用于多中继系统多流单播模式的无线中继节点的选择方法 【技术领域】
本发明涉及一种选择无线中继节点的方法，确切地说，涉及一种用于多中继系统多流单播模式的无线中继节点的选择方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着众多移动新技术的应用，全球移动通信的用户数量和移动数据的业务量需求都在迅速增长。这种增长在给各个运营商带来收益的同时，也带来系统高效运行必须要解决的新问题：增加系统容量和提高频谱资源的利用率。因此，如何利用有限的无线频谱资源为更多的用户提供更全面的服务成为现阶段业内科技人员关注的重要问题之一。
在传统的蜂窝系统中，频谱资源缺乏，小区边缘用户的需求得不到满足，数据传输速率小。为了解决移动通信系统面临的上述问题，采用中继(Relay)技术的宽带无线接入迅速成为目前无线通信领域的研究热点。在蜂窝小区中，Relay技术的应用可以提高基站和位于小区边缘的终端之间的链路性能，在热点(ad-hoc)场景下，Relay技术的应用可以提高发送端和接收端的通信范围。得益于分布式天线增益和分集增益，Relay技术还可以使源节点和目标节点之间的信道容量呈对数型增长。总之，中继技术不仅可以提高系统容量，扩大小区覆盖范围，而且成本低，灵活性好，因此，如何把中继技术应用于IMT-Advanced系统，成为新的无线通信的研究热点。
多中继协议的分类有很多种，按照源节点向多个中继节点传输信号的不同形式可以分为广播和单播两种模式。在广播模式下，源节点向多个中继节点广播发送相同数据流，中继节点对其接收的数据流进行处理后，转发给目标节点。在单播模式下，源节点向各个中继节点发送不同数据流，对中继节点来说，目标数据流以外的其他数据流都被视为干扰，每个中继节点把自己接收到的数据流转发给目标节点。
广播模式一般应用于中继节点能够得知前向信道信息，而且能够保证相位同步的情况下。这样在中继节点进行一些处理，如基于QR分解的预编码、迫零(ZF)滤波、最小均方误差(MMSE)滤波等。多个中继节点发送的信号在目标节点能够同相叠加时，才可以获得分集增益和分布式阵列增益。而单播模式不同，由于源节点向各个中继节点分别发送不同的数据流，这样在目标节点处不需要各个信号的同相叠加，即无相位同步要求，因此中继节点是否能够获得前向信道信息对系统的整体性能并无很大影响，中继节点无开闭环需求。
协同中继节点选择：在协同中继系统中，相对于分布式空时编码技术，采用协同中继节点选择算法，更能有效降低协同中继节点和目标节点的复杂度和成本，存在多个可用中继节点时，可以通过选择协同中继节点来提高传输可靠性，因此中继节点选择技术也是研究的热点问题之一。
下面介绍目前的现有技术中与本发明专利申请最为接近的技术方案：
B.Zhao在文章《Practical relay networks：A generalization of hybrid-ARQ》(选自论文集IEEE Journal on Selected Areas in Communications)提出一种基于地理位置信息、网络拓扑结构信息或传播路径损耗信息的选择最优中继节点的方法；Bletsas在文章《A simple cooperative diversity method based on networkpath selection》(选自论文集IEEE Journal on Selected Areas in Communications)中提出了“机会中继”(OR，opportunistic relaying)的概念，并将传统MIMO系统中的天线选择技术应用到协同中继系统中，提出了简单的分布式单中继节点选择方法，根据信道的实时反馈信息，源节点在多个待选中继中间选择最优的一个中继节点进行信号传输。综上所述，根据决策时所需信息的不同，现有技术的协同中继节点选择方法可以分为两类：一类是基于地理位置信息、网络拓扑结构信息或传播路径损耗信息的中继节点选择算法，另外一类是基于瞬时信道状态信息的中继节点选择算法。前者无需传输实时信道信息和信令，对信道估计的误差不敏感，并且选择的结果可在较长时间内保持不变。但是需要通过其他手段获得某些先验信息，例如位置、拓扑结构或路径损耗等；后者则正好相反。所以，前者仅适用于固定无线接入网络，后者则主要应用于移动无线接入网络。
现有的应用于无线接入网络的中继节点选择方案中，需要传输实时信道信息和信令，源节点根据获得的瞬时信道信息穷举计算每种中继选择下得到的系统容量，再从中选择能够使系统容量最大的一个或者一组中继节点进行中继协同传输。这种方法虽然能够选出最优的中继传输节点，从而使系统容量最大化，但是，在实际应用上存在比较大的缺点。因为这种中继选择方法要求源节点获得实时信道信息，这就需要大量的信令开销来进行反馈传输。这样会给源节点到中继节点之间的链路带来沉重的通信负担。
【发明内容】
有鉴于此，本发明地目的是提供一种用于多中继系统多流单播模式的无线中继节点的选择方法，本发明能够较好地解决现有技术存在的上述问题，既能够保证获得与反馈实时信道信息相比拟的系统容量性能，又能够大量节省反馈信令的传输开销。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于多中继系统多流单播模式的无线中继节点的选择方法，其特征在于：系统在进行单播传输前，所有待选的中继节点分别向源节点反馈传输其相关信道的部分信道信息，以替代现有技术中反馈全部实时信道信息而大量节省反馈信令的传输开销；源节点获得这些信息后，根据本发明系统容量的计算方式，选择最佳的中继节点进行单播传输；同时，所有的中继节点在上述过程中都以设定的周期向源节点更新反馈信道信息，以便进行下一次中继选择；源节点在下一次中继选择开始时，按照上述相同方式选择中继节点，并同样通过信令通知选中的中继节点，未被选中的中继节点继续保持待命状态。
本发明方法的技术创新之处和有益效果包括有下述内容：
传统的中继节点选择方法中，需要中继节点向源节点反馈完全的实时信道信息，才能在源节点进行有效的中继选择。本发明首创提出了一种简化的系统容量计算方法，能够用较少的信道元素计算得到近似的系统容量。该方法是由中继节点向源节点定期反馈其相关信道的奇异值均值和奇异向量，用于代替现有方法中反馈全部实时信道信息的方法，从而大量节省反馈信令的开销，并能获得与反馈全部实时信道信息相比拟的系统容量的优良性能；源节点得到中继节点反馈的上述信令信息后，采用本发明系统信道容量计算公式求解得到近似的系统容量，并选出一组能使系统容量最优的中继节点组合进行多流单播传输。
使用本发明后，中继节点不需向源节点反馈完全的实时信道信息，只要反馈部分信道信息就能够得到与反馈完全的实时信道信息相比拟的效果，大大节省了源节点与中继节点之间的信令传输开销。
本发明提出的由中继节点向源节点定期反馈其相关信道的奇异值均值和奇异向量，就是采用部分反馈信息，并用统计均值来代替瞬时反馈；这样就显著节省了源节点与中继节点之间的信令传输开销。而且，由于中继节点总会与源节点或目标节点的一方保持相对固定的静止关系，因此它们间的信道时变性并不大，这样就能在很长的通信时间内使用相同的统计均值而不用频繁更新，从而在保证选择优化系统容量的中继节点组合的基础上，明显地减少系统的反馈信令开销。
再者，本发明方法的信息反馈方式简单、灵活，四组反馈信令(前向信道的奇异值平方的统计值与奇异向量，以及后向信道的奇异值平方的统计值与奇异向量)既可以采用同周期反馈，也可以采用不同周期反馈；还可以分别根据信道变化情况和信令信道状况来灵活调整各自的反馈周期，具有对无线环境很好的适应性和灵活性。
总之，本发明既能够保证获得与反馈全部实时信道信息相比拟的系统容量性能，又能够大量节省反馈信令的传输开销，同时具有存在操作步骤简单、灵活、便利的特点，具有很好的推广应用前景。
【附图说明】
图1是本发明方法适用的无线多中继通信系统示意图。
图2是本发明方法适用的中继节点的软件功能模块示意图
图3是本发明用于多中继系统多流单播模式的无线中继节点的选择方法操作流程图。
图4是本发明仿真实施例与现有方法的系统容量性能随待选中继节点个数变化的比较示意图。
图5是本发明仿真实施例与现有方法的系统容量性能随信噪比变化的比较示意图。
图6是本发明仿真实施例与现有方法的系统容量性能随后向链路平均信噪比变化比较示意图。
图7是本发明仿真实施例与现有方法的系统容量性能随前向链路平均信噪比变化比较示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，介绍本发明方法的适用场景：单源节点、单目标节点和多个中继节点的无线传输系统的结构组成。源节点S通过多个中继节点Ri向一个目标节点D传输信息。其中的中继节点个数设为M，即中继节点Ri的自然数下标序号i的最大值为M。源节点、中继节点及目标节点均配置多个收发天线。其中，源节点S的发射天线数为NS，中继节点Ri的收发天线数均为，目标节点D的接收天线数为ND；且NS、和ND都大于等于源节点发送的数据流数N，即数据流的数目N与被选中的中继节点数的个数相同，即NS≥N，NRi≥N]]>，ND≥N，并且N＞1。图中，Hj(1)和Hi(2)分别是各个中继节点各自对应的前向链路Ri-D信道和后向链路S-Ri信道的两个增益矩阵。[Hi(1)]j，k[Hi(2)]j，k分别表示矩阵Hj(1)和Hi(2)的第j行、第k列的元素，其满足均值为0。
参见图2，介绍适用于本发明的一个中继节点的功能模块结构组成方框图。为了能够应用本发明多中继的选择方法，中继节点至少要配置下述功能模块：滤波器、发送预编码、放大转发和反馈信息处理，再配置个接收与发送天线。
本发明是一种用于多流单播中继传输方式的多中继选择方法，其操作流程为：系统在进行单播传输前，先由源节点向各个中继发送启动信号；待选的中继节点收到启动信号后，各自获取前向及后向信道矩阵信息，并对其做奇异值分解，统计前向信道和后向信道的奇异值平方的均值和奇异向量，并向源节点反馈以上相关信道的部分信息；获取反馈的这些信道信息后，源节点根据本发明的系统信道容量计算方式，选择最佳的中继节点；在选中中继节点后，通过信令通知被选中的中继节点开始进行多流单播传输工作，未被选中的中继站则不接收源节点传来的数据；同时，所有的中继节点在这个过程中，要以设定的周期向源节点更新反馈信道信息，以便进行下一次中继选择；源节点在下一次中继选择开始时，按照上述相同的方式继续选择中继节点，并同样通过信令通知选中的中继节点进行单播传输，未被选中的中继站继续保持待命状态。
参见图3，详细描述本发明选择方法的操作流程。
步骤1，源节点发送启动中继选择命令：
当系统要进行单播传输时，源节点通过信令通知附近所有能够进行传输的中继节点，把这些中继节点都作为待选中继。
步骤2，中继节点收集及统计部分信道信息：
中继节点接收到源节点发送的启动命令后，每个中继节点执行收集与统计部分信道信息的工作，即为选择进行单播传输的中继节点收集与统计相关信息；具体操作内容如下：
(21)每个中继节点Ri分别获得各自对应的前向链路信道和后向链路信道的两个信道矩阵信息Hi(1)和Hi(2)，自然数下标i是中继节点的序号；
(22)每个中继节点对各自的前向信道矩阵Hi(1)进行奇异值SVD分解，得到Hi(1)的最大奇异值λi，l(1)以及该λi，l(1)对应的左奇异向量Ui，[:，l](1)，即Hi(1)的左奇异矩阵的第一列；再对各自的后向信道矩阵Hi(2)进行SVD分解，得到Hi(2)的奇异值λi，j(2)以及该λi，j(2)对应的右奇异向量vi，[:，j](2)，式中，自然数下标j是将信道矩阵Hi(2)进行SVD分解所得到的从大到小顺序排列的Ns个奇异值中的序列号，Ns为源节点的发射天线个数，是vi，[:，j](2)Hi(2)的右奇异矩阵vi(2)的第j列；
(23)每个中继节点Ri分别统计各自的前向信道最大奇异值λi，l(1)平方的均值E[λi，l(1)2]，再统计各自的后向信道所有奇异值平方的均值E[λi，j(2)2]。
步骤3，信息反馈：
每个中继节点得到选择中继节点所需的部分信道信息后，将这些信息反馈给源节点；由源节点在待选中继节点中选择最优的一组中继节点进行单播传输，此时反馈的信息包括：定期的均值传输和瞬时的奇异向量；具体操作内容如下：
(31)每个中继节点Ri向源节点S反馈各自的前向链路信道矩阵Hi(1)的最大奇异值平方的统计均值E[λi，l(1)2]；
(32)每个中继节点Ri向源节点S反馈各自的后向链路信道矩阵Hi(2)的所有奇异值平方的统计均值E[λi，j(2)2]，式中，自然数下标j是将后向链路信道矩阵Hi(2)进行SVD分解所得到的从大到小顺序排列的奇异值中的序列号；
(33)每个中继节点Ri向源节点S反馈矩阵Hi(1)的左奇异矩阵的第一列Ui，[:，l](1)；
(34)每个中继节点Ri向源节点S反馈矩阵Hi(2)的右奇异矩阵的所有列向量。
步骤4，选择中继节点：
源节点接收到中继节点传来的反馈信息后，根据这些信息选择中继节点，设此时需要在M个待选中继节点中选择N个中继节点进行单播传输；具体操作内容如下：
(41)在M个待选中继节点中任意选择其中的N个中继节点时，共有CMN种选择结果，假设其中第f种选择所选中的中继节点组合为：{Rf1，Rf2…RfN}，自然数下标fi表示被选中的中继节点的序号，fi∈{1，2…M}；
(42)源节点计算该被选择的中继节点组合{Rf1，Rf2…RfN}进行单播传输时，其中的某个被选择的中继节点Rfi处的接收信噪比γi：
先根据中继节点的反馈信息，计算位于源节点处的预编码矩阵w：W=[Vf1,[:,1](2),Vf2,[:,1](2),···VfN,[:,1](2)],]]>式中，为vfi，[:，l](2)后向链路信道矩阵Hfi(2)右奇异矩阵的第一列；再计算过渡矩阵BRi:BRi=(WHVfi(2)Σfi2Vfi(2)HW)-1,]]>式中，vfi(2)为后向链路信道信道Hfi(2)的右奇异矩阵，∑fi为Hfi(2)奇异对角矩阵，vfi(2)H为vfi(2)的共轭转置矩阵；然后就能得到该中继节点Rfi的接收信噪比γi:γi=1N·BRi,[i,i],]]>式中，为过渡矩阵的第i行、第i列的元素。
(43)源节点计算中继节点组合为{Rf1，Rf2…RfN}时，假设只存在中继节点到源节点的传输，不考虑源节点到中继节点的传输时，中继节点Rfi处的数据传输到目标节点后，在目标节点处的接收信噪比ρi：
先计算所有中继节点和目标节点之间的等效信道矩阵HD：HD=[λf1(1)Uf1,[:,1],λf2(1)Uf2,[:,1],···,λfN(1)UfN,[:,1]];]]>式中，λfi，l(1)为信道矩阵Hfi(1)的最大奇异值，Ufl，[:，l]为Hfi(1)的左奇异矩阵的第一列；再计算过渡矩阵BD:BD=(HDHHD)-1,]]>其中HDH为HD的共轭转置矩阵，然后按照下述公式计算该中继节点Rfi向目标节点传输的数据流，在目标节点处的接收信噪比ρi:ρi=1BD,[i,i];]]>式中，BD，[i，i]表示过渡矩阵的第i行、第i列的元素；
(44)假设多中继系统采用该第f种中继组合{Rf1，Rf2…RfN}，计算此时的系统信道容量Cf:Cf=Σk=1Nlog2(1+γk·ρkγk+ρk+1),]]>式中，N为选中的中继节点数，γi为中继节点Rfi接收到的目标信号的信噪比；ρi表示中继节点Rfi处的信号在目标节点处的接收信噪比；
(45)循环执行上述步骤(41)～(44)，直至得到所有可能选择的各种中继组合的系统信道容量，并在所有选择的CMN种不同的中继组合中选取信道容量最大的一组。
步骤5，源节点通过信令通知被选中的中继节点：被选中的中继节点协同源节点进行多流单播传输，未被选中的中继节点继续保持待命状态。
本发明方法在源节点S作出中继节点的选择后，就通知被选中的中继节点，其他未收到通知的中继节点就不接收和转发信号，然后开始进行单播传输。
在单播传输阶段，源节点S使用最大奇异值预编码对待发数据进行预处理。每个被选中的中继节点对于其接收到的信号都使用迫零均衡消除残留的多址干扰，然后，中继节点采用最大奇异值预编码技术对待发送数据进行预处理，并向目标节点转发各自的数据流。
本发明已经进行了多次仿真实施试验，下面介绍实施例的试验情况：
申请人利用本发明所介绍的中继选择方法的通信系统，进行不同仿真条件下的性能试验和评估。不失一般性的，设定天线配置：NS=NRi=ND=2,]]>NS为源节点的发射天线数，为中继节点的收发天线数(设中继节点的收发天线数相等)，ND为目标节点的接收天线数。设需要选择的中继个数N＝2。设S～Ri链路的平均信噪比为Ri～D链路的平均信噪比为
选取返回实时信道信息进行穷举(以下简称穷举法)和随机中继选择方法(以下简称随机法)作为对比。在前后向链路信噪比不变的情况下，考虑改变待选中继节点的个数；在待选中继节点个数固定时，分别对固定各个S～Ri(Ri～D)链路的信噪比相等和不等两种情况进行仿真。评估采用的指标为系统信道容量(Capacity)。
在前后向链路信噪比固定，改变待选中继节点个数的情况：
参见图4所示，当前后向链路的信噪比固定，并且各个中继节点的S～Ri(Ri～D)链路的信噪比相等的情况下，M值较小时，会发现本发明的中继选择方法得到的系统信道容量随着待选中继节点数量M的增大速率非常大；M越大，信道容量增大的速度就越缓慢；当M＞16时，M的增大对系统信道容量的影响已经非常小。在这个过程中，本发明的中继选择方法得到的系统容量要比随机选择的方法高很多，例如：当M＝8时，本发明方法得到的系统容量比随机选择方法要高126.5％，并且只比穷举方法的容量少7.93％。
图5、6、7所示的是分别是ρSRi=ρRiD]]>和改变固定和改变固定和改变三种不同情况下的系统信道容量仿真。在三种情况下，本发明的中继选择方法得到的系统信道容量和穷举方法得到的系统信道容量随信噪比变化的趋势一致，都会随着的增加而增大；本发明的中继选择方法得到的系统信道容量虽然会比穷举方法得到的系统容量要略小，但是仍会比随机选择方法得到的系统容量要大的多。
上述试验说明，本发明方法既能够保证获得与反馈实时信道信息相比拟的系统容量性能，又能够大量节省反馈信令开销，同时具有简单、灵活的特点，具有很好的推广应用前景。