一種無線協同中繼網絡中能量高效的分布式中繼選擇算法的製作方法

2023-07-28 00:35:46

專利名稱：一種無線協同中繼網絡中能量高效的分布式中繼選擇算法的製作方法
技術領域：
本申請涉及無線通信技術領域，具體地，涉及無線協同中繼網絡中能量高效的分 布式中繼選擇方法。
背景技術：
空間分集 (spatial diversity)技術作為一種降低多徑衰落(multipath fading) 產生的不利影響的有效技術普遍被業界看好，通過形成虛擬天線陣列(virtual antenna arrays)獲得分布式空間分集增益的無線協同中繼(cooperative relaying)網絡也因此 被提出。在無線協同中繼網絡中，偵聽到源節點發送給目的節點的信息的節點不將偵聽到 的信息視為幹擾，而是將該信息轉發(中繼)給目的節點，目的節點因此收到來自源節點 和中繼節點的多個獨立衰落(incbpendently faded)後的信息，形成了一個虛擬的空間分 集發送系統。已經提出的中繼方案包括放大轉發(amplify and forward，AF)、解碼轉發 (decode and forward, DF)和分布式空時編碼(space time coded，STC)。然而，由於系統 同步問題以及參與協同中繼的天線個數不確定，使得分布式空時編碼方案的實施還是一個 很大的難題。為此，一些文獻提出了協同中繼網絡中的中繼選擇方法。然而，這些方法都假設了 信道衰落很慢，當前時刻通過信令交互估測的信道狀態在下一數據幀時隙保持不變，當前 時刻的信道狀態簡單地作為下一時隙的信道估計。然而，由於移動無線信道的隨機時變特 性，這種信道不變(channel changeless)假設往往不適用於實際網絡，根據當前時刻的信 道狀態選擇的中繼對下一數據幀而言並非是最優的中繼。此外，這些方法沒有考慮有效節 省能量的消耗，中繼節點也沒有採用自適應調製編碼(adaptive modulation and coding, AMC)。

發明內容
為了解決現有技術中的以上一個或多個問題，本申請提出了一種在無線協同中繼 網絡中選擇中繼節點方法。根據本申請公開的在無線協同中繼網絡中選擇中繼節點方法可包括根據無線協 同中繼網絡中的多個中繼節點的信道狀態模型和能量狀態模型分別確定每個中繼節點在 任意時隙的信道狀態和能量狀態；基於所述信道狀態和能量狀態，通過預定的系統報償模 型計算每個所述中繼節點的系統報償；以及為每個時隙選擇一個中繼節點，所選的中繼節 點使整個數據傳輸過程中獲得的系統報償最大化。本申請提出的方法在考慮了信道的時變特性和中繼節點的剩餘能量的情況下選 擇每個時隙的使用的中繼節點。根據本申請的方法，中繼網絡中不需要中心控制節點，該方 法以分布式方式運行，每個中繼節點都可以隨時加入或者離開候選集合。此外，本申請的方 法考慮到DF中繼方案具有數字處理系統的優點，避免了 AF方案帶來的噪聲放大問題。


圖1是 協同中繼網絡模型示意圖；圖2是根據本申請的實施方式的中繼選擇方法的示例性流程圖；圖3是將本申請的示例性實施方式和現有中繼選擇方法的仿真結果進行比較獲 得的系統報償數據比較圖；圖4是將本申請的示例性實施方式和現有中繼選擇方法的仿真結果進行比較獲 得的平均誤碼率數據比較圖；圖5是將本申請的示例性實施方式和現有中繼選擇方法的仿真結果進行比較獲 得的頻譜效率數據比較圖；以及圖6是本申請的示例性實施方式和現有中繼選擇方法在不同閾值Nth下獲得的網 絡生存時間數據比較圖。
具體實施例方式為了清楚地說明本申請的方案，下面結合附圖對本申請的示例性實施方式進行詳 細說明。首先，參照圖1介紹分布式協同中繼網絡。在本申請中，考慮一種對等(peer to peer)分布式協同中繼網絡，網絡中每個節 點都有能力為其他節點轉發(中繼)數據包，其網絡模型如圖1所示。在協同中繼通信中， 每一幀數據的傳輸過程可以分為兩個子時隙第一個子時隙，源節點向目的節點發送數據 幀，目的節點與中繼節點同時接收數據；第二個子時隙，中繼節點轉發該數據幀，目的節點 合併第一個子時隙來自源節點的數據幀和第二個子時隙來自中繼節點的同樣的數據幀做 出聯合判決。在該網絡中，源節點與目的節點例如可使用請求發送/清除發送 (Request-To-Send/Clear-To-Send，RTS/CTS)報文避免衝突並估計信道的信噪比 (signal-to-noise ratio，SNR)。網絡中，無線信道狀態可用信噪比表示，源節點到中繼 節點(source-to-relay，S2R)鏈路的誤碼率隨該鏈路的SNR變化，中繼節點到目的節點 (relay-to-destination, R2D)鏈路的調製編石馬方式(modulation and coding scheme, MCS)隨該鏈路的SNR自適應地調整。目的節點可通過數字合併技術，如混合自動重傳請求 (hybrid automatic repeat request，HARQ)，實現數據幀的聯合判決。圖2示出了根據本申請的示例性實施方式在無線協同中繼網絡中選擇中繼節點 的方法200的流程圖。如圖2所示，在步驟S201，根據多個中繼節點的信道狀態模型和能 量狀態模型分別確定所述每個中繼節點在任意時隙的信道狀態和能量狀態。在步驟S202， 基於所述信道狀態和能量狀態，通過預定的系統報償模型計算每個所述中繼節點的系統報 償。該系統報償還可進一步基於中繼節點轉發信息需要消耗的能量而計算.在步驟S203， 為每個時隙選擇一個中繼節點，所選的中繼節點使整個數據傳輸過程中獲得的系統報償最 大化。下面對以上各步驟進行詳細描述。假設所有中繼支持K種調製編碼方式，各種調製方式對應的頻譜效率為η。，ηι; ...，11η，對應的最低解碼SNR為<，…，<4。源節點與目的節點的數據傳輸時間 劃分為1~個時隙，每個時隙〖￡7" = {0,1,...,71-1}通過選擇的中繼節點傳輸一個數據幀。N個 可用中繼組成候選中繼集合# = {1，2，···，^}。每個中繼節點 €#在時隙ieCT的候選狀態 用 (Oe X = {0,1}表示，中繼節點n在時隙t如果被激活(active)，即被選擇，則an(t)= 1，如果未被激活(passive)則an(t) =0。步驟S201在本申請的一個實施方式中，信道狀態模型可以是一階有限狀態馬爾可夫信道模 型。能量狀態模型可以是馬爾可夫鏈模型。通過當前的信道狀態和預定的信道狀態轉移矩 陣，可以確定每個中繼節點在任意時隙的信道狀態。通過當前的能量狀態和預定的能量狀 態轉移矩陣，可以確定每個中繼節點在任意時隙的能量狀態。上述的信道狀態轉移矩陣和 能量狀態轉移矩陣可以通過歷史觀測和訓練而獲得。上述的信道狀態可以包括源節點到中 繼節點的信道狀態以及中繼節點到目的節點的信道狀態。如上文所述，在協同中繼通信的第一個子時隙，源節點採用MCS為MCs2d向目的節 點發送數據幀，目的節點與中繼節點同時偵聽該數據幀。中繼節點通過偵聽源節點發送的 RTS信號，可以估計當前時刻S2R鏈路的信道狀態。S2R鏈路解碼的錯誤將會傳播給目的節點，因此S2R鏈路的誤碼率是中繼選擇的 重要因素。S2R信道的狀態採用一階有限狀態馬爾可夫信道模型來描述。給定調製編碼方 式(MCs2d)，S2R鏈路每個時隙的誤碼率由該時隙的信道狀態決定。S2R鏈路的SNR(Ys2k)劃 分為L個等級，每個等級對應馬爾可夫鏈的一個狀態。下一時隙信道的狀態根據當前所處 狀態以及馬爾可夫狀態轉移概率而變化。用C = {C0, C1, ... , CL_J表示有限的狀態空間，
用(0表示中繼節點η的S2R鏈路SNR( rs2R")在t時刻從狀態gn轉移到狀態hn的概
率，則S2R鏈路的信道狀態轉移概率矩陣表示為
權利要求
1.一種在無線協同中繼網絡中選擇中繼節點方法，所述中繼網絡包括源節點、目的節 點和多個中繼節點，所述方法包括根據所述多個中繼節點的信道狀態模型和能量狀態模型分別確定所述每個中繼節點 在任意時隙的信道狀態和能量狀態；基於所述信道狀態和能量狀態，通過預定的系統報償模型計算每個所述中繼節點的系 統報償；以及針對每個時隙為所述源節點和目的節點之間的數據傳輸選擇一個中繼節點，所選的中 繼節點使整個所述數據傳輸過程中獲得的系統報償最大化。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述系統報償模型是RestlessMulti-armed Bandit 模型。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述信道狀態模型是一階有限狀態馬爾可夫信道 模型。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述能量狀態模型是馬爾可夫鏈模型。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述每個中繼節點的信道狀態通過當前的信道狀 態和預定的信道狀態轉移矩陣確定。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述每個中繼節點的能量狀態通過當前的能量狀 態和預定的能量狀態轉移矩陣確定。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述信道狀態包括所述源節點到所述每個中繼節 點的信道狀態以及所述每個中繼節點到所述目的節點的信道狀態。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所選擇的中繼節點根據信道狀態自適應地調整向 所述目的節點轉發所述信息所使用的調製編碼模式。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述系統報償還基於所述每個中繼節點轉發信息 需要消耗的能量而計算。
10.如權利要求5或6所述的方法，其中，所述信道狀態轉移矩陣和所述能量狀態轉移 矩陣是通過歷史觀測和訓練獲得的。
全文摘要
提出了一種無線協同中繼網絡中能量高效的分布式中繼算法，所述中繼網絡包括源節點、目的節點和多個中繼節點。根據本申請選擇中繼節點的方法包括根據所述多個中繼節點的信道狀態模型和能量狀態模型分別確定所述每個中繼節點在任意時隙的信道狀態和能量狀態；基於所述信道狀態和能量狀態，通過預定的系統報償模型計算每個所述中繼節點的系統報償；以及為每個時隙選擇一個中繼節點，所選的中繼節點使整個數據傳輸過程中獲得的系統報償最大化。
文檔編號H04L1/06GK102035586SQ20091017884
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者於非, 侯春萍, 馮瑞軍, 宋梅, 張勇, 戴超, 滿毅, 王莉, 魏翼飛 申請人:北京郵電大學