CN106658647B - 一种基于干扰感知的中继选择算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干扰感知的中继选择算法，包括以下步骤：中继节点接收来自源节点S的RTS信号和来自目的节点D的CTS信号，并估算所有与其相关的SR链路信道增益和RD链路信道增益；利用SR链路信道增益和RD链路信道增益，中继节点计算与其相对所有SD对的权值，并反馈给所有源节点；源节点和中继节点通过对由权值组成的矩阵W进行计算得到SR链路的最佳匹配，选择最佳中继方案。本发明通过在一定的干扰下选择最佳的中继策略，实现整个系统的合速率最大，从而提高系统的通信性能。

Description

一种基于干扰感知的中继选择算法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中无线信道的中继选择，具体涉及一种基于干扰感知的中继选择算法。

背景技术

中继网络最基本的三个要素包括：源节点S、中继节点R和目的节点D；节点之间构成不同链路，即源节点到中继节点的链路SR和中继节点到目的节点的链路RD。传统的中继选择算法都是按照信噪比SNR来计算信道的通信容量；实际上，在无线通信网络中，SR链路的干扰来源于源节点S，RD链路的干扰来源于中继节点R，这样的干扰会影响系统的性能，降低通信容量。

无线通信网路中，中继方案主要有增量中继、选择中继和固定中继三种；其中，最具代表性的固定中继又分为解码转发DF、放大转发AF和压缩转发CF三种。

当中继网络中考虑到来自其他节点传输的干扰的时候，选择中继所要考虑的问题会变得相当复杂；在一个同频中继网络里，当一个节点正在传输的时候，如果干扰节点也开始传输，接收到的信号中叠加进干扰成分。假设节点的位置是固定的并且不存在失效的情况，即网络拓扑结构是固定的，如果各个节点同步传输，即中继传输的两个阶段同时进行，那么，每个节点就必然会受到来自其它节点的干扰；如果传输不同步，因为无法确定在什么时候，会受到哪个节点的干扰，节点间的干扰就更加随机化。

可见，在一定的干扰下，如何选择最佳的中继策略，使整个系统的合速率达到最大，已成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在一定的干扰下，如何选择最佳的中继策略，使整个系统的合速率达到最大，从而提高系统的通信性能的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于干扰感知的中继选择算法，包括以下步骤：

步骤S10、中继节点接收来自源节点S的RTS信号和来自目的节点D的CTS信号，并利用RTS信号和CTS信号估算所有与其相关的SR链路信道增益和RD链路信道增益

步骤S20、利用SR链路信道增益和RD链路信道增益中继节点计算与其相对所有SD对的权值w_ij，并反馈给所有源节点；

步骤S30、源节点和中继节点通过对由权值w_ij组成的矩阵W进行计算得到SR链路的最佳匹配，选择最佳中继方案。

在上述方法中，步骤S20具体包括以下步骤：

步骤S21、初始化，将中继权值写入第一列表PL_p(i)和第二列表PL_R(j)中，其中，第一列表PL_p(i)表示的是SD对第i候选中继节点的权值，第二列表PL_R(j)表示的是中继节点j相对于所有候选SD对的权值；

步骤S22、置Engage_P(i)＝Φ,Engage_R(j)＝Φ,Candidate_R(j)＝Φ，分别表示SD对i选择的中继节点、中继节点j选择服务的SD对和中继节点j的候选SD对。

步骤S23，当Engage_P(i)＝Φ时，即存在没有选择中继的SD对时，对所有这样的SD对i，找出其候选中继节点相对于它的权值第一列表PL_p(i)中权值最大的中继节点j'，使得Candidate_R(j')＝Candidate_R(j')∪{i}，并从第一列表PL_p(i)删除中继节点j'；

步骤S24、对所有中继节点，使得Candidate_R(j)＝Candidate_R(j)∪Engage_R(j)，且

步骤S25、根据第二列表PL_R(j)，找到中继节点j候选SD对Candidate_R(j)中对应权值最大的SD对i'，使中继节点j选择服务的SD对Engage_R(j)＝i'，并且使得SD对i选择的中继节点Engage_P(i')＝j，对于节点j原来所服务的SD对i”，使其SD对i”选择的中继节点Engage_P(i”)＝Φ，并令中继节点j的候选SD对Candidate_R(j)＝Φ；

步骤S26、判断是否所有的SD对都完成中继选择，即Engage_P(i)≠Φ，如果是，结束程序；否则，转步骤S23。

在上述方法中，矩阵W为：

其中，N为SD对的数目，M为中继节点的数目。

在上述方法中，中继节点采用递延接受程序算法计算每条链路对应与所有中继节点的权值。

在上述方法中，对矩阵W进行计算的具体过程如下：

步骤S31、每一行中的所有元素减去该行中元素的最小值；

步骤S32、每一列中的所有元素减去该列中元素的最小值；

步骤S33、对矩阵的行或列划线，划掉矩阵元素中的零，且划线的线条数最少；

步骤S34、通过判断步骤S33的最少线条数是否为N，检查是否得到了最优解，如果为N，则结束程序；否则，转步骤S35；

步骤S35、在没有被线条划掉的元素中找到最小值，每个没有被划掉的行减去这个数，每个被划掉的列加上这个数，转到步骤S33。

在上述方法中，SR对的数目N与中继节点的数目M，满足M≥N。

本发明通过在一定的干扰下选择最佳的中继策略，实现整个系统的合速率最大，从而提高系统的通信性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于干扰感知的中继选择算法的流程图；

图2为本发明提供的一种基于干扰感知的中继选择算法的干扰模型示意图；

图3为本发明中步骤S20的实现流程图；

图4为本发明中矩阵W的计算流程图。

具体实施方式

在无线通信的中继技术中，选择中继的基本思想是选择最好的中继参与传输的协作。Host-Madsen等人研究了不同无线中继信道模型的各态历经容量和中断容量的上下界，并得出了结论：在多跳中继中选择最优中继进行传输能达到更好的性能，且功率分配能对无线中继信道产生重要的影响；Beres和Adve在他们的论文中研究了中继选择对信道容量和中断概率的影响，得出了选择中继能够替代空时编码应用于中继系统之中的结论；而Bletsas开创性提出的机会中继概念，更是中继技术最重要的研究之一，该文章不仅给出了分布式的中继选择准则，即Max-Min准则与调和平均(Harmonic Mean)准则，还设计了一种基于计时器的协议，以降低中继选择的实现复杂度，而其提出的采用AF和DF方案且中断概率最优的分布式机会中继选择，提供了主动式和激活式两种实现方案，并提出可以把中继当作分布式信道探测器的新观点；另外Zhao和Adve等人研究了AF多中继系统中的最优功率分配问题，在传输所用总功率受限、源节点和中继节点发射功率受限的情况下，给出了最优功率分配方案的闭式表达，并将其与中继选择相结合。

综上所述，本发明提供了一种基于干扰感知的中继选择算法，在一定的干扰下，系统通过本发明的算法选择最佳的中继策略，使整个系统的合速率达到最大，从而提高系统的性能。

在本发明中，进行通信的源－目的节点对为SD对，每个SD对从M个候选中继节点中选出一个协助它们的通信，将SD对中的源节点记作s_i，目的节点记作d_i，i＝1、2、3……N，则每个SD对可以表示为二元组(s_i，d_i)，所有的SD对组成的集合为P＝{(s₁,d₁),(s₂,d₂),…(s_N,d_N)}；将中继节点记作r_j，其中j＝1、2、3……M，所有中继组成的集合为R＝{r₁,r₂,…r_M},把被一个SD对(s_i，d_i)选中的中继节点记作r_i，则(s_i,r_i,d_i)组成一个通信节点簇，简称为“簇”。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

在无线通信网路中，中继系统采用的是固定中继中的解码转发DF，在解码转发DF中继模型下，根据香农公式，直传链路的最小传输功率为：

在解码转发DF中继方案中，中继节点首先接收源节点的信号，并对其解码，以消除噪声和干扰的影响；然后中继节点对信息重新编码，并转发给目的节点；解码转发DF方案下S-R-D链路单位带宽的最大传输速率为：

其中，P_s为源节点的发射功率，P_r为中继节点的发射功率，N₀为噪声功率，h_sr为源节点到中继节点的信道增益，h_rd为中继节点到目的节点的信道增益，h_sd为源节点到目的节点之间的信道增益，在源节点发射功率P_s和中继节点发射功率P_r相等时，信道的通信速率取决于h_rd和h_sr的较小者，所以最后被选择的中继节点k^*满足公式：

在干扰环境下，对SR链路来说，由于干扰源是所有的源节点，那么SR链路中继选择的目标就是选择使SR链路的信干噪比SINR最大的中继节点，对于一个SR链路，信干噪比SINR为：

其中，

是SR链路(r_i,s_i)的信噪比SNR，对于SR链路而言，寻找最佳中继r_i的计算公式如下：

对于SR链路的每一个信干噪比SINR都可以根据信道估计得到的信道增益来计算；对于RD链路，也有相同的结论，最佳中继节点r_i满足：

这里，为RD链路(r_i,d_i)的信噪比SNR。

对于上述RD链路，干扰来自中继节点，而且中继节点的数目M要大于或等于SD对的数目N，由于RD链路的干扰项的分母项的第一项来于其他SD对的中继选择结果，因此无法在中继选择之前计算RD链路的信干噪比SINR。但是，在干扰受限场景下的近似形式，利用对数和不等式(Log-Sum Inequality)和詹森不等式(Jensen’s Inequality)进行简单的变换可以得到，信道容量的上、下界，所以得到将RD链路受到的干扰与中继选择去耦合的中继选择算法，具体为：

而

其中，可以看作是一个权重，表示的是每个干扰项在所有干扰项之和中所占的比例，与中继选择有关，这样就可以用一个权值w_ij来表示中继节点的好坏，即权值越大，中继节点效果越好，权值w_ij为：

由所有的中继节点权值可以组成一个M*N的矩阵W为：

而权值与中继选择无关，只与每个中继节点与SD对的两条链路信噪比SNR相关，而且所涉及的信噪比都可以在中继节点处计算，因而可以将权值作为表示每个中继与每个SD对的匹配度的权值，这样就可以得到以网络合速率最大化为目标的中继选择公式为：

其中，是SR链路(r_i,s_i)的信噪比SNR，为RD链路(r_i,d_i)的信噪比SNR，是链路(r_i,d_j)的信噪比SNR，是链路(r_i,d_j)所对应的系数。

如图1、图2所示，本发明提供的一种基于干扰感知的中继选择算法，包括以下步骤：

步骤S10、中继节点接收来自源节点S的RTS信号(Request To Send，请求发送)和来自目的节点D的CTS(Clear To Send，清除发送)信号，并利用RTS和CTS信号估算所有与其相关的SR链路信道增益和RD链路信道增益

步骤S20、利用SR链路信道增益和RD链路信道增益中继节点计算与其相对所有SD对(与中继节点对应的每条链路)的权值w_ij，并反馈给所有源节点；这里中继节点采用递延接受程序算法计算每条链路对应与所有中继节点的权值。

如图3所示，步骤S20具体包括以下步骤：

步骤S21、初始化，将中继权值写入第一列表PL_p(i)和第二列表PL_R(j)中，其中，第一列表PL_p(i)表示的是SD对第i候选中继节点相对于它的权值，第二列表PL_R(j)表示的是中继节点j相对于所有候选SD对的权值；

步骤S22、置Engage_P(i)＝Φ,Engage_R(j)＝Φ,Candidate_R(j)＝Φ，分别表示SD对i选择的中继节点、中继节点j选择服务的SD对和中继节点j的候选SD对。

步骤S23，当Engage_P(i)＝Φ时，即存在没有选择中继的SD对时，对所有这样的SD对i，找出其候选中继节点相对于它的权值第一列表PL_p(i)中权值最大的中继节点j'，使得Candidate_R(j')＝Candidate_R(j')∪{i}，并从第一列表PL_p(i)删除中继节点j'。

步骤S24、对所有中继节点，使得Candidate_R(j)＝Candidate_R(j)∪Engage_R(j)，且

步骤S25、根据第二列表PL_R(j)，找到中继节点j候选SD对Candidate_R(j)中对应权值最大的SD对i'，使中继节点j选择服务的SD对Engage_R(j)＝i'，并且使得SD对i选择的中继节点Engage_P(i')＝j，对于节点j原来所服务的SD对i”，使其SD对i”选择的中继节点Engage_P(i”)＝Φ，并令中继节点j的候选SD对Candidate_R(j)＝Φ。

步骤S26、判断是否所有的SD对都完成中继选择，即Engage_P(i)≠Φ，如果是，结束程序；否则，转步骤S23。在结束程序之后，中继选择将达到一个稳定状态，在这个状态下，因为每个中继节点R，都只能服务一个SD对，虽然不能保证每个S-R-D路径都达到最大的速率，但是能保证整个网络的合速率最大。

步骤S30、源节点和中继节点通过对由权值w_ij组成的矩阵W进行计算得到SR链路的最佳匹配，选择最佳中继方案，矩阵W为：

其中，N为SD对的数目，M为中继节点的数目，如图4对矩阵W进行计算的具体过程如下：

步骤S31、每一行中的所有元素减去该行中元素的最小值；

步骤S32、每一列中的所有元素减去该列中元素的最小值；

步骤S33、对矩阵的行或列划线，划掉矩阵元素中的零，且划线的线条数最少；

步骤S34、通过判断步骤S33的最少线条数是否为N，检查是否得到了最优解，如果为N，则结束程序；否则(最少线条数小于N)，转步骤S35；

步骤S35、在没有被线条划掉的元素中找到最小值，每个没有被划掉的行减去这个数，每个被划掉的列加上这个数，转步骤S33。

本发明可以应用在Ad Hoc网络中，以Ad Hoc的两跳网络为模型，由于本发明只涉及到中继模型的问题，所以也可以使用在移动蜂窝网络和其他的网络模型中。其中，Ad Hoc网络可以为具有N对源－目的节点同频同步进行中继通信的无线网络。

在本发明中，M≥N，其中，SR对的数目为N，中继节点的数目为M，因为每条SR链路都必须要有一个中继节点，这样在计算SR链路的信干噪比SINR就会比计算RD链路的要容易很多，SR链路的信干噪比SINR可以根据CTS信号分析得到SR链路的信道增益可以通过下面的公式得到：

其中，为RD链路(r_i,d_i)的信噪比SNR。对于RD链路的每一个信干噪比SINR都可以根据信道估计得到的信道增益来计算；对于SR链路，也有相同的结论。

在本公式中，由于可选中继节点的数目要大于或者等于SR对的数目，所以在实际中继模型下，被选作为中继节点的个数只能有N，也就是说如果按照SR链路的计算方法，得到的信干噪比SINR与实际的信干噪比SINR要有一定的误差。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于干扰感知的中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、中继节点接收来自源节点S的RTS信号和来自目的节点D的CTS信号，并利用RTS和CTS信号估算所有与其相关的源节点到中继节点的SR链路信道增益和中继节点到目的节点的RD链路信道增益

步骤S20、利用SR链路信道增益和RD链路信道增益中继节点计算与其相对所有SD对的权值w_ij，并反馈给所有源节点；

步骤S30、源节点和中继节点通过对由权值w_ij组成的矩阵W进行计算得到SR链路的最佳匹配，选择最佳中继方案；

步骤S30中，矩阵W为：

其中，N为SD对的数目，M为中继节点的数目；

且，权值与中继选择无关，只与每个中继节点与SD对的两条链路信噪比SNR相关，对于SR链路和RD链路的每一个信干噪比SINR都可以根据信道估计得到的信道增益计算得到；

对矩阵W进行计算的具体过程如下：

步骤S31、每一行中的所有元素减去该行中元素的最小值；

步骤S32、每一列中的所有元素减去该列中元素的最小值；

步骤S33、对矩阵的行或列划线，划掉矩阵元素中的零，且划线的线条数最少；

步骤S34、通过判断步骤S33的最少线条数是否为N，检查是否得到了最优解，如果为N，则结束程序；否则，转步骤S35；

步骤S35、在没有被线条划掉的元素中找到最小值，每个没有被划掉的行减去这个数，每个被划掉的列加上这个数，转到步骤S33。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S20具体包括以下步骤：

步骤S21、初始化，将中继权值写入第一列表PL_p(i)和第二列表PL_R(j)中，其中，第一列表PL_p(i)表示的是SD对i选择的候选中继节点的权值，第二列表PL_R(j)表示的是中继节点j相对于所有候选SD对的权值；

步骤S22、置Engage_P(i)＝Φ,Engage_R(j)＝Φ,Candidate_R(j)＝Φ，分别表示SD对i选择的中继节点、中继节点j选择服务的SD对和中继节点j的候选SD对；

步骤S23，当Engage_P(i)＝Φ时，即存在没有选择中继的SD对时，对所有这样的SD对i，找出其候选中继节点相对于它的权值第一列表PL_p(i)中权值最大的中继节点j'，使得Candidate_R(j')＝Candidate_R(j')∪{i}，并从第一列表PL_p(i)删除中继节点j'；

步骤S24、对所有中继节点，使得Candidate_R(j)＝Candidate_R(j)∪Engage_R(j)，且

步骤S25、根据第二列表PL_R(j)，找到中继节点j候选SD对Candidate_R(j)中对应权值最大的SD对i'，使中继节点j选择服务的SD对Engage_R(j)＝i'，并且使得SD对i'选择的中继节点Engage_P(i')＝j，对于节点j原来所服务的SD对i”，使其SD对i”选择的中继节点Engage_P(i”)＝Φ，并令中继节点j的候选SD对Candidate_R(j)＝Φ；

步骤S26、判断是否所有的SD对都完成中继选择，即Engage_P(i)≠Φ，如果是，结束程序；否则，转步骤S23。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，中继节点采用递延接受程序算法计算每条链路对应与所有中继节点的权值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，SR对的数目N与中继节点的数目M，满足M≥N。