CN106712813A - 基于网络生命周期门限选择天线的mimo中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络生命周期门限选择天线的MIMO中继选择方法，通过设置生命周期门限控制MIMO协作通信系统的天线选择以及基于天线选择结果从而完成中继选择。本发明在中继选择时考虑了中继节点的剩余能量，在存在电池供电的中继节点的协作通信网络中，能够平衡网络负荷，延长网络生命周期，并且相对于已有天线选择算法，计算复杂度大大降低。本发明不仅可用于由电池供电的中继节点构成的协作通信系统，同时适用于电池供电中继节点和电网供电中继节点共存的协作通信系统。

Description

基于网络生命周期门限选择天线的MIMO中继选择方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及协作通信系统的天线与中继选择方法。

背景技术

协作通信系统中，通信性能的好坏与中继节点的选择有关。衡量中继选择性能的指标通常包括容量和中断概率。在多个中继节点中选择一个或者多个中继节点作为协作伙伴帮助源节点发送信号，以达到提升通信性能的目的，这就是协作通信的中继选择。参与协作通信的节点不仅可以配置一根天线，构成一种虚拟MIMO(Multiple Input MultipleOutput)效应，而且可以配置多根天线，进一步提升系统的性能，多天线技术也是未来移动通信的发展方向。一般来说，增加天线数量可以在一定程度上提高容量，已有的中继选择算法通常考虑选择最大化系统容量的方式确定天线选择结果，但是会带来一些问题，如节点能耗的不公平、网络负荷的不平衡、用户体验满意度低等。这是由于中继选择方法没有考虑到公平性原则，中继的非公平性导致设备负荷的不平衡，负荷不平衡对获得高的系统容量带来不利影响。同时，对于电池储能的中继设备来说，能量将会被快速消耗，降低网络的生命周期，降低用户体验满意度。

发明内容

基于上述背景，本发明是在MIMO协作通信系统中，从提高网络生命周期的角度考虑，提供一种基于公平性原则的天线选择及中继选择方法，通过设置生命周期门限控制MIMO协作通信系统的天线选择以及基于天线选择结果从而完成中继选择，具有积极的科学意义和应用价值。

本发明的协作通信系统模型至少由1个源节点、M个中继节点和1个目的节点构建系统网络，每个中继节点配置N根天线。本发明主要包括以下步骤：

步骤一：在中继选择时刻j，将目的节点处接收信噪比大于信噪比门限r_th的中继节点选入候选中继节点集合Ω中，并获得所述候选中继节点集合Ω中所有中继节点的剩余能量。

步骤二：对于候选中继节点集合Ω中的第i个中继节点：

(1)遍历计算选择第i个中继节点的天线m时的通信时长1≤m≤N；当时，将天线m选入所述第i个中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i；其中：为中继选择时刻j时第i个中继节点的生命周期门限；α_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点允许消耗的最大能量占其剩余能量的比例；E_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点的剩余能量；表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线m的传输功率。

(2)遍历计算同时选择一根被选天线集合Ψ_1i中的天线a₁和天线b₁时的通信时长当时，将天线a₁和天线b₁构成的天线组合(a₁,b₁)选入第i个中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₁和天线b₁的传输功率。

(3)遍历计算选择二根被选天线集合Ψ_2i中的由天线a₂、天线b₂构成的天线组合(a₂,b₂)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a₂、天线b₂互不相同的天线c₁且该三根天线中的任意两根天线的组合属于所述二根被选天线集合Ψ_2i时的通信时长当时，将天线a₂、天线b₂和天线c₁构成的天线组合(a₂,b₂,c₁)选入第i个中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；其中： 分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₂、天线b₂、天线c₁的传输功率。

(4)遍历计算选择三根被选天线集合Ψ_3i中的由天线a₃、天线b₃、天线c₃构成的天线组合(a₃,b₃,c₃)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a₃、天线b₃、天线c₃互不相同的天线d₁且该四根天线中的任意三根天线的组合属于所述三根被选天线集合Ψ_3i时的通信时长当时，将天线a₃、天线b₃、天线c₃和天线d₁构成的天线组合(a₃,b₃,c₃,d₁)选入第i个中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₃、天线b₃、天线c₃、天线d₁的传输功率。

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值，此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合。

对于步骤二，存在另一种方式：

(1)遍历计算选择第i个中继节点的天线m时的通信时长1≤m≤N；当时，将天线m选入所述第i个中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i。

(2)遍历计算选择一根被选天线集合Ψ_1i中的每一根天线时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的天线n_x，分别计算同时选择天线n_x和所述一根被选天线集合Ψ_1i中不同于天线n_x的天线h_x时的通信时长当时，将天线n_x和天线h_x构成的天线组合(n_x,h_x)选入所述第i个中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线n_x和天线h_x的传输功率。

(3)遍历计算选择二根被选天线集合Ψ_2i中的每一个天线组合时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的由天线a_x、天线b_x构成的天线组合(a_x,b_x)；再计算选择所述天线组合(a_x,b_x)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a_x、天线b_x互不相同的天线c_x时的通信时长当时，将天线a_x、天线b_x和天线c_x构成的天线组合(a_x,b_x,c_x)选入所述第i个中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；其中： 分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a_x、天线b_x、天线c_x的传输功率。

(4)遍历计算选择三根被选天线集合Ψ_3i中的每一个天线组合时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的由天线a_y、天线b_y、天线c_y构成的天线组合(a_y,b_y,c_y)，分别计算同时选择所述天线组合(a_y,b_y,c_y)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a_y、天线b_y、天线c_y互不相同的天线d_y时的通信时长当时，将天线a_y、天线b_y、天线c_y、天线d_y构成的天线组合(a_y,b_y,c_y,d_y)选入所述第i个中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a_y、天线b_y、天线c_y、天线d_y的传输功率。

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值；此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合。

步骤三：对于每一个非空的最终被选天线集合对应的中继节点，分别计算其最终被选天线集合中每一个天线组合对应的该中继节点到目的节点链路的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合为该中继节点的被选天线组合，该最大信道容量为该中继节点到目的节点链路的信道容量；

步骤四：选择中继节点到目的节点链路的信道容量最大的中继节点作为数据转发的中继节点。

本发明不仅可用于由电池供电的中继节点构成的协作通信系统，同时适用于电池供电中继节点和电网供电中继节点共存的协作通信系统，只需要根据节点类型的不同，分别采用不同的天线和中继选择方法。例如，对于其中电池供电的中继节点，采用本发明中的方案进行天线选择，对于电网供电的中继节点，采用已有的方案进行天线选择，然后根据在所有中继节点中，选取信道容量最大的中继节点转发数据。

本发明可以获得如下有益效果：

(1)本发明在中继选择时考虑了中继节点的剩余能量，在存在电池供电的中继节点的协作通信网络中，能够平衡网络负荷，延长网络生命周期。(2)本发明相对于已有采用遍历组合计算的天线选择算法，计算复杂度大大降低，方法简单有效，可与已有方法有效融合，具有很好的可实现性和应用价值。

具体实施方式

协作通信系统实施例模型由1个源节点、M个中继节点和1个目的节点构成，中继节点配置N根天线且采用电池供电。在中继选择时刻j第i个中继节点的剩余能量为E_ij，每次转发信号允许消耗的最大能量为α_ijE_ij，α_ij为在中继选择时刻j第i个中继节点允许消耗的最大能量占其剩余能量的比例，定义为中继选择时刻j第i个中继节点的生命周期门限。

实施例主要步骤如下：

步骤一：在中继选择时刻j，将目的节点处接收信噪比大于信噪比门限r_th的中继节点选入候选中继节点集合Ω中，并获得该集合中所有中继节点的剩余能量。步骤二：对于候选中继节点集合Ω中的每一个中继节点，以中继节点i为例：

(1)分别计算选择第i个中继节点的天线m时的通信时长1≤m≤N；当时，天线m不被选择；当时，将天线m选入该中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i；表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线m的传输功率。

(2)对于Ψ_1i中的任意两根天线，分别计算同时选择Ψ_1i中的天线a₁和天线b₁时的通信时长当时，将天线a₁和天线b₁构成的天线组合(a₁,b₁)选入第i个中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；当时，天线组合(a₁,b₁)不被选择；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₁和天线b₁的传输功率。

(3)对于Ψ_2i中的任意天线组合，分别计算同时选择Ψ_2i中的天线组合(a₂,b₂)以及Ψ_1i中与天线a₂、天线b₂互不相同的天线c₁且该三根天线中的任意两根天线的组合属于Ψ_2i时的通信时长当时，由天线a₂、天线b₂和天线c₁构成的天线组合(a₂,b₂,c₁)不被选择；当时，将天线组合(a₂,b₂,c₁)选入第i个中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；其中： 分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₂、天线b₂、天线c₁的传输功率。

(4)对于Ψ_3i中的任意天线组合，分别计算同时选择Ψ_3i中的天线组合(a₃,b₃,c₃)以及Ψ_1i中与天线a₃、天线b₃、天线c₃互不相同的天线d₁且该四根天线中任意三根天线的组合属于Ψ_3i时的通信时长当时，将天线a₃、天线b₃、天线c₃和天线d₁构成的天线组合(a₃,b₃,c₃,d₁)选入第i个中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；当时，天线组合(a₃,b₃,c₃,d₁)不被选择；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₃、天线b₃、天线c₃、天线d₁的传输功率。

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值，此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合。

步骤三：对于每一个非空的最终被选天线集合对应的中继节点，分别计算其最终被选天线集合中每一个天线组合对应的该中继节点到目的节点链路的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合为该中继节点的被选天线组合，该最大信道容量为该中继节点到目的节点的信道容量；

步骤四:选择中继节点到目的节点链路的信道容量最大的中继节点作为数据转发的中继节点。

本发明的另一个实施例，是将上述实施例中的步骤二替换为下述步骤即可实现。替换的步骤二：

对于候选中继节点集合Ω中的每一个中继节点，以中继节点i为例：

(1)分别计算选择第i个中继节点的天线m，1≤m≤N，时的通信时长当时，天线m不被选择，当时，将天线m选入该中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i。

(2)分别计算选择Ψ_1i中的每一根天线时该中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的天线n，分别计算同时选择天线n和Ψ_1i中不同于天线n的天线h时的通信时长当时，由天线n和天线h构成的天线组合(n,h)不被选择，当时，将天线组合(n,h)选入该中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；

(3)分别计算选择Ψ_2i中的每一个天线组合时该中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合(a_x,b_x)，分别计算同时选择天线组合(a_x,b_x)以及Ψ_1i中与天线a_x、天线b_x互不相同的天线c_x时的通信时长当时，由天线a_x、天线b_x和天线c_x构成的天线组合(a_x,b_x,c_x)不被选择，当时，将天线组合(a_x,b_x,c_x)选入该中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；

(4)分别计算选择Ψ_3i中的每一个天线组合时该中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合(a_y,b_y,c_y)，分别计算同时选择天线组合(a_y,b_y,c_y)以及Ψ_1i中与天线a_y、天线b_y、天线c_y互不相同的天线d_y时的通信时长当时，由天线a_y、天线b_y、天线c_y和天线d_y构成的天线组合(a_y,b_y,c_y,d_y)不被选择，当时，将天线组合(a_y,b_y,c_y,d_y)选入该中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值；此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合。

本发明并不限于仅由1个源节点、M个中继节点和1个目的节点组网，本领域技术人员都能轻易根据本发明扩展应用于多点数据传输。

Claims (2)

1.一种基于网络生命周期门限选择天线的MIMO中继选择方法，至少由1个源节点、M个中继节点和1个目的节点构建系统网络，每个中继节点配置N根天线，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

步骤一：在中继选择时刻j，将目的节点处接收信噪比大于信噪比门限r_th的中继节点选入候选中继节点集合Ω中，并获得所述候选中继节点集合Ω中所有中继节点的剩余能量；

步骤二：对于候选中继节点集合Ω中的第i个中继节点：

(1)分别计算选择第i个中继节点的天线m时的通信时长1≤m≤N；当时，将天线m选入所述第i个中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i；其中：为中继选择时刻j时第i个中继节点的生命周期门限；α_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点允许消耗的最大能量占其剩余能量的比例；E_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点的剩余能量；P_ij ^(m)表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线m的传输功率；

(2)对于一根被选天线集合Ψ_1i中的任意两根天线，分别计算同时选择所述一根被选天线集合Ψ_1i中的天线a₁和天线b₁时的通信时长当时，将天线a₁和天线b₁构成的天线组合(a₁,b₁)选入第i个中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₁和天线b₁的传输功率；

(3)对于二根被选天线集合Ψ_2i中的任意天线组合，分别计算选择所述二根被选天线集合Ψ_2i中的由天线a₂、天线b₂构成的天线组合(a₂,b₂)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a₂、天线b₂互不相同的天线c₁且该三根天线中的任意两根天线的组合属于所述二根被选天线集合Ψ_2i时的通信时长当时，将天线a₂、天线b₂和天线c₁构成的天线组合(a₂,b₂,c₁)选入第i个中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₂、天线b₂、天线c₁的传输功率；

(4)对于三根被选天线集合Ψ_3i中的任意天线组合，分别计算选择所述三根被选天线集合Ψ_3i中的由天线a₃、天线b₃、天线c₃构成的天线组合(a₃,b₃,c₃)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a₃、天线b₃、天线c₃互不相同的天线d₁且该四根天线中任意三根天线的组合属于所述三根被选天线集合Ψ_3i时的通信时长当时，将天线a₃、天线b₃、天线c₃和天线d₁构成的天线组合(a₃,b₃,c₃,d₁)选入第i个中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a₃、天线b₃、天线c₃、天线d₁的传输功率；

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值，此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合；

步骤三：对于每一个非空的最终被选天线集合对应的中继节点，分别计算其最终被选天线集合中每一个天线组合对应的该中继节点到目的节点链路的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合为该中继节点的被选天线组合，该最大信道容量为该中继节点到目的节点链路的信道容量；

步骤四：选择中继节点到目的节点链路的信道容量最大的中继节点作为数据转发的中继节点。

2.一种基于网络生命周期门限选择天线的MIMO中继选择方法，至少由1个源节点、M个中继节点和1个目的节点构建系统网络，每个中继节点配置N根天线，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

步骤一：在中继选择时刻j，将目的节点处接收信噪比大于信噪比门限r_th的中继节点选入候选中继节点集合Ω中，并获得所述候选中继节点集合Ω中所有中继节点的剩余能量；

步骤二：对于候选中继节点集合Ω中的第i个中继节点：

(1)分别计算选择第i个中继节点的天线m时的通信时长1≤m≤N；当时，将天线m选入所述第i个中继节点的一根被选天线集合Ψ_1i；其中：为中继选择时刻j时第i个中继节点的生命周期门限；α_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点允许消耗的最大能量占其剩余能量的比例；E_ij为在中继选择时刻j时第i个中继节点的剩余能量；P_ij ^(m)表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线m的传输功率；

(2)分别计算选择一根被选天线集合Ψ_1i中的每一根天线时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的天线n_x，分别计算同时选择天线n_x和所述一根被选天线集合Ψ_1i中不同于天线n_x的天线h_x时的通信时长当时，将天线n_x和天线h_x构成的天线组合(n_x,h_x)选入所述第i个中继节点的二根被选天线集合Ψ_2i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线n_x和天线h_x的传输功率；

(3)分别计算选择二根被选天线集合Ψ_2i中的每一个天线组合时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的由天线a_x、天线b_x构成的天线组合(a_x,b_x)；再计算选择所述天线组合(a_x,b_x)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a_x、天线b_x互不相同的天线c_x时的通信时长当时，将天线a_x、天线b_x和天线c_x构成的天线组合(a_x,b_x,c_x)选入所述第i个中继节点的三根被选天线集合Ψ_3i；其中： 分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a_x、天线b_x、天线c_x的传输功率；

(4)分别计算选择三根被选天线集合Ψ_3i中的每一个天线组合时，第i个中继节点与目的节点之间的信道容量，选取最大信道容量对应的由天线a_y、天线b_y、天线c_y构成的天线组合(a_y,b_y,c_y)，分别计算同时选择所述天线组合(a_y,b_y,c_y)以及一根被选天线集合Ψ_1i中与天线a_y、天线b_y、天线c_y互不相同的天线d_y时的通信时长当时，将天线a_y、天线b_y、天线c_y、天线d_y构成的天线组合(a_y,b_y,c_y,d_y)选入所述第i个中继节点的四根被选天线集合Ψ_4i；其中：分别表示在中继选择时刻j时第i个中继节点的天线a_y、天线b_y、天线c_y、天线d_y的传输功率；

(5)以此类推，直到被选天线集合中的天线组合中的天线个数达到最大值；此时的被选天线集合为所述第i个中继节点的最终被选天线集合；

步骤三：对于每一个非空的最终被选天线集合对应的中继节点，分别计算其最终被选天线集合中每一个天线组合对应的该中继节点到目的节点链路的信道容量，选取最大信道容量对应的天线组合为该中继节点的被选天线组合，该最大信道容量为该中继节点到目的节点链路的信道容量；

步骤四：选择中继节点到目的节点链路的信道容量最大的中继节点作为数据转发的中继节点。