專利名稱：一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法，屬于無線通信領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
超寬帶技術(shù)使用持續(xù)時(shí)間極短的脈沖來傳送信號(hào)，這一技術(shù)起初在上世紀(jì)60年 代用于雷達(dá)領(lǐng)域，在1990年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃局才開始使用超寬帶這一術(shù)語(yǔ)。相比于其 他的無線通信系統(tǒng)，超寬帶通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如能量消耗低、對(duì)現(xiàn)存的其他無線通系 統(tǒng)干擾小、高的數(shù)據(jù)傳輸速率以及精確的時(shí)間分辨率。由于上述種種原因，超寬帶被認(rèn)為是 未來無線個(gè)域網(wǎng)通信最具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。協(xié)作通信的思想打破了 MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目、終端體積的局限性，通過共享各協(xié)作 終端天線及其他資源來創(chuàng)造一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)行分布式的數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理。 采用協(xié)作通信技術(shù)較傳統(tǒng)通信可以提高服務(wù)通信質(zhì)量、擴(kuò)展覆蓋范圍、提高鏈路的可靠性。 將協(xié)作通信的思想引入到超寬帶系統(tǒng)，可以在低功耗的基礎(chǔ)上擴(kuò)展覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)高速通對(duì)于協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的中繼方案研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。Bletsas首先將MAC層 的機(jī)會(huì)中繼選擇與物理層的協(xié)作分集相結(jié)合，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)路徑選擇的協(xié)作分集方 案。該方案在MAC層中通過機(jī)會(huì)中繼選擇，選取最佳中繼實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集。大多數(shù)現(xiàn)存的中繼 選擇方案均采用了基于優(yōu)先級(jí)的退避計(jì)時(shí)器機(jī)制O^iority-based Backoff Timer,PBT), 在PBT機(jī)制中，信源發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送(Request To Send，RTS)幀，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收到來自目的 節(jié)點(diǎn)的清除發(fā)送(Clear To Send, CTS)幀之后，便設(shè)置一個(gè)與鏈路質(zhì)量成反比的本地計(jì)時(shí) 器，然后中繼節(jié)點(diǎn)開始監(jiān)聽信道準(zhǔn)備接收信息。當(dāng)計(jì)時(shí)器完畢時(shí)便發(fā)送一個(gè)標(biāo)志信息通知 其他中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)避。在PBT機(jī)制當(dāng)中，中繼鏈路的質(zhì)量是信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié) 點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)信道質(zhì)量的函數(shù)(最小值或者平均)，能夠最大化中繼鏈路質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)將被 選為中繼節(jié)點(diǎn)。但這種PBT機(jī)制并不適用于協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)，因?yàn)槌瑢拵到y(tǒng)的發(fā)射 功率低、接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過多的控制包開銷會(huì)影響系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)有效性。眾所周 知，由于使用納秒級(jí)的窄脈沖，超寬帶系統(tǒng)對(duì)于小尺度衰落具有一定的魯棒性，加之在協(xié)作 超寬帶通信系統(tǒng)中我們可以引入分集來對(duì)抗多徑衰落，所以協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)對(duì)小尺度 衰落具有很好的魯棒性。另外，超寬帶系統(tǒng)具有良好的測(cè)距性能。已有人針對(duì)以上超寬帶 系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)出了高吞吐量的中繼選擇方案。中繼節(jié)點(diǎn)的選擇對(duì)于整個(gè)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的性能 會(huì)產(chǎn)生影響，但是通過仿真分析我們發(fā)現(xiàn)，中繼節(jié)點(diǎn)采用不同的中繼協(xié)議同樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)性 能產(chǎn)生重要影響。目前來看，尚無人有針對(duì)性地研究聯(lián)合MAC層和物理層的協(xié)作超寬帶通 信系統(tǒng)優(yōu)化問題以及對(duì)應(yīng)中繼方法。公開號(hào)為CN101800567，名稱為“協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙分配及中繼節(jié)點(diǎn)選擇方 法”的發(fā)明專利提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙分配方法，可以有效保證在均值附近的信道增益對(duì)應(yīng) 的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)隙得到有效的區(qū)分，降低了中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)在接收端的沖突概率，進(jìn)而可以快速地選擇一個(gè)有效的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，保證了協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的性能增益。該專利具有 一定的優(yōu)點(diǎn)，但其沒有改變傳統(tǒng)中繼選擇方法中控制包開銷過多的問題，不能有效改善系 統(tǒng)吞吐量，并且未涉及中繼選擇與協(xié)議轉(zhuǎn)換的聯(lián)合優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的卻陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶 通信系統(tǒng)的中繼方法，以實(shí)現(xiàn)MAC層中繼節(jié)點(diǎn)選擇與物理層中繼協(xié)議轉(zhuǎn)換的聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法，由以下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包 括單信源節(jié)點(diǎn)、多中繼節(jié)點(diǎn)、單目的節(jié)點(diǎn)，其中信源節(jié)點(diǎn)配置單天線，并通過無線信道向中 繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)；中繼節(jié)點(diǎn)接收到來自于信源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)之后，根據(jù)已經(jīng)提前 獲得的鏈路信息選擇使中繼鏈路誤比特率性能最好的中繼協(xié)說然后通過其天線將信號(hào)發(fā) 送至目的節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)來自于信源節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路和中繼節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸， 該中繼方法的具體步驟如下A、協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)準(zhǔn)備開始工作；B、信源節(jié)點(diǎn)及中繼節(jié)點(diǎn)利用自身高精度的物理層測(cè)距能力分別測(cè)量各中繼節(jié)點(diǎn) 到信源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)間的距離，并鑒別信道場(chǎng)景(L0S或者NL0S)；C、確定各中繼節(jié)點(diǎn)到信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的距離以及信道場(chǎng)景(L0S或者 NL0S)后，利用距離信息分別計(jì)算直傳鏈路與中繼鏈路的誤比特率；第i條中繼鏈路的誤比 特概率可以近似表示為 Pb(dn，di2) = l-(l-BER(dn，y)) (l-BER(di2，Y ))，其中 dn、di2 分別 為第i條中繼鏈路第一跳和第二跳的傳輸距離，Y表示特定信道場(chǎng)景(L0S或者NLOQ下的
路徑損耗指數(shù)，鏈路任一跳的誤比特率為
權(quán)利要求
1. 一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法，由以下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括 單信源節(jié)點(diǎn)、多中繼節(jié)點(diǎn)、單目的節(jié)點(diǎn)，所有通信節(jié)點(diǎn)均只需配置單天線并具有獲取信道信 息的能力。信源節(jié)點(diǎn)通過無線信道向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)；中繼節(jié)點(diǎn)接收到來自 于信源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，根據(jù)已經(jīng)獲得的鏈路信息選擇使中繼鏈路誤比特率性能最好的中繼 協(xié)議，然后通過其天線將信號(hào)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)來自于信源節(jié)點(diǎn)的直 傳鏈路和中繼節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸，該中繼方法的具體步驟如下A、協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)準(zhǔn)備開始工作；B、信源節(jié)點(diǎn)及中繼節(jié)點(diǎn)利用自身高精度的超寬帶測(cè)距能力分別測(cè)量各中繼節(jié)點(diǎn)到信 源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)間的距離，并鑒別信道場(chǎng)景；C、確定各中繼節(jié)點(diǎn)到信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的距離以及信道場(chǎng)景(L0S或者NL0S)后， 利用距離信息分別計(jì)算直傳鏈路與中繼鏈路的誤比特率；第i條中繼鏈路的誤比特概率可 以近似表示為 Pb(dn，di2) = l-(l-BER(dn，y)) (l-BER(di2, Y ))，其中 dn、di2 分別為第 i 條中繼鏈路第一跳和第二跳的傳輸距離，Y表示特定信道場(chǎng)景(L0S或者NLOQ下的路徑損耗指數(shù)，鏈路任一跳的誤比特率為朋i^Wir/clAi-dO^Q^fy^/2^)/2，其中erfcO為互補(bǔ)誤差函數(shù)，&為發(fā)送單個(gè)脈沖消耗的能量，Ns為每一比特的重復(fù)次數(shù)，N0 為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度，ζ (S)表示單極性脈沖的自相關(guān)函數(shù)，α (d, y)= A1CIy為信道增益，d表示兩通信節(jié)點(diǎn)間的距離，A1表示在Im處的路徑損耗，γ表示在特定 信道場(chǎng)景下的路徑損耗指數(shù)；直傳鏈路的誤比特率可表示為BER (dsd，Y)，其中dsd表示直傳 鏈路的距離；D、比較計(jì)算得到的直傳鏈路誤比特率BER(dsd，γ)和每條中繼鏈路的近似誤比特概率 Pb(dn，di2)，以最小化誤比特率為目標(biāo)來判斷選用直傳鏈路還是中繼鏈路；E、如果步驟D的判斷結(jié)果為直傳鏈路誤比特率小于各中繼鏈路的誤比特率，則使用信 源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的直接鏈路傳輸信息，同時(shí)所有中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避；F、如果比較結(jié)果為某條中繼鏈路的誤比特率小于直傳鏈路的誤比特率，則使用誤比 特率最小的中繼鏈路輔助信源節(jié)點(diǎn)傳輸信息，其他中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避，選定的中繼節(jié)點(diǎn)根 據(jù)位置信息和信道場(chǎng)景分別計(jì)算采用放大前向轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和譯碼前向轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議時(shí)的誤比特 率①采用AF協(xié)議時(shí)，Pb,AF = erfc(SNR)/2，其中Pb, AF表示采用AF中繼協(xié)議時(shí)的誤比特 率，SNR表示整條鏈路的信噪比，其表達(dá)式如下SNR = min {SNR (Cl1，y),SNR(d2, γ)}，其中 SNR ((I1, y),SNR(d2, γ)分別表示第一跳和第二跳鏈路的信噪比，SNR進(jìn)一步可由下式表示SNR = min\aidl,rlEpNs (1-ξ(δ)α( 2'^ΕρΝχ (1-ξ(δ)\ ,信道增益 α 與距離 d 和 Y 的關(guān) I 2iV0IN0J系、&、NS、ζ (δ)、Ν。參數(shù)的含義表示與步驟C相同；②采用DF 協(xié)議時(shí)，PbDF= 1-(I-BEIUd1, y)) (l-BER(d2, Y ))，其中 PbDF 表示采用 DF 中 繼協(xié)議時(shí)的誤比特率，BEIUd1, y),BER(d2, Y )分別表示第一跳和第二跳鏈路的比特錯(cuò)誤 概率，BER與d和γ的關(guān)系表示與步驟C相同；G、比較AF中繼協(xié)議和DF中繼協(xié)議下的誤比特率，以最小化誤比特率為目標(biāo)判斷使用 AF中繼協(xié)議或DF中繼協(xié)議；H、如果比較結(jié)果為采用AF中繼協(xié)議時(shí)該鏈路的誤比特率小于DF中繼協(xié)議時(shí)的誤比特 率，則在該中繼節(jié)點(diǎn)采用AF中繼協(xié)議；I、如果比較結(jié)果為采用AF中繼協(xié)議時(shí)該鏈路的誤比特率大于DF中繼協(xié)議時(shí)的誤比特 率，則在該中繼節(jié)點(diǎn)采用DF中繼協(xié)議；J、根據(jù)上面確定的通信鏈路及協(xié)作方式，信源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送信息幀；如果使用直接鏈 路傳輸，則信源節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送信息幀；如果使用中繼輔助信源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，則在幀結(jié) 構(gòu)中要提供一中繼幀用于中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息到目的節(jié)點(diǎn)；K、判斷信源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)是否已到達(dá)更新控制信息的時(shí)刻，如果已經(jīng)達(dá)到，則轉(zhuǎn)入 步驟B，否則轉(zhuǎn)入步驟J ；L、當(dāng)信息發(fā)送結(jié)束時(shí)，通信完畢。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法，所述步驟 B中分別測(cè)量各中繼節(jié)點(diǎn)到信源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)間的距離，測(cè)量方法具體如下(1)測(cè)距發(fā)起端在、時(shí)刻發(fā)送測(cè)距脈沖；(2)測(cè)距響應(yīng)端在不同時(shí)刻接收到測(cè)距脈沖，記錄接收時(shí)刻、+τ并對(duì)接收到的測(cè)距脈 沖進(jìn)行處理，處理的主要內(nèi)容即提取直接路徑分量以及從測(cè)距脈沖信號(hào)中截取特征參量進(jìn) 行信道場(chǎng)景的鑒別；(3)處理完畢后在、+τ+Δ時(shí)刻將測(cè)距脈沖轉(zhuǎn)發(fā)回測(cè)距發(fā)起端，其中τ為測(cè)距脈沖由 發(fā)起端至響應(yīng)端所用時(shí)間，△為響應(yīng)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)間；(4)在、+τ+Δ+τ時(shí)亥lj，測(cè)距發(fā)起端接收到來自響應(yīng)端的測(cè)距脈沖，傳輸距離d= τ *VS，其中Vs為無線電波的傳播速度，至此完成了一次測(cè)距過程。
全文摘要
一種基于窄脈沖的協(xié)作超寬帶通信系統(tǒng)的中繼方法，屬于無線通信領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明方法通過距離信息來表征信道狀態(tài)，在通信節(jié)點(diǎn)都靜止的情況下只需發(fā)送一次控制幀來確定各節(jié)點(diǎn)間的距離以及信道場(chǎng)景，從而節(jié)省了用于發(fā)送控制信息的開銷，提高了系統(tǒng)吞吐量；由于不需要交換瞬時(shí)狀態(tài)信息，亦可節(jié)省用于空閑偵聽、控制報(bào)文開銷的無效功耗，從而降低了節(jié)點(diǎn)功耗、延長(zhǎng)了工作時(shí)間；本發(fā)明在中繼節(jié)點(diǎn)引入了自適應(yīng)中繼協(xié)議轉(zhuǎn)換方法，最大限度地減小了協(xié)作超寬帶系統(tǒng)的誤比特率，提高了系統(tǒng)性能。
文檔編號(hào)H04L29/06GK102111209SQ201110071739
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者徐永杰, 李曉彤, 楊祥來, 王麗, 白智全 申請(qǐng)人:山東大學(xué)