CN111866985B - 用于密集型通信网络的混合式中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信网络技术领域，具体公开了一种用于密集型通信网络的混合式中继选择方法，包括：将一组交换节点作为信源节点与信宿节点，该组交换节点之间具有可配置的M个中继节点，并具有K个供该组交换节点使用的子载波；通过设置调整计时器的参数排除处于不利位置的中继节点；并可以减少信源节点的信道状态信息监测负担，将这些负担通过“分布式”的方式分散给各个中继节点承担；且可以方便地通过调整计时器的参数实现系统稳定性、时延、信令负担之间的动态平衡；同时，本发明的可扩展性强，可以很容易地将此方法拓展至超多天线选择和其他复杂的通信资源分配场景中。

Description

用于密集型通信网络的混合式中继选择方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，特别涉及一种用于密集型通信网络的混合式中继选择方法。

背景技术

在无线通信中人们通过使用中继来增加通信距离，扩大信号覆盖范围。中继将一条通信质量较差的链路变为两条通信质量较好的链路，提升通信吞吐量。在中继协作无线传感网络(Cooperative Relaying-WSNs，CR-WSNs)中，源节点和目的节点在中继节点的辅助下传输数据。

中继转发信号的方式有两种：放大转发策略(AF)和解码转发策略(DF)。AF模式是中继节点只对信号进行简单的放大和转发，这种转发方式的优点是时延较低，缺点是在放大信号的同时也放大了噪声，达不到良好的信噪比。DF模式是中继节点对接收到的信号进行解码分析，若无差错，则重新编码发送，这种转发方式的优点是可以去除干扰信号，缺点是时延较长。

固定中继转发协议实施比较简单，对于半双工中继节点来说，转发信源信息需要占用两个时隙，其频谱效率很低。对于直接链路质量不是很差时，协作通信可能会导致资源浪费，可以采用自适应转发来改善这种情况。自适应中继转发协议通常有选择中继转发协议。

选择中继转发协议是中继根据它与信源之间信道传输质量来选择传输方案，当信道传输质量较好时，中继能够成功解码信源信息，就转发信源信息。如果信道的质量很不好时，中继就不帮助发送信源信息。选择中继转发协议根据信道状况自适应地改变传输策略，可获得比单一的传输方案更好的性能，但中继节点需要自适应地选择传输策略，操作比较复杂。

当只有一个中继节点时，由于传输信道的不确定性，当某时刻信道传输条件非常差时，会造成网络性能的严重下降。多个中继节点可以提供多条独立的传输路径，为系统提供协作分集增益，同时可以有效对抗无线衰弱信道的影响，极大提高未来无线通信网络的可靠性。为了有效利用多中继网络固有的分集增益，提出了对应的中继选择方案。在一个或者多个最优中继被选择出来帮助转发信源到信宿。

其中，第一步是针对基于信道状态信息的中继选择，第二步是针对基于平均信噪比的中继：第一步中，基于信道状态信息，该算法的核心思想是：在多个可选中继中，选取信源-中继-信宿链路质量最好的那个中继。此中继选择方案需要先估计信道状态再发送信息，增大了系统的开销。第二步中，三步组合中继选择方案则是基于平均信噪比的方法，基于平均信噪比的基本思想为在协作区域中以信道的平均信噪比定义一个协作增益，选择能够使协作增益大于1的节点作为中继。即在确定了信源信宿的距离后，信源将可使协作增益大于1的区域定义为协作区域。此方案，需要测量信道的信噪比，且需要计算平均接收信噪比，故有很大延迟。对于实时的移动网络来说，基于物理位置信息和基于平均信噪比的方案都会增加网络开销，它们适用于静态网络。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于密集型通信网络的混合式中继选择方法，从而解决现有实时的移动网络进行中继选择时，基于物理位置信息和基于平均信噪比的方案都会增加网络开销的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于密集型通信网络的混合式中继选择方法，其特征在于，包括：

S1，将一组交换节点作为信源节点与信宿节点，该组交换节点之间具有可配置的M个中继节点，并具有K个供该组交换节点使用的子载波；

S2，为全部中继节点配备与子载波数目相同的计时器；

S3，信源节点通过测量计时器的响应时间以获取等效的端到端信道增益，从而获取全部中继节点等效的端到端信道功率增益的矩阵G；

S4，设置阈值时间，过滤掉矩阵G中响应时间超过阈值时间的中继节点的等效的端到端信道增益以得到矩阵

S5，在信源节点处构建规模与矩阵

相同的端到端的信噪比矩阵SNR；

S6，基于端到端的信噪比矩阵SNR，选择出含有预定数量中继节点组合的最佳中继节点子集；

S7，由信源在第K个子载波上发送的信号在最佳中继节点子集中选择最佳中继节点转发。

优选的，上述技术方案中，还包括：

基于路径损耗和多径衰弱这两种信号衰减机制，获取第k个子载波上的第m个中继节点上的瞬时信噪比：

其中P_t表示分配给所有通信节点的统一发射功率；α表示路径损耗严重程度的路径损耗指数，r_Sm为信源节点与第m个中继节点之间的距离，N₀为中继节点的噪声的平均功率，G_i(m,k)表示第k个子载波上的终端节点与第m个中继节点之间的第i跳的信道功率增益；

所有中继节点都采用解码转发(DF)协议，第二跳的转发信号的瞬时信噪比类似表示为：

其中，r_mD为第m个中继节点与信宿节点之间的距离；

两跳的路径损耗和多径衰弱的等效端到端信噪比为两跳中的较小值：

SNR(m,k)＝min{SNR₁(m,k),SNR₂(m,k)}.

优选的，上述技术方案中，计时器指示器为T(m,k)：

其中，β是一个被所有通信节点知晓的预设常数。

优选的，上述技术方案中，信源节点在发送第k个子载波前先向第m个中继节点广播一个RTS帧，第m个中继节点接收到该RTS帧后，其计时器开始计数，当计时器达到响应时间T(m,k)时，第m个中继节点向信源节点广播一个CTS帧，向信源节点提交转发第k个子载波任务的申请。

优选的，上述技术方案中，信源节点通过测量响应时间T(m,k)获得等效的端到端信道增益G(m,k)＝min{G₁(m,k),G₂(m,k)}，即

从而获得等效的端到端信道功率增益矩阵G，其矩阵规模为M×K，然后使用该矩阵进行集中式中继选择。

优选的，上述技术方案中，M×K的端到端信道功率增益矩阵G经过阈值时间τ的过滤后，将缩小矩阵规模变为

的子矩阵

优选的，上述技术方案中，步骤S6中，从

个中继节点中选择η个中继节点组成最终的中继选择集

将M个中继节点的集合

缩小为η个中继节点的子集，有

种可能的方式，且每种方式是一个含有η个中继节点的唯一组合，记为

最佳子集

可以通过以下标准的组合选择得出：

步骤S7中，针对

中的η个中继节点进行逐子载波中继选择，根据以下标准，由信源节点在第k个子载波上发送的信号在

中由最佳中继节点转发：

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提出的适用于密集型通信网络的混合式中继选择方案，能够有效应对可选中继数量极大的场景，能够通过设置调整计时器的参数排除处于不利位置的中继节点；并可以减少信源节点的信道状态信息监测负担，将这些负担通过“分布式”的方式分散给各个中继节点承担；且可以方便地通过调整计时器的参数实现系统稳定性、时延、信令负担之间的动态平衡；同时，本发明的可扩展性强，可以很容易地将此方法拓展至超多天线选择和其他复杂的通信资源分配场景中。

附图说明

图1是本发明带有信源节点、信宿节点和第m个中继节点的极坐标系。

图2是本发明密集型通信网络的混合式中继选择方案的策略流程图。

图3是本发明混合式中继选择方案的端到端中断概率依中继分布密度λ的变化而变化的关系图。

图4是本发明混合式中继选择方案的端到端中断概率依中继分布半径

的变化而变化的关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在密集型通信网络中的多载波多转发站的无线通信系统中，如何合理配置中继转发站资源从而使得通信系统的性能达到要求，又不会产生过高的信令损耗和系统复杂度这一目标，本实施例提出了一种适用于密集型通信网络的混合式中继选择方案。之所以称为“混合式”中继选择方案，是因为此方案中既有“分布式”处理的内容，即多个中继通过计时器分布式反馈信道信息；又同时有“集中式”处理的内容，即信源收到中继分布式处理的信息后，能够集中地对各载波分别进行中继选择。

本实施例中考虑应用于多载波多转发站的无线通信网络。参考图2，其中有一组交换节点作为信号的信源(发射端)与信宿(接收端)。其中有K个正交子载波可供该组交换节点使用，所有K个子载波的集合表示为

且

在交换节点之间存在着M个转发站节点可配置给该对交换节点，这M个转发站的空间物理位置服从具有恒定密度λ的齐次泊松点过程(Homogeneous Poisson Point Process,HPPP)。设中继空间随机物理位置分布在一个二维极坐标系上，设信源节点、信宿节点和中继节点的极坐标分别表示为p_s＝(0,0)，p_D＝(r_SD,0)和p_m＝(r_Sm,θ_m)。其中r表示两个节点之间的距离，θ_m表示第m个中继节点相对于坐标原点的角度。所有M个中继用集合

来表示。此外，r_mD表示第m个中继节点和信宿节点的距离，它是r_Sm和θ_m的因变量，假设网络拓扑在发送阶段和转发阶段这整个传输过程中都没有变化，则可以通过余弦定律和r_Sm、θ_m确定r_mD：

极坐标和节点分布如图1所示。进一步假设中继节点的二维分布区域形状为一个圆形区域，圆心是信源节点，圆的半径为

其中

θ_m∈[0,2π),

当

的值为常数时，半径为

的圆形中继分布区域为

当

时，中继分布区域为

所有节点上的噪声都是平均功率为N₀的加性高斯白噪声，且所有噪声项互相独立同分布。同时，考虑路径损耗和多径衰弱这两种信号衰减机制，可以得到第k个子载波上的第m个中继上的瞬时信噪比：

其中P_t表示分配给所有通信节点的统一发射功率；α表示路径损耗严重程度的路径损耗指数；G_i(m,k)表示第k个子载波上的终端节点与第m个中继节点之间的第i跳的信道功率增益，用于获得多径衰落的程度；假设本文采用瑞利衰弱模型，信道功率增益是独立同分布的，其概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF)都为指数分布：

所有中继节点都采用解码转发(DF)协议，第二跳的转发信号的瞬时信噪比类似表示为：

两跳的路径损耗和多径衰弱的等效端到端信噪比为两跳中的较小值：

SNR(m,k)＝min{SNR₁(m,k),SNR₂(m,k)}.

以上是空间随机网络的系统配置。在详细介绍组合中继选择方案之前，强调空间随机网络与确定性网络不同，它是高度动态的。因此，经典的集中式信道估计和相关中继选择方案变得不切实际，因为将产生过多的信令开销，极大影响预期信息的传输。为了能够在空间随机网络中实现组合中继选择方案，提出了基于计时器的混合中继选择方案。

分布式和集中式中继选择方案的区别：

分布式中继选择方案(Centralized relay selection)，认为信源节点了解所有信道参数，然后信源按照既定的中继选择策略通知每个中继，安排各个中继侦听并转发相应的频段的子载波。在实际密集型通信网络部署中，分布式中继选择方案是一种理想、简单但不太现实的做法，因为中继数量很多，子载波频段也很多，信道参数也很多且会实时变化，信源不太可能把这些海量信息都实时收集掌握。

因此，在实际密集型通信网络部署中，会采取分布式中继选择方法(Distributedrelay selection)，具体来说，就是某中继只掌握自己到信源节点和信宿节点之间的子载波频段信道参数，按照既定的法则设置计时器，然后计时器结束时，中继自动向信源节点汇报，假设此时中继选择方法是per-subcarrier方法时，选择计时器最先结束的那个子载波，向信源申请转发该子载波；然后不同的中继持续向信源发送这样的汇报申请，直到所有子载波频段都有相应中继汇报申请承担转发任务后，汇报阶段即结束。信源节点后续按照汇报的结果广播各个子载波频段信息，相关中继按照汇报内容负责转发即可，全程信源节点不掌握任何信道信息，也能实现中继选择，进行高效转发，故称为分布式中继选择方法。

本文基于计时器的混合式中继选择方案中的“混合式”指的是：此方案中既有“分布式”处理的内容，即多个中继通过计时器分布式反馈信道信息；又同时又“集中式”处理的内容，即信源收到中继分布式处理的信息后，能够集中地对各子载波分别进行中继选择。

这种基于计时器的混合中继选择方案可以在空间随机网络中以更低的复杂度来实现组合中继选择。具体来说，第一个分布式阶段，我们假设所有中继都配备了与K个计时器，即计时器数目和子载波数目相同。计时器指示器为T(m,k)：

其中，β是一个被所有通信节点知晓的预设常数，用来缓解多个计时器之间的碰撞冲突问题。信源节点在发送第k个子载波前先向第m个中继广播一个RTS帧，第m个中继接收到该RTS帧后，其计时器开始计数，当计时器达到T(m,k)时，第m个中继向信源节点广播一个CTS帧，向信源节点提交转发第k个子载波任务的申请。因为信源节点已经知晓β，所以信源可以很容易通过测量响应时间T(m,k)获得等效的端到端信道增益G(m,k)＝min{G₁(m,k),G₂(m,k)}，即

从而获得等效的端到端信道功率增益的矩阵G，其矩阵规模为M×K，然后使用该矩阵进行集中式中继选择。

为简单起见，假设在信源节点处的测量时间足够准确，因此多计时器冲突问题可以忽略不计；否则应考虑β的优化，这超出了本专利的研究范围。

为了减少时延，在第一个“分布式”阶段，即多个中继通过计时器分布式反馈信道信息时，增设一个阈值时间τ，超过τ的T(m,k)表明响应时间过长，不满足要求，其对应的CTS消息将被信源节点忽略，自动被过滤。M×K的端到端信道功率增益矩阵G经过阈值时间τ的过滤后，将缩小矩阵规模，变为

的子矩阵

从而使得第二个“集中式”阶段具有更低的复杂度。通过增设一个阈值时间τ，能够排除一大批由于位置分布不合适而不适用于转发子载波的中继，从而减少信令开销。在为基于计时器的混合中继选择实现方案设置阈值时间τ时，做出两个假设

1)设在随机分布网络中中继总数远大于子载波总数，即M＞＞K，因此矩阵G和

列数保持K

2)将

中的未测量的等效端到端信道功率增益设置为零。

信源节点得了G或

后，则可以在“集中式”的基础上执行组合的中继选择。

在信源节点处构建端到端的信噪比矩阵SNR，SNR的矩阵规模与

相同，即

随后，可以通过两个步骤来执行组合的中继选择：第一步是从

个中继中选择η个中继组成最终的中继选择集

第二步是针对

中的η个中继进行逐子载波中继选择。

为了将M个中继的集合

缩小为η个中继的子集，有

种可能的方式，并且每种方法是一个含有η个中继的唯一组合，记为

最佳子集

可以通过以下标准的组合选择得出：

在第二步中，根据以下标准，由源在第k个子载波上发送的信号在

中由最佳中继转发：

从以上公式可以清楚地看出，当η＝1和η＝M时，组合选择方案可以分别简化为bulk中继选择方案和逐子载波中继选择方案

综上，本实施例所提出的适用于密集型通信网络的混合式中继选择方案，能够有效应对可选中继数量极大的场景，能够通过设置调整计时器的参数排除处于不利位置的中继；可以减少信源节点的信道状态信息监测负担，将这些负担通过第一步“分布式”的方式分散给各个中继承担；且可以方便地通过调整计时器的参数实现系统稳定性、时延、信令负担之间的动态平衡；本实施例中的方法可扩展性强，可以很容易地将此方法拓展至超多天线选择和其他复杂的通信资源分配场景中。

具体地，采用系统的中断概率来评价密集型通信网络的混合式中继选择方案的可靠性能。根据中断概率的定义和选择方案重新设计了协作OFDM系统的系统中断概率：

其中P{·}表示括号内随机事件的概率，s是SNR的预设中断阈值，该阈值由接收方在信宿节点的配置和准确性确定。修改后的系统中断概率作为可靠性指标来评估系统仿真是否可靠。注意，

表示在D上分布的中继数量为零，并且没有可供选择的中继。也将此特殊情况视为中断事件。

如图3所示，在随机分布网络中，给定P_t/N₀，η＝2,K＝4,α＝4,r_SD＝5,和

系统中的混合式中继选择方案的端到端中断概率依中继分布密度λ的变化而变化的关系。

如图4所示，在随机分布网络中，给定P_t/N₀，η＝2,K＝4,α＝4,r_SD＝5,和λ＝1，系统中混合式中继选择方案的端到端中断概率依中继分布半径

的变化而变化的关系。

下面用一个算例来描述本发明所提出的优化算法的具体优化过程和实施方式。首先假设在多载波多转发站两跳协同通信系统中有一对交换节点，分别作为信源和信宿，有10000个转发站(M＝10000)和4个载波(K＝4)。假设通过网络探知和信道估计，我们得到4个载波的直传信道增益如下

	k＝1	k＝2	k＝3	k＝4
					|g(k)|^2	0.0041	0.1353	0.1934	0.0845

设四个直传子载波的端到端直传信道增益都不足以使其通过直传信道到达信宿，需要转发站协助转发，经由两跳传输信道到达信宿。数学上对于k∈K＝{1,2,3,4}，对于每一个转发站

我们检测到计时器相应时间矩阵T和对应的等效端到端两跳信道增益矩阵G为

M×K的端到端信道功率增益矩阵G经过阈值时间τ的过滤后，筛选出2000个中继

同时大大缩小G的矩阵规模，变为

的子矩阵

接下来，令η＝2，即把每个中继

两两组合L(m_i,m_j)，一共有

得到中继组合矩阵L^comb：

然后从L(m₁,m₂)开始，让k₁被L(m₁,m₂)两个中继转发。根据矩阵

从G(m₁,k₁)和G(m₂,k₁)中选取更大的那个G，即

类似地，让k₂,k₃,k₄被L(m₁,m₂)两个中继转发，相应可以得到

接着，从以上四个

中选出最小的那个,记为：

类似地，针对L^comb中的其他中继组合L(m_i,m_j)重复上述操作，可以得到

把所有

整理到一个矩阵

里:

最后从

的所有非零元素中选出最大的那个元素G^*，即：

G^*对应的中继组合

就是我们最终的选择，即：.

对于k∈K＝{1,2,3,4}，对于

这两个转发站，我们检测到端到端两跳信道增益为

由于我们选择中继转发站分组的原则是使得优化后的最小端到端两条信道增益达到最大化，因此很明显我们选择由

和

号转发站构成的分组作为

在找到最优转发站组合之后，我们需要对每个子载波进行逐个分配次优转发站。由于

因此第

号中继站负责协同转发1号子载波；由于

因此第

号中继站负责协同转发2号子载波；由于

因此第

号中继站负责协同转发3号子载波；由于

因此第

号中继站负责协同转发4号子载波。至此，适用于密集型通信网络的混合式中继选择方案的配置任务完成。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种用于密集型通信网络的混合式中继选择方法，其特征在于，包括：

S1，将一组交换节点作为信源节点与信宿节点，该组交换节点之间具有可配置的M个中继节点，并具有K个供该组交换节点使用的子载波；

S2，为全部中继节点配备与子载波数目相同的计时器；

S3，信源节点通过测量计时器的响应时间以获取等效的端到端信道增益，从而获取全部中继节点等效的端到端信道功率增益的矩阵G；

S4，设置阈值时间，过滤掉矩阵G中响应时间超过阈值时间的中继节点的等效的端到端信道增益以得到矩阵

S5，在信源节点处构建规模与矩阵

相同的端到端的信噪比矩阵SNR；

S6，基于端到端的信噪比矩阵SNR，选择出含有预定数量中继节点组合的最佳中继节点子集；

S7，由信源在第K个子载波上发送的信号在最佳中继节点子集中选择最佳中继节点转发；

还包括：

基于路径损耗和多径衰弱这两种信号衰减机制，获取第k个子载波上的第m个中继节点上的瞬时信噪比：

其中P_t表示分配给所有通信节点的统一发射功率；α表示路径损耗严重程度的路径损耗指数，r_Sm为信源节点与第m个中继节点之间的距离，N₀为中继节点的噪声的平均功率，G_i(m,k)表示第k个子载波上的终端节点与第m个中继节点之间的第i跳的信道功率增益；

所有中继节点都采用解码转发(DF)协议，第二跳的转发信号的瞬时信噪比表示为：

其中，r_mD为第m个中继节点与信宿节点之间的距离；

两跳的路径损耗和多径衰弱的等效端到端信噪比为两跳中的较小值：

SNR(m,k)＝min{SNR₁(m,k),SNR₂(m,k)}

计时器指示器为T(m,k)：

其中，β是一个被所有通信节点知晓的预设常数；

信源节点在发送第k个子载波前先向第m个中继节点广播一个RTS帧，第m个中继节点接收到该RTS帧后，其计时器开始计数，当计时器达到响应时间T(m,k)时，第m个中继节点向信源节点广播一个CTS帧，向信源节点提交转发第k个子载波任务的申请；

信源节点通过测量响应时间T(m,k)获得等效的端到端信道增益G(m,k)＝min{G₁(m,k),G₂(m,k)}，即

从而获得等效的端到端信道功率增益矩阵G，其矩阵规模为M×K，然后使用该矩阵进行集中式中继选择；

M×K的端到端信道功率增益矩阵G经过阈值时间τ的过滤后，将缩小矩阵规模变为

的子矩阵

步骤S6中，从

个中继节点中选择η个中继节点组成最终的中继选择集

将M个中继节点的集合

缩小为η个中继节点的子集，有

种可能的方式，且每种方式是一个含有η个中继节点的唯一组合，记为

最佳子集

可以通过以下标准的组合选择得出：

步骤S7中，针对

中的η个中继节点进行逐子载波中继选择，根据以下标准，由信源节点在第k个子载波上发送的信号在

中由最佳中继节点转发：

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