CN102523588B - 一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，包括源节点选择，后备中继节点选择，最佳中继选择以及睡眠节点选择四个步骤，在每一轮通信的开始，动态的选择源节点、后备中继节点、最佳中继节点及睡眠节点。该方法有效地降低了自组织网络中干扰的影响及网络的中断概率，从而在未知网络拓扑并且不用逐一统计每对通信链路性能的情况下，得到网络在使用机会通信下的平均性能，从而更有效的布置网络以达到预期的服务质量。

Description

一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用网络节点的动态部署的降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，该方法基于随机几何理论，属于无线通信的技术领域。

背景技术

协作通信是一种利用空间分集来达到更好的传输性能或更快的传输速度的技术。该技术不像MIMO技术一样需在一个用户上安装多个天线，而是多个单天线用户协作分享他们的天线，形成虚拟的天线阵，以达到系统性能提高的目的。协作通信的依据中继节点个数分为单中继协作通信和多中继协作通信；依据中继节点的转发方式分为放大转发协作通信和解码转发协作通信。多中继协作通信策略如分布式空时编码虽然可以带来满分集增益，但同时也增加了系统复杂度。机会通信作为一种单中继的协作通信策略，可以很好的降低系统负责度，其协作方式是在中继备选集中选出一个最好的节点作为唯一中继，选择的依据是通过此节点的源到目的节点的信道性能最好。以往的研究表明此策略可以在无干扰的点对点系统中达到满分集增益。

但以往在机会通信上的研究局限于点对点系统，这些结果无法应用于大规模随机分布的自组织网络。在这样的网络中，节点随机分布，没有中心控制节点控制各节点的发射，节点在一定的时隙以一定的概率传输信息，因此节点间的干扰不可忽略。另一方面，由于是随机网络中节点的离去、加入、移动等原因，中继节点与源和目的节点之间的距离并不是固定的。此外，若每一个中继节点、源和目的节点组成协作通信组，那么在网络中每组的情况并不相同，即组内节点之间的距离不同。要分析网络的平均中断概率并找出降低此中断概率的方法，需从宏观上对节点间的随机距离求期望。

随机几何理论通过对节点的位置取期望，为描述和计算大规模网络的宏观统计特性提供了一个有效的方法。基于随机几何理论，一些研究将不考虑中继选择的协作通信从点对点系统扩展到大规模随机网络并分析了其中断概率。考虑到上面所提到的机会通信在降低复杂度提高系统性能方面的优势，如何能使得大规模随机网络利用机会通信策略，以降低网络中干扰的影响，得到更低的中断概率，有着重要的实际意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，该方法有效地降低了自组织网络中干扰的影响及网络的中断概率，从而在未知网络拓扑并且不用逐一统计每对通信链路性能的情况下，得到网络在使用机会通信下的平均性能，从而更有效的布置网络以达到预期的服务质量。

技术方案：一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，包括源节点选择，后备中继节点选择，最佳中继选择以及睡眠节点选择四个步骤，在每一轮通信的开始，动态的选择源节点、后备中继节点、最佳中继节点及睡眠节点；其中，

第一步，源节点选择：源节点的选择阶段主要通过选择节点的调度因子来调节源节点的密度；根据不同的发射功率，选择适当的调度因子，使得在机会通信的复用率不降低的前提下，降低中断概率，或者当中断概率不高于可容忍上限时，得到最大的源节的密度；所述源节点的密度由确定源节点选择概率来实现，源节点的选择概率是指节点被选做源节点的概率；

根据不同的发射功率，可以选择适当的调度因子使得在机会通信的复用率不降低的前提下降低中断概率，也可以等价地看作当中断概率不高于可容忍上限时，得到最大的源节点密度，而此密度正是在实际实施过程中所需要的源节点选择概率参数。这种源节点的选择，使得不需要先验信息，也不需要统计各个链路的信息，就可以达到网络的性能要求，对于大规模的网络而言，可以有效的节约成本，减少部署带来的通信资源开销。

第二步，后备中继节点选择：通过使源节点传输信息的概率P₀小于节点成为后备中继节点的概率P₁来选择后备中继节点；实施中网络节点的总数一定，后备中继节点的个数在满足上述要求的前提下也是固定的，因此网络剩余节点即这些要进入睡眠模式的节点与被选中的源节点的数目之和是固定的。在满足中断概率要求的前提下会尽量多的选择源节点，目的在于增加网络空间的复用程度率。

第三步，最佳中继选择：在后备中继节点中选择最佳中继节点，使得源到目的后备中继节点的链路最好，最佳中继节点的选择需考虑网络干扰，其选择过程如下：

(1)选出满足下式的后备中继节点：

其中：γ_R为通过后备中继节点的源到目的端的信号干扰噪声比，Θ(λ₁)表示后备中继集合，为后备中继节点间的干扰，N₀为目的端热噪声功率，F_ij，d_ij分别代表后备中继节点i，j之间的信道快衰落功率系数和距离，α为路径损耗因子；当后备中继集合Θ(λ₁)中的后备中继节点l监听到来自各信源的信号后，分别计算

和

并得出其中的较小的值，并将其设为F_l；

(2)启用计时器，计时器的时间按照下面公式计算

T_l＝T_RIFS×(F_max-F_l)/(F_max-F_min)

其中：F_max、F_min分别为后备中继集合Θ(λ₁)中后备中继节点的F_l的最大值和最小值，T_RIFS为中继的竞争时间；

(3)任意一属于Θ(λ₁)的后备中继节点监听信道直到有后备中继节点占用信道或者自己的计时器归零；

(4)当计时器归零又没有后备中继节点占用信道时，此后备中继节点将作为最佳中继传输监听到的信源信息到目的节点。

第四步，睡眠节点选择：在得到源节点和后备中继节点后，剩余的节点将自己的模式设为睡眠状态。

上述方法无需中心节点控制，网络的部署也不需要预先统计各个链路的性能。算法可以根据应用层性的性能要求，在每一个节点的MAC层进行。所述源节点选择是通过调度因子的选择从而确定源节点的密度，筛选出合适数量的源节点以使得网络的中断概率小于给定的可容忍值；源节点选择阶段的功能是通过调度因子的选择从而确定源节点的密度，筛选出合适数量的源节点以使得网络的中断概率小于给定的可容忍值；后备中继节点的选择阶段主要是保证源节点有足够的后继中继节点可以选择，后继中继节点数量远远大于源节点数量决定了不同的源节点选择到同一后备中继节点的概率极低；最佳中继节点的选择保证了源节点和目的节点之间链路的最佳，更有利于降低中断概率；睡眠节点的选择主要使得节点在没有传输信息的时间段内进入睡眠模式，降低能量消耗，延长网络寿命。

每一传输时隙划分为两个子时隙，在第一个子时隙结束时，后备中继节点竞争选出最佳中继节点，剩余则进入睡眠模式，在第二个子时隙中未被选做中继的节点和源节点设为睡眠模式，源节点设为睡眠模式以节省能量，延长大规模无线自组织网络寿命。

有益效果：本发明提供的降低大规模无线自组织网络中断概率的方法利用自组织网络中的节点采用时分ALOHA协议避免节点间传输的冲突，即每一传输时隙中，节点都以某一概率传输信息选为源节点，以另一概率选为中继候选节点。具有如下优点：

(1)该发明使得网络动态的调节节点密度以满足网络传输的性能需要。而且网络的拓扑不需要中心节点的控制，节点工作模式的选择以及节点信息的传输采用分布式控制，这样可以延长网络的寿命，均衡节点能量消耗并且不易产生热点；

(2)该发明属于预部署方案，不需要收集各链路的信息再进行部署策略的实施，减少了头文件消耗。

(3)分布式的密度控制使得不需要动态的调节发射功率来达到预定的性能，该种发明更有利于实际操作。以往动态调节功率一方面要增加模块的复杂度，另一方面功率的调节是阶梯的，难以达到最优效果；

(4)该发明是在考虑到网络中节点之间干扰的情况下选出的最佳中继，适用于实际的自组织网络。给出的节点密度选择方案可以更有效的利用机会通信的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的节点应用的场景；

图2为本发明实施例的流程图；

图3为本发明实施例中源节点选择算法；

图4为本发明实施例中节点的通信流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

1.节点选择过程

本发明降低大规模无线自组织网络中断概率的方法设计节点选择算法的具体实施过程如图2。

1.节点选择过程

1)源节点的选择

首先节点计算出作为源节点传输信息的概率P₀。选择适当的P₀使得网络的平均中断概率小于可容忍的值，即P_out≤P_th。中断发生在信道传输的信息速率I小于给定的传输速率R。而信息速率可以表示为

$I=\log (1+\frac{P_t{\mathrm{\γ}}_R}{N_0+\underset{i\∈\mathrm{\Θ}\left({\mathrm{\λ}}_0\right),i\≠S}{\mathrm{\Σ}}{P}_t{F}_{\mathrm{iD}}{d}_{\mathrm{iD}}^{-\mathrm{\α}}})$

其中Θ(λ₀)为源节点组成的集合，P_t为发射功率，γ_R为通过最佳中继的源到目的节点的信道增益，N₀为接收端热噪声功率，d_iD，F_iD分别为节点i，D之间的距离及其信道快衰落的功率幅度。

因此中断概率可以表示为

$P_{\mathrm{out}}=\mathrm{Pr}\{I<R\}=\mathrm{Pr}\{\log (1+\frac{P_t{\mathrm{\&gamma;}}_R}{N_0+\underset{i\&Element;\mathrm{\&Theta;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_0\right),i\&NotEqual;S}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_t{F}_{\mathrm{iD}}{d}_{\mathrm{iD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}})<R\}$

$=\exp (-2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&lambda;}}_1{\&Integral;}_0^{\&infin;}\exp (-({\mathrm{\&rho;}}^{r-1}{x}^{1/m}+\mathrm{\&kappa;}{\mathrm{\&rho;}}^{\mathrm{rm}-\mathrm{\&delta;}}x))\mathrm{dx})$

$=\exp (-2\mathrm{\&pi;m}{\mathrm{\&lambda;}}_1\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(-\mathrm{\&kappa;})}^k\mathrm{\&Gamma;}\left(m(k+1)\right)}{k!}{\mathrm{\&rho;}}^{m(k+1)-\mathrm{\&delta;k}-\mathrm{rm}})$

其中Γ(x)为伽玛函数，可写为

当路径损耗因子为4时，可以得到更加简单的表达式，即

$P_{\mathrm{out},\mathrm{OR}}=\exp (-{\mathrm{\&pi;}}^{\frac{3}{2}}{\mathrm{\&lambda;}}_1\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}^{1-r}}\exp \left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}^{1-2\mathrm{\&delta;}}{\mathrm{\&kappa;}}^2}{4}\right)[1-\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}^{1/2-\mathrm{\&delta;}}\mathrm{\&kappa;}}{2}\right)\left]\right)$

其中λ₁为备选中继节点的密度，r为复用指数，ρ＝P_t/N₀为信噪比，δ为调度因子，用来确定源节点的密度，其与源节点密度的关系为λ₀＝ρ^-δ。因此，由P_out≤P_th得到调度因子δ。根据其与源节点的密度的关系，可以得到λ₀。这样，在固定了信号的发射功率以及复用指数之后，可以通过调节调度因子随之调节节点的密度来降低网络的中断概率。另一方面，可以为可容忍的网络评价中断概率部署最大密度的节点，使得满足网络性能需要的同时增加空间的复用度。在得到源节点密度λ₀后，可计算出P₀为P₀＝λ₀/λ。λ为网络中所有节点的密度。得到概率P₀后，节点将产生一随机数，此随机数服从均匀分布。若此随机数大于P₀，则此节点将被选为源节点，并在这一时隙的第一个子时隙广播自己的数据信息。

2)后备中继节点的选择

未被选为源节点的节点按密度P₁＝λ₁/λ的概率选择作为后备中继节点。概率P₁可以设为大于P₀的某一定值以使得每个源节点都有机会找到最佳中继。在我们研究的场景里，节点足够多，所以这一点易于满足。选为后备中继的节点在第一个时隙中处于监听状态，监听源节点发送的信息。由于无线信道的广播特性，后备中继节点接收到来自不同源节点的信号。又由于路径损耗及快衰落的存在，接收到的信号强度不同。后备中继节点根据机会中继协议采用竞争的方式为每个源节点选出最佳的中继节点。选择方法同上。

3)最佳中继节点的选择

选出的节点满足下式，即通过此节点的源到目的端信道最好。

其中Θ(λ₁)表示后备中继集合，

为节点间的干扰。当集合Θ(λ₁)中的节点l监听到来自各信源的信号后，分别计算

和

并得出其中的较小的值，并将其设为F_l。启用计时器，定时器的时间按照下面公式计算

T_l＝RIFS×(F_max-F_l)/(F_max-F_min)

其中F_max、F_min分别为集合Θ(λ₁)中节点的F_l的最大值和最小值。RIFS为中继的竞争时间。任意一属于Θ(λ₁)的节点监听信道直到有节点占用信道或者自己的计时器归零。当计时器归零又没有节点占用信道时，此节点将作为最佳中继传输监听到的信源信息到目的节点。

4)睡眠节点的选择

在步骤2)中得到源节点和后备中继节点后，剩余的节点将自己的模式设为睡眠状态。在第一个子时隙结束时，后备中继节点竞争选出最佳中继节点，剩余则进入睡眠模式。在第二个子时隙中源节点设为睡眠模式以节省能量。

2.节点传输过程

节点的传输过程如图4所示。源节点在每个时隙中都以概率P₀传输信息。每一时隙划分为两个子时隙，slot1和slot2。在第一个子时隙中，源节点广播自己的信息，在第二个子时隙中中继节点帮助源节点将信息传至目的节点。在两个子时隙中的极小时隙为后备中继节点的竞争时隙，其长度远小于两个子时隙。

在两个子时隙中，节点传输信息所受的干扰均可由

表示。这是因为自组织网络采用的分布式信息传输，每个源节点在时隙中传输的概率相同，也就是说源节点的分布可以建模为泊松分布。在一个有界的区域内，等价于节点均匀的分布在此区域内，这符合通常分布式自组织网络的分布特性。即使网络中存在节点的移动、新的节点的加入或已有节点的撤出，在某一时间快照中，源节点的分布仍可按上述建模。因此，对于泊松分布的源节点来说，其发出的信号在某一接收端的总和可以用冲击噪声(shot noise)来建模，这里用

来表示。备选的中继节点亦服从泊松分布。对于任意一个属于中继备选集合l∈Θ(λ₁)的节点来说，设其成为最佳中继在第二个子时隙中发射信息的概率为p′，定义

为l成为源节点S_i中继的概率，那么

定义极大冲击噪声(extreme shot noise)为

其中：Θ为服从泊松分布的节点组成的集合，L为响应函数，S_i和D_i分别代表第i_th个通信链路的源节点和目的节点。

根据上面的定义，

可以写为

$=L(S_i,l)$

因此，节点l成为中继的概率为

$p^{\&prime;}=\underset{S_i\&Element;\mathrm{\&Theta;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_0\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{S_i}=\mathrm{\&Xi;}$

由于源节点组成的集合Θ(λ₀)服从齐次泊松分布，p′的值与节点l的位置无关，也就是说任意属于后备中继集合的节点l∈Θ(λ₁)，都有相同的概率成为最佳中继在第二个子时隙中传输。因此，由这些被选的最佳中继组成的集合，仍然服从泊松分布，也就是说依然可以用

来表示某一中继传输时，其他中继的信号在目的节点形成的噪声干扰总和。

Claims (2)

1.一种降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，其特征在于，包括源节点选择，后备中继节点选择，最佳中继选择以及睡眠节点选择四个步骤，在每一轮通信的开始，动态选择源节点、后备中继节点、最佳中继节点及睡眠节点；其中，

第一步，源节点选择：源节点的选择阶段主要通过选择节点的调度因子来调节源节点的密度；根据不同的发射功率，选择适当的调度因子，使得在机会通信的复用率不降低的前提下，降低中断概率，或者当中断概率不高于可容忍上限时，得到最大的源节点的密度；所述源节点的密度由确定源节点选择概率来实现，源节点的选择概率是指节点被选做源节点的概率；

第二步，后备中继节点选择：通过使源节点传输信息的概率P₀小于节点成为后备中继节点的概率P₁来选择后备中继节点；

第三步，最佳中继选择：在后备中继节点中选择最佳中继节点，最佳中继节点的选择需考虑网络干扰，其选择过程如下：

（1）选出满足下式的后备中继节点：

其中：γ_R为通过后备中继节点的源到目的端的信号干扰噪声比，Θ(λ₁)表示后备中继集合，I_Θ(λ0)为后备中继节点间的干扰，N₀为目的端热噪声功率，F_ij，d_ij分别代表节点i，j之间的信道快衰落功率系数和距离，α为路径损耗因子；当后备中继集合Θ(λ₁)中的后备中继节点l监听到来自各信源的信号后，分别计算

和并得出其中的较小的值，并将其设为F_l；

（2）启用计时器，计时器的时间按照下面公式计算

T_l＝T_RIFS×(F_max-F_l)/(F_max-F_min)

其中：F_max、F_min分别为后备中继集合Θ(λ₁)中后备中继节点的F_l的最大值和最小值，T_RIFS为中继的竞争时间；

（3）任意一属于Θ(λ₁)的后备中继节点监听信道直到有后备中继节点占用信道或者自己的计时器归零；

（4）当计时器归零又没有后备中继节点占用信道时，此后备中继节点将作为最佳中继传输监听到的信源信息到目的节点；

第四步，睡眠节点选择：在得到源节点和后备中继节点后，剩余的节点将自己的模式设为睡眠状态。

2.如权利要求1所述的降低大规模无线自组织网络中断概率的方法，其特征在于：每一传输时隙划分为两个子时隙，在第一个子时隙结束时，后备中继节点竞争选出最佳中继节点，剩余则进入睡眠模式，在第二个子时隙中未被选做中继的节点和源节点设为睡眠模式。

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