CN101883410B - 多中继无线网络的中继节点选择方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的多中无线网络的中继节点选择方法。包括如下步骤：目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择出与它之间信道增益最优的中继节点作为目的节点r_d；判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类；比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益较大者作为下次参与协同的节点，即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点的判决条件；直到目的节点成功解码。本发明避免了为获得系统最优传播路径所需要的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复杂度和网络开销。

Description

多中继无线网络的中继节点选择方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种多中继无线网络的中继节点选择方法。

背景技术

在多中继网络中，中继节点的选择作为协同通信研究的一个重要分支，它甚至决定了协同通信网络是否可以带来增益。另外，由于高频信道变化相对较快，信道估计与信道信息反馈的开销会降低网络吞吐量，因此研究分布式的中继节点选择方法对于实际系统是必要的，从而既能保证系统在尽可能高的速率下传输信息，又能使得网络开销相对较少。

经对现有文献检索发现：

1、K.Azarian等人在2005年《IEEE transactions on information theory》上发表题为“On the achievable diversity-multiplexing tradeoff in half-duplex cooperativechannels(半双工协同信道中可达的分集复用折中)”的文章中，证明了非正交前向放大(NAF)和动态前向解码(DDF)在频带利用率较高的情况下能够实现更优的复用和分集增益折衷的性能，值得一提的是，DDF协议的性能优于NAF协议的性能。但是，它所建立的网络模型是基于单源单宿单中继系统。

2、Ahmed S.Ibrahim等人在2008年《IEEE transactions on wireless communications》上发表题为“Cooperative Communications with Relay-Selection：When to Cooperate andWhom to Cooperate With？(协同通信中继选择：何时协同，与谁协同？)”的文章中，提出在实际的网络中，并不是所有的节点都需要其它节点的“协助”来传输信息，讨论了“发送节点是否需要协作？什么时候需要协作？”的问题，并且提出根据设定的协作门限值来决定中继节点是否需要进行协同。

3、Yindi Jing等人在2009年《IEEE transactions on wireless communications》上发表题为“Single and Multiple Relay Selection Schemes and their Achievable DiversityOrders(单个和多个中继节点选择机制与它们可达分集阶数)”的文章中，基于AF协议，提出了以误码率最小(信噪比最大)作为衡量标准来选择中继节点的方法。

总之，目前大多数的研究或者是在单中继网络中分析复杂协议的性能，例如DDF和NAF，或者是在多中继网络中分析简单的传输协议，例如AF和DF。显然，这对于要求高速传输的网络是不够的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多中继无线网络的中继节点选择方法。本发明为了提高无线整个网络的吞吐量，以DDF协议为基础，在易实现的半双工系统中，实现了单个用户选择合适的中继节点进行多跳协同传输，提高了网络吞吐量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一：目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择出与它之间信道增益最优的中继节点作为“目的节点”r_d。

所述的“目的节点”r_d为：

源节点s通过一个或多个中继节点的协同最终将信息发送到目的节点d。而“目的节点”r_d则作为最后一个中继节点，即将信息转发给目的节点的中继节点为r_d。

r_d可以是中继节点，也可以是源节点。若r_d是源节点，则不再进行下面的步骤，源节点采用直接链路传输信息给目的节点。

步骤二：根据网络中各个节点解码由源节点发送的信息量的时间长短，在目的节点成功解码前判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类：解码节点集合A，未解码节点集合B。

所述的解码条件为：

$\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k_i,k_{i+1}}\log (1+\mathrm{SNR}{\left|h_{k_i,k_j}\right|}^2)\≥V,$ j＝2，..，m+1(1)

其中α_i，j表示节点i发送信息到节点j所使用信道的次数；SNR为无衰落信道的发送端信噪比，

为节点k_i与节点k_j之间的信道衰落系数；V为一给定的信息量。

假设每次使用信道发送信息的时间为T，不失一般性，将T归一化为1，则节点i使用α_i，j次信道传输信息到节点j花费的时间为α_i，jT＝α_i，j。

满足解码条件(1)的节点属于集合A，并且集合A中的节点分为：解码后参与发送信息的节点集合Y和解码后未参与发送信息的节点集合

，即

集合B中的元素为信息发送过程中还未解码源信息的节点，即不满足解码条件(1)的节点。

源节点s作为信息发送的起始点，规定r₁＝a₀∈A，且r₁＝y₀∈Y。r_i表示网络中的节点，i为节点的标号，这里源节点的标号为1；元素a_i∈A，y_i∈Y分别表示第i个解码的节点、第i次发送信息的节点。另外，元素b_i∈B表示未解码的某个节点。

步骤三：当前参与协同的中继节点发送信息，集合B中的节点累积接收的信息，直到集合B中有一个节点b_i解码。

所述的累积接收信息为：

DDF协议要求每个节点必须完全解码出信源信息后才能够发送信息。在系统中，每个接收节点可以累积所有接收到的信息来解码。集合B中的节点累积由集合Y中的节点依次发送的信息，当节点b_i累积的信息量时，即满足解码条件(1)。

步骤四：节点b_i由集合B转移到集合A，并将其作为候选参与协同的节点。

步骤五：比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益较大者作为下次参与协同的节点。即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点的判决条件。

所述的下行链路，具体是：

网络中的源节点和中继节点分别与“目的节点”r_d之间的链路。

所述的判决条件，具体是：

要确定第m+2次发送信息的节点y_m+1，则比较当前第m次发送信息的节点y_m到r_d之间的链路y_m→r_d与此次候选参与协同的节点r_k到r_d之间的链路r_k→r_d增益大小。若前者较大，则y_m+1＝y_m；反之，y_m+1＝r_k。

步骤六：重复步骤三，直到目的节点成功解码。

本发明综合考虑被选择节点的上行链路和下行链路，以节点解码时间的先后作为选择节点的优先级，并以节点的下行链路的信道增益来决定是否选择该节点，同时为了减少目的节点反馈信息所带来的开销，目的节点将选择与它之间的链路增益最优的中继节点作为“目的节点”。本发明避免了集中式中继节点选择方法为获得系统最优传播路径所需要的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复杂度和网络开销。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：对于实际问题，特别是在城镇密集区域中，整个网络的节点数目较多时，本发明避免了集中式中继节点选择法为获得系统最优传播路径所需要的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复杂度和网络开销，具有较好的可行性和实用性。

附图说明

图1是本发明的系统模型示意图。

图2是实施例中的算法示意图。

图3是实施例不同中继节点数下的网络开销量示意图。

图4是实施例中的中继节点数N＝4时，不同信噪比下的网络吞吐量示意图。

图5是实施例中的中继节点数N＝7时，不同信噪比下的网络吞吐量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例通过一个单源单宿多中继半双工系统网络中的N+2个节点分别为源节点s，N个中继节点r₂，r₃，…，r_N+1以及单个目的节点d(下面所述的r₁，r_N+2分别也表示源节点和目的节点)。在该椭圆区域内的节点之间都可以相互通信，它们之间的信道为准静态相互独立的平滑瑞利衰落信道。源节点与目的节点、源节点与中继节点、中继节点与目的节点、中继节点与中继节点之间的信道衰落系数分别设为

其中i＝1，...，N，并且i≠j。这些信道衰落系数是均值为零、相应的方差分别为

的循环对称、相互独立的复高斯随机变量。同时，为了避免不同节点间的信息干扰，系统采用时分复用协议。

以下各个步骤将结合网络中的节点之间交互的信息量，根据节点间交互的信息类型将其分为：控制信息和信道信息。每次发送控制信息和信道信息的大小分别为q₁比特和q₂比特，且q₁＜＜q₂。

如图2所示，本实施例包括如下步骤：

第一步：目的节点接收到系统中各个节点发送的导频信息，进行信道估计，得到与它之间信道增益最优的中继节点。此时，目的节点将对整个网络广播比特的信息指定该节点作为“目的节点”r_d。并且其他节点事先可以通过r_d发送的导频信息估计出它们各自到r_d的下行链路增益。

第二步：源节点s作为信息发送的起始点，即r₁＝a₀∈A，且r₁＝y₀∈Y。图2描绘了目的节点顺利解码源信息之前某一时刻的系统各个节点的状态：集合A包含了一部分已解码的节点，并且节点r_j作为当前参与协同的中继节点；集合B包含的是尚未解码的节点，各个节点累积了之前参与协同的中继节点依次发送的信息，可以看出，由于信道状况不同，它们各自累积的信息量也不相同。

第三步：节点r_j在它准备发送的源信息中添加它与“目的节点”的信道信息，即链路r_j→r_d的信道信息q₂比特，然后开始发送信息。集合B中的各个节点累积r_j发送的信息，从图2可以看出，此时节点r_k累积的信息量满足了解码条件(1)。

第四步：节点r_k由集合B转移到集合A中，即r_k∈A，且r_k作为候选参与协同的节点。

第五步：比较链路r_k→r_d与链路r_j→r_d的增益大小。若前者较大，表示候选参与协同的节点r_k到r_d的链路增益大于当前参与协同的节点r_j到r_d的链路增益，则r_k将作为下次参与协同的节点，在它发送信息前，将广播q₁比特的控制信息，表示它将占用信道发送信息；反之，节点r_j继续发送信息，节点r_k不参与协同，即

步骤五：重复步骤三，直到目的节点成功解码。

当确定参与协同的中继节点数m₁后，本实施例分别得到了先解先传方法(FDFT)、单个中继节点选择方法(BRS)、集中式中继节点选择方法(COS)以及本实施例方法(GSS)的网络开销量。这四种机制的网络开销量如表1所示。

表1四种传输机制的网络开销量比较

图3给出了不同中继节点数下的网络开销量示意图，其中给定参数q₁＝1比特，q₂＝16比特，可以看到，COS的开销量最大，它的开销与网络中的节点数目成平方关系，随着节点数目增加，开销平方增加；BRS的开销量随着节点数目的增加线性增加；而GSS与FDFT的开销量随着节点数目的增加并没有明显上升，而是基本保持在一个平稳的区域。

图4、图5分别给出了中继节点个数N＝4和中继节点个数N＝7时，不同信噪比下的网络吞吐量示意图，其中中继节点个数N＝4时，

V＝3比特；中继节点个数N＝7时，

V＝3比特。结合图4、图5，可以看到GSS的网络吞吐量接近于COS的网络吞吐量，并且随着信噪比的增加，它们之间的性能差别变化不大。当中继节点数目增加后，这种优势也没有降低。另外，BRS和FDFT的性能都比GSS的性能差，且GSS相比FDFT机制获得的信噪比增益随着信噪比的增加而增加。

Claims (10)

1.一种多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择出与它之间信道增益最优的节点作为节点r_d；

步骤二：根据网络中各个节点解码由源节点发送的信息量的时间长短，在目的节点d成功解码前判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类：解码节点集合A，未解码节点集合B；

步骤三：当前参与协同的中继节点发送信息，集合B中的节点累积接收的信息，直到集合B中有一个节点b_i解码；

步骤四：节点b_i由集合B转移到集合A，并将其作为候选参与协同的节点；

步骤五：比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益较大者作为下次参与协同的节点，即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点的判决条件；

步骤六：重复步骤三，直到目的节点成功解码。

2.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的节点r_d是指：源节点通过一个或多个中继节点的协同将信息发送到目的节点d，节点r_d则作为将信息转发给目的节点d的最后一个中继节点。

3.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的节点r_d，其被挑选为源节点时，则源节点通过直接链路传输信息给目的节点。

4.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的解码条件为：

$\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{k_i,k_{i+1}}\log (1+\mathrm{SNR}{\left|h_{k_i,k_j}\right|}^2)\≥V,$ j＝2，...，m+1

其中α_i，j表示节点i发送信息到节点j所使用信道的次数；SNR为无衰落信道的发送端信噪比，

为节点k_i与节点k_j之间的信道衰落系数；m+1为网络中节点的数目；V为一给定的信息量。

5.根据权利要求4所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，假设每次使用信道发送信息的时间为T，将T归一化为1，则节点i使用α_i，j次信道传输信息到节点j花费的时间为α_i，jT＝α_i，j。

6.根据权利要求4所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，满足所述的解码条件的节点属于集合A，并且集合A中的节点分为：解码后参与发送信息的节点集合Y和解码后未参与发送信息的节点集合

即

集合B中的元素为信息发送过程中还未解码源信息的节点，即不满足解码条件的节点。

7.根据权利要求2所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的源节点作为信息发送的起始点，规定r₁＝a₀∈A，且r₁＝y₀∈Y，

其中：r_i表示网络中的节点，i为节点的标号，源节点的标号为1；元素a_i∈A，y_i∈Y分别表示第i个解码的节点、第i次发送信息的节点；另外，元素b_i∈B表示未解码的某个节点。

8.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的累积接收的信息为：动态前向解码协议要求每个节点必须完全解码出信源信息后才能够发送信息，在系统中，每个接收节点累积所有接收到的信息来解码，集合B中的节点累积由集合Y中的节点依次发送的信息，当节点b_i累积的信息量

时，即满足解码条件。

9.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的下行链路是：网络中的源节点和中继节点分别与节点r_d之间的链路。

10.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的判决条件是：要确定第m+1次发送信息的节点y_m+1，则比较当前第m次发送信息的节点y_m到r_d之间的链路y_m→r_d与此次候选参与协同的节点r_k到r_d之间的链路r_k→r_d增益大小；若前者较大，则y_m+1＝y_m；反之，y_m+1＝r_k。

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