CN101888667B - 基于公平和避免冲突的协作中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公平和避免冲突的协作中继选择方法。主要解决在Ad hoc网络节点的通信中，能量消耗较大，干扰较大，会产生冲突，网络生存时间短的问题。其实现过程是：根据源节点与目的节点之间的信道状态初始判断是否协作；对于采用协作的，选择能承担起协作代价的节点，且将该节点发射功率小于源节点的功率奖励作为候选中继集合；采用分布式中继选择算法从候选中继集合中选出最佳中继；对于因信道参数较接近而发生冲突，未选出最佳中继，则在发生冲突的节点中选出协作代价最小的节点作为最佳中继；通信完成后，更新网络参数。本发明能够有效避免冲突，减少干扰，且兼顾公平性，节省能量，延长网络的生命周期，可用于Ad hoc网络节点之间的通信。

Description

基于公平和避免冲突的协作中继选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于公平性、冲突避免，以延长网络生命周期为目的的协作中继选择方法，可用于Ad hoc网络中节点之间的通信。

背景技术

协作通信技术的基本原理是在多用户环境下的单天线用户在传输自己数据信息的同时，也能传送其所接收和检测到的协作用户信息。该技术的实质是利用协作用户的天线与自身天线构成多发射天线，形成虚拟的MIMO系统来得到分集增益。如何进行协作中继选择是首要解决的问题。

协作中继选择的基本问题包括：在什么情况下需要进行协作；由谁来判断；存在多个中继节点时，如何选择，选择一个还是多个等问题。

目前的协作中继选择技术有很多种，典型的方法有基于瞬时信道状态的分布式中继选择方法，如A.Bletsas等人在Vehicular Technology Conference，2005：《A SimpleDistributed Method for Relay Selection in Cooperative Diversity Wireless Networks，basedon Reciprocity and Channel Measurements》中提到的一种方法。根据源节点到中继节点和中继节点到目的节点之间的瞬时信道状态，采用最小准则或调和平均准则来计算信道参数，最后根据信道参数设定定时器时间，开始倒计时，选择定时器最先超时的节点作为最佳的中继节点。

该方法在两个或多个中继节点定时器设置较接近时，可能产生冲突，最终使得最佳中继选择失败。

公平协作协议(FAP)，由Dai Lin等人在IEEE Transactions on Communications，2009，7(8)：3679-3691：《Fairness Improves Throughput in Energy-Constrained Cooperative Ad-HocNetworks》一文提出。在功率受限的协作Ad hoc网络中，每一个节点都有一个功率限制E。定义了一个功率奖励W，如果节点作为中继帮助了其他节点，它的W就会增长；反之，节点要求其它节点做中继来帮助自己通信，它的W就会降低。对于每个源节点目的节点对的候选中继集合，源节点在竞争时隙之前要根据功率奖励W计算它的发送数据率。源节点是否能协作就由W的大小来决定。只有当W大于源节点的所有中继所要求的功率之和时才能进行协作。而源节点也要根据代价来选择中继节点，每个源节点都有一个代价功率，在中继范围之内的能承担得起代价的节点才会被选为中继节点。并在FAP协议的基础上提出了FAP-R和FAP-S协议。

上述方法针对不同的源节点目的节点对，在竞争时隙时需要计算每个源节点目的节点对的发送数据率，并进行比较，开销较大。同时选择两个或多个中继节点必然会导致协作的节点之间存在相互干扰，而且造成了能量的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于公平和避免冲突的协作中继选择方法，以避免中继选择中的冲突，减少干扰，且兼顾整个网络的公平性，节省能量，延长网络的生命周期。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)采用802.11中的请求发送信令RTS/允许发送信令CTS得到源节点与目的节点之间的信道状态，根据信道状态，由源节点初始判断是否协作，若决定协作，执行步骤(2)，若决定直接传输，开始通信，通信结束后更新源节点的协作代价，执行步骤(8)；

(2)当源节点认为需要协作时，将中继范围内的节点参与协作的代价与协作的网络平均代价进行比较，将参与协作代价小于或等于网络平均代价的节点选入候选中继集合，若候选中继集合为空，则源节点放弃协作，进入等待；

(3)在候选中继集合中，将源节点的功率奖励与参与协作节点的发射功率进行比较，将源节点的功率奖励大于或等于参与协作节点的发射功率的节点选入新的候选中继集合，若新的候选中继集合为空，则源节点放弃协作，进入等待；

(4)根据分布式中继节点选择方法，选出信道参数最大的节点作为最佳中继节点；在分布式中继节点选择方法中，若两个或多个定时器时间Xi设置比较接近，即|X_i-X_i′|≤c，导致发生冲突，则将发生冲突的节点选入新的候选中继集合 $R_s^{\′\′\′}=\{i:W_s\≥P_i^s,P_i\≤\stackrel{\‾}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\≤r_s,|X_i-X_{i^{\′}}|\≤c\},$ 并从新的候选中继集合中选出参与协作代价P_i最小的节点作为最佳中继节点i₀，

式中，W_s表示源节点s的功率奖励，

表示节点i在为源节点s协作时的发送功率，P_i表示节点i的协作代价，

表示协作的网络平均代价，l是可调整参数，调整参与协作的平均代价，d_si表示发送节点s到节点i的距离，r_s表示源节点s的发送半径，i′表示与节点i定时器时间设置相近的节点，X_i′表示节点i′的定时器设置时间，c表示产生冲突的时间范围；

(5)源节点和最佳中继节点协作发送RTS给目的节点，当源节点或中继节点收到目的节点回复的CTS后，开始进行协作，协作完成后，执行步骤(6)，若源节点和中继节点都未收到CTS，则源节点放弃发送，进入等待；

(6)更新源节点和最佳中继节点的功率奖励；

(7)更新源节点和最佳中继节点的协作代价；

(8)计算协作的平均代价，并广播至整个网络。

本发明与现有技术相比具有如下主要优点：

(1)本发明由于根据信道状态做一个是否协作的初始判断，在信道状态很好时可以采用直接传输，避免了在这种情况下还要进行协作的代价判断；

(2)本发明由于将分布式协作中继选择方法和FAP-R协议联合处理，进行协作中继节点的选取，对网络中的每个节点给出了功率奖励和协作代价，刺激了协作，并且使得各个节点获得公平参与协作的机会，有效的延长了网络的生命周期；只选择出一个节点作为最佳中继节点，避免了选择多个节点作为中继时它们之间的相互干扰，节省了能量，选择出的最佳中继节点具有较好的信道状态，较低的协作代价和发射功率；

(3)本发明由于运用协作代价、功率奖励和信道状态参数共同来选择最佳中继节点，相比单纯通过信道状态参数来选择中继节点，更能避免冲突。

附图说明

图1是本发明基于公平和避免冲突的协作中继选择流程图；

图2是本发明使用的Ad hoc网络节点通信示意图。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述；

无线Ad hoc网络包含许多位置未知、随机分布的、并且可以运动的节点，当源节点s发送的数据不能被目的节点d正确接收时，需要进行协作，即从协作中继候选集合R_s＝{i:d_si≤r_s}中选出最佳中继节点i，与源节点s协作完成数据传输，如图2所示，在该网络中对每个节点均设置了相同的功率奖励W₀。

参照图1，假设在对称信道中，对使用图2中Ad hoc网络相互通信的节点进行协作中继选择的步骤包括如下：

步骤1，源节点s根据信道状态初始判断是否协作。

1.1由源节点s发送请求发送信令RTS到目的节点d，得到源节点s到目的节点d的信道估计值a_sd；

1.2目的节点d将信道估计值a_sd放入允许发送信令CTS中，并发送给源节点s；

1.3当源节点s接收到CTS，并提取出a_sd后，与设定的信道估计门限值a_TH比较，信道估计门限值a_TH由网络通信状态决定，若a_sd大于或等于门限值a_TH时，源节点s判断采用直接传输；反之源节点s初始判断采用协作；

1.4若决定采用协作，执行步骤(2)，若决定采用直接传输，则开始通信，通信结束后更新源节点的协作代价

式中

表示源节点s的剩余功率，执行步骤(8)。

步骤2，判断中继范围内的节点是否能参与协作，即判断候选中继集合中节点参与协作的代价与协作的网络平均代价调整值的大小关系。

经过初始判断，决定需要协作后，将在源节点s发送范围内的节点选入候选中继集合R_s＝{i:d_si≤r_s}中，并对其进行协作代价判断，将候选中继集合中节点i参与协作的代价P_i与协作网络平均代价的调整值

进行比较，选择满足的节点构成新的候选中继集合

若在R_s＝{i:d_si≤r_s}中不存在满足

的节点，则源节点s放弃协作，进入等待，

式中，r_s表示源节点s的发送半径，d_si表示发送节点s到某节点i的距离，P_i表示节点i参与协作的代价，是剩余功率

的单调递减函数，定义为

表示协作的网络平均代价，l是可调整参数，调整参与协作的平均代价，达到调整所有节点的协作范围。

步骤3，判断源节点s能否承担得起协作的代价，即判断源节点s的功率奖励W_s与中继节点i作为源节点s的中继时的发送功率

大小关系。

将候选中继集合

中的每个节点i在为源节点s协作时的发送功率

与源节点s的功率奖励W_s进行比较，选择满足

的节点构成新的候选中继集合 $R_s^{\″}=\{i:W_s\≥P_i^s,P_i\≤\stackrel{\‾}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\≤r_s\},$ 若在 $R_s^{\′}=\{i:P_i\≤\stackrel{\‾}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\≤r_s\}$ 中不存在满足的节点，则源节点s放弃协作，进入等待。

步骤4，采用分布式协作中继选择方法得到最佳中继。

4.1从源节点s发送RTS到候选中继集合 $R_s^{\″}=\{i:W_s\≥P_i^s,P_i\≤\stackrel{\‾}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\≤r_s\}$ 的每个节点中，得到源节点s到中继节点i的信道估计值a_si，根据目的节点d发送的CTS得到每个中继节点i到目的节点d的信道估计值a_id；

4.2根据最小准则或者调和平均准则，计算采用不同中继节点的信道系数h_i；最小准则：

h_i＝min{|a_si|²，|a_id|²}    <1>

调和平均准则：

$h_i=\frac{2}{\frac{1}{{\left|a_{\mathrm{si}}\right|}^2}+\frac{1}{{\left|a_{\mathrm{id}}\right|}^2}}=\frac{2{\left|a_{\mathrm{si}}\right|}^2{\left|a_{\mathrm{id}}\right|}^2}{{\left|a_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|a_{\mathrm{id}}\right|}^2}---\&lang;2\&rang;$

4.3对每个候选中继节点i开启一个定时器，定时器时间设定为X_i，λ是个常数，

$X_i=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{h_i}---\&lang;3\&rang;$

当h_i最大时，定时器时间X_i最小，所有节点的定时器同时开始倒计时，定时器时间最先超时的节点即为最佳中继节点i₀；

4.4若两个或多个定时器时间X_i设置比较接近，即|X_i-X_i′|≤c，导致在协作时间上发生冲突，不能正确选出最佳中继，此时，则将发生冲突的节点选入新的候选中继集合 $R_s^{\&prime;\&prime;\&prime;}=\{i:W_s\&GreaterEqual;P_i^s,P_i\&le;\stackrel{\&OverBar;}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\&le;r_s,|X_i-X_{i\&prime;}|\&le;c\}$ 中，并将新的候选中继集合中各个节点i的参与协作代价P_i进行比较，选出参与协作代价P_i最小的节点作为最佳中继节点i₀，式中，c表示产生冲突的时间范围，i′表示候选中继集合中与节点i定时器时间设置相近的节点，X_i′表示节点i′的定时器设置时间。

步骤5，源节点s和最佳中继节点i₀协作发送RTS给目的节点d，目的节点d收到RTS后，则回复CTS给源节点s和最佳中继节点i₀，当源节点s或最佳中继节点i₀收到CTS后，开始进行协作通信；反之，则源节点s放弃发送，进入等待。

步骤6，更新源节点s的功率奖励W_s和最佳中继节点i₀的功率奖励

$W_s=W_s-P_{i_0}^s,$ $W_{i_0}=W_{i_0}+P_{i_0}^s---\&lang;4\&rang;$

式中，

表示节点i₀在为源节点s协作时的发送功率。

步骤7，更新源节点s的协作代价P_s和最佳中继节点i₀的协作代价

$P_s=-{\tilde{P}}_s,$ $P_{i_0}=-{\tilde{P}}_{i_0}---\&lang;5\&rang;$

式中，

表示最佳中继节点i₀的剩余功率。

步骤8，采用FAP-R协议中的方法，计算网络的协作平均代价

并广播至整个网络，完成协作中继选择。

本发明所述的基于公平和避免冲突的协作中继选择方法并不仅限于说明书和实施方式中的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于公平和避免冲突的协作中继选择方法，包括如下步骤：

(1)采用802.11中的请求发送信令RTS/允许发送信令CTS得到源节点与目的节点之间的信道状态，根据信道状态，由源节点初始判断是否协作，若决定协作，执行步骤(2)，若决定直接传输，开始通信，通信结束后更新源节点的协作代价，执行步骤(8)；

(2)当源节点认为需要协作时，将中继范围内的节点参与协作的代价与协作的网络平均代价进行比较，将参与协作代价小于或等于网络平均代价的节点选入候选中继集合，若候选中继集合为空，则源节点放弃协作，进入等待；

(3)定义一个功率奖励，如果节点作为中继帮助了其他节点，它的功率奖励就会增长；反之，节点要求其它节点做中继来帮助自己通信，它的功率奖励就会降低。在候选中继集合中，将源节点的功率奖励与参与协作节点的发射功率进行比较，将源节点的功率奖励大于或等于参与协作节点的发射功率的节点选入新的候选中继集合，若新的候选中继集合为空，则源节点放弃协作，进入等待；

(4)根据分布式中继节点选择方法，采用设置定时器确定最佳中继的方法选出信道参数最大的节点作为最佳中继节点，即对每个候选中继节点i开启一个定时器，定时器时间设定为X_i，λ是个常数，

当h_i最大时，定时器时间X_i最小，所有节点的定时器同时开始倒计时，定时器时间最先超时的节点即为最佳中继节点i₀；若两个或多个定时器时间X_i设置比较接近，即|X_i-X_i′|≤c，导致在协作时间上发生冲突，则将发生冲突的节点选入新的候选中继集合 $R_s^{\&prime;\&prime;\&prime;}=\{i:W_s\&GreaterEqual;P_i^s\text{,}\stackrel{\&OverBar;}{P}/l,d_{\mathrm{si}}\&le;r_s,|X_i-X_{i^{\&prime;}}|\&le;c\},$ 并从新的候选中继集合中选出参与协作代价P_i最小的节点作为最佳中继节点i，式中，W_s表示源节点s的功率奖励，

表示节点i在为源节点s协作时的发送功率，P_i表示节点i的协作代价，

表示协作的网络平均代价，l是可调整参数，调整参与协作的平均代价，d_si表示发送节点s到节点i的距离，r_s表示源节点s的发送半径，i′表示与节点i定时器时间设置相近的节点，X_i′表示节点i′的定时器设置时间，c表示产生冲突的时间范围；

(5)源节点和最佳中继节点协作发送RTS给目的节点，当源节点或中继节点收到目的节点回复的CTS后，开始进行协作，协作完成后，执行步骤(6)，若源节点和中继节点都未收到CTS，则源节点放弃发送，进入等待；

(6)更新源节点和中继节点的功率奖励；

(7)更新源节点和最佳中继节点的协作代价；

(8)计算协作的平均代价，并广播至整个网络。

2.根据权利要求1所述的一种基于公平和避免冲突的协作中继选择方法，其中步骤(1)所述的源节点s根据信道状态初始判断是否协作，按如下步骤判断：

(2a)由源节点s发送RTS到目的节点d，得到源节点s到目的节点d的信道估计值a_sd；

(2b)目的节点d将信道估计值a_sd放入CTS中，并发送给源节点s；

(2c)当源节点s接收到CTS，并提取出a_sd后，与设定的信道估计门限值a_TH比较，若a_sd大于或等于门限值a_TH时，源节点s判断采用直接传输；反之源节点s初始判断采用协作。

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