CN102083168B - 一种中继节点选择方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种中继节点选择方法、设备及系统，涉及通信领域，能够在众多候选中继节点中选出最优的中继节点。方法为：中继节点监听源、目的节点之间的握手信息，计算直传速率，若自身参与后能提高速率，则发送HI信号，当参与后的速率种数大于阈值时，分配组时隙和成员时隙，进行组间竞争和组内竞争，最后胜出的为最优中继节点。本发明实施例用于选择最优协传中继节点。

Description

一种中继节点选择方法、设备及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种中继节点的选择方法、设备及系统。

背景技术

协作传输，通过用户间共享天线的形式，让单天线的用户也能获得MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出)系统的优势——获得更高的分集阶数，可以得到更加可靠的传输质量。因此，利用协作传输，可以在不增加硬件开销的情况下，提高分布式系统的上述两方面性能。

协作传输技术本身是一种物理层技术。关于协作传输的研究大都集中在物理层的信号处理，包括对协作传输协议的设计、传输协议的性能分析、以及基于性能分析的资源分配问题研究等。而对基于协作传输技术的上层协议的研究还相对较少，加上分布式系统本身的设计困难，所以这方面的研究成果相对较少。

在进行协作传输的过程中，中继节点的选择非常重要，发明人发现：在现有技术中，中继节点的选择往往并不是最优的。因为该选择是由源节点根据自己对以往通信的观察而做出的，所以在时变信道下并不一定准确，从而导致协作传输性能不高。

发明内容

本发明的实施例提供的中继节点选择方法、设备及系统，能够在众多候选中继节点中选出最优的中继节点。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种中继节点的选择方法，包括：

监听源节点和目的节点之间的握手信息；

根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；

在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；

具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率；

在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争；

在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

一种中继节点设备，包括：

监听单元，用于监听源节点和目的节点之间的握手信息；

直传速率获取单元，用于根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；

广播单元，用于在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

时隙配置单元，用于在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，使每种协作传输速率配置有对应的组时隙；使具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙；其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，一个成员时隙对应一种协作传输速率；

所述广播单元，还用于在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；

所述监听单元，还用于在监听到组标志信号后退出竞争；

所述广播单元，还用于在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；

所述监听单元，还用于在监听到成员标志信号后退出竞争。

一种通信系统，包括：

一个或多个中继节点，用于监听源节点和目的节点之间的握手信息；根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率；在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争；在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

本发明实施例提供的中继节点的选择方法、设备及系统，中继节点监听源节点和目的节点之间握手信息，并据此估算出自身协作是否大于源目的节点之间的直传速率，若大于，则进行组间竞争和组内竞争，通过竞争找到最优中继节点。这样，通过组间、组内竞争选出的最优中继节点，即使在时变信道下也较准确，比现有技术中源节点通过自身记录的选择要更加准确，从而使得协作传输的性能得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术基于RTS/CTS交换的传输示意图；

图2为现有技术中继节点提供帮助的示意图；

图3为本发明实施例提供的中继节点选择方法的流程框图；

图4为本发明实施例提供的另一中继节点选择方法的流程框图；

图5为无短时隙重竞争的协作传输过程示意图；

图6为短时隙重竞争成功的协作传输过程示意图；

图7为n＝1，G＝1，ρ＝1时M₀的搜索结果示意图；

图8为n＝1，G＝1，ρ＝1.25时M₀的搜索结果示意图；

图9为n＝1，G＝1，ρ＝1.5时M₀的搜索结果示意图；

图10为分组避退示意图；

图11为本发明实施例提供的中继节点设备的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的另一中继节点设备的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的通信系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在分布式系统中，利用分布式协调功能，每个节点使用CSMA(Carrier sensemultiple access，载波监听多路访问)/CA(collision avoid，避免碰撞)机制的分布式接入算法，通过争用信道来获取发送权。为了避免干扰，所有节点在完成发送后，必须等待一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间通称为帧间间隔(Inter frame space，IFS)。帧间间隔的长短取决于节点欲发送帧的类型，常见的帧间间隔例如短帧间间隔SIFS(Short inter frame space)、分布协调功能帧间间隔DIFS(Distributed coordination function IFS)等。此外，还采用了一种叫做虚拟载波监听(Virtual carrier sense)的机制来减少碰撞的机会：当一个节点检测到信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段后，就调整自己的网络分配向量NAV(Network allocation vector)，该NAV指出了必须经过多少时间信道才会进入空闲。

在数据交换过程中，为了减少冲突，源节点与目的节点通常采用RTS(request-to-send，请求发送)/CTS(clear-to-send，允许发送)控制包进行握手交换，具体流程如图1所示。源节点(Source)在发送数据前先发送一个RTS控制包，包括源地址、目的地址和本次通信所需的持续时间；若信道空闲，目的节点(Destination)就响应一个CTS控制包，它也包括本次通信所需的持续时间；当源节点接收到CTS控制包后，它就可以给目的节点发送数据包，接收到RTS和CTS控制包的除源节点和目的节点外的其他节点分别设置自己的NAV以避免干扰源节点或目的节点的控制信令或数据包的接收；当目的节点正确接收到数据包后，它就反馈一个ACK(Acknowledgement)控制包给源节点，这样源节点就能知道本次通信已经成功。

但是，当终端因为成本、体积等因素不具备多天线设置时，不能借助下层获得分集/复用这样的性能增益；而当传输对处于恶劣的信道状况时，误码率就会上升，传输速率也会下降。为克服由低速率节点导致的吞吐量瓶颈问题，一个高速率的节点被允许使用两跳的传输形式帮助低速率的节点对进行数据传输。

各节点都会监听网络中的数据包，并把数据包中的源地址、目的地址和传输速率记录下来。如图2所示，当某个源节点在发起数据传输时，它先在自己的记录表里寻找是否有合适的中继节点(Helper)，如果有就把RTS控制包同时发给中继节点和目的节点，并在RTS里指定中继需要提供的传输速率，目的节点收到RTS后会等待中继节点先做出回应；如果中继节点认为自己可以支持源节点提出的速率要求，它就发出一个HTS(Helper ready to send，中继节点准备发送)控制包给目的节点；目的节点收到HTS就确认了数据包将通过中继节点的帮助进行传输，它返回一个CTS控制包给源节点后，源节点开始进行数据传输。

如果源节点选择的中继节点认为自己不能满足源节点提出的要求，或者根本没有收到源节点的RTS，那么就不会有HTS出现。目的节点依靠一个延时检测得出这一结论，然后发出CTS控制包告诉源节点用原始的单跳传输进行数据传输。

本发明实施例提供的中继节点选择方法，如图3所示，该方法步骤包括：

S301、监听源节点和目的节点之间的握手信息。

这里的源节点和目的节点之间握手信息，可以为RTS和CTS控制包。在源节点发送的RTS消息中，一般携带有提供协作传输的邻居节点个数(n)和传输数据的长度(w)以及协作传输期望增益(ρ)；其中，供协作传输的邻居节点个数(n)为源节点根据记录的各邻居节点的信息确定的，在本实施例中假设n＝1。此外，这里所说的邻居节点是指位于源节点周围的节点，包括可以提供传输协作的节点和不能提供传输协作的节点，这里的n是指能够提供传输协作的节点个数。

S302、根据握手信息计算出源节点与目的节点之间的直接传输速率。

S303、在自身协作传输速率大于该直接传输速率时，广播协作标志(HI，Helper indication)信号。这样，可以确保只触发有益的协作，即每次使用协作一定会比非协作有吞吐量上的增益。该广播协作标志(HI)信号用于告知源、目的节点，存在可以提供传输协作的节点。这样，源、目的节点在收到HI信号后，不进行直接传输，等待中继节点协作传输。

再有，此处所说的“自身协作传输速”是指中继节点参与进源、目的节点的传输后，通过中继节点进行协作传输的速率。

S304、在大于直接传输速率的协作传输速率种数大于或者等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率。

这里所说的“协作传输速率种数”是指中继节点参与进源、目的节点的传输后，通过该中继节点的协作传输，可以实现多种速率，“协作传输速率种数”就是这些速率的个数。

具体的，步骤S304可以具体包括以下步骤：

S3041、中继节点计算协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀。

S3042、在速率种数M₀大于或等于预定阈值时，通过查表1获取该M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；在本实施例中，该预定阈值设为6。

表1

表1续

表1续

该表1的推导过程将在下面的实施例中进行说明。

S3043、将G₀和ng₀带入公式1计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的所述速率种数大于所述M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表得到所述M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g。

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m}=\frac{W}{T_{2,P}+T_{2,O}(g,m)}\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\end{array}\right.$ (公式1)

其中，M_max是大于直接传输速率的协作传输速率种数；g为组序号；m为组内成员序号；T_2，P为有效负荷的传输时间；T_2，O为协议开销的传输时间；T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；T_0，O为非协作协议开销的传输时间。

该公式1的推导过程将在下面的实施例中进行说明。

S3044、G个组配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率。

S305、具有相同组时隙且大于直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率。

具体的，即是G个组的每个组中的大于直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率。

S306、在中继节点自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI，Group indication)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争。

S307、在中继节点自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI，Member indication)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

图5为上述实施例的协作传输过程示意图。

这种采用分组避退实现最优中继节点的选择，通过查表迭代计算优化后的中继节点选择，其协议开销是最小化的。

本发明实施例提供的中继节点的选择方法，中继节点监听源节点和目的节点之间握手信息，并据此估算出自身协作是否大于源目的节点之间的直传速率，若大于，则进行组间竞争和组内竞争，通过竞争找到最优中继节点。这样，通过组间、组内竞争选出的最优中继节点，即使在时变信道下也较准确，比现有技术中源节点通过自身记录的选择要更加准确，从而使得协作传输的性能得到提高。

此外，步骤S304、当大于直接传输速率的协作传输速率种数小于或者等于预定阈值时，即小于或者等于6时，中继节点的每种协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率。然后，在中继节点自身协作传输速率对应的时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

进一步地，在本发明另一实施例中，如果源节点向目的节点发送的握手消息中，携带的提供协作传输的邻居节点个数(n)大于1时：则中继节点在自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争之后，即完成图3所示所有步骤后，如图4所述，还包括：

S308、在至少两个短时隙内随机选择避退时隙，并在避退时隙后广播准备协作(RTH)信号。

这里所谓的“短时隙”是指竞争的中继节点随机选择的较短时隙，而非向上述中的固定时隙，这里的短时隙长度可以与避退的单位时间的长度设为相同。

假设短时隙个数为K，K≥2，图6为本实施例增加短时隙重竞争后的协作传输过程示意图。

短时隙个数K满足公式2，且使J_g，m，k达到最大：

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m,k}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m,k}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{W\·P_{\mathrm{win}}\left(k\right)}{T_{3,P}+T_{3,O}(g,m,k)}+\frac{W\·P_{\mathrm{fail}}\left(k\right)}{T_{4,P}+T_{4,O}(g,m,k)}]\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\\ 1\≤k\≤K\\ K\≥2\end{array}\right.$ (公式2)

其中，M_max是大于直接传输速率的协作传输速率种数；g为组序号；m为组内成员序号；P_win(k)为重竞争中继节点的任意一个选择第k个短时隙而胜出的概率；P_fail(k)为所有重竞争中继节点在K短时隙内至少两个中继节点选择了第k个短时隙而失败的概率；T_3，P为短时隙内重竞争无冲突情况下，有效负荷的传输时间；T_3，O为短时隙内重竞争无冲突情况下，协议开销的传输时间；T_4，P为短时隙内重竞争发生冲突的情况下，有效负荷的传输时间；T_4，O为短时隙内重竞争发生冲突的情况下，协议开销的传输时间；T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；T_0，O为非协作协议开销的传输时间。

该公式2的推导过程将在下面的实施例中进行说明。

或者，短时隙个数也可以为预先设定的固定值，由源节点在向目的节点发送的握手消息中携带，中继节点监听获得。

这样，即使有中继节点协作传输速率相同，也可以进一步选择出最优的节点。

下面简要说明公式1、2以及表1的获取方法。

在组间竞争中，设组避退时间T_fb1定义为和组协作能力成反比的如下函数：

T_fb1(g)＝g·t_fb，1≤g≤G    (1-1)

这里t_fb是避退的单位时间，g是组序号。给具有越高速率的协作组分配越小的组序号，则高速率组的成员就会先于低速率组的成员发送GI信号。

在组内竞争中，设第g个组的成员进行组内竞争，那么成员避退时间T_fb2和每个候选中继自己的协作速率成如下反比关系函数：

T_fb2(g，m)＝m·t_fb，1≤m≤n_g，    (1-2)

其中m是组内的成员序号，n_g是这第g组的成员个数，并满足

$\underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M$

M是所有有益协作速率种数。规定给具有越高速率的组内成员分配越小的成员序号，则高速率的成员就会先于低速率的成员发送MI信号。

设源节点以速率R₁用直接传输的方式把数据包发给目的节点。有效负荷(长度为W)和协议开销的传输时间T_1，P和T_1，O分别为：

T_1，P＝W/R₁                                       (1-3)

T_1，O＝T_C1+T_C2                                    (1-4)

其中T_C1＝T_RTS+2T_SIFS+T_CTS+T_HI，T_C2＝T_D，O+T_SIFS+T_ACK，T_i表示控制包i的传输时间，T_D，O是数据包中非有效负荷的其他开销的传输时间。

如果组内竞争后选出一个最佳中继节点，则有效负荷和协议开销的传输时间T_2，P和T_2，O分别是

T_2，P＝W/R_C1+W/R_C2                                (1-5)

T_2，O(g，m)＝T_C1+T_fb1(g)+T_fb2(g，m)+T_C2+T_C3       (1-6)

其中R_C1和R_C2分别是协作中第一跳和第二跳的传输速率，T_C3＝T_RTH+2T_SIFS+T_D，O。

短时隙重竞争无冲突的概率由参数K和重竞争的中继节点个数n一起决定，得：

$P_{\mathrm{Suce}}(K,n)=\left(\begin{array}{c}n\\ 1\end{array}\right)\underset{i=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{K}\·{\left(\frac{K-i}{K}\right)}^{n-i}---(1-7)$

其中K≥2，n≥2。

和组内竞争后选出一个最佳中继节点相比，成功的重竞争激活了协作传输，因此有效负荷的传输时间T_3，P和(5)式相同，即

T_3，P＝T_2，P                                      (1-8)

当选择第k个短时隙时，T_3，O为：

T_3，O(g，m，k)＝T_2，O(g，m)+T_RTH+T_SIFS+T_d+k·t_fb  (1-9)

n个重竞争节点的任意一个节点因为选择第k个短时隙而赢得中继节点竞争的概率可以如下计算：

$P_{\mathrm{win}}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{n{(K-k)}^{n-1}}{K^n},& k=\mathrm{1,2},...,K-1\\ 0,& k=K\end{array}\right.---(1-10)$

假设短时隙重竞争冲突，即因为多个节点选择相同的短时隙而导致重竞争失败，有效负荷的传输时间为：

T_4，P＝T_1，P                                      (1-11)

协议开销的传输时间T_4，O增加为(假设选择第k个短时隙)：

T_4，O(g，m，k)＝T_1，O+T_fb1(g)+T_fb2(g，m)+2T_RTH+2T_SIFS+T_d+k·t_fb    (1-12)

当总共n个竞争节点在K短时隙内重竞争时，重竞争因为超过一个节点选择了第k个短时隙而失败的概率为：

$P_{\mathrm{fail}}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}n\\ i\end{array}\right)\frac{1}{K^i}{\left(\frac{K-k}{K}\right)}^{n-i},& k=\mathrm{1,2},...,K-1\\ 1/K^n,& k=K\end{array}\right.---(1-13)$

当直传速率足够高无需协作时，源节点跳过HI信号检测，以速率R₁用直接传输的方式把数据包发给目的节点。其有效负荷和协议开销的传输时间T_5，P和T_5，O分别为：

T_5，P＝T_1，P        (1-14)

T_5，O＝T_1，O-T_HI    (1-15)

在上述式(1-1)至(1-15)的基础上完成参数集合{G，M，n_g，K}的最佳设置，确保协议获得最大性能增益。

以链路吞吐量最大化问题来设置参数集合：如果中继节点存在，根据信道状态、有效负荷长度W和平均协作冲突节点个数n如何设置参数{G，M，n_g，K}，以达到链路吞吐量的最大化，通过建模得到式(1-16)：

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m,k}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m,k}\≥\mathrm{\ρW}/(T_{0,P}+T_{0,O})\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\\ 1\≤k\≤K\\ K\≥2\end{array}\right.---(1-16)$

其中

$J_{g,m,k}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{W}{T_{2,P}+T_{2,O}(g,m)},& n=1\\ \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{W\·P_{\mathrm{win}}\left(k\right)}{T_{3,P}+T_{3,O}(g,m,k)}+\frac{W\·P_{\mathrm{fail}}\left(k\right)}{T_{4,P}+T_{4,O}(g,m,k)}],& n\≥2\end{array}\right.$

(1-16)式中的M_max是当前负荷长度和信道状态下所有的有益协作速率种数。约束条件1表示每个协作组合的吞吐量必须是非协作传输的吞吐量的ρ倍后，协作才被激活。对于特定的流量负载，ρ≥1作为控制参数，用来平衡协作和非协作。约束条件2表示第g个组内的成员个数不能超过n_g。约束条件3表示各个分组的成员个数总和为总的有益协作个数M。约束条件4和约束条件5分别是关于组序号和分组个数的约束。约束条件6和约束条件7是关于短时隙个数的约束条件。

对于给定的调制和编码方案以及协作传输策略，式(1-16)的优化问题可通过下线，即非实时的计算来完成。假设物理层参数如表2，在此情况下协议中涉及的传输速率满足下式：

R₁，R_C1，R_C2∈{6，9，12，18，24，36，48，54}Mbps

假设HI长度为符号长度，RTH控制包和ACK控制包长相同。

模式

调制

码速率

数据速率

模式

调制

码速率

数据速率

1

BPSK

1/2

6Mbps

5

16-QAM

2/3

24Mbps

2

BPSK

3/4

9Mbps

6

16-QAM

3/4

Mbps

3

QPSK

1/2

12Mbps

7

64-QAM

2/3

Mbps

4

QPSK

3/4

18Mbps

8

64-QAM

3/4

Mbps

表2、物理层参数

当n＝1时，(1-16)式即可优化为为与k和K无关的公式1。

在得到公式1的基础上，进一步通过计算可以得到表1。

具体的，在G＝1的前提下，遍历搜索所有满足公式1约束条件1的速率组合，得到初始化的M₀。

图7、8、9给出了ρ＝1、1.25和1.5三种情况的搜索结果。对于任意固定的有效负荷长度W，直接传输的速率R₁越小，M₀越大，即协作的机会越多；对于任意固定的直接传输的速率R₁，W越大协作的机会越多；ρ越大，协作的机会越少。

由图7、8、9可知，优化后的M₀满足1≤M₀≤20，对此G＝1前提下得到的协作速率进行分组以减少协作在竞争时的避退等待时间。如图10，以M₀＝7为例，记n_i为第i个组的成员个数。如果G＝1，则不需要GI信号，每个成员用于竞争的避退时间如图10避退时间表中的第1行所示，例如最高协作速率的成员在第一个避退时隙就可以发送MI信号。如果分成两组，即G＝2，每个组要先有一个GI信号然后再是各个组内成员依次在自己的避退时隙内发送自己的MI信号，例如避退时间表中的第4行，组1的第一个成员的2个时隙分别是发送组1的GI时隙和发送自己MI的时隙，组2的第一个成员的3个时隙分别是组1GI的空时隙、组2GI的发送时隙和自己的MI发送时隙。图10右边“节约的时隙个数”部分给出了采用分组避退后，分组方案对应和节约的时隙个数，其中，负数表示的该分组方案会浪费时隙，图中当G＝2时，采用(G，n₁，n₂)＝(2，4，2)可以最大程度节约避退时隙，即节约了中继节点选择的开销。

对于一个分组个数为G，每个组内成员为n_i的分组方案，采用该分组方案避退后，可以节约的时隙个数满足下式：

$C=\underset{j=1}{\overset{G-1}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i+1-(j+2)]\×n_{j+1}-n_1---(1-17)$

分组避退节约时隙需要满足条件n₁≥3。

根据式(1-17)对M个速率成员作初始化分组搜索，对每个组个数下得到的最少时隙组合进行比较，获得初始的最佳的G₀，

，g₀＝1，2，...，G值。从而得到表1。

表1给出了初始化分组搜索得到G＝2，3，4，5，6和7时的各自的最优分组方案。从表中可以看出分组个数为7时，对于方案中的M已经足够了。对于任一分组，当组成员为1时，显然GI和MI可以合并来减少一个时隙。表1discount列中括号内的数值就是对该情况合并时隙后的最大节约时隙个数。表1中带下划线的分组是它的M₀值对应的可以节约最多避退时隙的初始化最佳分组。

当n≥2时，重写(1-16)式即得到公式2。

本发明实施例提供的中继节点设备，如图11所示，该中继节点设备包括：

监听单元1101，用于监听源节点和目的节点之间的握手信息。

直传速率获取单元1102，用于根据握手信息计算出源节点与目的节点之间的直接传输速率。

广播单元1103，用于在自身协作传输速率大于直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

时隙配置单元1104，用于在大于直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，使每种协作传输速率配置有对应的组时隙；使具有相同组时隙且大于直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙；其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，一个成员时隙对应一种协作传输速率

广播单元1103，还用于在自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号

监听单元1101，还用于在监听到组标志信号后退出竞争。

广播单元1103，还用于在自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号

监听单元1101，还用于在监听到成员标志信号后退出竞争。

进一步地，如图12所示，时隙配置单元1104，还包括：

计算查表模块1104A，用于协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀大于或等于预定阈值时，通过查表获取M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；根据G₀和n_g0计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的速率种数大于M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表获得M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g。

时隙配置模块1104B，用于使G个组配置有对应的组时隙；使每个组中的大于直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙；其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，一个成员时隙对应一种协作传输速率。

广播单元1103，还用于在至少两个短时隙内随机选择避退时隙，并在避退时隙后广播准备协作(RTH)信号。

本发明实施例提供的中继节点设备，监听源节点和目的节点之间握手信息，并据此估算出自身协作是否大于源目的节点之间的直传速率，若大于，则进行组间竞争和组内竞争，通过竞争找到最优中继节点。这样，通过组间、组内竞争选出的最优中继节点，即使在时变信道下也较准确，比现有技术中源节点通过自身记录的选择要更加准确，从而使得协作传输的性能得到提高。

本发明实施例提供的通信系统，如图13所示，该系统包括：

一个或多个中继节点1301，用于监听源节点1302和目的节点1303之间的握手信息；根据握手信息计算出源节点1302与目的节点1303之间的直接传输速率；在自身协作传输速率大于直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；在大于直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率；在自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争；在自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

此外，该通信系统还包括：

源节点1302，用于与目的节点1303进行握手，并在握手消息中携带提供协作传输的邻居节点个数(n)和传输数据的长度(w)以及协作传输期望增益(ρ)；其中，提供协作传输的邻居节点个数(n)为源节点1302根据记录的各邻居节点的信息确定的；收到广播协作标志(HI)信号后，等待选出中继节点，利用中继节点向目的节点1303传输数据。

目的节点1303，用于与源节点1302进行握手，收到广播协作标志(HI)信号后，等待选出中继节点，接收来自中继节点协作传输的数据。

本发明实施例提供的通信系统，中继节点监听源节点和目的节点之间握手信息，并据此估算出自身协作是否大于源目的节点之间的直传速率，若大于，则进行组间竞争和组内竞争，通过竞争找到最优中继节点。这样，通过组间、组内竞争选出的最优中继节点，即使在时变信道下也较准确，比现有技术中源节点通过自身记录的选择要更加准确，从而使得协作传输的性能得到提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种中继节点的选择方法，其特征在于，包括：

监听源节点和目的节点之间的握手信息；

根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；

在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，包括：计算协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀；在所述M₀大于或等于预定阈值时，获取所述M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；根据所述G₀和n_g0计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的所述速率种数大于所述M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表获得所述M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g；G个组配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；所述链路吞吐量最大化满足条件：

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m}=\frac{W}{T_{2,P}+T_{2,O}(g,m)}\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\end{array}\right.$

其中，所述M_max是大于所述直接传输速率的协作传输速率种数；所述W为传输数据的长度；所述ρ为协作传输期望增益；所述g为组序号；所述m为组内成员序号；所述T_2，P为有效负荷的传输时间；所述T_2，0为协议开销的传输时间；所述T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；所述T_0，0为非协作协议开销的传输时间；

具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率；

在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争；

在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

2.根据权利要求1所述的中继节点的选择方法，其特征在于，

在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数小于所述预定阈值时，所述每种协作传输速率配置有对应的成员时隙，所述一个成员时隙对应一种协作传输速率；

在所述自身协作传输速率对应的时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

3.根据权利要求1所述的中继节点的选择方法，其特征在于，所述源节点向所述目的节点发送的握手消息中，携带有提供协作传输的邻居节点个数(n)和传输数据的长度(w)以及协作传输期望增益(ρ)；

其中，所述提供协作传输的邻居节点个数(n)为所述源节点根据记录的各邻居节点的信息确定的。

4.根据权利要求3所述的中继节点的选择方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述握手消息携带的提供协作传输的邻居节点个数(n)大于1时，在至少两个短时隙内随机选择避退时隙，并在避退时隙后广播准备协作(RTH)信号。

5.根据权利要求4所述的中继节点的选择方法，其特征在于，所述短时隙的个数满足如下方程组，并使J_g，m，k达到最大；

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m,k}$

$\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m,k}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{W\·P_{\mathrm{win}}\left(k\right)}{T_{3,P}+T_{3,O}(g,m,k)}+\frac{W\·P_{\mathrm{fail}}\left(k\right)}{T_{4,P}+T_{4,O}(g,m,k)}]\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\\ 1\≤k\≤K\\ K\≥2\end{array}\right.$

其中，所述M_max是大于所述直接传输速率的协作传输速率种数；所述W为传输数据的长度；所述ρ为协作传输期望增益；所述g为组序号；所述m为组内成员序号；所述P_win(k)为重竞争中继节点的任意一个选择第k个短时隙而胜出的概率；所述P_fail(k)为所有重竞争中继节点在K短时隙内至少两个中继节点选择了第k个短时隙而失败的概率；所述T_3，P为短时隙内重竞争无冲突情况下，有效负荷的传输时间；所述T_3，0为短时隙内重竞争无冲突情况下，协议开销的传输时间；所述T_4，P为短时隙内重竞争发生冲突的情况下，有效负荷的传输时间；所述T_4，0为短时隙内重竞争发生冲突的情况下，协议开销的传输时间；所述T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；所述T_0，0为非协作协议开销的传输时间。

6.根据权利要求4所述的中继节点的选择方法，其特征在于，所述短时隙个数为预先设定的固定值，由所述源节点在向所述目的节点发送的握手消息中携带。

7.一种中继节点设备，其特征在于，包括：

监听单元，用于监听源节点和目的节点之间的握手信息；

直传速率获取单元，用于根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；

广播单元，用于在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

时隙配置单元，用于在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，使每种协作传输速率配置有对应的组时隙；使具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙；其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，一个成员时隙对应一种协作传输速率，包括：计算协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀；在所述M₀大于或等于预定阈值时，获取所述M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；根据所述G₀和n_g0计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的所述速率种数大于所述M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表获得所述M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g；G个组配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；所述链路吞吐量最大化满足条件：

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m}=\frac{W}{T_{2,P}+T_{2,O}(g,m)}\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\end{array}\right.$

其中，所述M_max是大于所述直接传输速率的协作传输速率种数；所述W为传输数据的长度；所述ρ为协作传输期望增益；所述g为组序号；所述m为组内成员序号；所述T_2，P为有效负荷的传输时间；所述T_2，0为协议开销的传输时间；所述T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；所述T_0，0为非协作协议开销的传输时间；

所述广播单元，还用于在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；

所述监听单元，还用于在监听到组标志信号后退出竞争；

所述广播单元，还用于在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；

所述监听单元，还用于在监听到成员标志信号后退出竞争。

8.根据权利要求7所述的中继节点设备，其特征在于，所述时隙配置单元，包括：

计算查表模块，用于计算协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀；在所述M₀大于或等于预定阈值时，通过查表获取所述M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；根据所述G₀和n_g0计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的所述速率种数大于所述M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表获得所述M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g；

时隙配置模块，用于使G个组配置有对应的组时隙；使每个组中的大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙；其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，一个成员时隙对应一种协作传输速率。

9.根据权利要求7所述的中继节点设备，其特征在于，

所述广播单元，还用于在至少两个短时隙内随机选择避退时隙，并在避退时隙后广播准备协作(RTH)信号。

10.一种通信系统，其特征在于，包括：

一个或多个中继节点，用于：

监听源节点和目的节点之间的握手信息；

根据所述握手信息计算出所述源节点与所述目的节点之间的直接传输速率；

在自身协作传输速率大于所述直接传输速率时，广播协作标志(HI)信号；

在大于所述直接传输速率的协作传输速率种数大于或等于预定阈值时，每种协作传输速率配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率，包括：计算协作传输速率大于直接传输速率的速率种数M₀；在所述M₀大于或等于预定阈值时，获取所述M₀对应的最优竞争组数G₀和各竞争组对应的成员数n_g0；根据所述G₀和n_g0计算得到链路吞吐量最大化时的速率种数，如果计算获得的所述速率种数大于所述M₀，则再次查表并反复迭代计算，直到得到最大的速率种数M，查表获得所述M对应的最优竞争组数G和各竞争组对应的成员数n_g；G个组配置有对应的组时隙，其中，一个组时隙对应至少一种协作传输速率；所述链路吞吐量最大化满足条件：

$\max L=\underset{m=1}{\overset{M_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{g,m}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{J}_{g,m}=\frac{W}{T_{2,P}+T_{2,O}(g,m)}\≥\frac{\mathrm{\ρW}}{T_{0,P}+T_{0,O}}\\ 1\≤m\≤n_g\\ \underset{g=1}{\overset{G}{\mathrm{\Σ}}}{n}_g=M\\ 1\≤g\≤G\\ 1\≤G\≤M\end{array}\right.$

其中，所述M_max是大于所述直接传输速率的协作传输速率种数；所述W为传输数据的长度；所述ρ为协作传输期望增益；所述g为组序号；所述m为组内成员序号；所述T_2，P为有效负荷的传输时间；所述T_2，0为协议开销的传输时间；所述T_0，P为非协作有效负荷的传输时间；所述T_0，0为非协作协议开销的传输时间；

具有相同组时隙且大于所述直接传输速率的协作传输速率配置有对应的成员时隙，其中，一个成员时隙对应一种协作传输速率；

在所述自身协作传输速率所对应的组时隙中广播组标志(GI)信号；或在监听到组标志信号后退出竞争；

在所述自身协作传输速率所对应的成员时隙中广播成员标志(MI)信号；或在监听到成员标志信号后退出竞争。

11.根据权利要求10所述的通信系统，其特征在于，所述通信系统还包括：

源节点，用于与目的节点进行握手，并在握手消息中携带提供协作传输的邻居节点个数(n)和传输数据的长度(w)以及协作传输期望增益(ρ)；其中，所述提供协作传输的邻居节点个数(n)为所述源节点根据记录的各邻居节点的信息确定的；收到所述广播协作标志(HI)信号后，等待选出所述中继节点，利用所述中继节点向目的节点传输数据；

目的节点，用于与所述源节点进行握手，收到所述广播协作标志(HI)信号后，等待选出所述中继节点，接收来自所述中继节点协作传输的数据。

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