專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中能量高效的分布式中繼選擇算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中能量高效的分 布式中繼選擇方法。
背景技術(shù)：
空間分集 (spatial diversity)技術(shù)作為一種降低多徑衰落(multipath fading) 產(chǎn)生的不利影響的有效技術(shù)普遍被業(yè)界看好，通過(guò)形成虛擬天線(xiàn)陣列(virtual antenna arrays)獲得分布式空間分集增益的無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼(cooperative relaying)網(wǎng)絡(luò)也因此 被提出。在無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中，偵聽(tīng)到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)的信息的節(jié)點(diǎn)不將偵聽(tīng)到 的信息視為干擾，而是將該信息轉(zhuǎn)發(fā)(中繼)給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)因此收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn) 和中繼節(jié)點(diǎn)的多個(gè)獨(dú)立衰落(incbpendently faded)后的信息，形成了一個(gè)虛擬的空間分 集發(fā)送系統(tǒng)。已經(jīng)提出的中繼方案包括放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify and forward，AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā) (decode and forward, DF)和分布式空時(shí)編碼(space time coded，STC)。然而，由于系統(tǒng) 同步問(wèn)題以及參與協(xié)同中繼的天線(xiàn)個(gè)數(shù)不確定，使得分布式空時(shí)編碼方案的實(shí)施還是一個(gè) 很大的難題。為此，一些文獻(xiàn)提出了協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇方法。然而，這些方法都假設(shè)了 信道衰落很慢，當(dāng)前時(shí)刻通過(guò)信令交互估測(cè)的信道狀態(tài)在下一數(shù)據(jù)幀時(shí)隙保持不變，當(dāng)前 時(shí)刻的信道狀態(tài)簡(jiǎn)單地作為下一時(shí)隙的信道估計(jì)。然而，由于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道的隨機(jī)時(shí)變特 性，這種信道不變(channel changeless)假設(shè)往往不適用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的信 道狀態(tài)選擇的中繼對(duì)下一數(shù)據(jù)幀而言并非是最優(yōu)的中繼。此外，這些方法沒(méi)有考慮有效節(jié) 省能量的消耗，中繼節(jié)點(diǎn)也沒(méi)有采用自適應(yīng)調(diào)制編碼(adaptive modulation and coding, AMC)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的以上一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N在無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼 網(wǎng)絡(luò)中選擇中繼節(jié)點(diǎn)方法。根據(jù)本申請(qǐng)公開(kāi)的在無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中選擇中繼節(jié)點(diǎn)方法可包括根據(jù)無(wú)線(xiàn)協(xié) 同中繼網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)模型和能量狀態(tài)模型分別確定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在 任意時(shí)隙的信道狀態(tài)和能量狀態(tài)；基于所述信道狀態(tài)和能量狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定的系統(tǒng)報(bào)償模 型計(jì)算每個(gè)所述中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)報(bào)償；以及為每個(gè)時(shí)隙選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所選的中繼節(jié) 點(diǎn)使整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中獲得的系統(tǒng)報(bào)償最大化。本申請(qǐng)?zhí)岢龅姆椒ㄔ诳紤]了信道的時(shí)變特性和中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量的情況下選 擇每個(gè)時(shí)隙的使用的中繼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)本申請(qǐng)的方法，中繼網(wǎng)絡(luò)中不需要中心控制節(jié)點(diǎn)，該方 法以分布式方式運(yùn)行，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入或者離開(kāi)候選集合。此外，本申請(qǐng)的方 法考慮到DF中繼方案具有數(shù)字處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，避免了 AF方案帶來(lái)的噪聲放大問(wèn)題。


圖1是 協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；圖2是根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施方式的中繼選擇方法的示例性流程圖；圖3是將本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式和現(xiàn)有中繼選擇方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較獲 得的系統(tǒng)報(bào)償數(shù)據(jù)比較圖；圖4是將本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式和現(xiàn)有中繼選擇方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較獲 得的平均誤碼率數(shù)據(jù)比較圖；圖5是將本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式和現(xiàn)有中繼選擇方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較獲 得的頻譜效率數(shù)據(jù)比較圖；以及圖6是本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式和現(xiàn)有中繼選擇方法在不同閾值Nth下獲得的網(wǎng) 絡(luò)生存時(shí)間數(shù)據(jù)比較圖。
具體實(shí)施例方式為了清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)的方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳 細(xì)說(shuō)明。首先，參照?qǐng)D1介紹分布式協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)。在本申請(qǐng)中，考慮一種對(duì)等(peer to peer)分布式協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié) 點(diǎn)都有能力為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)(中繼)數(shù)據(jù)包，其網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。在協(xié)同中繼通信中， 每一幀數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程可以分為兩個(gè)子時(shí)隙第一個(gè)子時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) 幀，目的節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收數(shù)據(jù)；第二個(gè)子時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀，目的節(jié)點(diǎn) 合并第一個(gè)子時(shí)隙來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀和第二個(gè)子時(shí)隙來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)的同樣的數(shù)據(jù)幀做 出聯(lián)合判決。在該網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)例如可使用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送 (Request-To-Send/Clear-To-Send，RTS/CTS)報(bào)文避免沖突并估計(jì)信道的信噪比 (signal-to-noise ratio，SNR)。網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線(xiàn)信道狀態(tài)可用信噪比表示，源節(jié)點(diǎn)到中繼 節(jié)點(diǎn)(source-to-relay，S2R)鏈路的誤碼率隨該鏈路的SNR變化，中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn) (relay-to-destination, R2D)鏈路的調(diào)制編石馬方式(modulation and coding scheme, MCS)隨該鏈路的SNR自適應(yīng)地調(diào)整。目的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)數(shù)字合并技術(shù)，如混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 (hybrid automatic repeat request，HARQ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的聯(lián)合判決。圖2示出了根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式在無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中選擇中繼節(jié)點(diǎn) 的方法200的流程圖。如圖2所示，在步驟S201，根據(jù)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)模型和能 量狀態(tài)模型分別確定所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)隙的信道狀態(tài)和能量狀態(tài)。在步驟S202， 基于所述信道狀態(tài)和能量狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定的系統(tǒng)報(bào)償模型計(jì)算每個(gè)所述中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)報(bào) 償。該系統(tǒng)報(bào)償還可進(jìn)一步基于中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息需要消耗的能量而計(jì)算.在步驟S203， 為每個(gè)時(shí)隙選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所選的中繼節(jié)點(diǎn)使整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中獲得的系統(tǒng)報(bào)償最 大化。下面對(duì)以上各步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。假設(shè)所有中繼支持K種調(diào)制編碼方式，各種調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的頻譜效率為η。，ηι; ...，11η，對(duì)應(yīng)的最低解碼SNR為<，…，<4。源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 劃分為1~個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙〖￡7" = {0,1,...,71-1}通過(guò)選擇的中繼節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀。N個(gè) 可用中繼組成候選中繼集合# = {1，2，···，^}。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn) €#在時(shí)隙ieCT的候選狀態(tài) 用 (Oe X = {0,1}表示，中繼節(jié)點(diǎn)n在時(shí)隙t如果被激活(active)，即被選擇，則an(t)= 1，如果未被激活(passive)則an(t) =0。步驟S201在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式中，信道狀態(tài)模型可以是一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道模 型。能量狀態(tài)模型可以是馬爾可夫鏈模型。通過(guò)當(dāng)前的信道狀態(tài)和預(yù)定的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩 陣，可以確定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)隙的信道狀態(tài)。通過(guò)當(dāng)前的能量狀態(tài)和預(yù)定的能量狀 態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，可以確定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)隙的能量狀態(tài)。上述的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和 能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可以通過(guò)歷史觀測(cè)和訓(xùn)練而獲得。上述的信道狀態(tài)可以包括源節(jié)點(diǎn)到中 繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)以及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)。如上文所述，在協(xié)同中繼通信的第一個(gè)子時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)采用MCS為MCs2d向目的節(jié) 點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，目的節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)偵聽(tīng)該數(shù)據(jù)幀。中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 RTS信號(hào)，可以估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻S2R鏈路的信道狀態(tài)。S2R鏈路解碼的錯(cuò)誤將會(huì)傳播給目的節(jié)點(diǎn)，因此S2R鏈路的誤碼率是中繼選擇的 重要因素。S2R信道的狀態(tài)采用一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道模型來(lái)描述。給定調(diào)制編碼方 式(MCs2d)，S2R鏈路每個(gè)時(shí)隙的誤碼率由該時(shí)隙的信道狀態(tài)決定。S2R鏈路的SNR(Ys2k)劃 分為L(zhǎng)個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)馬爾可夫鏈的一個(gè)狀態(tài)。下一時(shí)隙信道的狀態(tài)根據(jù)當(dāng)前所處 狀態(tài)以及馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率而變化。用C = {C0, C1, ... , CL_J表示有限的狀態(tài)空間，
用(0表示中繼節(jié)點(diǎn)η的S2R鏈路SNR( rs2R")在t時(shí)刻從狀態(tài)gn轉(zhuǎn)移到狀態(tài)hn的概
率，則S2R鏈路的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣表示為
權(quán)利要求
1.一種在無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中選擇中繼節(jié)點(diǎn)方法，所述中繼網(wǎng)絡(luò)包括源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié) 點(diǎn)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所述方法包括根據(jù)所述多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)模型和能量狀態(tài)模型分別確定所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn) 在任意時(shí)隙的信道狀態(tài)和能量狀態(tài)；基于所述信道狀態(tài)和能量狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定的系統(tǒng)報(bào)償模型計(jì)算每個(gè)所述中繼節(jié)點(diǎn)的系 統(tǒng)報(bào)償；以及針對(duì)每個(gè)時(shí)隙為所述源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所選的中 繼節(jié)點(diǎn)使整個(gè)所述數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中獲得的系統(tǒng)報(bào)償最大化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系統(tǒng)報(bào)償模型是RestlessMulti-armed Bandit 模型。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述信道狀態(tài)模型是一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道 模型。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述能量狀態(tài)模型是馬爾可夫鏈模型。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)通過(guò)當(dāng)前的信道狀 態(tài)和預(yù)定的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣確定。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)通過(guò)當(dāng)前的能量狀 態(tài)和預(yù)定的能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣確定。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述信道狀態(tài)包括所述源節(jié)點(diǎn)到所述每個(gè)中繼節(jié) 點(diǎn)的信道狀態(tài)以及所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到所述目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所選擇的中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整向 所述目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)所述信息所使用的調(diào)制編碼模式。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系統(tǒng)報(bào)償還基于所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息 需要消耗的能量而計(jì)算。
10.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和所述能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移 矩陣是通過(guò)歷史觀測(cè)和訓(xùn)練獲得的。
全文摘要
提出了一種無(wú)線(xiàn)協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中能量高效的分布式中繼算法，所述中繼網(wǎng)絡(luò)包括源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)本申請(qǐng)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的方法包括根據(jù)所述多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)模型和能量狀態(tài)模型分別確定所述每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)隙的信道狀態(tài)和能量狀態(tài)；基于所述信道狀態(tài)和能量狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定的系統(tǒng)報(bào)償模型計(jì)算每個(gè)所述中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)報(bào)償；以及為每個(gè)時(shí)隙選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，所選的中繼節(jié)點(diǎn)使整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中獲得的系統(tǒng)報(bào)償最大化。
文檔編號(hào)H04L1/06GK102035586SQ20091017884
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者于非, 侯春萍, 馮瑞軍, 宋梅, 張勇, 戴超, 滿(mǎn)毅, 王莉, 魏翼飛 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)