CN110351885B - 基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法。该方法为：首先每个信源节点均发送RTS数据包来独立竞争信道；中继节点将RTS数据包发送到信宿节点，信宿节点发送CTS数据包至所有中继节点进行回复；然后所有中继节点依次向信源节点发送CTS数据包，CTS数据包插入该信源节点到中继节点的信道状态；接收到CTS数据包后，信源节点计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列，并计算阈值；最后信源节点根据阈值进行度量，决定是否接入信道进行协同传输；接入完成后，所有信源节点开始新一轮分布式信道竞争。本发明扩大了无线网络的通信范围，在较低信令开销下实现了无线网络的分布式协同接入，提高了网络吞吐量。

Description

基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，用户对无线通信网络的要求在不断提升。目前，无线通信技术已经进入第五代，更多更为强大的网络服务为用户提供了更大带宽和更低延迟的业务服务。实现更高效率的通信需要克服无线传输的传播损耗和多径衰落等因素的影响。例如，蜂窝网络的基本拓扑结构是星型结构，每个用户使用无线链路接入中心基站，用户和基站距离较远或经历严重衰落时，信号接收强大幅降低，用户服务质量难以保证，需要提高信号发射功率以确保可靠传输，导致通信效率严重下降。为了解决这些因素影响，中继技术受到关注，通过部署中继节点辅助通信，可有效扩大通信范围，保证网络性能。为提升中继网络的鲁棒性和传输质量，基于多中继节点的协同网络也开始得到深入的研究和应用。通过多中继的协作分集，可有效提高无线协同网络的频谱利用效率。

当前无线协同网络主要分为集中式协同网络和分布式协同网络两种，其中集中式协同网络中的机会信道接入(调度)已得到广泛研究和使用，如图1所示，在集中式协同网络模式中，每个用户(源节点)都只能以单跳的方式接入中继基站，中继基站的中央协调器可收集并分析所有用户的信道状态信息，选择一个拥有最优质量的机会信道，辅助用户使用中继进行数据传输，发送到目的节点。以上过程通过中央协调器的集中调度，可以保证协同网络的整体网络平均吞吐率达到最优。

目前，采用集中式协同网络进行中继选择，存在以下两方面的缺陷：

(1)实现复杂，需要设置中央协调器对中继节点进行统一调度和管理，系统鲁棒差，一旦中央协调器发生故障，整个协同网络将无法正常运行；

(2)由于节点没有竞争，需要中央协调器对每个用户的信息状态进行评估探测，实现这一过程需要巨大的信令开销，严重浪费了网络信道资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在较低信令开销下实现了无线网络的分布式协同接入，提高了网络吞吐量的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，针对基于多中继节点的无线分布式协同网络做如下刻画：在一个基于多中继节点的无线分布式协同网络系统中，包含多个信源节点s₁,s₂,...,s_K、中继节点r₁,r₂,...,r_L和信宿节点d₁,d₂,...,d_K；从信源节点到信宿节点没有直接连接，依靠选择中继节点协助进行信息传输；L个中继节点辅助K个信源-信宿节点对进行协同通信，信源-信宿节点对应满足映射关系，信源节点s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K，j＝1,2,3...L；

所述网络模型的基本参数定义如下：

(1)信源节点和中继节点的传输功率分别为p_s和p_r；

(2)信道增益方面具有信道互易性，从第i个信源节点s_i到第j个中继节点r_j的信道增益为f_ij，从第j个中继节点r_j到信宿节点d_i的信道增益为g_ji；其中信道满足瑞利信道衰落模型，f_ij和g_ji服从复数高斯分布，均值为0，方差分别为

和

噪声服从归一化方差的高斯分布；

(3)从信源节点到信宿节点的数据传输时间为τ_d，单跳时间为τ_d/2。

本发明基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，包括以下步骤：

步骤1、多个信源节点进行信道竞争探测：设定成功完成单次信道探测的次数为n，首次竞争成功记为n＝1，从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道；

步骤2、中继节点r₁将RTS数据包发送到信宿节点d_i，信宿节点d_i用CTS数据包进行应答回复，该数据包能够被所有中继节点接收到；所有中继节点从信宿节点d_i接收CTS数据包后，均能够利用该CTS数据包中携带的训练序列，通过信宿节点d_i估计从中继到信宿的信道状态；

步骤3、所有中继节点依次向信源节点s_i发送CTS数据包，L个中继节点以序列方式发送L次数据包；各中继节点发送至信源节点s_i的CTS数据包均插入该信源节点到中继节点的信道状态；

步骤4、接收到CTS数据包后，信源节点s_i获得从该信源节点到所有中继节点、以及从所有中继节点到对应信宿节点的CSI，对应信宿节点是指与信源节点满足映射关系的信宿节点，映射关系指s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K；

步骤5、信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*；

步骤6、计算阈值λ^*，λ^*是获胜信源节点决定是否将数据经中继转发至信宿节点的临界值参数；

步骤7、信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输：如果是，则选择中继节点序列j^*传输数据并结束；如果否，则进入步骤8；

步骤8、返回步骤1，所有信源节点开始新一轮分布式信道竞争。

进一步地，步骤1所述的多个信源节点进行信道竞争探测，具体如下：

从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道，如果该时隙中没有信源发送请求接收数据包RTS，则所有信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中有两个或多个信源节点发送RTS数据包，则发生包发送冲突，这些信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中仅有一个信源节点发送RTS数据包，该信源节点称为信道竞争获胜者；每个中继节点通过接收RTS数据包估计信源节点s_i到其自身的信道实时状态信息CSI。

进一步地，步骤5所述的信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*，具体如下：

信源节点s_i根据信道状态CSI，即经探测获得的f_ij,g_ij,j∈{1,2,...,L}信道信息，按照下式计算能够支持最大传输速率的中继节点序列j^*：

其中R_j为使用第j个中继节点辅助信源-信宿节点对进行数据传输所能实现的速率，

为采用最优单中继节点辅助信源-信宿节点数据传输所能实现的最大速率值，R_j计算公式如下：

其中P_s、P_r分别是信源和中继的传输功率，f_ij、g_ji分别是信源i到中继j、中继j到信宿i之间的信道增益。

进一步地，步骤6所述的计算阈值λ^*，具体如下：

通过以下公式计算阈值λ^*：

式中，λ₀是一个非负的初始值即首次迭代的初始值，随机选取一个大于0的数；λ_K是第K次迭代的结果，λ_K+1是第K+1次迭代的结果；α为迭代步长，满足条件

ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要进行选择；R_n为单次成功信道竞争后中继传输的最大协同信息速率，τ₀为单次竞争所耗费时间的统计平均值，τ_d为竞争完成后数据传输所耗费的时间；

为期望运算，计算公式为

通过最大传输速率的统计概率积分计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到；

阈值序列λ_K,K＝1,2,...,∞通过上式的迭代运算收敛到λ^*；迭代算法按系数K进行更新，当|λ_K+1-λ_K|≤ε时，完成收敛。

进一步地，步骤7所述的信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输，具体如下：

如果最优传输速率

不低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i选择中继节点序列j^*，并在随后持续时间τ_d/2内将需要进行传输的数据包发送到所选中继节点序列j^*，再在持续时间τ_d/2内中继节点序列j^*将数据包转发至信宿节点d_i，完成单次中继节点辅助下的信源节点到信宿节点的数据传输；

如果最优传输速率

低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i放弃传输机会。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)有效扩大了组网节点的通信范围：相对于直连式自主网络，无线分布式协同组网采用分布式中继对来自信源的数据进行放大转发，有效提升了通信范围，在这一过程使用竞争探测—阈值度量的方法，可以迅速的发现最优信道，以较低的代价实现机会信道接入；

(2)信令开销低：相对于集中式调度下协同组网中的信道接入，基于阈值度量的机会信道接入方法，能够自主通过信道竞争探测完成两跳即从源到中继、从中继到信宿的信道状态评估，并统计计算获取阈值，使用该阈值对信道接入进行决策，这一过程中的信令收发较少，能够以较低的信令开销完成信道接入；

(4)网络运行效率高：采用的信道竞争探测-阈值度量方法，综合获取了两跳的信道状态，通过理论计算获取阈值，基于该阈值对机会信道接入进行决策可以保证全网网络平均吞吐量最大化；

(4)适用面广：适用于莱斯和Nakagami信道等典型传输模型，根据信道统计模型可对应修改方法里的门限计算公式，所提方法均可适用。

附图说明

图1是集中式协同网络模型的结构示意图。

图2是本发明基于多中继节点的无线分布式协同网络的结构示意图。

图3是本发明基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法的流程图。

图4是本发明中阈值迭代计算步骤的流程示意图。

图5是本发明实施例中机会信道接入竞争过程的流程示意图。

图6是本发明实施例中信源到中继和中继到信宿的平均信噪比相同条件下，网络平均吞吐量随信噪比变化的仿真结果曲线图。

图7是本发明实施例中信源到中继的信噪比固定且中继到信宿的信噪比逐渐变化条件下，网络吞吐量随信噪比变化的仿真结果曲线图。

具体实施方式

本发明在多个信源-信宿对和多个信号放大转发型中继组成的无线协同网络中进行分布式机会信道接入，通过发送和接收探测数据包竞争和评估信道实时状态，动态选择最佳中继信道，进行用户接入，实现信道中继辅助下的数据收发。对本发明中用到的术语做出如下说明：

RTS：request-to-send，请求发送包，是信道感知接入协议里的常用数据报，被发送节点用户探测信道占用情况和估计信道质量；

CSI：channel state information，信道状态信息，反映无线信道实时条件的数据信息；

CTS：clear-to-send，清除发送包，是信道感知接入协议里的常用数据报，被接收节点对发送节点做出回应；

机会信道接入：多用户共享信道，利用信道空闲动态接入信道。

本发明基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，针对基于多中继节点的无线分布式协同网络做如下刻画：在一个基于多中继节点的无线分布式协同网络系统中，包含多个信源节点s₁,s₂,...,s_K、中继节点r₁,r₂,...,r_L和信宿节点d₁,d₂,...,d_K；从信源节点到信宿节点没有直接连接，依靠选择中继节点协助进行信息传输；L个中继节点辅助K个信源-信宿节点对进行协同通信，信源-信宿节点对应满足映射关系，信源节点s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K，j＝1,2,3...L；

所述网络模型的基本参数定义如下：

(1)信源节点和中继节点的传输功率分别为p_s和p_r；

(2)信道增益方面具有信道互易性，从第i个信源节点s_i到第j个中继节点r_j的信道增益为f_ij，从第j个中继节点r_j到信宿节点d_i的信道增益为g_ji；其中信道满足瑞利信道衰落模型，f_ij和g_ji服从复数高斯分布，均值为0，方差分别为

和

噪声服从归一化方差的高斯分布；

(3)从信源节点到信宿节点的数据传输时间为τ_d，单跳时间为τ_d/2。

本发明基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，包括以下步骤：

步骤1、多个信源节点进行信道竞争探测：设定成功完成单次信道探测的次数为n，首次竞争成功记为n＝1，从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道；

步骤2、中继节点r₁将RTS数据包发送到信宿节点d_i，信宿节点d_i用CTS数据包进行应答回复，该数据包能够被所有中继节点接收到；所有中继节点从信宿节点d_i接收CTS数据包后，均能够利用该CTS数据包中携带的训练序列，通过信宿节点d_i估计从中继到信宿的信道状态；

步骤3、所有中继节点依次向信源节点s_i发送CTS数据包，L个中继节点以序列方式发送L次数据包；各中继节点发送至信源节点s_i的CTS数据包均插入该信源节点到中继节点的信道状态；

步骤4、接收到CTS数据包后，信源节点s_i获得从该信源节点到所有中继节点、以及从所有中继节点到对应信宿节点的CSI，对应信宿节点是指与信源节点满足映射关系的信宿节点，映射关系指s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K；

步骤5、信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*；

步骤6、计算阈值λ^*，λ^*是获胜信源节点决定是否将数据经中继转发至信宿节点的临界值参数；

步骤7、信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输：如果是，则选择中继节点序列j^*传输数据并结束；如果否，则进入步骤8；

步骤8、返回步骤1，所有信源节点开始新一轮分布式信道竞争。

进一步地，步骤1所述的多个信源节点进行信道竞争探测，具体如下：

从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道，如果该时隙中没有信源发送请求接收数据包RTS，则所有信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中有两个或多个信源节点发送RTS数据包，则发生包发送冲突，这些信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中仅有一个信源节点发送RTS数据包，该信源节点称为信道竞争获胜者；每个中继节点通过接收RTS数据包估计信源节点s_i到其自身的信道实时状态信息CSI。

进一步地，步骤5所述的信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*，具体如下：

信源节点s_i根据信道状态CSI，即经探测获得的f_ij,g_ij,j∈{1,2,...,L}信道信息，按照下式计算能够支持最大传输速率的中继节点序列j^*：

其中R_j为使用第j个中继节点辅助信源-信宿节点对进行数据传输所能实现的速率，

为采用最优单中继节点辅助信源-信宿节点数据传输所能实现的最大速率值，R_j计算公式如下：

其中P_s、P_r分别是信源和中继的传输功率，f_ij、g_ji分别是信源i到中继j、中继j到信宿i之间的信道增益。

进一步地，步骤6所述的计算阈值λ^*，具体如下：

通过以下公式计算阈值λ^*：

式中，λ₀是一个非负的初始值即首次迭代的初始值，随机选取一个大于0的数；λ_K是第K次迭代的结果，λ_K+1是第K+1次迭代的结果；α为迭代步长，满足条件

ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要进行选择；R_n为单次成功信道竞争后中继传输的最大协同信息速率，τ₀为单次竞争所耗费时间的统计平均值，τ_d为竞争完成后数据传输所耗费的时间；

为期望运算，计算公式为

通过最大传输速率的统计概率积分计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到；

阈值序列λ_K,K＝1,2,...,∞通过上式的迭代运算收敛到λ^*；迭代算法按系数K进行更新，当|λ_K+1-λ_K|≤ε时，完成收敛。

进一步地，步骤7所述的信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输，具体如下：

如果最优传输速率

不低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i选择中继节点序列j^*，并在随后持续时间τ_d/2内将需要进行传输的数据包发送到所选中继节点序列j^*，再在持续时间τ_d/2内中继节点序列j^*将数据包转发至信宿节点d_i，完成单次中继节点辅助下的信源节点到信宿节点的数据传输；

如果最优传输速率

低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i放弃传输机会；所有信源节点可在上述步骤1到步骤4的信道探测过程完成后，检测到空闲时隙，即通过对空闲时隙的检测，其他信源节点可知信源节点s_i已经主动放弃传输机会。之后所有信源节点开始新一轮信道竞争。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

本发明的系统模型如图2所示，描述了一个典型基于多中继节点的无线分布式协同网络系统，包含多个信源节点s₁,s₂,...,s_K、中继节点r₁,r₂,...,r_L和信宿节点d₁,d₂,...,d_K；从信源节点到信宿节点的传输没有直接连接，依靠选择中继节点协进行信息传输；L个中继节点辅助K个信源-信宿节点对进行协同通信，信源-信宿节点对满足映射应关系，信源节点s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i。

以该网络模型为基础，本发明设计了一种基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，通过源点竞争发送探测包，动态评估链路状态，实时地从多个放大转发中继节点中选出最优中继节点，做出信道接入决策；随后信源节点(如信源节点s_i)通过最优中继节点进行放大转发，将数据发送到信宿节点(如信宿节点d_i)。使用该方法对多信源节点竞争性信道接入和中继节点动态优选，能够有效提升分布式协同网络的平均吞吐率，使整个网络的吞吐率达到最优。

所述网络模型的基本参数定义如下：

(1)信源节点和中继节点的传输功率分别为p_s和p_r；

(2)信道增益方面具有信道互易性，从信源节点s_i到中继节点j的信道增益为f_ij，从中继节点j到信宿节点d_i的信道增益为g_ji。其中信道满足瑞利信道衰落模型，f_ij和g_ji服从复数高斯分布，均值为0，方差分别为

和

噪声服从归一化方差的高斯分布；该方法对于莱斯信道、Nakagami信道等均适用；

(3)考虑信道相关时间因素，从信源节点到信宿节点的数据传输时间为τ_d，单跳时间为τ_d/2。

结合图3，本发明基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，包括以下步骤：

步骤1：多个信源节点进行信道竞争探测：

设定成功完成单次信道探测的次数为n，首次竞争成功记为n＝1，从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道，如果该时隙中没有信源发送请求接收数据包RTS(RTS数据包是分布式接入协议CSMA/CA里的常用信令包，发送节点用来探测信道占用情况和估计信道质量)，则所有信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中有两个或多个信源节点发送RTS数据包，则发生包发送冲突，这些信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中仅有一个信源节点发送RTS数据包，该信源节点称为信道竞争获胜者；每个中继节点通过接收RTS数据包估计信源节点s_i到其自身的信道实时状态信息CSI。

步骤2：中继节点r₁将RTS数据包发送到信宿节点d_i，信宿节点d_i用CTS数据包(CTS数据包是分布式接入协议CSMA/CA里的常用信令包，接收节点用来对发送节点做出应答)进行回复，该数据包可被所有中继节点接收到。所有中继节点从信宿节点d_i接收CTS数据包后，均可利用该CTS包中携带的训练序列，通过信宿节点d_i估计从中继到信宿的信道状态；

步骤3：所有中继节点依次向信源节点s_i发送CTS数据包，L个中继节点以序列方式发送L次数据包；各中继节点发送至信源节点s_i的CTS数据包均插入该信源节点到中继节点的信道状态；

步骤4：接收到CTS数据包后，信源节点s_i获得从该信源节点到所有中继节点以及从所有中继节点到与信源节点满足映射关系(映射关系指s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K)的信宿节点的CSI(信道状态信息，反映无线信道实时条件的数据信息)；

步骤5：信源节点s_i计算并得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*：

信源节点s_i根据信道状态CSI，即经探测获得的f_ij,g_ij,j∈{1,2,...,L}信道信息，按照下式计算可支持最大传输速率的中继节点序列j^*：

其中R_j为使用第j个中继节点辅助信源-信宿节点对进行数据传输所能实现的速率，

为多个中继节点辅助信源-信宿节点对进行数据传输所能实现的速率最大值，R_j计算公式如下：

以上公式中变量的详细定义参考上文中网络模型的基本参数，其中p_s、p_r分别是信源和中继的传输功率，f_ij、g_ji分别是信源到中继和中继到信宿的信道增益；

步骤6：计算阈值λ^*，λ^*是获胜信源节点决定是否将数据经中继转发至信宿节点的临界值参数；

通过以下公式计算阈值λ^*：

上述公式中λ₀是一个非负的初始值(首次迭代的赋值)，随机选取一个大于0的数，如λ₀＝1；；λ_K是第K次迭代的结果，λ_K+1是第K+1次迭代的结果；α为迭代步长，满足条件

ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要进行选择，典型的取值为10^-3；R_n为单次成功信道竞争后中继传输的最大协同信息速率，τ₀为单次竞争所耗费时间的统计平均值，τ_d为竞争完成后数据传输所耗费的时间；

为期望运算，计算公式为

通过最大传输速率的统计概率积分计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到；

阈值序列λ_K,K＝1,2,...,∞通过公式(6-1)的迭代运算可收敛到λ^*。迭代算法按系数K进行更新，当|λ_K+1-λ_K|≤ε时，完成收敛。迭代方法的计算流程如图4所示。

步骤7，信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输，具体如下：

如果最优传输速率

不低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i选择中继节点j^*，并在随后持续时间τ_d/2内选择该中继信道，将需要进行传输的数据包发送到所选中继节点j^*，再在持续时间τ_d/2内中继节点j^*将数据包转发至信宿节点d_i，完成单次中继节点辅助下的信源节点到信宿节点的数据传输；

如果最优传输速率

低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i放弃传输机会；所有信源节点可在上述步骤1到步骤4的信道探测过程完成后，检测到空闲时隙，即通过对空闲时隙的检测，其他信源节点可知信源节点s_i已经主动放弃传输机会。

步骤8：返回步骤1，所有信源节点开始新一轮分布式信道竞争。

本发明的一个具体实施例如图5所示，在每次分布式信道传输过程中，开始阶段，无信源节点在前两个时隙中发送RTS包；随后两个或多个信源节点发送RTS包，引发包冲突；接着3个空闲时隙之后，出现一个信道竞争获胜信源节点；通过时长为2个RTS和(L+1)个CTS包时长的信道感知，该信源节点放弃了传输机会，所有信源节点重新竞争；然后在三个空闲时段(第一个用于表示前一个获胜者放弃，另两个用于两次新竞争)之后，出现另一个信道竞争获胜信源节点；交换2个RTS和(L+1)个CTS过后，获胜者将其数据发送到其选定的中继节点，中继节点将数据转发到获胜者对应的信宿节点，这样即完成一次成功的信道竞争传输。

图6和图7验证了信噪比变化条件下，本发明设计的接入方法和其它两种方法的不同性能对比。图6和图7中三种曲线代表三种不同的信道接入方法。曲线1是基于阈值度量的竞争接入方法，通过竞争，获胜信源具有完整的信道状态，信源节点在数据传输时采用本专利所设计的方法，使用阈值度量进行最优决策；曲线2是中继控制直接接入方法，通过竞争，获胜信源具有完整的信道状态，而中继节点受控于信源节点，信源节点在发送数据时，不经过阈值度量后的决策过程，始终传输数据；曲线3是分布式中继直接接入方法，竞争后的获胜信源只有部分信道状态，信源通过竞争直接完成接入，信源也不控制中继，中继竞争完之后同样直接接入。

以上三种方法在采用计算机进行模拟验证时，设置了5个信源-信宿节点对和4个中继节点，从信源节点到中继节点的信道经历独立同分布瑞利衰落，中继节点到信宿节点的信道也经历独立同分布瑞利衰落，网络模型的主要配置参数为p₀＝p₁＝0.3，δ＝20us，τ_RTS＝τ_CTS＝40us和τ_d＝2ms。

图6比较了从信源到中继和从中继到信宿的平均接收信噪比相同，信噪比逐渐变化时三种方法的性能，图7比较了从信源到中继的信噪比固定且中继到信宿的信噪比逐渐变化时三种方法的性能。如图6和图7所示，曲线1和曲线2都较曲线3有更高的网络平均吞吐量表现，其原因在于二者所使用的方法在经过信道的竞争探测后，均具有信道完整的状态，性能高于只拥有部分信道状态的分布式中继直接接入方法；而曲线1即本专利采用的方法，由于使用了阈值度量再进行决策，其网络平均吞吐量也要高于曲线2表示的没有进行阈值度量并决策的中继控制条件下的竞争接入方法。

综上可知，本发明实现了如下效果：(1)有效扩大了组网节点的通信范围：相对于直连式自主网络，无线分布式协同组网采用分布式中继对来自信源的数据进行放大转发，有效提升了通信范围，在这一过程使用竞争探测—阈值度量的方法，可以迅速的发现最优信道，以较低的代价实现机会信道接入；(2)信令开销低：相对于集中式调度下协同组网中的信道接入，基于阈值度量的机会信道接入方法，能够自主通过信道竞争探测完成两跳即从源到中继、从中继到信宿的信道状态评估，并统计计算获取阈值，使用该阈值对信道接入进行决策，这一过程中的信令收发较少，能够以较低的信令开销完成信道接入；(4)网络运行效率高：采用的信道竞争探测-阈值度量方法，综合获取了两跳的信道状态，通过理论计算获取阈值，基于该阈值对机会信道接入进行决策可以保证全网网络平均吞吐量最大化；(4)适用面广：适用于莱斯和Nakagami信道等典型传输模型，根据信道统计模型可对应修改方法里的门限计算公式，所提方法均可适用。

Claims (5)

1.一种基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，其特征在于，针对基于多中继节点的无线分布式协同网络做如下刻画：在一个基于多中继节点的无线分布式协同网络系统中，包含多个信源节点s₁,s₂,...,s_K、中继节点r₁,r₂,...,r_L和信宿节点d₁,d₂,...,d_K；从信源节点到信宿节点没有直接连接，依靠选择中继节点协助进行信息传输；L个中继节点辅助K个信源-信宿节点对进行协同通信，信源-信宿节点对应满足映射关系，信源节点s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K，j＝1,2,3...L；

所述网络模型的基本参数定义如下：

(1)信源节点和中继节点的传输功率分别为P_s和P_r；

(2)信道增益方面具有信道互易性，从第i个信源节点s_i到第j个中继节点r_j的信道增益为f_ij，从第j个中继节点r_j到信宿节点d_i的信道增益为g_ji；其中信道满足瑞利信道衰落模型，f_ij和g_ji服从复数高斯分布，均值为0，方差分别为

和

噪声服从归一化方差的高斯分布；

(3)从信源节点到信宿节点的数据传输时间为τ_d，单跳时间为τ_d/2；

所述的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，包括以下步骤：

步骤1、多个信源节点进行信道竞争探测：设定成功完成单次信道探测的次数为n，首次竞争成功记为n＝1，从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道；

步骤2、中继节点r₁将RTS数据包发送到信宿节点d_i，信宿节点d_i用CTS数据包进行应答回复，该数据包能够被所有中继节点接收到；所有中继节点从信宿节点d_i接收CTS数据包后，均能够利用该CTS数据包中携带的训练序列，通过信宿节点d_i估计从中继到信宿的信道状态；

步骤3、所有中继节点依次向信源节点s_i发送CTS数据包，L个中继节点以序列方式发送L次数据包；各中继节点发送至信源节点s_i的CTS数据包均插入该信源节点到中继节点的信道状态；

步骤4、接收到CTS数据包后，信源节点s_i获得从该信源节点到所有中继节点、以及从所有中继节点到对应信宿节点的CSI，对应信宿节点是指与信源节点满足映射关系的信宿节点，映射关系指s_i发送的信息经中继节点传输到信宿节点d_i，i＝1,2,3...K；

步骤5、信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*；

步骤6、计算阈值λ^*，λ^*是获胜信源节点决定是否将数据经中继转发至信宿节点的临界值参数；

步骤7、信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输：如果是，则选择中继节点序列j^*传输数据并结束；如果否，则进入步骤8；

步骤8、返回步骤1，所有信源节点开始新一轮分布式信道竞争。

2.根据权利要求1所述的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，其特征在于，步骤1所述的多个信源节点进行信道竞争探测，具体如下：

从持续时间δ的时隙开始处，每个信源节点都以概率p₀发送RTS数据包来独立竞争信道，如果该时隙中没有信源发送请求接收数据包RTS，则所有信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中有两个或多个信源节点发送RTS数据包，则发送包发生冲突，这些信源节点在下个时隙继续竞争信道；

如果该时隙中仅有一个信源节点发送RTS数据包，该信源节点称为信道竞争获胜者；每个中继节点通过接收RTS数据包估计信源节点s_i到其自身的信道实时状态信息CSI。

3.根据权利要求1所述的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，其特征在于，步骤5所述的信源节点s_i计算得到能够实现最大传输速度的中继节点序列j^*，具体如下：

信源节点s_i根据信道状态CSI，即经探测获得的f_ij,g_ij,j∈{1,2,...,L}信道信息，按照下式计算能够支持最大传输速率的中继节点序列j^*：

其中R_j为使用第j个中继节点辅助信源-信宿节点对进行数据传输所能实现的速率，R_j*为采用最优单中继节点辅助信源-信宿节点数据传输所能实现的最大速率值，R_j计算公式如下：

其中P_s、P_r分别是信源和中继的传输功率，f_ij、g_ji分别是信源i到中继j、中继j到信宿i之间的信道增益。

4.根据权利要求1所述的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，其特征在于，步骤6所述的计算阈值λ^*，具体如下：

阈值序列λ_K,K＝0,1,2,...,∞，通过下式迭代运算，迭代算法按系数K进行更新，当|λ_K+1-λ_K|≤ε时，完成收敛，收敛到λ^*即λ^*＝λ_K+1：

式中，λ₀是一个非负的初始值即首次迭代的初始值，随机选取一个大于0的数；λ_K是第K次迭代的结果，λ_K+1是第K+1次迭代的结果；α为迭代步长，满足条件

ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要进行选择；R_n为单次成功信道竞争后中继传输的最大协同信息速率，τ₀为单次竞争所耗费时间的统计平均值，τ_d为竞争完成后数据传输所耗费的时间；

为期望运算，计算公式为

通过最大传输速率的统计概率积分计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到。

5.根据权利要求2、3或4所述的基于阈值度量的无线分布式协同网络机会信道接入方法，其特征在于，步骤7所述的信源节点s_i根据步骤6得到的阈值λ^*进行度量，决定是否接入信道进行协同传输，具体如下：

如果最优传输速率

不低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i选择中继节点序列j^*，并在随后持续时间τ_d/2内将需要进行传输的数据包发送到所选中继节点序列j^*，再在持续时间τ_d/2内中继节点序列j^*将数据包转发至信宿节点d_i，完成单次中继节点辅助下的信源节点到信宿节点的数据传输；

如果最优传输速率

低于步骤6中计算的阈值，即满足

则信源节点s_i放弃传输机会。

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