CN104320827B - 大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法。主要解决现有技术在缺少甚至没有中继信息的情况下不能快速选择出高性能中继和实现复杂度高的问题。其技术方案是：源节点向中继节点广播用户需求信息；中继节点开始检测自己能否满足用户需求信息，若能满足，则发送一个应答信息给源节点，否则，该中继保持沉默；源节点使用能量探测器识别出可用中继；可用中继通过使用时隙ALOHA的方式为源节点随机地选择一个可用中继作为使用中继；源节点通过选择出的使用中继传输数据信息。本发明减轻了网络的开销，降低了对中继的信息需求，可用于具有大量非特质性中继并缺乏中继信息收集手段的大规模中继网络。

Description

大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及一种盲中继选择方法，适用于具有大量非特质性中继并缺乏中继信息收集手段的大规模中继网络。
背景技术
协作中继技术是一种将参与协作的中继运用到无线网络的新兴技术。它能够为有着较差信道环境的用户提供可靠的数据传输服务，提高无线信道的传输速率和传输可靠性，增加系统的覆盖范围和系统的健壮性，在不增加系统复杂度的情况下不仅降低了终端的功耗和带宽，还可以明显提高系统的频谱效率、吞吐率和容量。目前有很多研究中继选择的相关工作。在2009年Y.Jing和H.Jafarkhani在IEEE Transaction on WirelessCommunications上发表的文章“Single and multiple relay selection schemes andtheir achievable diversity orders”总结了目前存在的数种单中继选择算法，并将中继选择的场景扩展到了多中继的情况。在2011年S.Park,D.Kim和S.Nam,在IEEE Transactionon Wireless Communications上发表的文章“Adaptive threshold based relayselection for minimum feedback and channel usage”中提出了一种基于单比特反馈可调节阈值的中继选择算法，它能够很好地降低对信道状态信息更新量的需求。进一步的，在2012年D.S.Michalopoulos,H.A.Suraweera,G.K.Karagiannidis,和R.Schober在IEEETransactions on Communications上发表的文章“Amplify-and-forwar drelayselection with outdated channel estimates”研究了过时的信道状态信息对中继选择性能的影响。然而,以上方案都需要收集中继的信息并进行对比选择最优中继。更新这些信息需要消费大量的频谱以及时间，并且十分复杂。这就导致了这些方案只能停留在实验室仿真甚至是理论研究的层面。在诸如分布式动态大规模中继网络这样的实际场景中，通过穷举对比的方式来在大量中继中选择最优中继就显得非常不现实了。2011年，S.Cho,W.Choi和K.Huang在IEEE Vehicular Technology Conference上发表的文章“QoSprovisioning relay selection in random relay networks”介绍了一种基于地理区域的随机中继选择方案框架，选择特定区域之中的中继以满足特定的服务质量，然而该方案没有给出具体的帧结构和实现方法。在2013年，B.Li,H.Li,W.Wang,Z.Hu和Q.Yin在IEEEWireless Communications Letters上发表的“Energy-effective relay selection byutilizing special diversity for random wireless sensor networks”提出了一种具有方向性的高能效随机中继选择方案，其中的随机中继选择区域由半径和夹角决定，然而，该方案只讨论了如何最大限度地从能效角度提高单跳中继的距离,却没有讨论如何在目标节点确定时如何合理分配两跳距离的关系，在具体实施时难以满足目前广泛存在的多跳场景需求。
发明内容
本发明的目的在于针对大规模中继网络中，由于其大规模和盲节点特性引起地用户难以收集中继实时信息的问题，提出一种基于随机接入的盲中继选择方法，以降低大量中继之间由于竞争导致地高冲突概率，满足多跳场景需求。
为实现上述目的，本发明通过使用时隙ALOHA的方式来选择可用中继，该方式是一种能够通过随机方法选取满足给定条件中继的高效选择策略，其能够在需要少量甚至不需要中继信息的情况下，满足多跳场景需求。本发明还通过引入一种“可用中继区域”的概念来对可用中继进行预选择，以降低冲突概率。其具体实现步骤包括如下：
(1)源节点识别可用中继：
(1a)将当前帧从帧头开始的2M个时隙划分为M个连续的“广播-应答”对，其中M为“广播-应答”对个数的上限值，设定为6；
(1b)源节点计算用户需求速率Rr：
其中，m表示源节点的第m次广播，Rr max表示用户需求速率的上限，Q表示在给定的中断概率约束下可用中继所在区域的面积，λr表示均匀分布的中继密度，arg表示使目标函数成立时的变量值；
(1c)在第m个“广播-应答”对的第一个时隙中，源节点将用户的需求速率Rr以及它的定位信息广播给所有中继；
(1d)每个中继开始检测自己能否满足用户速率需求Rr：若能满足，则发送一个应答信息给源节点，否则该中继保持沉默；
(1e)在第m个“广播-应答”对的第二个时隙中，所有满足用户需求的中继返回一个“同意中继”的信息给源节点；
(1f)源节点使用能量探测器检测是否有中继回复信息：若中继回复的信息信号能被探测到，则执行步骤(2)，否则源节点将计算第m+1次的用户需求速率Rr，再发起第m+1个“广播-应答”对，当m的值大于M时，则判定本帧内没有中继满足要求，选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1a)，否则返回步骤(1b)；
(2)已被识别出的可用中继通过使用时隙ALOHA的方式为源节点随机地选择一个可用中继：
(2a)设定时隙个数N为8，其中N为随机接入时隙个数的上限值；
(2b)在第n个时隙中，每个可用中继都以相同的接入概率：
广播一个“选我”的接入信息，其中，k！表示整数变量k的阶乘，argmin表示使目标函数取最小值时的变量值；
(2c)在第n个时隙中，当只有一个可用中继广播接入信息时，源节点就选择该可用中继作为使用中继，并执行步骤(3)，未被选择的可用中继则会退出，否则本时隙就发生了冲突或者是空闲，所有的可用中继等待第n+1个时隙的到来，当n的值大于N时，则判定本帧内选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)，否则，返回步骤(2b)；
(3)源节点将数据信息发送给使用中继，该使用中继再将此数据信息转发给目标节点，若数据信息传输发生中断，则传输失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)。
本发明具有如下优点：
1.本发明结合随机接入和基于地理的可用中继区域概念，极大地缓解了实际应用的高复杂度的困扰。
2.本发明设计的选择方案能够在不进行特别对比的情况下选择中继，从而降低了对中继的信息需求，与最优中继选择方案相比，本发明的随机中继选择方案还能达到次优的性能。
仿真结果表明，本发明解决能在需要少量甚至不需要中继信息的情况下快速选择高性能中继的问题。
附图说明
图1是本发明适用的分布式大规模中继网络模型图；
图2是本发明的时帧结构图；
图3是本发明的实现流程图；
图4是本发明中计算可用中继区域面积s的正交坐标系；
图5是本发明在不同参数下的传输性能与理想中继选择方案的传输性能对比图；
图6是本发明的信道利用率与理想中继选择方案的信道利用率对比图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方法作进一步的详细描述。
参照图1，该模型中含有一个源节点S,一个目标节点D,以及密度为λr的均匀分布的中继。网络中没有设置基地站来广播或者收集中继的各种信息。另外，由于网络的大规模性，中继们也不互相分享它们所拥有的信息，每个中继只拥有它自己的本地信息。由于一个大规模网络的频谱资源十分稀缺，本模型将与一个用户有关的所有网络活动都限制在一个信道之中。假设源节点和目标节点之间的直传链路的信道质量非常差，所以他们必须依赖中继来进行成功的传输工作。并且目标节点是固定的，而源节点和中继都可以在帧与帧之间改变自己的位置，于是每一帧的选择结果都可能适用或者不适用于下一帧。源节点和每个中继都安装有定位装置。模型中采用选择性解码转发协议，这样只有在中继处得到正确解码的数据才会被转发到目标节点那里。
假设任何两个节点之间的信道都存在着瑞利衰落和路径损耗，则其信道增益可建模为：
其中，d表示任何两个通信节点的距离，路径损耗参数为2，χ表示均值为1的服从指数分布的随机数。
参照图2，本发明使用的时帧结构的总时隙个数为L，L设定为100，该时帧结构包括三个部分：第一部分为M个广播时隙和M个应答时隙，其中M为“广播-应答”对个数的上限值；第二部分为N个随机接入时隙，其中N为随机接入时隙个数的上限值；第三部分为L-2M–N个发送时隙。
参照图3，本发明的实现包括如下步骤：
步骤1，源节点识别可用中继。
(1a)将当前帧从帧头开始的2M个时隙划分为M个连续的“广播-应答”对，其中每个“广播-应答”对包含连续的两个时隙，M为“广播-应答”对个数的上限值，设定为6，并设定变量m＝1，m表示源节点的第m次广播，m取值是从1开始到M结束的整数；
(1b)源节点计算用户需求速率Rr：
其中，m表示源节点的第m次广播，λr表示均匀分布的中继密度，arg表示使目标函数成立时的变量值，λr表示均匀分布的中继密度，Q表示在给定的中断概率约束下可用中继所在区域的面积，即本发明构造的地理区域的面积，Rr max表示用户需求速率的上限，Rr max计算公式如下：
其中，ε表示目标中断概率上界值，dSD表示源节点和目标节点之间的距离，Ps和Pr又分别表示源节点和中继的发射功率，N0表示噪声功率，
参照图4，Q计算公式如下：
其中，ySR表示中继R位置的纵坐标，xSR表示中继R位置的横坐标，x1表示可用中继区域距离源节点最近的点的横坐标，x2表示可用中继区域距离源节点最远的点的横坐标，
(1c)在第m个“广播-应答”对的第一个时隙中，源节点将用户的需求速率Rr以及它的定位信息广播给所有中继；
(1d)每个中继按照给出的目标中断概率上界值ε，开始检测自己能否满足用户速率需求Rr：若能满足，则发送一个应答信息给源节点，否则该中继保持沉默，每个中继的检测公式如下：
其中，ε表示目标中断概率的上界值，dSR和dRD分别表示源节点S到中继R以及中继R到目标节点D的距离，Ps和Pr分别表示源节点和中继的发射功率，N0表示噪声功率，Rr表示用户需求速率；
(1e)在第m个“广播-应答”对的第二个时隙中，所有满足用户需求的中继返回一个“同意中继”的信息给源节点；
(1f)源节点使用能量探测器检测是否有中继回复信息：若中继回复的信息信号能被探测到，则执行步骤(2)，否则源节点将计算第m+1次的用户需求速率Rr，再发起第m+1个“广播-应答”对，当m的值大于M时，则判定本帧内没有中继满足要求，选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1a)，否则，返回步骤(1b)。
步骤2，已被识别出的可用中继通过使用时隙ALOHA的方式为源节点随机地选择一个可用中继。
(2a)设定随机接入时隙个数的上限值N为8，同时设定变量n＝1，n表示第n个随机接入时隙，n的取值是从1开始到N结束的整数；
(2b)在第n个时隙中，每个可用中继都以相同的接入概率：
广播一个“选我”的接入信息，其中，k！表示整数变量k的阶乘，argmin表示使目标函数取最小值时的变量值，没有广播接入信息的可用中继将保持沉默并监听信道；
(2c)在第n个时隙中，当只有一个可用中继广播接入信息时，源节点则选择该可用中继作为使用中继，并执行步骤(3)，同时未被选择的可用中继将退出，否则，本时隙就发生了冲突或者是空闲，所有的可用中继等待第n+1个时隙的到来；
(2d)检测n的值是否大于N，若大于，则判定在本帧内选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)，否则，返回步骤(2b)。
步骤3，源节点通过选择出的使用中继传输数据信息。
本步骤是一个两阶段的半双工中继传输，实现如下：
(3a)源节点以传输速率V将数据信息发送给使用中继，若数据信息发送过程中发生中断，则数据信息发送失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)，否则，数据信息发送成功，并执行步骤(3b)，传输速率V的计算公式为：
其中，L表示一个时帧中的总时隙个数，Rr表示用户需求速率，i表示步骤(1)中使用掉的时隙对的个数1≤i≤M，i设定为步骤(1)中m的最后取值，h表示步骤(2)中使用掉的随机接入时隙的个数，1≤h≤N；
(3b)使用中继以相同的传输速率V再将此数据信息转发给目标节点，若数据信息转发过程中发生中断，则数据信息转发失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)，否则，数据信息转发成功，并在下一帧到来时开始下一帧的处理。
本发明的优点可以通过仿真结果进一步说明：
(1)仿真条件
本发明的仿真场景为一个1000m×1000m的方形区域。仿真参数为：Ps＝10mW，Pr＝10mW，N0＝0.1mW，M＝6，N＝8，以及L＝100。仿真结果是建立在1000次重复仿真的平均结果之上的。
(2)仿真内容及仿真结果
仿真1，将本发明在不同的目标中断概率上界值ε和中继密度λr下进行传输的性能与理想中继选择方案的传输性能进行对比仿真，结果如图5所示。
由图5可知，本发明的传输性能和理想中继选择方案的最优传输性能差距很小，随着源节点和目标节点距离dSD的增加，两者的传输速度都一同下降，但是它们的性能差距也缩小了，且中继密度λr对两方案性能差距的影响随着源节点与目标节点距离dSD的增加而减小。
仿真2，将本发明的信道利用率与理想中继选择方案的信道利用率进行对比仿真，仿真结果如图6所示。
由图6可知，本发明的信道利用率明显高于理想中继选择方案的信道利用率，并且理想中继选择方案的信道利用率会随着中继密度λr的增加而降低，而本发明的信道利用率能够基本上水平保持一个较高值。

Claims (3)

1.一种大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法，包括如下步骤：
(1)源节点识别可用中继：
(1a)将当前帧从帧头开始的2M个时隙划分为M个连续的“广播-应答”对，其中M为“广播-应答”对个数的上限值，设定为6；
(1b)源节点计算用户需求速率Rr：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mi>arg</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>r</mi> <mi>max</mi> </msubsup> </mrow> </munder> <mo>{</mo> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>m</mi> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>}</mo> <mo>,</mo> </mrow>
其中，m表示源节点的第m次广播，Rr max表示用户需求速率的上限，Q表示在给定的中断概率约束下可用中继所在区域的面积，λr表示均匀分布的中继密度，arg表示使目标函数成立时的变量值；Q计算公式如下：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> </munderover> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>a</mi> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <msqrt> <mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>x</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>ax</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <mi>b</mi> </mrow> <mn>4</mn> </mfrac> <mi>arcsin</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>a</mi> </mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msqrt> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mo>|</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，ySR表示中继R位置的纵坐标，xSR表示中继R位置的横坐标，x1表示可用中继区域距离源节点最近的点的横坐标，x2表示可用中继区域距离源节点最远的点的横坐标， dSD表示源节点和目标节点之间的距离，Ps和Pr分别表示源节点和中继的发射功率，ε表示目标中断概率上界，N0表示噪声功率；
(1c)在第m个“广播-应答”对的第一个时隙中，源节点将用户的需求速率Rr以及它的定位信息广播给所有中继；
(1d)每个中继开始检测自己能否满足用户速率需求Rr：若能满足，则发送一个应答信息给源节点，否则该中继保持沉默；
(1e)在第m个“广播-应答”对的第二个时隙中，所有满足用户需求的中继返回一个“同意中继”的信息给源节点；
(1f)源节点使用能量探测器检测是否有中继回复信息：若中继回复的信息信号能被探测到，则执行步骤(2)，否则源节点将计算第m+1次的用户需求速率Rr，再发起第m+1个“广播-应答”对，当m的值大于M时，则判定本帧内没有中继满足要求，选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1a)，否则返回步骤(1b)；
(2)已被识别出的可用中继通过使用时隙ALOHA的方式为源节点随机地选择一个可用中继：
(2a)设定时隙个数N为8，其中N为随机接入时隙个数的上限值；
(2b)在第n个时隙中，每个可用中继都以相同的接入概率：
广播一个“选我”的接入信息，其中，k！表示整数变量k的阶乘，arg min表示使目标函数取最小值时的变量值；
(2c)在第n个时隙中，当只有一个可用中继广播接入信息时，源节点就选择该可用中继作为使用中继，并执行步骤(3)，未被选择的可用中继则会退出，否则本时隙就发生了冲突或者是空闲，所有的可用中继等待第n+1个时隙的到来，当n的值大于N时，则判定本帧内选择失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)，否则，返回步骤(2b)；
(3)源节点将数据信息发送给使用中继，该使用中继再将此数据信息转发给目标节点，若数据信息传输发生中断，则传输失败，并在下一帧时重新执行步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法，所述步骤(2c)的中继选择，是选择第一个成功接入的中继。
3.根据权利要求1所述的大规模中继网络中基于随机接入的盲中继选择方法，所述步骤(1d)中每个中继检测自己能否满足用户速率需求Rr，是检测如下公式是否成立：
<mrow> <mfrac> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mi>r</mi> </msub> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，ε表示目标中断概率上界，dSR和dRD分别表示源节点S到中继R以及中继R到目标节点D的距离，Ps和Pr分别表示源节点和中继的发射功率，N0表示噪声功率，Rr表示用户需求速率；
若上述公式成立，则中继发送一个应答信息给源节点，否则中继保持沉默。
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Single and Multiple Relay Selection Schemes and their Achievable Diversity Orders;Yindi Jing et al.;《IEEE Transactions on Wireless Communications》;20090316;第8卷(第3期);1414-1423 *

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CN104320827A (zh) 2015-01-28

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