk单调递减，而关于δk单调递增，所述公式(7)可得出最优量化水平为，

将所述公式(9)代入所述公式(7)，得出，

设定在当前时隙的上一时隙，选定所述中继rj转发信号至所述目标节点，在当前时隙下，可选的所述中继的集合为sk\j；

当ik达到最大值时，k为最优中继的下标，定义为，

将所述公式(11)代入所述公式(10)，得出最优量化映射中继的传输速率为，

优选地，中断概率定义为可达速率低于事先预定的目标传输速率rth的概率，表示为，

其中，表示t+1个时隙完成了t次传输，和是γk的累积分布函数；

设和的概率密度函数分别为，

对于所有的k和n，可得和的累计分布函数分别为，

根据所述公式(17)，获得的累计分布函数为，

求导所述公式(18)，得出的概率密度函数为，

其中可表示为，

将所述公式(16)和(19)代入所述公式(20)，获得如下：

其中，k1(x)是第二类一阶变形贝塞尔函数；

将所述公式(21)代入所述公式(13)，中断概率为，

在协作广播系统中，吞吐量表示每秒成功交付信号给所有所述目标节点的速率，具体为，

由上可知，应用本发明提供的技术方案可以得到以下有益效果：

第一，本发明提出一种由连续转发中继构建的协作广播系统及其广播方法，也即当中继向目标节点转发信号时，源节点可同时向中继传输新信号，在保证信号传输效率的同时，尽量减少信号间干扰，令目标节点能还原出原始信号；

第二，本发明在每一次转发信号前，会优先确定当前时隙的最优转发中继，再通过最优转发中继转发该信号，令转发中继具备最大可达速率，提高采用本发明的协作广播系统转发信号的速率。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例中协作广播系统在当前时隙下转发链路模型图；

图2为本发明实施例中协作广播系统在当前时隙的下一时隙的转发链路模型图；

图3为比较基于量化映射转发、放大转发和解码转发协作广播系统关于snr的中断概率；

图4为比较基于量化映射转发、放大转发和解码转发协作广播系统关于snr的吞吐量。

图示说明：量化映射转发协作广播系统(qmf)；放大转发协作广播系统(af)；解码转发协作广播系统(df)；中断概率(outageprobability)；吞吐量(throughput)。

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付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。

如图1与图2所示，本实施例提出了一种基于量化映射转发连续中继的协作广播系统，主要包括源节点、中继与目标节点；其中中继至少有两个，且任一中继与源节点间通信连接；目标节点数量至少为二，且任一目标节点与每个中继间通信连接；在非首次、末次的当前时隙下，源节点传输第二新信号至第一中继，同时第二中继传输由上一时隙源节点传输而至的第一新信号至所有目标节点，目标节点解码第一新信号；在下一时隙，源节点传输第三新信号至除第一中继外的其他中继，同时第一中继传输第二新信号至所有目标节点，目标节点解码第二新信号。

在本实施例中，若为首次传输，则源节点向任意中继转发信号，在当前时隙的下一时隙，上一时隙接收信号的中继将该信号转发至目标节点，同时源节点向另一中继转发另一信号，也即一次信号从源节点转发至目标节点时，需经过两个时隙，而在任一时隙下，源节点与中继均产生转发动作，提高了转发效率。

更具体的，在每个时隙中，源节点传输新信号前，每个目标节点依次传输试点信号至所有中继，每个中继通过试点信号及互易定律评估自身之所有目标节点之间链路的信道状态信息；每个中继还依据可达速率计算式评估自身的可达速率并将对应的可达速率值反馈给源节点；源节点依据可达速率值选择具备最大可达速率的中继作为当前时隙的最优转发中继，并通知选定的最优转发中继。

在本实施例中由于采用连续中继，因此每一时隙下都需要重新确定当前时隙的最优转发中继，具体为将当前时隙可达速率最大的中继定为当前时隙下的最优转发中继，确保源节点与中继间的转发速率。

更具体的，在每一时隙中，被选中的最优转发中继通过信标将上一时隙自身与产生干扰的中继之间的信道增益传输给所有目标节点；目标节点通过信标中包含的信道增益，以及上一时隙接收的新信号，消除当前时隙接收的新信号中所包含的中继间干扰。

在本实施例中，任一中继通过信标，以及上一时隙的信道增益传输至目标节点，令目标节点根据上述数据可消除中继间干扰，进而令目标节点解码后的数据可尽量还原源节点发送的信号，保证本实施例中协作广播系统的信号还原度。

更具体的，可达速率计算式的推导过程为：设所述源节点为s，所述目标节点为dn，所述中继为rk；所述源节点与中继间，以及所述中继与所述目标节点间的所述传输信道的复合信道系数分别设为hk与gk,n；对于所有的k和n，hk和gk,n的平均功率设为βsr和βrd；所述中继间的信道增益设为ri,j(i,j∈sk和i≠j)；所述源节点和中继的传输功率分别设为ps和pr；设所述源节点s与中继rk在时隙t的传输信号分别设为xs[t]与xk[t]；

为了不失一般性，在时隙t-1，假定中继r1被选中来转发信号给所有目标节点。设在时隙t时，选定所述中继rq(q∈sk\1)转发信号xq[t]至所有所述目标节点；所述中继rp(p∈sk\q)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

在时隙t+1时，选定所述中继ru(u∈sk\q)转发信号xu[t+1]给所有所述目标节点；所述中继rv(v∈sk\u)和所述目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

其中，是方差为n0的加性高斯白噪声；

对于任一时隙，所述中继rk(k∈sk)的接收信号被量化为，

量化噪声是均值为0且方差为δk的复合高斯变量，而δk是量化失真水平；

量化映射转发速率设为，

在所述公式(6)中，对于所有的k和n，和是参数为和的指数随机变量；

协作广播系统的可达速率取决于传输速率最弱的所述目标节点，所述可达速率为，

其中，关于δk单调递减，而关于δk单调递增，所述公式(7)可得出最优量化水平为，

将所述公式(9)代入所述公式(7)，得出，

设定在当前时隙的上一时隙，选定所述中继rj转发信号至所述目标节点，在当前时隙下，可选的所述中继的集合为sk\j；

当ik达到最大值时，k为最优中继的下标，定义为，

将所述公式(11)代入所述公式(10)，得出最优量化映射中继的传输速率为，

在本实施例中，可达速率作为判断每一时隙下最优转发中继的唯一因素，其确定过程对于本实施例的协作广播系统尤其重要。

更具体的，中断概率与吞吐量作为所述协作广播系统的评判参数；

其中，所述中断概率定义为可达速率低于事先预定的目标传输速率rth的概率，表示为，

其中，表示t+1个时隙完成了t次传输，和是γk的累积分布函数；

设和的概率密度函数分别为，

对于所有的k和n，可得和的累计分布函数分别为，

根据所述公式(17)，获得的累计分布函数为，

求导所述公式(18)，得出的概率密度函数为，

其中可表示为，

将所述公式(16)和(19)代入所述公式(20)，获得如下：

其中，k1(x)是第二类一阶变形贝塞尔函数；

将所述公式(21)代入所述公式(13)，中断概率为，

在协作广播系统中，吞吐量表示每秒成功交付信号给所有所述目标节点的速率，具体为，

在本实施例中，协作广播系统采用连续中继的方式为首创方式，因此需要对该协作广播系统进行判别，在本实施例中还需要采用中断概率与吞吐量进行。

本实施例还提出了一种基于量化映射转发连续中继的协作广播系统的广播方法，主要包括以下步骤：s1，预先设置源节点及通信连接所述源节点的至少两个中继，以及通信连接每个所述中继的至少两个目标节点；

s2，在非首次、末次的当前时隙，源节点传输第二新信号至第一中继，同时第二中继传输由上一时隙源节点传输而至的第一新信号至所有目标节点，目标节点解码第一新信号；

s3，在下一时隙，源节点传输第三新信号至除第一中继外的其他中继，同时第一中继传输第二新信号至所有目标节点，目标节点解码第二新信号。

更具体的，在步骤s1后，步骤s2前，设置有步骤：

sx1，每个目标节点依次传输试点信号至所有中继，每个中继通过试点信号及互易定律评估自身至所有目标节点之间链路的信道状态信息；

sx2，每个中继依据可达速率计算式评估自身的可达速率并将对应的可达速率值反馈给源节点；

sx3，源节点依据可达速率值选择具备最大可达速率的中继作为当前时隙的最优转发中继，并通知选定的所述最优转发中继；

在步骤s2中，第一中继为非首次、末次的当前时隙的最优转发中继；

在步骤s3中，除第一中继外的其他中继为非首次、末次的当前时隙的下一时隙的最优转发中继。

更具体的，在步骤s2与步骤s3中，中继传输由上一时隙源节点传输而至的新信号至所有目标节点，目标节点解码新信号，具体为：

中继通过信标将上一时隙自身与产生干扰的中继之间的信道增益传输给所有目标节点，目标节点通过信标中包含的信道增益，以及上一时隙接收的新信号，消除当前时隙接收的新信号中所包含的中继间干扰。

更具体的，在步骤sx2中，可达速率计算式的推导过程为：

设源节点为s，目标节点为dn，中继为rk；源节点与中继间，以及中继与目标节点间的传输信道的复合信道系数分别设为hk与gk,n；对于所有的k和n，hk和gk,n的平均功率设为βsr和βrd；中继间的信道增益设为ri,j(i,j∈sk和i≠j)；源节点和中继的传输功率分别设为ps和pr；设源节点s与中继rk在时隙t的传输信号分别为xs[t]与xk[t]；

为了不失一般性，在时隙t-1，假定中继r1被选中来转发信号给所有目标节点。设在时隙t时，选定中继rq(q∈sk\1)转发信号xq[t至所有目标节点；中继rp(p∈sk\q)和目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

在时隙t+1时，选定中继ru(u∈sk\q)转发信号xu[t+1]给所有目标节点；中继rv(v∈sk\u)和目标节点dn(n∈sn)的接收信号可分别表示为，

其中，是方差为n0的加性高斯白噪声；

对于任一时隙，中继rk(k∈sk)的接收信号被量化为，

量化噪声是均值为0且方差为δk的复合高斯变量，而δk是量化失真水平；

量化映射转发速率设为，

在公式(6)中，对于所有的k和n，和是参数为和的指数随机变量；

协作广播系统的可达速率取决于传输速率最弱的所述目标节点，可达速率为，

其中，关于δk单调递减，而关于δk单调递增，公式(7)可得出最优量化水平为，

将公式(9)代入公式(7)，得出，

设定在当前时隙的上一时隙，选定中继rj转发信号至目标节点，在当前时隙下，可选的中继的集合为sk\j；

当ik达到最大值时，k为最优中继的下标，定义为，

将公式(11)代入公式(10)，得出最优量化映射中继的传输速率为，

另外，在本实施例中提出的协作广播系统的广播方法，其还采用了中断概率与吞吐量作为评判所述协作广播系统的指标参数；其中，所述中断概率定义为可达速率低于事先预定的目标传输速率rth的概率，表示为，

其中，表示t+1个时隙完成了t次传输，和是γk的累积分布函数；

设和的概率密度函数分别为，

对于所有的k和n，可得和的累计分布函数分别为，

根据所述公式(17)，获得的累计分布函数为，

求导所述公式(18)，得出的概率密度函数为，

其中可表示为，

将所述公式(16)和(19)代入所述公式(20)，获得如下：

其中，k1(x)是第二类一阶变形贝塞尔函数；

将所述公式(21)代入所述公式(13)，中断概率为，

在协作广播系统中，吞吐量表示每秒成功交付信号给所有所述目标节点的速率，具体为，

优选地，为了不失一般性，本实施例中假定βsr＝βrd＝1，以及设系统参数rth＝1bps/hz和t＝10000。

请参见图3，因此，对于不同的n和k值，对比基于量化映射转发、放大转发和解码转发的协作广播系统关于变量snr的中断概率。首先，中断性能会随着n的增加而变差；相反地，它也会随着k的增加而变好。其次，我们可以观察到，对于所有的snr取值范围，量化映射转发的性能都比解码转发和放大转发更好。此外，随着n或者k的增加，性能差距会越来越大。

请参见图4，对于不同的n和k值，我们展示基于量化映射转发、放大转发和解码转发协作广播系统关于变量snr的吞吐量。在整个snr取值范围内，量化映射转发的吞吐量极大的胜过解码转发和放大转发。此外，随着snr的增加，量化映射转发吞吐量的增加速度比解码转发和放大转发更快。而当snr超过某一个值(例如图2中的24db)时，所有转发方式的吞吐量达到饱和状态。在饱和状态下，无论n和k为何值量化映射转发的吞吐量几乎是放大转发和解码转发的两倍。

综上所述，本实施例提出的一种基于量化映射转发连续中继的协作广播系统及广播方法，其转发速率较高，同时根据中断概率与吞吐量可知，本实施例提出的协作广播系统与其余广播系统相比，具备更优越的性能。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。