專利名稱：協作通信中基于mcpa門限的功率分配方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信技術領域的方法，具體是一種協作通信中基于平均 信道功率衰減(MCPA)門限的功率分配方法。
背景技術：
隨著當今無線通信業務的迅速發展，無線網絡的用戶對高速率和高性能的語 音、數據以及多媒體服務的需求量越來越大。因此，下一代無線通信系統，例如 B3G/4G，將會采用先進的算法和技術來提高數據傳輸速率和系統性能。無線通信 信道的多徑衰落特性是限制傳輸速率和系統性能的主要原因之一，而分集技術是 有效對抗無線通信信道多徑衰落的關鍵技術。由于能提供顯著的空間分集增益， 多天線(M頂0)技術己被確定為IEEE802. 16系統、W這AX無線局域網系統以及 3GPP LTE (3GPP長期演進型)組織定義的超三代(S3G)蜂窩移動通信系統的下 行傳輸技術，也有希望應用于B3G/4G的下行系統中。但是在無線通信的上行傳 輸系統中，由于受到移動終端的尺寸限制，多天線技術難以實現，而極有可能取 而代之的是目前備受關注的協作通信技術。該技術利用小區內分散的用戶天線協 作傳輸相同的信息，從而能獲得與多天線技術相似的空間分集效果。由于有希望 成為B3G/4G的上行傳輸方案，協作通信吸引了眾多有志于研究下一代無線通信 的專家和學者。他們用系統建模、理論推導和性能驗證等方法產生了大量關于協 作通信的研究成果，這些研究成果大多通過論文的方式展現。許多最新的研究進 展，可以從美國電氣電子工程師學會(IEEE)的期刊雜志中檢索得到。從中不難 發現，功率分配問題成為協作通信中的研究熱點，即哪些用戶能成為協作用戶， 以及如何將總發送功率分配給這些協作用戶。研究協作通信中功率分配的目的是 使得在一定的發送功率條件下，以獲取盡可能好的空間分集效果，具體為盡可能 小的中斷概率。
經對現有技術的文獻檢索發現，Jianghong Luo等在《IEEE Communication Letters》(IEEE 通信技書通訊稿)發表的"Power Allocation in a TransmitDiversity System with Mean Channel Gain Information"(傳輸分集系統中采 用平均信道增益的功率分配方法)，該文中提出門限平均功率分配方法，具體方
法為給候選協作節點的信道質量設定門限值，并由源節點將總發送功率平均分 配給信道質量高于門限的候選協作節點。其不足在于首先，該方法設定的門限 只是根據中斷概率要求而設，并沒有考慮到節點的實際信道狀況，所以會出現門 限值與實際信道狀況不符的情形；其次，平均信道功率增益是常用來表征信道狀 態信息的物理量，然而該量并沒有考慮無線信道中的陰影衰落，不足以表征無線
通信信道的大尺度衰落，從而不足以表征B3G/4G的信道狀況。
因此，有必要尋找一種適用于B3G/4G系統的協作通信中功率分配方法，使
其在各種無線通信信道狀況下，都能獲得良好的分集效果、盡可能小的中斷概率。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術中的不足，提供一種協作通信中功率分配的 方法。本發明通過提出平均信道功率衰減(MCPA)這個物理量來更好的表征無線通 信信道的衰落特性，并在此基礎上提出基于MCPA門限的功率分配方法，使得在 各種信道狀況下都能獲得盡可能小的中斷概率，尤其在信道狀況惡劣的情況下可 獲得顯著的中斷概率性能改善，適用于B3G/4G系統。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明建立在B3G/4G上行系統協作通 信基本模型之上，提出平均信道功率衰減(MCPA)來全面的表征無線信道的衰落特 性，并提出以源節點的MCPA值作為門限值，以使得在各種信道狀況下，都能獲 得較好的協作分集效果。
本發明包括如下歩驟
歩驟一源節點向周圍的候選協作節點發送協作請求消息；
歩驟二收到請求的候選協作節點，將自己的MCPA值同MCPA門限值進行比
較，從而判定自己是否應該發送協作確認消息；
歩驟三源節點根據收到的協作確認總數，向周圍的節點發送功率分配信息； 歩驟四根據收到的功率分配信息，協作節點以分配的功率值協助轉發數據，
從而實現空間分集。
所述的歩驟一中，協作請求消息包含兩部分內容協作請求字符RTC(全稱
Request to Corporate)和源節點自己的MCPA。由于無線電波發射的無方向性，
這些候選協作節點都分布在以源節點為圓心的圓形區域內。在手機用戶密集的城 鎮中，面積較小的圓形區域內，就有足夠多的候選協作節點。這意味著在發送協 作請求時，源節點僅通過較小的發送功率就可以覆蓋一個圓形區域。該發送功率， 與源、目的節點之間上行鏈路的發送功率相比，可以忽略。
所述的步驟二中，采用源節點的MCPA值作為門限值，以使得在各種信道狀 況下，都能獲得較好的協作分集效果。本發明把MCPA門限值設定為源節點的MCPA 值。這樣，信道狀況好于源節點的候選協作節點都可以被選為協作節點，即協作 節點的選取與整體的信道狀況好壞無關。收到協作請求的候選協作節點將自己的 MCPA值同MCPA門限值進行比較判定。候選協作節點若滿足門限條件，則將成為 協作節點，并向源節點發送協作確認字符CTC(Commit to Corporate)。
所述的步驟三中，功率分配信息包含兩部分內容應該平均分配給協作節點 的功率值，和源節點希望發往目的節點的數據。源節點如果沒有收到協作確認， 則進行無協作的發送。
本發明首先針對B3G/4G系統的特點，建立了 B3G/4G系統的協作通信基本模 型，然后提出了平均信道功率衰減(MCPA)這個物理量，并在此基礎上提出了基于 MCPA門限的功率分配方法。與目前常用的平均信道增益相比，MCPA能更好的表 征無線通信信道的衰落特性。而基于MCPA門限的功率分配方法在各種信道狀況 下都能獲得較好的中斷概率性能。特別是當信道狀況比較差時，常用的門限平均 分配方法等同于沒有進行協作時的情形，性能受到急劇惡化，但是本發明所提出 的基于MCPA門限的功率分配方法仍可獲得較好的中斷概率性能。所以，本發明 有更好的普適性和穩健性，更適用于B3G/4G系統。


圖l是B3G/4G系統中基本的協作通信模型圖； 圖2是MCPA與平均信道增益的物理意義比較圖； 圖3是功率分配算法在源節點S處的實現圖； 圖4是功率分配算法在協作節點Cj處的實現圖； 圖5基于MCPA門限的功率分配方法的實現過程圖； 圖6是差信道各種功率分配方法的性能比較圖； 圖7是中信道各種功率分配方法的性能比較圖8是良信道各種功率分配方法的性能比較圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。
下面給出一個具體的協作通信參數配置，并結合附圖來闡述本發明的實現步 驟。需要說明的是，下例中的參數并不影響本發明的一般性。
候選協作節點總數N 10
發送總功率P的變化范圍 0-20dB
隨機輸入信號數目 1000000
協作傳輸模式 Decode-and-Forward (編碼轉發)
傳輸信道衰落模型 瑞利衰落信道
接收端的合并方式 最大比合并
中斷概率的判決門限// 1
以下結合附圖對本發明的具體實施進行詳細的說明 (1)建立B3G/4G系統協作通信的基本模型
圖1是B3G/4G系統中協作通信的基本模型圖。針對B3G/4G系統的特點，本 發明提出了以下四個設定，并根據這四個設定來建立B3G/4G系統中協作通信的 基本模型。
設定l:在城鎮這種手機用戶比較密集的區域中， 一個用戶周圍往往同時有 多個用戶存在。而這些用戶同時向基站發送數據的可能性較小，故可設定在某一 個考察的時間段內，只有一個用戶向基站發送數據并向周圍的N個用戶請求進行 協作通信，并且將該用戶稱為源節點S。由于無線電波的無方向性，源節點S周 圍的N個用戶以S為圓心圍成一個圓形區域，這N個用戶稱為候選協作節點
q,c"…,c、,。源節點和候選協作節點統稱為用戶節點，而基站則被稱為目的節 點D，如圖l所示。
設定2:瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮的無線信道。故設定用 戶節點與目的節點之間的N+l個獨立信道模型為瑞利衰落模型。
設定3:根據B3G/4G系統中基站與用戶之間的關系，可設定每個用戶節
點，僅可知自身與目的節點之間所建立的上行鏈路的信道狀態信息，只有目的節 點基站知道所有這些上行鏈路的信道狀態信息。
設定4:由于目的節點基站的覆蓋范圍大，用戶節點與目的節點之間的距離 較遠，故兩者進行通信需要較大的發送功率。而與之相比，用戶節點之間的距離 可以忽略不計，故有如下設定用戶節點之間的信道狀況足夠好，誤碼率和信道 衰減都可忽略，它們之間進行信息交互時所需要的發送功率也可以忽略。而僅需 考慮用戶節點與目的節點進行通信時所建立的N+l條上行鏈路功率損耗 《,尸2,…,&，其和為P，稱為總功率。
(2)源節點發送協作請求
源節點向周圍的候選協作節點發送協作請求消息，如圖3所示。該協作請求 消息包含兩部分內容協作請求字符RTC(全稱Request to Corporate)和源節 點自己的MCPA。
MCPA(平均信道功率衰減)是本發明提出的用來表征無線信道狀態信息的量。 在目前的協作通信研究中，平均信道功率增益是常用來表征信道狀態信息的物理 量。然而該量并沒有考慮無線信道中的陰影衰落，不足以表征無線通信信道的大 尺度衰落，從而不足以表征B3G/4G的信道狀況。為了能更好的表征B3G/4G中的 信道功率衰減情況，本發明提出了信道功率衰減因子這個統計量。信道功率衰減 因子表征移動通信信道的瞬時功率衰減值，是大尺度衰落和小尺度衰落兩種效應 的疊加。其統計均值，即MCPA (平均信道功率衰減)能有效的反映信道的大尺 度衰落效應。MCPA與平均信道功率增益在物理意義上的比較如圖2所示。根據 系統模型中的假設，小尺度衰落為瑞利衰落。
設"。,"，,…,c^分別為從源節點、候選協作節點到目的節點的N+l條上行鏈
路的信道功率衰減因子，而其均值J。,4,…,Jw則為平均信道功率衰減。由于信 號幅度的衰減服從瑞利分布，故信號功率的衰減服從指數分布。所以信道功率衰 減因子a。,a,，…,c^服從均值為4,4,…,^^的指數分布。依據系統模型中的假
設，用戶僅可知自身上行鏈路的平均信道功率衰減，即源節點處僅知道J。，候
選節點C,處僅知道4。
(3) 收到協作請求的候選協作節點進行自我判定
收到協作請求的候選協作節點，將自己的MCPA值同MCPA門限值進行比較判 定，如圖4所示。滿足門限條件的候選協作節點，將成為協作節點，并向源節點 發送協作確認字符CTC (全稱Commit to Corporate)。
MCPA門限4是從候選協作節點中選取協作節點的依據。當且僅當候選協作
節點C,的平均信道功率衰減4滿足4〉^時，節點C,才成為協作節點。4的取
值直接影響系統的中斷概率性能。作為目前最受關注的方法，門限平均分配方法
依據系統中斷概率的要求來設定4，在目前的文獻中一般取為/7WP，其中
2。該方法的缺點是沒有考慮到信道的實際情況，當整體信道狀況較差，即
平均信道功率衰減4)，4,…，4v都小于7WP時，則沒有滿足條件的協作節點，該
方法就等同于沒有進行協作通信，從而無法獲得分集增益，使系統中斷概率性能 惡化。
為了解決這個問題，使得在各種信道狀況下都能獲得較大的分集增益，本發 明提出將冉設定為源節點的平均信道功率衰減，即有等式(1):
4 = 4) (1)
這樣，信道狀況好于源節點的候選協作節點都可以被選為協作節點，從而保 證了即使當信道狀況較差時，仍可能產生協作節點，即協作節點的選取與整體的 信道狀況好壞無關。
(4) 源節點進行功率分配
源節點根據收到的協作確認總數，向周圍的節點發送功率分配信息，如圖3 所示。該信息包含兩部分內容應該平均分配給協作節點的功率值，和源節點希 望發往目的節點的數據。源節點如果沒有收到協作確認，則進行無協作的發送， 如圖3所示。
(5) 協作節點進行協助轉發
根據收到的功率分配信息，協作節點以分配的功率值協助轉發數據，從而實 現空間分集，如圖4所示。
綜合圖3和圖4，可得基于MCPA門限的功率分配方法的實現過程，如圖5
所示。
圖6、圖7和圖8分別是在差、中、良這三種信道狀況下，各種功率分配方
法的性能比較圖。用于比較的三種功率分配方法是全平均分配方法，門限平均
分配方法，以及本文提出的基于MCPA門限的分配方法。本發明在仿真中給出了 良、中、差這三種信道狀況參數。其中，良信道的信道狀況最好，對應的仿真參
數為4 4。服從
的均勻分布，且^=4=0.5;中信道的信道狀況其次，
對應的仿真參數為4 4。服從
的均勻分布，且4-4:0.25;差信 道的信道狀況最為惡劣，對應的仿真參數為4 A)服從
的均勻分 布，且J。 =4=0.05。
圖6、圖7和圖8分別比較了在差、中、良這三種信道狀況下各種功率分配 方法的中斷概率性能。與圖6相比，圖7和圖8中基于MCPA門限的分配方法雖 然在性能上的改善不顯著，但仍可看出該方法是三種功率分配方法中最佳的。從 這三張圖中比較可知，本發明所提出的基于MCPA門限的分配方法在各種信道狀 況下都有最好的中斷概率性能。
特別的，當信道狀況惡劣時，目前備受關注的門限平均分配方法退化為無協 作時的情形。而此時，本發明所提出的方法與之相比，在中斷概率性能上有平均 3dB的改善，如圖6所示。這表明基于MCPA門限的功率分配方法與同類方法相 比，有更強的穩健性，能適應各種信道狀況。這種普適性和穩健性使得該方法適 用于B3G/4G系統。
權利要求
1、一種協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一源節點向周圍的候選協作節點發送協作請求消息；步驟二收到請求的候選協作節點，將自己的MCPA值同MCPA門限值進行比較，從而判定自己是否應該發送協作確認消息；步驟三源節點根據收到的協作確認總數，向周圍的節點發送功率分配信息；步驟四根據收到的功率分配信息，協作節點以分配的功率值協助轉發數據，從而實現空間分集。
2、 根據權利要求1所述的協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，其特 征是，所述的步驟一中，協作請求消息包含兩部分內容協作請求字符RTC和源 節點自己的MCPA。
3、 根據權利要求1所述的協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，其特 征是，所述的步驟二中，采用源節點的MCPA值作為門限值。
4、 根據權利要求1所述的協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，其特 征是，所述的歩驟二中，協作確認消息為協作請求字符CTC。
5、 根據權利要求1所述的協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，其特 征是，所述的步驟三中，功率分配信息包含兩部分內容應該平均分配給協作節 點的功率值，和源節點希望發往目的節點的數據。
全文摘要
本發明涉及一種協作通信中基于MCPA門限的功率分配方法，用于無線傳輸技術領域。本發明首先由源節點向周圍的候選協作節點發送協作請求，然后，收到協作請求的候選協作節點將自己的MCPA值同門限值進行比較，當滿足門限條件時，候選協作節點被選為協作節點，并向源節點發送協作確認，接著源節點根據收到的協作確認總數向周圍的節點發送功率分配信息，最后協作節點在收到這些信息之后即以分配的功率值協助轉發數據，從而獲得空間分集。本發明在各種質量的信道狀況下，都能獲得較好的中斷概率性能，尤其是在信道質量比較差時，能獲得顯著的性能改善。本發明所具有的普適性和穩健性使其在B3G/4G系統中具有很高的應用價值。
文檔編號H04B7/02GK101364823SQ20081004069
公開日2009年2月11日 申請日期2008年7月17日 優先權日2008年7月17日
發明者桂林卿, 洪志勇, 超 王, 羅漢文, 佳 郭 申請人:上海交通大學