CN108347742B - 一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法。本发明方法可根据不同的信道条件，动态调整预先设定的信噪比检测阈值，而且不一定需要对所有中继节点进行检测，相对于现有的需要检测所有中继节点的Selection Combining(SC)协议，减少了中继节点的检测次数，从而节省了能量，提高了能效。

Description

一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法
技术领域
本专利涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种应用于无线通信系统的基于阈值判断的中继节点选择方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由许多具有数据采集功能的传感器节点构成的。由于传感器节点一般部署在人力难以到达的地域，不易于持续供电，所以能量效率问题一直是无线传感器网络的研究热点。
无线通信系统的能量效率是5G无线通信技术的关键目标，因此得到越来越多研究者的关注。多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)技术特别是大规模MIMO技术是5G无线通信的关键技术。相比于单输入单输出(Single-Input-Single-Output，SISO)技术，MIMO技术可以通过空间分集增益有效地提高无线通信系统的信噪比(SNR)，在同样的传输性能和连通性能下可以减少传输功耗。然而，受限于传感器节点的通信能力和能耗等因素，目前常用的无线传感器节点都是单天线的，因此协作通信的思想被引进WSNs中，形成了虚拟协作MIMO技术。它的基本思想是将位于同一区域的多个节点的天线看作是同一个发送端或接收端的多个天线，然后便可以采用分集技术进行发送或接收，可以很好地对抗信道衰落。
另外，无线传感器网络的中继技术，利用距离和路径损耗的非线性关系来对抗无线信道的衰落特性。传输信号经过中继节点转发，到达目的节点后的信号幅度衰减大大减小，有效缓解了信源到目的节点传输衰落引起的链路质量下降问题，可以降低节点能耗、提高传输信噪比、增强组网灵活性以及提升系统容量等。
但是，研究分析认为，MIMO技术或协作通信若使用过多的发送和接收天线(节点)，通信系统中的电路能耗也会增加。特别是对于能量资源受限的无线传感器节点，电路能耗的增加将会导致节点过早地“死亡”造成系统中断。而且在协作MIMO中，因为发送端输出功率在全部发射天线上分配，天线数目的增加也可能导致能效的降低
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本专利提供一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法，通过减少中继节点的检测次数，从而节省能量，提高WSNs能效。
一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法，中继节点有多个，包括以下步骤：
S1、按顺序依次判断每个中继节点的瞬时信噪比是否大于等于预先设定的信噪比检测阈值；
S2、若是，则将该中继节点的索引值反馈给基站并结束；
S3、若否，如果该中继节点是第一个判断的中继节点，将该节点的瞬时信噪比和索引值广播给下一个中继节点，返回步骤S1对下一个节点继续进行判断；如果该中继节点是最后一个判断的中继节点，则比较该中继节点和通过广播接收到的另一个中继节点的瞬时信噪比大小，将较大瞬时信噪比的中继节点的索引值反馈给基站并结束；如果该中继节点不是第一个判断的中继节点，则比较该中继节点和通过广播接收到的另一个中继节点的瞬时信噪比大小，将较大的瞬时信噪比和相对应的索引值广播给下一个中继节点，返回步骤S1对下一个节点继续进行判断。
本发明方法可根据不同的信道条件，动态调整预先设定的信噪比检测阈值，而且不一定需要对所有中继节点进行检测，相对于现有的需要检测所有中继节点的SelectionCombining(SC)协议，减少了中继节点的检测次数，从而节省了能量，提高了能效。
进一步地，所述步骤S1中，各个中继节点的瞬时信噪比通过自身链路的信道状态信息CSI估计得出。
进一步地，所述步骤S1中，首先基站将导频信号发送到的所有中继节点，所有中继节点根据导频信号得到各自链路的信道状态信息CSI。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：通过设置预先设定的信噪比检测阈值，减少了中继节点的检测次数，从而节省了能量，获得优越的能效性能。
附图说明
图1：两跳系统传输模型图；
图2：系统天线选择时隙图；
图3：本发明中继选择方法的流程图；
图4：中继节点检测次数节约比例变化折线图；
图5：有协作与无协作时的系统中断概率对比图；
图6：有协作与无协作时的系统能效对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细地说明。
如图1所示的两跳系统传输模型中，本发明的中继节点选择方法发生在第一跳导频阶段，即由基站发送端S到中继端R这一过程(中继端R指代图中虚线框中的多个中继节点R1…Rj…RJ的组合)。具体来说，中继节点选择方法发生在图2的导频阶段。在导频阶段完成后，即最佳中继节点被选定后，第二跳协作MIMO传输阶段才开始。此时，信号由基站经过最佳中继节点转发到目的节点。
如图2所示，导频阶段由多个导频符号块t1,t2,…,ti组成，导频符号块数量与基站发射天线的数目相同，基站的每根发射天线依次向中继端R的所有中继节点发送导频信号，多个中继节点根据接收到的导频信号得到各自链路的信道状态信息CSI。本发明中继节点选择方法的具体实施流程如图3所示，包括以下步骤：预先设定信噪比检测阈值γT，中继端R的中继节点有J个；
S1、设j＝0，γSECps＝0，γ0＝0；
S2、j＝j+1；
S3、根据CSI估计第j个中继节点的瞬时信噪比γj；
S4、判断是否γj≥γT，若是，则γSECps＝γj，跳到步骤S7；若否，取γj和γj-1的较大值为γmax，然后判断j是否等于J；
S6、若是，则取γmax和γj的最大值为γSECps；若否，返回步骤S2；
S7、将γSECps对应的中继节点的索引值反馈给基站，也即将γSECps对应的中继节点作为中继转发节点。
根据上述步骤，本发明的中继节点选择方法也可称为带后验选择的切换检测合并(Switch-and-Examine Combining with posterior-selection,SECps)中继节点选择方法。
因此，可以用数学统计方法求出SECps选择方法的平均中继节点检测次数
Figure GDA0001670809710000041
计算表达式如下：
Figure GDA0001670809710000051
因为传统的选择合并(Selection Combining，SC)方法需要检测所有的J个中继节点，所以它的中继节点检测次数为
Figure GDA0001670809710000052
因此，这两种选择方法对中继节点的检测次数的大小关系为
Figure GDA0001670809710000053
在第二跳协作MIMO传输阶段，如图1所示的中继端R到目的端D这一过程，基站向经过上述中继节点选择方法选定的中继节点发送信号，该中继节点将收到的信号广播给中继端的其他中继节点，所有中继节点通过协作MIMO方式把信号转发到目的端D的目的节点，目的端D的目的节点通过最大比合并方式接收所有信号，从而完成信号从基站发送端S到目的端D的一轮信息传递。协作MIMO传输使得中继端R的中继节点平均分摊了中继转发的功耗，避免了选定的中继节点因能量消耗太快而过早“死亡”。另外，协作MIMO传输使得信号传输到目的节点的路径变多，带来了空间分集增益，降低了系统的中断概率。而系统中断概率的降低意味着成功传输的概率提升，因此，在系统的总功耗变化不大的情况下，系统的能效性能也得到提升。
为了比较本实施例提出的中继节点选择方法结合协作MIMO传输的性能，下面进行计算机仿真。具体操作为：基站发送端S采用传输天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)，导频阶段采用不同的中继节点选择方法，以及采用协作MIMO或无协作方式转发信号时，仿真系统在不同的信噪比检测阈值下的中断概率和能效性能。
图4显示的是在不同的信噪比检测阈值γT下，导频阶段采用SECps选择方法时，相对于采用传统的SC方法的节点检测次数的节约比例，横坐标表示的是信噪比检测阈值γT，纵坐标表示的是中继节点检测节约比例，在图4中显示为Node-examined savingpercentage，中继节点检测节约比例越低，则中继节点的检测次数在增大。由图4可知，随着γT的增大，SECps选择方法对中继节点的检测次数在增大，因此节约次数在下降。当γT值大于24dB时，SECps方法需要检测所有的中继节点，所以它的节约次数为0。
图5显示的是中继端R处两个中继节点协作传输，以及选定的中继节点无协作单独转发时，系统的中断概率性能对比，横坐标表示的是信噪比检测阈值γT，纵坐标表示的是中断概率，图5中中断概率表示为outage probability，图5中TAS-SC表示为采用传统的SC方法进行选定的中继节点无协作单独转发，TAS-SECps表示为采用本实施例的方法进行选定的中继节点无协作单独转发，TAS-SC-cooperation表示为采用传统的SC方法进行两个中继节点协作传输，TAS-SECps-cooperation表示为采用本实施例的方法进行两个中继节点协作传输。为了对比的公平性，仿真中把中继节点单独转发时的发送功率设定为两中继节点协作传输时的总功率。由图5可知，SC方法的中断概率是平稳的，因为它总是选择瞬时信噪比最大的节点作为中继转发节点，其中断概率与γT的大小无关。SECps选择方法的中断概率是逐渐下降，因为随着γT值的增大，它检测出的中继节点瞬时信噪比增大，所以中断概率降低；当γT值大于16dB时，SECps选择方法与SC方法相吻合。另外，加入协作MIMO传输后，系统的中断概率明显降低了。因为协作MIMO传输带来了空间分集增益，抵消了第二跳的信道衰落，从而提高了系统端对端的等效信噪比。
图6显示的是中继端R两个中继节点协作传输，以及选定的中继节点无协作单独转发时，系统的能效性能对比，横坐标表示的是信噪比检测阈值γT，纵坐标表示的是能效性能，图6中能效性能表示为EnergyEfficiency(bit/J/Hz)，图6中TAS-SC表示为采用传统的SC方法进行选定的中继节点无协作单独转发，TAS-SECps表示为采用本实施例的方法进行选定的中继节点无协作单独转发，TAS-SC-cooperation表示为采用传统的SC方法进行两个中继节点协作传输，TAS-SECps-cooperation表示为采用本实施例的方法进行两个中继节点协作传输。由图6可知，SC方法的能效因为与γT值无关也是平稳的，SECps选择方法的能效则随着γT值的增大而降低。因为随着γT值增大，SECps选择方法对中继节点的检测次数增大，所以系统的功耗增大能效就降低。从图6还可以看出，加入协作MIMO传输后，虽然中继节点本地广播的能耗也计入总功耗中，但系统的能效性能均比无协作传输时得到了提升。

Claims (2)

1.一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法，中继节点有多个，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按顺序依次判断每个中继节点的瞬时信噪比是否大于等于预先设定的信噪比检测阈值；
S2、若是，则将该中继节点的索引值反馈给基站并结束；
S3、若否，如果该中继节点是第一个判断的中继节点，将该节点的瞬时信噪比和索引值广播给下一个中继节点，返回步骤S1对下一个节点继续进行判断；如果该中继节点是最后一个判断的中继节点，则比较该中继节点和通过广播接收到的另一个中继节点的瞬时信噪比大小，将较大瞬时信噪比的中继节点的索引值反馈给基站并结束；如果该中继节点不是第一个判断的中继节点，则比较该中继节点和通过广播接收到的另一个中继节点的瞬时信噪比大小，将较大的瞬时信噪比和相对应的索引值广播给下一个中继节点，返回步骤S1对下一个节点继续进行判断；
所述步骤S1中，各个中继节点的瞬时信噪比通过自身链路的信道状态信息CSI估计得出。
2.根据权利要求1所述的一种基于阈值检测和瞬时信噪比比对的中继节点选择方法，其特征在于，所述步骤S1中，首先基站将导频信号发送到的所有中继节点，所有中继节点根据导频信号得到各自链路的信道状态信息CSI。
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