一種基於幹擾感知的中繼選擇算法的製作方法
2023-09-18 01:41:32 1
本發明涉及無線通信領域中無線信道的中繼選擇，具體涉及一種基於幹擾感知的中繼選擇算法。
背景技術：
中繼網絡最基本的三個要素包括：源節點S、中繼節點R和目的節點D；節點之間構成不同鏈路，即源節點到中繼節點的鏈路SR和中繼節點到目的節點的鏈路RD。傳統的中繼選擇算法都是按照信噪比SNR來計算信道的通信容量；實際上，在無線通信網絡中，SR鏈路的幹擾來源於源節點S，RD鏈路的幹擾來源於中繼節點R，這樣的幹擾會影響系統的性能，降低通信容量。
無線通信網路中，中繼方案主要有增量中繼、選擇中繼和固定中繼三種；其中，最具代表性的固定中繼又分為解碼轉發DF、放大轉發AF和壓縮轉發CF三種。
當中繼網絡中考慮到來自其他節點傳輸的幹擾的時候，選擇中繼所要考慮的問題會變得相當複雜；在一個同頻中繼網絡裡，當一個節點正在傳輸的時候，如果幹擾節點也開始傳輸，接收到的信號中疊加進幹擾成分。假設節點的位置是固定的並且不存在失效的情況，即網絡拓撲結構是固定的，如果各個節點同步傳輸，即中繼傳輸的兩個階段同時進行，那麼，每個節點就必然會受到來自其它節點的幹擾；如果傳輸不同步，因為無法確定在什麼時候，會受到哪個節點的幹擾，節點間的幹擾就更加隨機化。
可見，在一定的幹擾下，如何選擇最佳的中繼策略，使整個系統的合速率達到最大，已成為亟需解決的問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是在一定的幹擾下，如何選擇最佳的中繼策略，使整個系統的合速率達到最大，從而提高系統的通信性能的問題。
為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是提供一種基於幹擾感知的中繼選擇算法，包括以下步驟：
步驟S10、中繼節點接收來自源節點S的RTS信號和來自目的節點D的CTS信號，並利用RTS信號和CTS信號估算所有與其相關的SR鏈路信道增益和RD鏈路信道增益
步驟S20、利用SR鏈路信道增益和RD鏈路信道增益中繼節點計算與其相對所有SD對的權值wij，並反饋給所有源節點；
步驟S30、源節點和中繼節點通過對由權值wij組成的矩陣W進行計算得到SR鏈路的最佳匹配，選擇最佳中繼方案。
在上述方法中，步驟S20具體包括以下步驟：
步驟S21、初始化，將中繼權值寫入第一列表PLp(i)和第二列表PLR(j)中，其中，第一列表PLp(i)表示的是SD對第i候選中繼節點相對於它的權值，第二列表PLR(j)表示的是中繼節點j相對於所有候選SD對的權值；
步驟S22、置EngageP(i)＝Φ,EngageR(j)＝Φ,CandidateR(j)＝Φ，分別表示SD對i選擇的中繼節點、中繼節點j選擇服務的SD對和中繼節點j的候選SD對。
步驟S23，當EngageP(i)＝Φ時，即存在沒有選擇中繼的SD對時，對所有這樣的SD對i，找出其候選中繼節點相對於它的權值第一列表PLp(i)中權值最大的中繼節點j'，使得CandidateR(j')＝CandidateR(j')U{i}，並從第一列表PLp(i)刪除中繼節點j'；
步驟S24、對所有中繼節點，使得CandidateR(j)＝CandidateR(j)UEngageR(j)，且
步驟S25、根據第二列表PLR(j)，找到中繼節點j候選SD對CandidateR(j)中對應權值最大的SD對i'，使中繼節點j選擇服務的SD對EngageR(j)＝i'，並且使得SD對i選擇的中繼節點EngageP(i')＝j，對於節點j原來所服務的SD對i″，使其SD對i″選擇的中繼節點EngageP(i″)＝Φ，並令中繼節點j的候選SD對CandidateR(j)＝Φ；
步驟S26、判斷是否所有的SD對都完成中繼選擇，即EngageP(i)≠Φ，如果是，結束程序；否則，轉步驟S23。
在上述方法中，矩陣W為：
其中，N為SD對的數目，M為中繼節點的數目。
在上述方法中，中繼節點採用遞延接受程序算法計算每條鏈路對應與所有中繼節點的權值。
在上述方法中，對矩陣W進行計算的具體過程如下：
步驟S31、每一行中的所有元素減去該行中元素的最小值；
步驟S32、每一列中的所有元素減去該列中元素的最小值；
步驟S33、對矩陣的行或列劃線，劃掉矩陣元素中的零，且劃線的線條數最少；
步驟S34、通過判斷步驟S33的最少線條數是否為N，檢查是否得到了最優解，如果為N，則結束程序；否則，轉步驟S35；
步驟S35、在沒有被線條劃掉的元素中找到最小值，每個沒有被劃掉的行減去這個數，每個被劃掉的列加上這個數，轉到步驟S33。
在上述方法中，SR對的數目N與中繼節點的數目M，滿足M≥N。
本發明通過在一定的幹擾下選擇最佳的中繼策略，實現整個系統的合速率最大，從而提高系統的通信性能。
附圖說明
圖1為本發明提供的一種基於幹擾感知的中繼選擇算法的流程圖；
圖2為本發明提供的一種基於幹擾感知的中繼選擇算法的幹擾模型示意圖；
圖3為本發明中步驟S20的實現流程圖；
圖4為本發明中矩陣W的計算流程圖。
具體實施方式
在無線通信的中繼技術中，選擇中繼的基本思想是選擇最好的中繼參與傳輸的協作。Host-Madsen等人研究了不同無線中繼信道模型的各態歷經容量和中斷容量的上下界，並得出了結論：在多跳中繼中選擇最優中繼進行傳輸能達到更好的性能，且功率分配能對無線中繼信道產生重要的影響；Beres和Adve在他們的論文中研究了中繼選擇對信道容量和中斷概率的影響，得出了選擇中繼能夠替代空時編碼應用於中繼系統之中的結論；而Bletsas開創性提出的機會中繼概念，更是中繼技術最重要的研究之一，該文章不僅給出了分布式的中繼選擇準則，即Max-Min準則與調和平均(Harmonic Mean)準則，還設計了一種基於計時器的協議，以降低中繼選擇的實現複雜度，而其提出的採用AF和DF方案且中斷概率最優的分布式機會中繼選擇，提供了主動式和激活式兩種實現方案，並提出可以把中繼當作分布式信道探測器的新觀點；另外Zhao和Adve等人研究了AF多中繼系統中的最優功率分配問題，在傳輸所用總功率受限、源節點和中繼節點發射功率受限的情況下，給出了最優功率分配方案的閉式表達，並將其與中繼選擇相結合。
綜上所述，本發明提供了一種基於幹擾感知的中繼選擇算法，在一定的幹擾下，系統通過本發明的算法選擇最佳的中繼策略，使整個系統的合速率達到最大，從而提高系統的性能。
在本發明中，進行通信的源－目的節點對為SD對，每個SD對從M個候選中繼節點中選出一個協助它們的通信，將SD對中的源節點記作si，目的節點記作di，i＝1、2、3……N，則每個SD對可以表示為二元組(si，di)，所有的SD對組成的集合為P＝{(s1,d1),(s2,d2),L(sN,dN)}；將中繼節點記作rj，其中j＝1、2、3……M，所有中繼組成的集合為R＝{r1,r2,L rM},把被一個SD對(si，di)選中的中繼節點記作ri，則(si,ri,di)組成一個通信節點簇，簡稱為「簇」。
下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明做出詳細的說明。
在無線通信網路中，中繼系統採用的是固定中繼中的解碼轉發DF，在解碼轉發DF中繼模型下，根據香農公式，直傳鏈路的最小傳輸功率為：
在解碼轉發DF中繼方案中，中繼節點首先接收源節點的信號，並對其解碼，以消除噪聲和幹擾的影響；然後中繼節點對信息重新編碼，並轉發給目的節點；解碼轉發DF方案下S-R-D鏈路單位帶寬的最大傳輸速率為：
其中，Ps為源節點的發射功率，Pr為中繼節點的發射功率，N0為噪聲功率，hsr為源節點到中繼節點的信道增益，hrd為中繼節點到目的節點的信道增益，hsd為源節點到目的節點之間的信道增益，在源節點發射功率Ps和中繼節點發射功率Pr相等時，信道的通信速率取決於hrd和hsr的較小者，所以最後被選擇的中繼節點k*滿足公式：
在幹擾環境下，對SR鏈路來說，由於幹擾源是所有的源節點，那麼SR鏈路中繼選擇的目標就是選擇使SR鏈路的信幹噪比SINR最大的中繼節點，對於一個SR鏈路，信幹噪比SINR為：
其中，
是SR鏈路(ri,si)的信噪比SNR，對於SR鏈路而言，尋找最佳中繼ri的計算公式如下：
對於SR鏈路的每一個信幹噪比SINR都可以根據信道估計得到的信道增益來計算；對於RD鏈路，也有相同的結論，最佳中繼節點ri滿足：
這裡，為RD鏈路(ri,di)的信噪比SNR。
對於上述RD鏈路，幹擾來自中繼節點，而且中繼節點的數目M要大於或等於SD對的數目N，由於RD鏈路的幹擾項的分母項的第一項來於其他SD對的中繼選擇結果，因此無法在中繼選擇之前計算RD鏈路的信幹噪比SINR。但是，在幹擾受限場景下的近似形式，利用對數和不等式(Log-Sum Inequality)和詹森不等式(Jensen’s Inequality)進行簡單的變換可以得到，信道容量的上、下界，所以得到將RD鏈路受到的幹擾與中繼選擇去耦合的中繼選擇算法，具體為：
而p*∈(0,1)。
其中，可以看作是一個權重，表示的是每個幹擾項在所有幹擾項之和中所佔的比例，與中繼選擇有關，這樣就可以用一個權值wij來表示中繼節點的好壞，即權值越大，中繼節點效果越好，權值wij為：
由所有的中繼節點權值可以組成一個M*N的矩陣W為：
而權值與中繼選擇無關，只與每個中繼節點與SD對的兩條鏈路信噪比SNR相關，而且所涉及的信噪比都可以在中繼節點處計算，因而可以將權值作為表示每個中繼與每個SD對的匹配度的權值，這樣就可以得到以網絡合速率最大化為目標的中繼選擇公式為：
其中，是SR鏈路(ri,si)的信噪比SNR，為RD鏈路(ri,di)的信噪比SNR，是鏈路(ri,dj)的信噪比SNR，是鏈路(ri,dj)所對應的係數。
如圖1、圖2所示，本發明提供的一種基於幹擾感知的中繼選擇算法，包括以下步驟：
步驟S10、中繼節點接收來自源節點S的RTS信號(Request To Send，請求發送)和來自目的節點D的CTS(Clear To Send，清除發送)信號，並利用RTS和CTS信號估算所有與其相關的SR鏈路信道增益和RD鏈路信道增益
步驟S20、利用SR鏈路信道增益和RD鏈路信道增益中繼節點計算與其相對所有SD對(與中繼節點對應的每條鏈路)的權值wij，並反饋給所有源節點；這裡中繼節點採用遞延接受程序算法計算每條鏈路對應與所有中繼節點的權值。
如圖3所示，步驟S20具體包括以下步驟：
步驟S21、初始化，將中繼權值寫入第一列表PLp(i)和第二列表PLR(j)中，其中，第一列表PLp(i)表示的是SD對第i候選中繼節點相對於它的權值，第二列表PLR(j)表示的是中繼節點j相對於所有候選SD對的權值；
步驟S22、置EngageP(i)＝Φ,EngageR(j)＝Φ,CandidateR(j)＝Φ，分別表示SD對i選擇的中繼節點、中繼節點j選擇服務的SD對和中繼節點j的候選SD對。
步驟S23，當EngageP(i)＝Φ時，即存在沒有選擇中繼的SD對時，對所有這樣的SD對i，找出其候選中繼節點相對於它的權值第一列表PLp(i)中權值最大的中繼節點j'，使得CandidateR(j')＝CandidateR(j')U{i}，並從第一列表PLp(i)刪除中繼節點j'。
步驟S24、對所有中繼節點，使得CandidateR(j)＝CandidateR(j)UEngageR(j)，且
步驟S25、根據第二列表PLR(j)，找到中繼節點j候選SD對CandidateR(j)中對應權值最大的SD對i'，使中繼節點j選擇服務的SD對EngageR(j)＝i'，並且使得SD對i選擇的中繼節點EngageP(i')＝j，對於節點j原來所服務的SD對i″，使其SD對i″選擇的中繼節點EngageP(i″)＝Φ，並令中繼節點j的候選SD對CandidateR(j)＝Φ。
步驟S26、判斷是否所有的SD對都完成中繼選擇，即EngageP(i)≠Φ，如果是，結束程序；否則，轉步驟S23。在結束程序之後，中繼選擇將達到一個穩定狀態，在這個狀態下，因為每個中繼節點R，都只能服務一個SD對，雖然不能保證每個S-R-D路徑都達到最大的速率，但是能保證整個網絡的合速率最大。
步驟S30、源節點和中繼節點通過對由權值wij組成的矩陣W進行計算得到SR鏈路的最佳匹配，選擇最佳中繼方案，矩陣W為：
其中，N為SD對的數目，M為中繼節點的數目，如圖4對矩陣W進行計算的具體過程如下：
步驟S31、每一行中的所有元素減去該行中元素的最小值；
步驟S32、每一列中的所有元素減去該列中元素的最小值；
步驟S33、對矩陣的行或列劃線，劃掉矩陣元素中的零，且劃線的線條數最少；
步驟S34、通過判斷步驟S33的最少線條數是否為N，檢查是否得到了最優解，如果為N，則結束程序；否則(最少線條數小於N)，轉步驟S35；
步驟S35、在沒有被線條劃掉的元素中找到最小值，每個沒有被劃掉的行減去這個數，每個被劃掉的列加上這個數，轉步驟S33。
本發明可以應用在Ad Hoc網絡中，以Ad Hoc的兩跳網絡為模型，由於本發明只涉及到中繼模型的問題，所以也可以使用在移動蜂窩網絡和其他的網絡模型中。其中，Ad Hoc網絡可以為具有N對源－目的節點同頻同步進行中繼通信的無線網絡。
在本發明中，M≥N，其中，SR對的數目為N，中繼節點的數目為M，因為每條SR鏈路都必須要有一個中繼節點，這樣在計算SR鏈路的信幹噪比SINR就會比計算RD鏈路的要容易很多，SR鏈路的信幹噪比SINR可以根據CTS信號分析得到SR鏈路的信道增益可以通過下面的公式得到：
其中，為RD鏈路(ri,di)的信噪比SNR。在本公式中，由於可選中繼節點的數目要大於或者等於SR對的數目，所以在實際中繼模型下，被選作為中繼節點的個數只能有N，也就是說如果按照SR鏈路的計算方法，得到的信幹噪比SINR與實際的信幹噪比SINR要有一定的誤差。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。