一种适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法与流程

本发明涉及一种适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，更具体的说，尤其涉及一种中继节点根据其接收信噪比和用户反馈的信噪比事件，自适应地进行译码转发或工作于静默模式，用户根据增量可选择译码转发的实际情况，将从直径传输和中继转发接收到信号进行检测，并恢复期望信号的方法。

背景技术：

通过共享同一时/频/码资源，功率域的非正交多址能够取得较大的频谱效率，受到了工业界和学术的广泛关注。通过利用中继来进行协作传输，协作的非正交多址可以获得增强的系统性能。在协作的非正交多址系统中，当存在直径传输路径时，可选中继(selectiverelaying)和增量中继(incrementalrelay)可以被用来减少中继节点译码错误造成的误差传播。在文献“practicalrelaynetworks:ageneralizationofhybrid-arq”(b.zhaoandm.c.valenti,ieeej.sel.areascommun.,vol.23,no.1,pp.7–18,jan.2005.)中，增量中继的中断性能得到了研究。在文献“performanceanalysisofincrementalrelayingcooperativediversitynetworksoverrayleighfadingchannels,”(s.ikkiandm.h.ahmed,ietcommun.,vol.5,no.3,pp.337–349,feb.2011.)中，增量中继的端到端性能得到了揭示。在文献“performanceofincremental-selectivedecode-and-forwardrelayingcooperativecommunicationsoverrayleighfadingchannels,”(j.l.h.chenandy.x.liu,inproc.ieeewcsp’09,nanjing,china,13-15nov.2009,pp.1–6.)中，通过结合增量中继和可选译码中继，提出了一种适用于单用户的增量可选译码中继方法，该方法相比单一的增量中继可以取得更好的系统性能。

然而，针对协作的非正交多址系统，采用增量中继和可选中继来提高系统性能还缺乏成功的先例。没有充分利用直径和中继传播的动态信道质量变化，现有针对协作的非正交多址系统的协作中继传输方法所取得的系统中断性能较低。此外，固定采用中继节点进行译码转发的方法，在用户接收端能够基于直径传输正确检测信号的情况下，仍然会进行中继，造成了不必要的系统冗余传输。

在本发明中，发明人针对非正交多址下行行链路系统提出了一种适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法。在本方法中，通过中继节点根据节点的接收信噪比事件，进行增量可选的译码转发中继，从而在不显著增加系统复杂度的情况下，起到了降低系统中断概率的效果。

技术实现要素：

本发明为了克服常规的固定译码转发中继造成的冗余传输，并充分利用直径传输和中继传输的协作优势，提供了一种适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法。

本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，对于包含一个中继节点并服务两个用户的非正交多址下行链路传输系统，基站在分组传输第一时隙广播用户的叠加信号；步骤二，中继节点依据自身的接收信噪比和用户反馈的信噪比事件，对照判决准则决定是否进行转发或保持静默；如果中继保持静默，基站开始新的分组传输；如果需要转发，中继转发根据信噪比事件确定的信号；步骤三，用户接收到信号后，根据接收信噪比进行判断是否需要中继协作；如果不需要中继协作，用户对第一时隙接收的信号进行检测；如果需要中继协作，用户根据第一和第二时隙的信噪比事件来进行接收信号检测。

本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，所述步骤一通过以下分步骤来实现：

a)产生两个用户的叠加信号；每一个下行传输分组可以包括一个时隙或两个时隙；在第一时隙中，基站将叠加信号广播给所有节点；基站广播的叠加信号为：

公式(1)中，p是发射功率，α是功率分配系数且满足和αi≥0，xi是用户ui的信息信号；本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，功率系数可设置为αi＝1，即基站可以将功率p全部分配给xi；

b)中继和用户接收信号；在中继节点和用户ui处，接收到的信号分别为：

式中，nr和分别是中继节点和用户ui接收端的噪声；针对译码x1和x2，中继节点的接收信噪比分别为：

式中，ρ＝p/σ²是发射信噪比。

本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，所述步骤二通过以下分步骤来实现：

c)中继节点进行初步判决操作；在第一时隙基站广播xb之后，用户u1和u2将其接收信噪比事件反馈给中继节点；中继节点根据收到的反馈，先作出初步判决中继是否静默；如果需要中继转发，再进一步判决来决定中继的操作行为；中继节点进行增量可选中继的操作流程如图3所示；中继节点进行初步判决的准则如图4所示；在图4中，接收的信噪比事件定义为：

公式(6)中,γth,1和γth,2分布是用户u1和u2的目标传输速率要求正确译码的信噪比,是用户u1在第一个时隙检测x1的接收信噪比，该信噪比为：

和分别是用户u2在第一个时隙检测x1和x2的接收信噪比，该信噪比为

根据图4，中继做出初步判决是否进行转发信号/叠加信号；

d)中继节点进行进一步的判决操作；如果初步判决是进行转发，中继节点进一步检查其接收信噪比是否能够保证正确译码第一时隙接收的信号；中继节点进行进一步判决的准则如图5所示；只有在保证能够正确译码第一时隙接收的信号的前提下，中继节点才进行转发信号/叠加信号；否则，中继节点保持静默，基站开始新的分组传输。

本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，所述步骤三通过以下分步骤来实现：

e)用户接收和检测信号；根据中继是否转发和具体转发的信号，用户对照图5的信噪比事件组合情况，进行相应的接收和检测；各种接收检测方式和最终取得的端到端接收信噪比情况如下：

1)事件根据图5，当事件发生，中继节点使用其全部发射功率来转发x2给用户u2；对用户u1，其端到端接收信噪比根据在第一个时隙内接收到信号决定，则端到端信噪比满足：

在用户u2处，根据第一个时隙内接收信号检测x1；由于当发生时用户u2能够正确检测x1，端到端信噪比满足：

在从第一时隙的接收信号中减去检测到的x1后，采用最大比例合并处理剩余信号和第二时隙的接收信号来检测x2；则用户u2检测x2的端到端信噪比为：

2)事件当事件发生，中继节点在第二时隙转发xb；由于发生，用户u1基于第一时隙接收的信号检测x1；用户u1检测x1的端到端信噪比满足：

在用户u2处，根据两个时隙的接收信号，采用最大比例合并来检测x1；然后，利用连续干扰消除技术来检测x2；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比为：

3)事件在此情况下，中继节点使用其全部功率转发x1来协助用户u1；在用户u1处，采用最大比例合并来检测x1，相应的端到端信噪比为：

由于事件的发生，用户u2利用其在第一个时隙内的接收信号检测其期望信号；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比满足：

4)事件当事件发生，中继转发xb，每个用户采用最大比例合并检测方式；用户u1检测x1的端到端信噪比为：

由于事件已经在第一时隙发生，用户u2采用最大比例合并检测x1，其端到端信噪比满足：

此外，用户u2检测x2的端到端信噪比与公式(15)一致；

5)事件由于在此情况下中继转发xb，用户u1的端到端信噪比与公式(19)一致；在用户u2处，检测x1和x2的端到端信噪比分别与公式(14)和(15)一致；

6)事件在此情况下，中继节点只转发x1；由于事件发生，用户u1的端到端信噪比满足在用户u2处，检测x1和x2的端到端信噪比分别为：

7)事件在此情况下，中继节点转发x1；用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；此外，用户u2处的端到端信噪比满足和

8)事件在此情况下，中继节点转发x1，用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；对用户u2，其端到端信噪比取决于在第一时隙接收的信号并且满足和

9)事件在此情况下，中继节点使用其全部功率转发x1；用户u1和u2都使用最大比例合并来进行检测；用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比分别与公式(21)和(22)一致；

10)中继保持静默的事件:根据图5，对所有中继保持静默的事件，用户u1和u2的端到端信噪比与直径传输在第一时隙取得的端到端信噪比一致，即通过事件确定。

本发明的有益效果是：本发明的适用于非正交多址的增量可选译码转发中继方法，根据中继和用户节点接收到的信噪比所对应的不同事件，使中继节点自适应地工作在译码转发模式或静默模式；用户接收端根据增量可选中继的操作方式，自适应地进行接收信号检测；避免了不必要的中继转发操作，避免了中继译码的错误传播，降低了系统的中断概率。

附图说明

图1为一个非正交多址下行链路传输系统的示意图；

图2为本发明中的基站发射端功能模块结构示意图；

图3为本发明中的增量可选译码转发中继的操作流程图；

图4为本发明中的中继节点的初步判决准则；

图5为本发明中的中继节点的进一步判决准则；

图6为非正交多址系统的各节点的几何分布图；

图7为中断概率随中继位置变化的关系图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

由于采用中继协作可以显著提高非正交多址系统的性能，针对具有直径传输和中继传输的非正交多址系统，本发明提出适用于非正交多址的增量可选中继译码转发方法。为了避免中继译码的错误传播，并避免不必要的中继转发操作，本方面利用中继节点和用户的接收信噪比事件，自适应的控制中继的工作模式，用户接收机自适应地根据中继工作模式进行信号检测。

本发明提出了一种适用于非正交多址的增量可选中继译码转发方法，通过用户反馈接收信噪比事件，中继节点结合自身接收信噪比事件，判决其进入静默模式或译码转发模式；根据中继的工作模式，用户接收机自适应地进行信号检测；相比常规的译码转发中继方式，本发明所提出的方法避免了中继译码转发的错误传播，避免了不必要的中继转发操作，提高了系统的中断性能。

如图1所示的协作的非正交多址下行链路系统，包括一个基站、一个中继和两个用户u1和u2。为方便描述起见，假定所有的节点均配置有单一天线，且工作在半双工模式。将从基站到中继、从基站到用户ui和从中继到用户ui的无线信道记为hsr、hsi和hri。将用户ui的信息信号记为xi，假定其服从零均值和单位方差的高斯分布。假定所有接收端的加性白高斯噪声服从零均值和方差σ²的高斯分布。本发明的方法以基于服务质量的用户来进行说明。针对用户配对情况，假定用户u1具有较低的目标传输速率但需要及时的服务，假定u2具有一定的延迟忍耐性但需要更大的吞吐量。本发明的方法也适用于基于信道质量的用户配对场景。

在本发明的方法中，每一个下行传输分组包括两个时隙。在第一时隙中，基站将叠加信号广播给所有节点。基站广播的叠加信号为：

公式(1)中，p是发射功率，α是功率分配系数且满足和αi≥0。在本发明的方法中，功率系数可设置为αi＝1，即基站可以将功率p全部分配给xi。在图2中，给出了基站发射端的功能模块结构示意图。在中继节点和用户ui处，接收到的信号分别为：

式中，nr和分别是中继节点和用户ui接收端的噪声，hsr和hsi分别是从基站到中继和从基站到用户ui的信道。

在图3中，给出了中继节点的功能模块结构示意图。根据用户u1比用户u2更需要及时服务的要求，中继节点的译码顺序为先译码u1的信号，再译码u2的信号。针对译码x1和x2，中继节点的接收信噪比分别为：

式中，ρ＝p/σ²是发射信噪比。在两个用户处，每个用户在第一时隙不进行译码，并等待第二时隙的传输。在本发明的方法中，在第一时隙基站广播xb之后，用户u1和u2将其接收信噪比事件反馈给中继节点；中继节点根据收到的反馈，做出初步判决是否进行转发信号/叠加信号。如果初步判决是进行转发，中继节点进一步检查其接收信噪比是否能够保证正确译码第一时隙接收的信号。只有在保证能够正确译码第一时隙接收的信号的前提下，中继节点才进行转发信号/叠加信号；否则，中继节点保持静默，基站开始新的分组传输。进行上述增量可选中继的操作流程如图3所示。

图4给出了中继节点在进行初步判决时的判决准则；根据该准则，中继决定是否转发信号给用户u1和u2。在图4中，接收的信噪比事件定义为：

公式(6)中，γth,1和γth,2分布是用户u1和u2的目标传输速率要求正确译码的信噪比,的，是用户u1在第一个时隙检测x1的接收信噪比，该信噪比为：

和分别是用户u2在第一个时隙检测x1和x2的接收信噪比，该信噪比为：

在作出初步判决后，中继节点进一步对其接收信噪比进行评估，并根据图5的准则作出判决，进入中继转发模式或静默模式。图5的判决准则，是在图4的判决准则的基础上，根据中继接收信噪比作出的进一步操作判决的内容。例如，当事件发生时，图4给出的初步判决是由中继节点根据图5转发xb。在此情况下，中继继续检测具体是哪一种{ε1,ε2,ε3}事件发生，并由此作出最终操作判决。如果事件ε1发生，则中继转发xb。然而，如果事件ε2发生，考虑到译码x2发生错误，则中继只转发x1。类似的，当事件ε3发生，即使有事件发生，则中继保持静默。在用户接收端，假定每个用户可以获知中继转发信号的基本信息，即{x1,x2,xb}中的哪一个会被转发，从而可以在接收端采用最大比例合并来检测信号。根据不同的信噪比事件，用户接收端采取不同的检测方式。各种检测方式和相应的端到端接收信噪比情况如下：

1)事件根据图5，当事件发生，中继节点使用其全部发射功率来转发x2给用户u2；对用户u1，其端到端接收信噪比根据在第一个时隙内接收到信号决定，则端到端信噪比满足：

在用户u2处，根据第一个时隙内接收信号检测x1；由于当发生时用户u2能够正确检测x1，端到端信噪比满足：

在从第一时隙的接收信号中减去检测到的x1后，采用最大比例合并处理剩余信号和第二时隙的接收信号来检测x2；则用户u2检测x2的端到端信噪比为：

式中，hri是从中继到用户ui的信道；

2)事件当事件发生，中继节点在第二时隙转发xb；由于发生，用户u1基于第一时隙接收的信号检测x1；用户u1检测x1的端到端信噪比满足：

在用户u2处，根据两个时隙的接收信号，采用最大比例合并来检测x1；然后，利用连续干扰消除技术来检测x2；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比为：

3)事件在此情况下，中继节点使用其全部功率转发x1来协助用户u1；在用户u1处，采用最大比例合并来检测x1，相应的端到端信噪比为：

由于事件的发生，用户u2利用其在第一个时隙内的接收信号检测其期望信号；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比满足：

4)事件当事件发生，中继转发xb，每个用户采用最大比例合并检测方式；用户u1检测x1的端到端信噪比为：

由于事件已经在第一时隙发生，用户u2采用最大比例合并检测x1，其端到端信噪比满足：

此外，用户u2检测x2的端到端信噪比与公式(15)一致；

5)事件由于在此情况下中继转发xb，用户u1的端到端信噪比与公式(19)一致；在用户u2处，检测x1和x2的端到端信噪比分别与公式(14)和(15)一致；

6)事件在此情况下，中继节点只转发x1；由于事件发生，用户u1的端到端信噪比满足在用户u2处，检测x1和x2的端到端信噪比分别为：

7)事件在此情况下，中继节点转发x1；用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；此外，用户u2处的端到端信噪比满足和

8)事件在此情况下，中继节点转发x1，用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；对用户u2，其端到端信噪比取决于在第一时隙接收的信号并且满足和

9)事件在此情况下，中继节点使用其全部功率转发x1；用户u1和u2都使用最大比例合并来进行检测；用户u1的端到端信噪比与公式(16)一致；用户u2检测x1和x2的端到端信噪比分别与公式(21)和(22)一致；

10)中继保持静默的事件:根据图5，对所有中继保持静默的事件，用户u1和u2的端到端信噪比与直径传输在第一时隙取得的端到端信噪比一致，即通过事件确定。

上述10种类型的事件包括了所有可能的端到端信噪比事件组合。通过将这些信噪比事件可以划分为3种类型：中断事件、非中断事件和不确定事件，可确定每个用户的中断概率。

对本发明的方法所取得的效果，通过了仿真实验进行了验证。在仿真实验中，考虑如图6所示的节点几何分布情况：基站处于单位圆圆心，两个用户位于圆周上。设置路径损失模型为其中路径损失衰减系数为τ＝3，dij代表节点间的距离且有i∈{s,r}和j∈{r,1,2}。在图7中，给出了中继节点的位置与系统中断概率的关系。在仿真实验中，设置参数为ρ＝30db、r1＝1bps/hz、r2＝2.5bps/hz、θ1＝15°和θ2＝-15°。在仿真中，中继的位置沿着水平方向从靠近基站处移向用户处。在图7中，没有直径协作的译码中继传输方法所取得的用户u1和u2的中断概率也作为对比结果给出，并以“dfw/odl表示；没有采用中继的直径传输方式取得的结果以“dlw/or”表示。图7的结果表明：本发明的方法，对用户u1和u2，取得了最小的中断概率。当中继的位置从dsr等于0.1增加到0.9时，本方法取得的中断概率呈现先减小后增加的趋势。图7的结果还表明：本方法对应的最佳中继位置应该靠近基站。

综上可知，本发明的适用于非正交多址的增量可选中继译码转发方法，通过用户反馈接收信噪比事件，中继节点结合自身接收信噪比事件，判决其进入静默模式或译码转发模式；根据中继的工作模式，用户接收机自适应地进行信号检测；相比常规的译码转发中继方式和没有利用直径的中继方式，本发明所提出的方法避免了中继译码转发的错误传播，避免了不必要的中继转发操作，提高了系统的中断性能。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。