CN103369624B - 能量受限协作通信系统中高能效的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量受限协作通信系统的中继选择方法。其实现步骤是：(1)M个源节点利用K个能量受限的中继节点与目的节点D进行协作通信；(2)找出剩余能量最少的一个中继节点并将其标记为R^*；(3)构建链路S_l→R^*→D的生命周期(4)按照由小到大的顺序对源节点排序得到新集合设置节点计数器并将其初始值m置为0；(5)将m自增1，构建链路的生命周期(6)将最大值对应的中继节点标记为(7)重复步骤(5)至步骤(6)直到m与M相等，将中继节点按照下标由小到大的顺序排列，得到新集合(8)集合中的源节点选择集合中相同下标的中继节点进行协作通信。本发明能具有能量效率高，实现复杂度低，可用于能量受限环境下的协作通信系统。

Description

能量受限协作通信系统中高能效的中继选择方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种能量受限协作通信系统的中继选择方法，可用于提高多中继协作通信系统的能量效率。

背景技术

多输入多输出MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和发送功率的情况下，可以有效地对抗无线信道的衰落，从而提高通信系统的频谱利用率。然而在一些实际的应用场景，比如蜂窝系统的上行链路，无线自组织网络和无线传感器网络，移动终端或者网络节点受到自身体积，复杂度和功耗的限制，很难直接应用MIMO技术。于是，一种新的空间分集技术-协作分集技术应运而生。它的基本原理是参与协作通信的多个终端或者节点通过组成一种虚拟的MIMO系统来彼此共享链路资源从而获得空间分集增益。协作分集技术突破了传统MIMO技术对终端设备的限制，为其走向实用化提供了新思路。

最初关于协作分集技术的研究都主要集中在单中继节点的情形下。随着研究的深入，采用多中继节点的协作传输方案受到越来越多的关注。这种方案可以大大地增加协作通信的分集增益，从而可以满足更高的服务质量需求。在多中继协作通信系统中，源节点和中继节点按照时分或者频分的方式来分配正交子信道，而且所有的中继节点都参与协作传输。该方案虽然可以获得与中继节点个数成正比的分集增益阶数，但同时牺牲了系统的频谱效率。于是研究人员提出了中继选择方案，即根据中继链路的信道质量，每次只选择一个最佳的中继节点参与协作传输。研究证明，中继选择方案在保证分集增益的前提下可以大幅度地提升协作通信的频谱效率。

目前针对中继选择方案的研究大多是考虑如何利用中继节点的信道状态信息选择最佳的中继节点提升如误码率，中断概率，吞吐量等性能指标，却很少考虑能量效率的问题。即使有所涉及也只是局限于优化单次协作传输的能量消耗，而没有考虑如何优化整个协作传输过程的能量效率。在一些能量受限的应用场景，比如用户终端充当中继节点或者中继节点远离供电网，中继节点往往是通过电池供电。对于现有只考虑信道状态信息的中继选择算法，信道条件较好的中继节点往往被过度使用，导致其电量过早耗尽，造成其它中继节点的能量资源无法得到充分利用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，通过联合考虑中继节点的信道状态和能量状态，提出一种能量受限协作通信系统中高能效的中继选择方法，以在保证通信质量的要求下，提高多中继协作通信系统的能量效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)根据网络规划的要求，为M个源节点分配K个能量受限的中继节点，与目的节点D进行协作通信，其中，M个源节点构成集合S＝{S₁,…S_l,…,S_M}，K个中继节点构成集合R＝{R₁,…R_j,…,R_K}，且l＝1,2,…M，j＝1,2,…K，K≥M；

(2)在所有中继节点中找出剩余能量最少的一个并将其标记为R^*；

(3)构建协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期为：

$T_{S_l{R}^{*}}={\mathrm{\ϵ}}_{R^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R^{*}D}/\left(2^{2W_l}-1-P_{S_l}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{S_l{R}^{*}}\right),$

其中，为中继节点R^*的剩余能量，和分别是S_l→R^*链路和R^*→D链路的归一化信噪比，和W_l分别是源节点S_l的发射功率和目标数据速率；

(4)按照协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期由小到大的顺序重新对源节点S_l进行排序，得到新的源节点集合同时设置节点计数器，并将节点计数器的值m初始化为0；

(5)将节点计数器的值m自增1，构建协作通信链路的生命周期为：

$T_{{\tilde{S}}_m{R}_j}={\mathrm{\ϵ}}_{R_j}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R_{j}D}/\left(2^{2W_m}-1-P_{{\tilde{S}}_m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{{\tilde{S}}_m{R}_j}\right),$

其中，为R_j的剩余能量，和分别是链路和R_j→D链路的归一化信噪比，和W_m分别是源节点的发射功率和目标数据速率；

(6)找出协作通信链路的生命周期最大值所对应的中继节点，并将其重新标记为

(7)判断所述计数器的值m是否与源节点的总个数M相等，若不相等，则重复步骤(5)至步骤(6)，反之则将重新标记后的中继节点按照下标由小到大的顺序排列，得到新的中继节点集合

(8)源节点集合中的每个源节点选择新的中继节点集合中与其相同下标的中继节点，进行协作通信。

本发明联合考虑中继节点的信道状态和能量状态，通过优化多个源节点的中继选择策略，在保证通信质量的同时延长了协作通信的生命周期。与现有单纯只考虑信道状态的中继选择方法相比，本发明可充分利用中继链路的能量资源，提高了能量受限协作通信系统的能量效率。

附图说明

图1是现有多源多中继协作通信系统的模型图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是2个源节点4个中继节点的协作通信系统分别采用本发明提出的中继选择方法和现有的中继选择方法，进行协作通信的能量效率仿真比较图；

图4是4个源节点4个中继节点的协作通信系统分别采用本发明提出的中继选择方法和现有的中继选择方法，进行协作通信的能量效率仿真比较图。

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方法为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明采用的多源多中继协作通信系统的模型如图1所示，其中S₁,…S_l,…,S_M为源节点集合，R₁,…R_j,…,R_K为中继节点集合，D为目的节点，其中中继节点的个数K不少于源节点的个数M，即K≥M。每个源节点只选择一个中继节点与目的节点进行协作通信，且每个中继节点只服务于一个源节点。所有的通信节点都采用单天线且工作在时分双工模式。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据网络规划的要求，为M个源节点分配K个能量受限的中继节点，与目的节点D进行协作通信，其中，M个源节点构成源节点集合S＝{S₁,…S_l,…,S_M}，K个中继节点构成中继节点集合R＝{R₁,…R_j,…,R_K}，且l＝1,2,…M，j＝1,2,…K，K≥M。考虑到协作通信系统的实现复杂度，源节点和中继节点的个数取2～8个为宜，即2≤M,K≤8。

步骤2，所有中继节点估计各自的剩余能量，找出剩余能量最少的一个中继节点并将其标记为R^*。

现有技术中对于节点剩余能量的估计方法包括以下几种：

方法1：建立节点能量状态的马尔科夫链模型，通过预定的能量状态转移矩阵估计节点当前的剩余能量，如文献HuangWJ,HongYWP,KuoCCJ.Lifetimemaximizationforamplify-and-forwardcooperativenetworks[J].WirelessCommunications,IEEETransactionson,2008,7(5):1800-1805.

方法2：建立节点电池的非线性放电模型，根据通信节点间的距离、衰落信道的类型、传输的数据量等参数确定节点的能量消耗进而判断剩余能量，如文献ZhangW,DuanD,YangL,Relayselectionfromabatteryenergyefficiencyperspective[J].Communications,IEEETransactionson,2011,59(6):1525-1529.

本实例采用第2种方法来估计中继节点的剩余能量。

步骤3，构建协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期按如下步骤进行：

3a)利用源节点S_l发送的训练序列估计S_l→R^*链路的归一化信噪比其中为S_l→R^*链路的信道衰落系数，为R^*的接收噪声方差；

3b)利用中继节点R^*发送的训练序列估计R^*→D链路的归一化信噪比其中为R^*→D链路的信道衰落系数，为D的接收噪声方差；

3c)根据上述S_l→R^*链路的归一化信噪比和R^*→D链路的归一化信噪比得到协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期为：

$T_{S_l{R}^{*}}={\mathrm{\ϵ}}_{R^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R^{*}D}/\left(2^{2W_l}-1-P_{S_l}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{S_l{R}^{*}}\right),$

其中，为中继节点R^*的剩余能量，和W_l分别是S_l的发射功率和目标数据速率。

步骤4，按照协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期由小到大的顺序重新对源节点S_l进行排序，得到新的源节点集合同时设置节点计数器，并将节点计数器的值m初始化为0。

步骤5，将节点计数器的值m自增1，构建协作通信链路的生命周期按如下步骤进行：

5a)利用源节点发送的训练序列估计链路的归一化信噪比其中为链路的信道衰落系数，为R_j的接收噪声方差；

5b)利用中继节点R_j发送的训练序列估计R_j→D链路的归一化信噪比其中为R_j→D链路的信道衰落系数，为D的接收噪声方差；

5c)根据上述链路的归一化信噪比和R_j→D链路的归一化信噪比得到协作通信链路的生命周期为

$T_{{\tilde{S}}_m{R}_j}={\mathrm{\ϵ}}_{R_j}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R_{j}D}/\left(2^{2W_m}-1-P_{{\tilde{S}}_m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{{\tilde{S}}_m{R}_j}\right),$

其中，为中继节点R_j的剩余能量和W_m分别是的发射功率和目标数据速率。

步骤6，根据步骤5构建的协作通信链路的生命周期找出最大值所对应的中继节点，并将其重新标记为

步骤7，判断所述计数器的值m是否与源节点的总个数M相等，若不相等，则重复步骤5至步骤6；反之，将重新标记后的中继节点按照下标由小到大的顺序排列，得到新的中继节点集合m＝1,2,…M。

步骤8，新的源节点集合中的每个源节点选择新的中继节点集合中与其相同下标的中继节点，进行协作通信。

在现有技术中，协作通信主要包含两个阶段。以集合中的第m个源节点为例，对选择集合中的第m个中继节点与目的节点D进行协作通信进行说明。

在第一个阶段，由源节点将信号发送至中继节点

在第二个阶段，由中继节点先对接收信号进行如下处理，再转发至目的节点D。中继节点对于接收信号的处理方式，包括放大转发模式和译码转发模式，其中放大转发模式是先对接收信号进行功率归一化处理，然后直接转发至目的节点；译码转发模式是先对接收信号依次进行译码和重新编码后，再转发至目的节点。本实例的中继节点采用放大转发模式。

本发明的优点可以通过以下仿真进一步说明：

1)仿真条件：

假设协作通信系统的源节点和中继节点的个数分别为M和K，所有源节点的目标数据速率相同，所有中继节点采用放大转发模式处理接收信号。假设所有源节点和中继节点的初始能量为10焦耳，所有中继节点和目的节点的接收噪声方差为10^-4瓦。假设各个节点间衰落信道的路径损耗指数为2，信道时间相关系数为0.99。

2)仿真内容与结果：

仿真1，利用计算机对M＝2，K＝4的协作通信系统分别采用本发明提出的中继选择方法和现有的中继选择方法，进行协作通信的生命周期进行仿真比较，仿真结果如图3。

从图3可以看出，当源节点的目标数据速率为1.2bps/Hz时，本发明提出的中继选择方法可将现有方法的生命周期提升50％。

仿真2，利用计算机对M＝4，K＝4的协作通信系统分别采用本发明提出的中继选择方法和现有的中继选择方法，进行协作通信的生命周期进行仿真比较，仿真结果如图4。

从图4可以看出，当源节点的目标数据速率为1.2bps/Hz时，本发明提出的中继选择方法可将现有方法的生命周期提升17％。

综上，本发明提供的中继选择方法具有更高的能量效率。

Claims (3)

1.一种能量受限协作通信系统的中继选择方法，包括如下步骤：

(1)根据网络规划的要求，为M个源节点分配K个能量受限的中继节点，与目的节点D进行协作通信，其中，M个源节点构成集合S={S₁,…S_l,…,S_M}，K个中继节点构成集合R={R₁,…R_j,…,R_K}，且l=1,2,…M，j=1,2,…K，K≥M；

(2)在所有中继节点中找出剩余能量最少的一个并将其标记为R^*；

(3)构建协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期为：

$T_{S_l{R}^{*}}={\mathrm{\ϵ}}_{R^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R^{*}D}/(2^{{2W}_l}-1-P_{S_l}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{S_l{R}^{*}}),$

其中，为中继节点R^*的剩余能量，和分别是S_l→R^*链路和R^*→D链路的归一化信噪比，和W_l分别是源节点S_l的发射功率和目标数据速率；

(4)按照协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期由小到大的顺序重新对源节点S_l进行排序，得到新的源节点集合同时设置节点计数器，并将节点计数器的值m初始化为0；

(5)将节点计数器的值m自增1，构建协作通信链路的生命周期为：

$T_{{\tilde{S}}_m{R}_j}={\mathrm{\ϵ}}_{R_j}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R_{j}D}/(2^{2W_m}-1-P_{{\tilde{S}}_m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{{\tilde{S}}_m{R}_j}),$

其中，为R_j的剩余能量，和分别是链路和R_j→D链路的归一化信噪比，和W_m分别是源节点的发射功率和目标数据速率；

(6)找出协作通信链路的生命周期最大值所对应的中继节点，并将其重新标记为

(7)判断所述计数器的值m是否与源节点的总个数M相等，若不相等，则重复步骤(5)至步骤(6)，反之则将重新标记后的中继节点按照下标由小到大的顺序排列，得到新的中继节点集合

(8)源节点集合中的每个源节点选择新的中继节点集合中与其相同下标的中继节点，进行协作通信。

2.根据权利要求1所述的中继选择方法，其中步骤(3)所述的构建协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期按如下步骤进行：

3a)估计S_l→R^*链路的归一化信噪比其中为S_l→R^*链路的信道衰落系数，为R^*的接收噪声方差；

3b)估计R^*→D链路的归一化信噪比其中为R^*→D链路的信道衰落系数，为D的接收噪声方差；

3c)根据上述S_l→R^*链路的归一化信噪比和R^*→D链路的归一化信噪比得到协作通信链路S_l→R^*→D的生命周期为：

$T_{S_l{R}^{*}}={\mathrm{\ϵ}}_{R^{*}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R^{*}D}/(2^{{2W}_l}-1-P_{S_l}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{S_l{R}^{*}}),$

其中，为中继节点R^*的剩余能量，和W_l分别是S_l的发射功率和目标数据速率。

3.根据权利要求1所述的中继选择方法，其中步骤(5)所述的构建协作通信链路的生命周期按如下步骤进行：

5a)估计链路的归一化信噪比其中为链路的信道衰落系数，为R_j的接收噪声方差；

5b)估计R_j→D链路的归一化信噪比其中为R_j→D链路的信道衰落系数，为D的接收噪声方差；

5c)根据上述链路的归一化信噪比和R_j→D链路的归一化信噪比得到协作通信链路的生命周期为

$T_{{\tilde{S}}_m{R}_j}={\mathrm{\ϵ}}_{R_j}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{R_{j}D}/(2^{2W_m}-1-P_{{\tilde{S}}_m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{{\tilde{S}}_m{R}_j}),$

其中，为中继节点R_j的剩余能量和W_m分别是的发射功率和目标数据速率。