一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法
【專利摘要】一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，該方法是發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)直連鏈路信道質(zhì)量信息反饋?zhàn)赃m應(yīng)選擇發(fā)射天線獲得系統(tǒng)最大分集增益，主要包括步驟：首先接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)頻信號估計直連鏈路信噪比并與系統(tǒng)解調(diào)門限比較，如果高于解調(diào)門限，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)直連鏈路信噪比最大化準(zhǔn)則選取發(fā)射天線與接收節(jié)點(diǎn)直接通信，中繼節(jié)點(diǎn)不參與轉(zhuǎn)發(fā)；否則發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)中繼鏈路信噪比最大化準(zhǔn)則選取發(fā)射天線，通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。與傳統(tǒng)的中繼固定參與轉(zhuǎn)發(fā)方法相比，本方法能夠合理使用中繼，有效利用信道資源，提高了系統(tǒng)頻譜利用率且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。
【專利說明】 一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對有直連鏈路的多天線中繼系統(tǒng)中發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇問題，設(shè)計了一種新的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇(Transmit Antenna Selection, TAS)方法,具體是一種利用信道估計和信息反饋來優(yōu)化發(fā)射天線選擇的方法，屬于無線通信系統(tǒng)中多天線【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]多天線技術(shù)被公認(rèn)為未來高速無線數(shù)據(jù)接入網(wǎng)的必選技術(shù)方案之一。它在原有的時域、頻譜和碼域的三維資源上增加了空間維度，通過先進(jìn)的信號處理技術(shù)，可以在不增加帶寬的基礎(chǔ)上，具有成倍提高通信系統(tǒng)的吞吐量，擴(kuò)大通信覆蓋范圍、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、增?qiáng)頻譜效用以及降低功率消耗等優(yōu)勢。在多天線技術(shù)中，發(fā)射天線選擇/最大比合并接收方案(Transmit Antenna Selection with Maximal-Ratio Combining, TAS/MRC)倉泛夠以較少的開銷和較低的復(fù)雜度來實(shí)現(xiàn)全分集增益，因此受到越來越多的關(guān)注。在傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)多天線系統(tǒng)中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的每根天線依次發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)利用接收的導(dǎo)頻估計出各發(fā)射天線信道鏈路質(zhì)量，發(fā)送節(jié)點(diǎn)只需根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的信息反饋來選擇一根最優(yōu)發(fā)射天線與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。但在有直連鏈路的多天線中繼系統(tǒng)中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇同時影響直連鏈路和中繼鏈路的鏈路質(zhì)量，能最大化直連鏈路接收信噪比的發(fā)射天線對于中繼鏈路來說可能是非最優(yōu)的發(fā)射天線，相反地，能最大化中繼鏈路接收信噪比的發(fā)射天線對于直連鏈路來說也可能是非最優(yōu)的。所以如何在有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中選擇發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線，以較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度獲得較多的系統(tǒng)分集增益成為人們研究的執(zhí)占。
[0003]目前，關(guān)于有直連鏈路的多天線中繼系統(tǒng)的發(fā)射天線選擇方法主要有以下兩種:
[0004]第一種方法以最大化系統(tǒng)接收信噪比為目標(biāo)，被稱為最優(yōu)天線選擇方法(TAS-Optimal)，主要步驟:首先中繼節(jié)點(diǎn)(R)天線依次廣播導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)(D)根據(jù)導(dǎo)頻信號估計每條天線的鏈路質(zhì)量并將中繼最優(yōu)發(fā)射天線序號反饋給中繼節(jié)點(diǎn)。然后發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)天線依次廣播訓(xùn)練序列，中繼節(jié)點(diǎn)使用最優(yōu)發(fā)射天線轉(zhuǎn)發(fā)收到的訓(xùn)練信號，接收節(jié)點(diǎn)收取來自直連鏈路和中繼鏈路的訓(xùn)練信號后，根據(jù)放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward，AF)中繼系統(tǒng)瞬時端到端信噪比計算公式對每根發(fā)射天線端到端的信噪比進(jìn)行估計，比較得到最佳發(fā)射天線序號并反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。
[0005]這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠最大化端到端信噪比，使得中斷概率(OutageProbability)最小，獲得系統(tǒng)最大分集增益NsND+NKmin (Ns, Nd) ,Ns, Ne和Nd分別代表發(fā)送節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)目?？紤]到中繼節(jié)點(diǎn)工作在半雙工模式，接收節(jié)點(diǎn)估計發(fā)送節(jié)點(diǎn)任意一根發(fā)射天線的端到端信噪比都需要占用兩個時隙，完成發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇需要花費(fèi)2隊個時隙，占用系統(tǒng)帶寬多，開銷大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，所以這種方法在實(shí)際系統(tǒng)中并不常用。此外，此方法對于AF中繼系統(tǒng)來說能夠選出發(fā)送節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)射天線，但并不適用于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward, DF)中繼系統(tǒng)。[0006]第二種方法分別以最大化直連鏈路接收信噪比和最大化中繼鏈路接收信噪比為目標(biāo)進(jìn)行發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇，主要步驟:發(fā)送節(jié)點(diǎn)天線依次廣播導(dǎo)頻信號，根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號，中繼節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)分別估計各自與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信道狀態(tài)信息，然后通過控制信道向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋相應(yīng)鏈路的最佳發(fā)射天線序號，最后發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇直連鏈路最佳發(fā)射天線(TAS-SD)或者中繼鏈路最佳發(fā)射天線(TAS-SRD)與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
[0007]此方法同時適用于AF和DF中繼系統(tǒng)。由于不需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號參與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線選擇，所以選擇過程只需要占用Ns個時隙，系統(tǒng)開銷小，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。但是這種方法復(fù)雜度的降低卻是以犧牲多天線中繼系統(tǒng)分集增益性能來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)選取直連鏈路最佳發(fā)射天線進(jìn)行通信時，我們只能獲得直連鏈路的分集增益，即NsNd，此時中繼鏈路第一跳分集增益為Νκ，中繼鏈路分集增益為NKmin(l，Nd);當(dāng)選取中繼鏈路最佳發(fā)射天線發(fā)送信息時，我們只能獲得中繼鏈路的分集增益，即NKmin (Ns, Nd)，此時直連鏈路分集增益為Nd ；在這兩種情況下，系統(tǒng)分集增益分別降低為NsND+NKmin (I, Nd)和ND+NKmin (Ns, Nd)。
[0008]在這兩種TAS方法中，中繼節(jié)點(diǎn)都會固定參與轉(zhuǎn)發(fā)，所以系統(tǒng)每傳輸一個符號需要占用兩個時隙(中繼節(jié)點(diǎn)工作在時分復(fù)用模式)，頻譜利用率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有多天線中繼系統(tǒng)中TAS策略的不足，考慮系統(tǒng)頻譜利用率及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的情況下，提出了一種基于直連鏈路中斷情況的自適應(yīng)TAS策略，以較低的開銷獲取系統(tǒng)最大分集增益。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0011]一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選`擇方法，它包括以下步驟:(I)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)S通過所有發(fā)射天線依次向接收節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R廣播導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)接收導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度，選擇各自鏈路即直連鏈路S — D和中繼鏈路S — R中發(fā)送節(jié)點(diǎn)端配置的最佳發(fā)射天線序號i和j ;
[0012](2)、接收節(jié)點(diǎn)D計算瞬時直傳鏈路接收信噪比Ysd:
[0013](3)、接收節(jié)點(diǎn)D將Ysd與系統(tǒng)解調(diào)門限Yth作比較；
[0014]如果Y SD > Y th，選擇直連鏈路傳輸信息，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播選擇直連鏈路的消息，同時，接收節(jié)點(diǎn)通過控制信道向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋直連鏈路最佳發(fā)射天線序號i，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇該天線i通過直連鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)；
[0015]如果Y SD〈 Y th，則選擇中繼鏈路傳輸信息，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播選擇中繼鏈路的消息，中繼節(jié)點(diǎn)收到消息后，通過控制信道將中繼鏈路最佳發(fā)射天線序號j反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇該天線j通過中繼鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明的步驟(1)具體包括:發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)S通過所有發(fā)射天線依次向接收節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R廣播導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)接收導(dǎo)頻信號的信號強(qiáng)度，選擇各自鏈路最佳發(fā)射天線序號i和j，其中i代表使得直連鏈路S — D中接收端信噪比最大化的發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，j代表使得中繼鏈路S — R中接收端信噪比最大化的發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，i和j分別通過下式求得
[0017]i = arg max { h【D } , j = arg max { h^R 1.l<p<Ns 1F)l<p<Ns 1F)[0018]其中，p表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，Ns表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的總數(shù)；
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，其特征在于它包括以下步驟: (1)、發(fā)送節(jié)點(diǎn)S通過所有發(fā)射天線依次向接收節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R廣播導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)接收導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度，選擇各自鏈路即直連鏈路S — D和中繼鏈路S — R中發(fā)送節(jié)點(diǎn)端配置的最佳發(fā)射天線序號i和j ; (2)、接收節(jié)點(diǎn)D計算瞬時直傳鏈路接收信噪比Ysd: (3)、接收節(jié)點(diǎn)D將Ysd與系統(tǒng)解調(diào)門限Yth作比較； 如果YsdS ≥gammath，選擇直連鏈路傳輸信息，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播選擇直連鏈路的消息，同時，接收節(jié)點(diǎn)通過控制信道向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋直連鏈路最佳發(fā)射天線序號i，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇該天線i通過直連鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)； 如果Y SD〈 Y th，則選擇中繼鏈路傳輸信息，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播選擇中繼鏈路的消息，中繼節(jié)點(diǎn)收到消息后，通過控制信道將中繼鏈路最佳發(fā)射天線序號j反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇該天線j通過中繼鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，其特征在于步驟(1)具體包括:發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)S通過所有發(fā)射天線依次向接收節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R廣播導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)接收導(dǎo)頻信號的信號強(qiáng)度，選擇各自鏈路最佳發(fā)射天線序號i和j，其中i代表使得直連鏈路S — D中接收端信噪比最大化的發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，j代表使得中繼鏈路S — R中接收端信噪比最大化的發(fā)送節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，i和j分別通過下式求得
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，其特征在于步驟(2)具體包括:接收節(jié)點(diǎn)D采用下述公式計算瞬時直傳鏈路接收信噪比Ysd:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，其特征在于步驟(3)具體包括:接收節(jié)點(diǎn)將Ysd與系統(tǒng)解調(diào)門限Yth作比較，如果Yth,則選擇直連鏈路，接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播內(nèi)容為I的一比特消息，約定內(nèi)容I表示選擇直連鏈路，并通過控制信道向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋直連鏈路最佳發(fā)射天線序號i ;如果YSD< Y th，則選擇中繼鏈路，接收節(jié)點(diǎn)廣播內(nèi)容為O的一比特消息，約定內(nèi)容O表示選擇中繼鏈路，中繼節(jié)點(diǎn)收到消息O后，通過控制信道將中繼鏈路最佳發(fā)射天線序號j反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有直連鏈路的多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送天線選擇方法，其特征在于步驟(4)之后還包括:(5)、天線選擇和數(shù)據(jù)傳輸階段的步驟: 如果收到選擇直連鏈路的消息，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選取直連鏈路最佳發(fā)射天線i與接收節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，中繼節(jié)點(diǎn)收到選擇直連鏈路的消息后進(jìn)入休眠模式不參與轉(zhuǎn)發(fā)； 如果收到選擇中繼鏈路的消息，發(fā)送節(jié)點(diǎn)選取中繼鏈路最佳發(fā)射天線j在第一時隙與中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，此時接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，在第二時隙轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前，中繼節(jié)點(diǎn)所配置的天線會依次向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送導(dǎo)頻信號，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收導(dǎo)頻信號的信號強(qiáng)度，計算該中繼鏈路的最佳發(fā)射天線序號I并向中繼節(jié)點(diǎn)反饋該最佳發(fā)射天線序號1，
/ = argmax{||h^y， 其中q表示中繼節(jié)點(diǎn)所配置的發(fā)射天線的序號，表示鏈路R — D中通過中繼節(jié)點(diǎn)端配置的第q根發(fā)射天線與所有接收節(jié)點(diǎn)天線之間的的矢量信道，A I ^ q ^ Ne, I ^ m ^ Nd,表示鏈路R — D中第q根發(fā)射天線與第m根接收天線之間的信道；= ^|2+1/42f +…+卜，f的大小代表鏈路R — D中繼節(jié)點(diǎn)端配置的第q根發(fā)射天線時的信道質(zhì)量；IlIh^lU表示求使得||hpDl最大的發(fā)射天線的序號q作為I。
【文檔編號】H04B7/06GK103763015SQ201410046557
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】王金龍, 陳瑾, 李國鑫, 黃育偵, 任國春, 龔玉萍, 張玉明 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)