CN102006143A - 增强无线多跳自组网连接性技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种网络编码对无线多跳自组网连接性的增强机制中，维持稳定连接的跳数确定方法，该方法通过信噪比、频谱效率、中断率等对路由维持跳数的影响，针对不同的网络编码发射机制(网络编码协作发射与直接发射)提出：在满足业务QoS要求情况下，以信噪比、频谱效率、中断率为参数计算路由维持跳数，以实现网络编码的无线多跳自组网系统的实际部署。

Description

增强无线多跳自组网连接性技术

技术领域

本发明属于通信领域，如无线通信、移动通信、无线Mesh网与无线传感器网通信等领域的网络连接技术。

背景技术

无线多跳自组网是一系列装备无线通信装置、具有联网能力的设备的集合，不依赖于任何已有的网络基础设施。网络中的节点动态且任意分布，节点之间通过无线方式互连。来源于军事通信领域的无线多跳自组网目前引起了广泛关注与研究，并形成目前广泛研究与应用的两种具体形态：无线Mesh网与无线传感器网。在无线多跳自组网的研究与应用中的一个基础性问题是连接性问题，假如网络都是不连接的，那么一切业务都无从谈起，并且所建立的网络将毫无意义。它涉及到网络中的多个方面，包括节点与网络两个层面，同时与拓扑控制及构造密切相关。

网络编码作为一种新的技术在宽带无线自组织网络中有很好的应用，通过网络编码，中间节点可以将接收信息进行编码并发送出去，提高了网络吞吐量和健壮性，同时减少能量消耗。为不对现有网络的软硬件设备和相应的协议做很大的修改，可以选择在高层实现网络编码。

本专利提供了一种网络编码对无线多跳自组网连接性的增强机制中，维持稳定连接的跳数确定方法，该方法通过信噪比、频谱效率、中断率等对路由维持跳数的影响，针对不同的网络编码发射机制(网络编码协作发射与直接发射)提出：在满足业务QoS要求情况下，以信噪比、频谱效率、中断率为参数计算路由维持跳数，以实现网络编码的无线多跳自组网系统的实际部署。

发明内容

本专利提供了一种网络编码对无线多跳自组网连接性的增强机制中，维持稳定连接的跳数确定方法。网络编码直接发射如图1示，由S₁节点直接发射到节点S₂没有邻近节点参与处理时，接收信号

互信息量

中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)}=\mathrm{Pr}[I_D<R]=1-\exp (-d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})---\left(1\right)$

$\&ap;d_{s_1,s_2}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}},(\mathrm{\&rho;}>>1)$

其中

为信噪比，R为频谱效率，

为S₁与S₂间距离，α为路径损耗指数。由(1)式可知，在无线多跳自组网中信号经过n跳到达目的节点时的中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)}=1-(1-{d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}^n---\left(\text{2}\right)$

因此在无线多跳自组网中给定业务QoS需求，采用直接发射时，网络可供维持路由跳数为：

$n=\frac{\mathrm{Log}(1-P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)})}{\mathrm{Log}(1-d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}---\left(3\right)$

在采用物理层网络编码方式协作发射时，采取时间与相位同步等机制，只需要2个时隙完成S₁与S₂信息的交换。如图2所示，在第1时隙S₁与S₂同时向中间节点S₃发送信息；在第2时隙，S₃将经过处理的信息向S₁与S₂进行发送。

假如保证完善的预均衡，在中继节点接收信息为：

$y_R=\sqrt{P}{s}_1+\sqrt{P}{s}_2+w_R---\left(4\right)$

同时在相应源节点接收信息为：

$y_i=\frac{\sqrt{P}{h}_i}{\sqrt{2P+P_w}}(\sqrt{P}{s}_j+w_R)+w_i---\left(5\right)$

上式中w_i为高斯白噪声，P为信号功率，P_w为噪声功率。

由(4)、(5)式可知，互信息量为：

$I_{\mathrm{ij}}=\mathrm{Log}[1+\frac{{\mathrm{\&rho;}}^2{\left|h_i\right|}^2}{\mathrm{\&rho;}{\left|h_i\right|}^2+2\mathrm{\&rho;}+1}],$ $\&ForAll;i\&NotEqual;j$ and i，j∈[1，2]    (6)

上式中

为信噪比。

由(6)式可得，S₁与S₂间中断率为：

$P(I_{\mathrm{ij}}<R)=1-\exp \{\frac{-2{\mathrm{\&lambda;}}_i(2^R-1)}{\mathrm{\&rho;}}/(1-\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})\}---\left(7\right)$

$\&ap;d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}},i\&Element;\left[\mathrm{1,2}\right]$

上式中R为频谱效率，d₁，d₂分别为S₁与S₂到中继节点间的距离，α为路径损耗指数。由(7)式可知在无线多跳自组网中信号经过n跳到达目的节点时的中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)}=1-(1-d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}}{)}^n---\left(8\right)$

因此在无线多跳自组网中满足业务QoS需求，采用物理层网络编码协作发射时，网络可供维持路由跳数为：

$n=\frac{\mathrm{Log}(1-P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)})}{\mathrm{Log}(1-d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}---\left(9\right)$

附图说明

图1物理层网络编码协作发射

图2物理层网络编码协作发射

在第1时隙S₁与S₂同时向中间节点S₃发送信息；在第2时隙，S₃将经过处理的信息向S₁与S₂进行发送。

图3路由维持跳数随信噪比SNR变化

图4路由维持跳数随频谱效率R变化

图5路由维持跳数随中断率P^(out)(n)变化

具体实施方式

在频谱效率R＝1.5bit/s/Hz，路径损耗指数α＝2，业务要求的中断率P^(out)(n)＝10^-1，d_1n＝d_2n＝0.7d₁₂，N＝2时，路由维持跳数随信噪比SNR的变化如图3所示。从图中可知，随着信噪比SNR的增加，系统可供维持路由跳数n相应增加，这与实际情况是完全一致的。同时在相同信噪比SNR下，网络编码分集协作发射比直接发射维持路由跳数要大，如在信噪比SNR为14dB时，网络编码分集协作发射维持路由跳数为9，而直接发射时维持路由跳数为1，维持路由跳数增益为9。

在信噪比SNR＝20dB，路径损耗指数α＝2，业务要求的中断率P^(out)(n)＝10^-2，d_1n＝d_2n＝0.9d₁₂，N＝2时，路由维持跳数随频谱效率R的变化如图4所示。从图中可知，随着频谱效率R的增加，系统可供维持路由跳数n相应减少，这与实际情况是一致的。同时在相同的频谱效率R时，网络编码分集协作发射比直接发射维持路由跳数要大，如在频谱效率R＝1.0bit/s/Hz时，网络编码分集协作发射维持路由跳数为16，而直接发射时维持路由跳数为1，维持路由跳数增益为16。

在频谱效率R＝1.5bit/s/Hz，路径损耗指数α＝2，信噪比SNR＝20dB，d_1n＝d_2n＝0.8d₁₂，N＝2时，路由维持跳数随中断率P^(out)(n)的变化如图5所示，随着中断率P^(out)(n)的增加，系统可供维持路由跳数n相应增加。同时在相同的中断率P^(out)(n)下，网络编码分集协作发射比直接发射维持路由跳数要大，如在中断率P^(out)(n)为3＊10^-1时，网络编码分集协作发射维持路由跳数为17，而直接发射时维持路由跳数为4，维持路由跳数增益为4.25。

因此通过分析可知，通过网络编码分集协作发射能够极大的提高系统可供维持路由跳数，系统可供维持路由跳数的增加将极大地增强网络连接性，进而提高网络吞吐量。

Claims (2)

1.本发明提供了一种网络编码对无线多跳自组网连接性的增强机制中，维持稳定连接的跳数确定方法，该方法通过信噪比、频谱效率、中断率等对路由维持跳数的影响，针对不同的网络编码发射机制(网络编码协作发射与直接发射)提出：在满足业务QoS要求情况下，以信噪比、频谱效率、中断率为参数计算路由维持跳数，以实现网络编码的无线多跳自组网系统的实际部署。

2.根据权利要求1所述的一种网络编码对无线多跳自组网连接性的增强机制中，维持稳定连接的跳数确定方法，在直接发射方式下包括下面的步骤：

步骤一接收信号互信息量

计算中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)}=\mathrm{Pr}[I_D<R]=1-\exp (-d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})$

$\&ap;d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}},(\mathrm{\&rho;}>>1)---\left(1\right)$

其中为信噪比，R为频谱效率，

为S₁与S₂间距离，α为路径损耗指数。

步骤二计算无线多跳自组网中信号经过n跳到达目的节点时的中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)}=1-(1-{d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}^n---\left(\text{2}\right)$

步骤三在满足无线多跳自组网中给定业务QoS需求，计算网络可供维持路由跳数为：

$n=\frac{\mathrm{Log}(1-P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)})}{\mathrm{Log}(1-d_{s_1,s_2}^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}---\left(3\right)$

在采用物理层网络编码方式协作发射时，下包括下面的步骤：

步骤一保证完善的预均衡，计算在中继节点接收信息为：

$y_R=\sqrt{P}{s}_1+\sqrt{P}{s}_2+w_R---\left(4\right)$

同时在相应源节点接收信息为：

$y_i=\frac{\sqrt{P}{h}_i}{\sqrt{2P+P_w}}(\sqrt{P}{s}_j+w_R)+w_i---\left(5\right)$

上式中w_i为高斯白噪声，P为信号功率，P_w为噪声功率。

步骤二互信息量为：

$I_{\mathrm{ij}}=\mathrm{Log}[1+\frac{{\mathrm{\&rho;}}^2{\left|h_i\right|}^2}{\mathrm{\&rho;}{\left|h_i\right|}^2+2\mathrm{\&rho;}+1}],$ $\&ForAll;i\&NotEqual;j$ and i，j∈[1，2]        (6)上式中

为信噪比。

步骤三计算S₁与S₂间中断率为：

$P(I_{\mathrm{ij}}<R)=1-\exp \{\frac{-2{\mathrm{\&lambda;}}_i(2^R-1)}{\mathrm{\&rho;}}/(1-\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})\}---\left(7\right)$

$\&ap;d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}},i\&Element;\left[\mathrm{1,2}\right]$

上式中R为频谱效率，d₁，d₂分别为S₁与S₂到中继节点间的距离，α为路径损耗指数。步骤四计算在无线多跳自组网中信号经过n跳到达目的节点时的中断率为：

$P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)}=1-(1-d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}}{)}^n---\left(8\right)$

得到在无线多跳自组网中满足业务QoS需求，采用物理层网络编码协作发射时，网络可供维持路由跳数为：

$n=\frac{\mathrm{Log}(1-P_D^{\left(\mathrm{out}\right)\left(n\right)})}{\mathrm{Log}(1-d_i^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{2^R-1}{\mathrm{\&rho;}})}---\left(9\right)$

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