本發(fā)明涉及無線通信技術領域，具體是一種非理想條件下的中繼選擇方法。

背景技術：

中繼通信因其能夠擴展網絡覆蓋和提高系統(tǒng)吞吐量而受到廣泛的關注。中繼選擇是提高系統(tǒng)容量的一種有效方法，如何選取中繼，成為一個值得關注的問題。近年來，很多文獻對中繼選擇策略進行了研究，但是大多中繼選擇策略都基于理想硬件和理想信道狀態(tài)信息。然而在實際系統(tǒng)中，由于中繼價格低廉而被廣泛應用在實際通信系統(tǒng)中，實際中繼網絡中，射頻設備收到非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等非理想硬件損傷的影響。上述損傷雖然可以通過適當的補償和校準算法來減少硬件對系統(tǒng)性能的影響，但是由于估計誤差和校準算法不準確，仍存在一些殘留的損傷，而這些殘留損傷對系統(tǒng)性能仍產生重要的影響。另外，在實際系統(tǒng)中，完全獲知信道狀態(tài)信息是很難滿足的。基于此，本專利提出一種非理想條件下中繼選擇方法。本專利的方法適用于任意衰落信道，例如瑞利、萊斯、nakagami-m、韋伯、α-μ等衰落信道。為了使其具有通用性，本例中給出為α-μ衰落信道，其中α和μ為信道衰落參數，通過設置不同的參數，α-μ分布可以表征為多種衰落分布，例如瑞利(α＝2,μ＝1)、萊斯(α＝2,μ＝2)、nakagami-m(α＝2,μ＝m)、韋伯(μ＝1)。

現有技術中至少存在如下問題：在理想條件下的中繼選擇策略，沒有考慮實際系統(tǒng)面臨的問題，實際通信系統(tǒng)中，存在非理想硬件引起的失真問題，以及無法獲取理想的信道狀態(tài)信息的情況。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種非理想條件下的中繼選擇方法，降低了實際通信系統(tǒng)中的非理想硬件損傷失真和無法獲取非理想信道狀態(tài)信息的技術問題。

一種非理想條件下的中繼選擇方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1：根據非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等殘留損傷，建立基于中繼網絡的廣義硬件損傷模型，得到系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出損傷模型，所述系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出損傷模型由一個源節(jié)點s、n個中繼節(jié)點rn(1≤n≤n)和一個目的節(jié)點d組成：

假定源節(jié)點s與中繼節(jié)點rn之間的參數用下標srn表示，中繼節(jié)點rn與目的節(jié)點d之間的參數用下標rnd表示。和分別是源節(jié)點s和中繼節(jié)點rn的發(fā)送信號；和分別為中繼節(jié)點和目的節(jié)點接收信號；和分別為s→rn和rn→d信道；根據輸入輸出損傷模型獲得收發(fā)端硬件損傷引起的失真噪聲，和分別為第一個時隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數，和分別為第二個時隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數，收發(fā)端硬件損傷引起的失真參數服從高斯分布和代表復高斯接收噪聲，其中i＝srn,rnd。

s2：通過信道估計算法，獲得信道估計誤差統(tǒng)計信息，信道估計誤差

所述步驟s1中的基于中繼網絡的廣義損傷模型，系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出損傷模型可進一步寫作：

其中和分別為s→r和r→d的信道估計誤差，和分別為s→rn和rn→d的估計信道。

s3：根據所述步驟s2中系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出模型，分別計算兩個時隙接收端接收信噪失真比(signal-to-noise-and-distortionratio,sndr)，信噪失真比被定義為信號功率與噪聲功率的比例：

根據信噪失真比的定義，計算得到源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比分別如下：

其中，s→rn和rn→d的信道估計模型分別為和ps和pr分別表示源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)送功率，和分別為s→r和r→d的硬件損傷參數，和分別為s→r和r→d的復合高斯接收噪聲方差。

s4：根據所述步驟s3中源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比獲得最優(yōu)中繼選擇方法；

中繼節(jié)點采用解碼轉發(fā)(df)協議，即當所述源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比小于等于所述中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信失真噪比時，選擇當所述源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比大于所述中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比時，選擇可以表示為：

在無線通信系統(tǒng)中，根據接收端接收信噪失真比，選擇一個中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼節(jié)點，則最大化最小信噪失真比中繼選擇方法為：

中斷概率是用于評價通信系統(tǒng)服務質量的重要性能指標，其定義為端到端的瞬時信噪失真比低于某一個固定閾值γth的概率，在α-μ衰落信道下，系統(tǒng)中斷概率性能為：

其中，中繼個數為n(1≤n≤n)，γth為固定閾值；αi，i＝srn,rnd為信道幅度平方分布函數的形狀參數；m和l為尺度參數。

本發(fā)明所產生的有益效果如下：

1、本發(fā)明提供了一種非理想條件下中繼選擇方法，基于建立中繼網絡的廣義損傷模型，獲得發(fā)送端和接收端失真參數，根據信道估計算法，獲得信道估計誤差。通過計算獲得源節(jié)點到中繼節(jié)點和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比，比較源節(jié)點到中繼節(jié)點和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比，選擇最佳中繼作為源節(jié)點與目的節(jié)點之間通信的橋梁，得到最優(yōu)中斷概率性能，提高了系統(tǒng)性能，從而提升了此方法在實際應用中的可行性。本發(fā)明適用于任意衰落信道，通用性強。

2、本發(fā)明根據實際通信系統(tǒng)中存在的非理想硬件損傷和非理想信道狀態(tài)信息的問題，在此基礎上提出一種中繼選擇方法。考慮非理想硬件造成的失真噪聲更加貼合實際情況，使得中繼選擇方法更有效應用于實際通信系統(tǒng)。考慮非理想信道狀態(tài)信息的條件，是由于在高速率情況下，很難獲得完全信道狀態(tài)信息，這樣也是為了提高本發(fā)明提出的中繼選擇方法的實用性。另外，通過在系統(tǒng)中繼節(jié)點采用本發(fā)明提供的選擇方法，系統(tǒng)的中斷概率性能得到有效提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的場景示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中不同中繼個數下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖4為本發(fā)明實施例中不同閾值下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖5為本發(fā)明實施例中不同衰落信道下中斷概率與平均信噪比的仿真圖；

圖6為本發(fā)明實施例中不同信道估計誤差參數下中斷概率與平均信噪比的仿真圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例來進一步詳細的說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

本發(fā)明適用于任意衰落信道，例如瑞利、萊斯、nakagami-m、韋伯、α-μ等衰落信道。為了使其具有通用性，本實施例中給出的衰落信道為α-μ衰落信道，其中α和μ為信道衰落參數，通過設置不同的參數，α-μ分布可以表征為多種衰落分布，例如瑞利(α＝2,μ＝1)、萊斯(α＝2,μ＝2)、nakagami-m(α＝2,μ＝m)、韋伯(μ＝1)。

如圖1所示，一種非理想條件下中繼選擇方法流程圖，該方法將同時考慮在硬件損傷和非理想信道狀態(tài)信息的前提下進行中繼選擇，使得該中繼選擇方法更適用于實際系統(tǒng)，從而有效提高系統(tǒng)性能，該方法包括以下步驟：

s1：根據非線性功率放大器、同相和正交相位非平衡、相位噪聲以及量化誤差等殘留損傷，建立基于中繼網絡的廣義硬件損傷模型，如圖2所示，圖2為本發(fā)明提出的場景示意圖，包括一個源節(jié)點，一個目的節(jié)點和n個中繼節(jié)點。從n個中繼節(jié)點中選擇一個最佳中繼作為源節(jié)點與目的節(jié)點之間通信的橋梁。源節(jié)點與目的節(jié)點之間通信包括兩個時隙：1、源節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送信息；2、中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息。系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出損傷模型由一個源節(jié)點s、n個中繼節(jié)點rn(1≤n≤n)和一個目的節(jié)點d組成：

假定源節(jié)點s與中繼節(jié)點rn之間的參數用下標srn表示，中繼節(jié)點rn與目的節(jié)點d之間的參數用下標rnd表示。和分別是源節(jié)點s和中繼節(jié)點rn的發(fā)送信號；和分別為中繼節(jié)點和目的節(jié)點接收信號；和分別為s→rn和rn→d信道；根據輸入輸出損傷模型獲得收發(fā)端硬件損傷引起的失真噪聲，和分別為第一個時隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數，和分別為第二個時隙發(fā)送端和接收端硬件失真參數，收發(fā)端硬件損傷引起的失真參數均服從高斯分布和代表復雜高斯接收噪聲，其中i＝srn,rnd。

s2：通過信道估計算法，獲得信道估計誤差統(tǒng)計信息，信道估計誤差

所述步驟s1中的基于中繼網絡的廣義損傷模型，可進一步寫作：

其中和分別為s→r和r→d的信道估計誤差，和分別為s→rn和rn→d信道估計幅度。

s3：根據所述步驟s2中系統(tǒng)兩個時隙的輸入輸出模型，分別計算兩個時隙接收端接收信噪失真比(signal-to-noise-and-distortionratio,sndr)，信噪失真比被定義為信號功率與噪聲功率的比例：

根據信噪失真比的定義，計算得到源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比分別如下：

其中，s→rn和rn→d的信道估計模型分別為和ps和pr分別表示源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)送功率，和分別為s→r和r→d的硬件損傷參數，和分別為s→r和r→d的復合高斯接收噪聲方差。

s4：根據所述步驟s3中源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比和中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比獲得最優(yōu)中繼選擇方法；

中繼節(jié)點采用解碼轉發(fā)(df)協議，即當所述源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比小于等于所述中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信失真噪比時，選擇當所述源節(jié)點到中繼節(jié)點接收信噪失真比大于所述中繼節(jié)點到目的節(jié)點接收信噪失真比時，選擇可以表示為：

在無線通信系統(tǒng)中，根據接收端接收信噪失真比，選擇一個中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼節(jié)點，則最大化最小信噪失真比中繼選擇方法為：

中斷概率是用于評價通信系統(tǒng)服務質量的重要性能指標，其定義為端到端的瞬時信噪失真比低于某一個固定閾值γth的概率，在α-μ衰落信道下，系統(tǒng)中斷概率性能為：

其中，中繼個數為n(1≤n≤n)，γth為固定閾值；αi，i＝srn,rnd為信道幅度平方分布函數的形狀參數；m和l為尺度參數。

本發(fā)明實施例僅以解碼轉發(fā)(df)中繼為例進行說明。

如圖3所示，圖3仿真了不同中繼個數n(1≤n≤n)下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。設置如下：衰落參數αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數κ＝0.1，閾值γth＝2⁵-1＝31，信道估計誤差參數中繼數n＝1和n＝2。從圖中可以看出，多個中繼選擇與單中繼系統(tǒng)性能的對比結果。顯然，當中繼個數增加，通過最大化最小中繼選擇方案選擇出最佳中繼，使得系統(tǒng)的中斷概率性能得到提升。

如圖4所示，圖4仿真了不同閾值下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。具體參數設置如下：衰落參數αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數κ＝0.1，信道估計誤差參數σei＝0.01，中繼數n＝1，閾值γth＝2²-1＝3和γth＝2⁵-1＝31。由圖4可知當取較低的閾值γth＝2²-1＝3時，收發(fā)端硬件損傷和信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響較小。隨著閾值增大γth＝2⁵-1＝31，收發(fā)端硬件損傷對系統(tǒng)性能的影響較為明顯。

如圖5所示，圖5仿真了基于不同衰落參數值下中斷概率隨平均信噪比的變化曲線。具體參數設置如下：硬件損傷參數κ＝0.1，信道估計誤差參數閾值γth＝2⁵-1＝31，中繼數n＝1，衰落參數αi＝2，μi＝1,2,4,10。根據圖5可知在各種衰落參數下，理論分析值與蒙特卡洛仿真值吻合一致。另外，由圖5還可以看出中繼系統(tǒng)性能隨著參數μi的值增加而增加。

如圖6所示，圖6仿真了不同信道估計誤差參數下中斷概率性能隨平均信噪比的變化曲線。具體參數設置如下：衰落參數αi＝2，μi＝1，硬件損傷參數κ＝0.1，閾值γth＝2⁵-1＝31，中繼數n＝2，信道估計誤差參數圖6解釋了信道估計誤差對中斷概率性能的影響，隨著信道估計誤差的增大，中斷概率性能不斷下降。此外，當信道估計誤差相對較大時，隨著信噪比的增加，中斷概率性能曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

通過觀察圖2～圖6，可以看出在非理想硬件和非理想信道狀態(tài)信息條件下，無線通信系統(tǒng)的中斷概率性能明顯低于理想條件下的中斷概率性能，然而通過適當增加中繼的個數，利用所提出的中繼選擇方法可以有效的提高系統(tǒng)中斷概率性能。

要說明的是，上述實施例是對本發(fā)明技術方案的說明而非限制，所屬技術領域普通技術人員的等同替換或者根據現有技術而做的其它修改，只要沒超出本發(fā)明技術方案的思路和范圍，均應包含在本發(fā)明所要求的權利范圍之內。