专利名称：：一种分布式机会性中继的网络数据传输方法
技术领域：
：本发明涉及一种分布式机会性中继的网络数据传输方法，属于无线网络数据传输
技术领域：
。
背景技术：
：下一代宽带无线通信的目标是能够提供更高传输速率、更高的频谱利用率，更大的覆盖范围，而中继传输是一种简单、抗多径干扰和有效提高覆盖范围的无线网络数据传输技术。传统的双向通信系统的中继传输方法，两源节点在中继节点的帮助下相互传递信息，主要包括以下步骤在网络协议第一个传输阶段第一源节点将数据发送给中继节点，然后在第二个传输阶段中继节点将数据发送到第二源节点，在第三传输阶段第二源节点将数据发送给中继节点，最后在第四个传输阶段中继节点将数据发送到第一源节点。但是这种传统的中继传输方法，其传输阶段多必然导致频谱效率的下降，并影响系统的其它性能，此外在多个中继节点参与数据的中继传输时，必然导致协作的开销增加，且功耗增加。已有的中继传输方法有对传统的中继传输方法进行集中式的资源分配调度，以提高通信系统的频谱效率和功率效率，但需要充分的信息反馈要求和时间延迟等等，因此已有的中继传输方法不能在只有部分信道状态信息的条件下，达到高频谱效率和节能的要求。
发明内容本发明的目的是提出一种分布式机会性中继的网络数据传输方法，克服己有技术的不足之处，本发明涉及的一种分布式机会性中继的网络数据传输方法能够有效地工作在只有部分信道状态信息的条件下，提供充分的空间分集能力，降低功耗。本发明提出的分布式机会性中继的网络数据传输方法，包括以下步骤(1)处于网络中两跳内的第一源节点向所有候选中继节点和第二源点发送联络信息，第二源节点所有候选中继节点和第一源节点发送联络信息；(2)上述候选中继节点对接收的来自第一源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度(lh,if,i=l,...,M}，上述候选中继节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度{|、|2,1=1,...^}，其中M为候选中继节点数，第一源节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，第二源节点对接收的来自第一源节点的联络信息进行信道估计，分别获取信道幅度{|11。|2};(3)每个候选中继节点分别对来自上述两个源节点的信道幅度进行比较，取最小幅度值进行选举计数，使具有最小幅度值中的幅度值最大的候选中继节点R最先完成计数，最先完成计数的候选中继节点R告知其它节点本节点将参与数据传输协作，其它候选中继节点放弃数据传输协作；(4)设处于网络中两跳内的第一源节点和第二源节点之间的信道幅度方差为1//。，第一源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为1/尾，第二源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为1/爲,，上述中继节点R与第一源节点之间的信道幅度为lh」2,上述中继节点R与第二源节点之间的信道幅度为|1^|2，Ih,丌与lh2Rf间的最小值AK的累积分布函数为F^(xhf](l-e^)，A=5>w，各节点的接收信噪比幼W,和数据传输的中断概率p为已知网络参数，若中继节点R同时满足以下条件1)和条件2)，则使中继节点R参与数据传输，网络传输成为中继传输方式-其中f^(x)是上述的F(x)关于AR求导获得的函数，(*)+=111狀(0，"，第一源节点发射功率I^为^，第二源节点发射功率^为^;若中继节点R不满足条件1)或条件2)，|h,R|2|h2R|则执行步骤(12);(5)第一源节点和第二源节点分别计算出中继节点R的转发门限为^，&，计算方法为根据;^--^~1(1->)及,二=-^~in(i->),得到y的取值范围为[d战]，根据y的取值范围，使F(x)i卜p成立的,值，即为中继节点R的转发门限y，其中'^=minW"=l"..，M}，-鹏=maxW,,=l"."M};(6)第一源节点和第二源节点分别将上述计算出的发射功率和转发门限告知中继节5点R;(7)在网络协议第一数据传输阶段，第一源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第二源节点，在网络协议第二数据传输阶段，第二源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第一源节点；(8)中继节点R从上述接收的两个转发门限^和^中选取最大的门限值作为转发门限值y，当ysmii^h」2,lh^2)时，中继节点R将第一源节点的数据和第二源节点的数据进行网络编码；当/>111111{|^|2,|11汉|2}时，执行步骤(1);(9)计算中继节点R的发射功率p^计算方法为当ihj2一211|2时，Pr-CW代—Ps"h,Rl2)+/|h2R|2;当IV|2<|h2R|2时'pr=(swj;—ps2|h2R「)+/|h1RI2;(10)在网络协议第三传输阶段，中继节点R以发射功率p,将上述网络编码的数据同时发送给第一源节点和第二源节点；(11)第一源节点和第二源节点将中继节点R转发的数据进行最大似然解码后，与从直接链路接收的数据进行最大比合并，执行步骤(13);(12)在网络协议第一传输阶段，第一源节点以发射功率&,=^向第二源节点发送w数据；在网络协议第二传输阶段，第二源节点以发射功率&2=^向第一源节点发送数据；(13)第一源节点、第二源节点分别输出接收到的信息。本发明提出的分布式机会性中继的网络数据传输方法，只需要部分的信道状态信息。候选的中继节点自身选举出一个中继节点参与协作；源节点决定是否采用中继的传输方式；选举出的中继节点根据局部的信道状态信息来决定是否转发数据，并结合网络编码，同时将数据发送到各个目的节点。本发明方法中的机会性中继节点选取并没有因为只有一个中继节点参与协作而降低分集与复用折衷的性能，搜索到好的链路来传输数据，提高传输的空间分集能力，却减少了节点间的协作开销，如节点间的信道状态信息的交互，因此降低了通信中断的概率。本发明方法中的分布式协作机制克服了集中式控制所要求知道全部信道状态信息的苛刻条件，更符合实际应用的场景，并且在确保系统服务质量的同时降低了系统总的发射功率。图1为本发明提出的分布式机会性中继的网络数据传输系统示意图。图2为本发明方法的流程框图。6,体实施方式~本发明提出的分布式机会性中继的网络数据传输方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤(1)处于网络中两跳内的第一源节点向所有候选中继节点和第二源点发送联络信息，第二源节点所有候选中继节点和第一源节点发送联络信息；(2)上述候选中继节点对接收的来自第一源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度{|111^,^1，...>1}，上述候选中继节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度{|1121|2,1=1,...,^1}，其中M为候选中继节点数，第一源节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，第二源节点对接收的来自第一源节点的联络信息(3)每个候选中继节点分别对来自上述两个源节点的信道幅度进行比较，取最小幅度值进行选举计数，使具有最小幅度值中的幅度值最大的候选中继节点R最先完成计数，最先完成计数的候选中继节点R告知其它节点本节点将参与数据传输协作，其它候选中继节点放弃数据传输协作；(4)设处于网络中两跳内的第一源节点和第二源节点之间的信道幅度方差为1/^，第一源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为第二源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为1//2<，上述中继节点R与第一源节点之间的信道幅度为lhj2，上述中继节点R与第二源节点之间的信道幅度为lh汰f，Ih,J与lhwf间的最小值AK的累积分布函数为F(x)-;n(l-e力)，各节点的接收信噪比S^和数据传输的中断概率p为已知网络参数，.若中继节点R同时满足以下条件1)和条件2)，则使中继节点R参与数据传输，网络传输成为中继传输方式其中^00是上述的&(x)关于Aa求导获得的函数，()+=max(0,*)，第一源节点发射功率&为^，第二源节点发射功率&2为^;若中继节点R不满足条件1)或条件2)，|h1R||h2R|则执行步骤(12);(5)第一源节点和第二源节点分别计算出中继节点R的转发门限为^，^，计算方法为根据、=-^"ln(1-^)及厶"+ln(1->)，得到r的取值范围为[i,厶]，根据y的取值范围，使F(X)l^^成立的y值，即为中继节点R的转发门限y，其中，A=minM,/=l"..，M}，I=max{"=l,.."M};(6)第一源节点和第二源节点分别将上述计算出的发射功率和转发门限告知中继节点R;(7)在网络协议第一数据传输阶段，第一源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第二源节点，在网络协议第二数据传输阶段，第二源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第一源节点；(8)中继节点R从上述接收的两个转发门限n和&中选取最大的门限值作为转发门限值;r，当7Smin{|h1R|2,|h2R|2}时，中继节点R将第一源节点的数据和第二源节点的数据进行网络编码；当;^min(lh」2，lhj"时，执行步骤(1);(9)计算中继节点R的发射功率PK，计算方法为-当|hIRI2^|h2RI2时'PR=(SiW,-PSI|hIR『)+/|h2RI2;当|hIRI2<|h2Ri2时，PR=CW《—PS2|h2R|2)+/|hIRI2;(10)在网络协议第三传输阶段，中继节点R以发射功率P,将上述网络编码的数据同时发送给第一源节点和第二源节点；(11)第一源节点和第二源节点将中继节点R转发的数据进行最大似然解码后，与从直接链路接收的数据进行最大比合并，执行步骤(13);(12)在网络协议第一传输阶段，第一源节点以发射功率^=，向第二源节点发送数据；在网络协议第二传输阶段，第二源节点以发射功率&2=^向第一源节点发送数据；(13)第一源节点、第二源节点分别输出接收到的信息。两个源节点在多个候选的中继节点的协作下进行双向通信，如图1所示。图中的实线表示两个源节点之间的直达链路，信道增益用h。表示，信道幅度用lh。l2表示;虚线表示通过候选中继节点的链路，对于第i8候选中继节点，第一源节点与其之间的链路，信道增益用hu表示，信道幅度用ihur表示；第一源节点与其之间的链路，信道增益用h2i表示，信道幅度用|^|2表示。h,i、卜和h。为零均值、且方差分别为1/A,，1/A'和l/A的高斯随机变量，则lh"l2、Ih2i卩和lh。卩是参数分别为^,.，；^和/。的指数随机分布。从多个候选节点选举出来的中继节点记为中继节点R,信道增益用hw表示，第一源节点与其之间的链路，信道幅度用lhJ2表示；第二源节点与其之间的链路，信道增益用hM表示，信道幅度用|^|2表示。以下结合附图，详细介绍本发明的内容。图1所示是本发明提出的分布式机会性中继的网络数据传输系统示意图。第一源节点、第二源节点、选取出来的中继节点R的发射功率分别记为Ps,、P^和P,，中继节点R是否转发数据的判决门限记为y，E[PJ是中继节点R的发射功率的均值，E^+Pa+P^是系统总发射功率的均值。由源节点根据链路的统计特性计算出来的判决门限，在中继节点R处可能会出现信道幅度都小于门限值Z,从而导致传输中断，系统要求中断概率不大于p，这个概率是无线传输处于深衰落，不能确保最低传输速率的概率。此外系统要求接收信噪比为57W,。为了克服中心化结构的障碍，如充分的反馈要求，头开销和延迟等等，发明一种新的分布式协作机制，因为它仅需要本地的和部分的信道状态信息。该分布式协作机制包括源节点处的工作模式判别和中继节点的转发判决。此外，从候选中继节点中选取出好的中继节点也是工作在分布式模式上，其选取准则为R-argmax卜in^ul2,1^。1，i=l,…，M，其中M为总的候选中继节点数。基于此方法，能同时考虑源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路的情况，按最大化最小的信道幅度的准则选取中继节点，每个候选的中继节点不需要知道其它候选中继节点的信道状态信息。源节点处的工作模式判别如下源节点首先根据链路情况，当满足以下两个条件时，采用中继传输的模式，否则釆用直接传输的方式，这样能有效地能减低功耗-Psl+〖^-^——LfAR(x)dx^^L和Ps2+f^——^LfAR(x)dx，其中f(x)是对应于中继节点R的随机变量AK^min(1、12,111^2〉的概率密度函数，()+=maX(0，*)。源节点然后计算出发射功率，第一源节点中继传输模式下的发射功率取值为，^,直接传输模式下的发射功率取值为f^;第一源节点中继传输模式下的发射功率取值为^，直接传输模式下的发射功率取值为^。源节点在采用中继传输模式时，还要计算判决门限y，其数值搜索区间为|>二,厶]'其中"^"ln(1-，乙=-^"to(1-P>)，A^-minW,"l,…,M)，A^-maxW，'、l，…，M)，A=^A/。源节点将发射功率和门限值告知中继节点R。.中继节点R的转发判决如下当满足条件AK,一h,"，l^f)"时，中继节点R将来自两源节点的数据进行网络编码，然后按到较差的信道链路的条件，即信道幅度为A,的链路，来确定网络协议第三传输阶段中继节点R到两个源节点的传输速率，如图1所示。中继节点R的发射功率为P「CSV《-Psklh汰l2)VmhflVl2,lh」2卜其中k-ar^a^h,丌,lhj卜(SV《-PsklhjV为中继节点R对满足系统要求的接收信噪比的贡献。从源节点的角度上看，源节点不知道转发链路的瞬时信道实现，所以存在中断概率，中继节点R的发射功率是随机变量，中继节点R的发射功率的均值为E[PJ-C、(x)dx。这种新的分布式协作机制可以在满足系统接收信噪比和中断概率要求的同时，降低总发射功率。为了减少协作的开销，本发明方法是在多个候选中继节点中选取一个好的中继节点参与协作。只有一个好的中继节点参与的协作，与多个中继节点参与的协作，两者的分集复用的折衷性能是一样的，但不需要候选节点间的信息交互。参与协作的中继节点由候选的中继节点自己完成，而不是由源节点进行集中式地控制选取，源节点不需要获取全局的信道状态信息来选取中继节点和资源调度。机会性的中继与网络编码结合，进一步减少传输阶段，提高频谱效率，在达到系统的要求时降低总发射功率，而且这种分布式的协作机制简化了系统工作的条件要求。以下介绍本发明的一个实施例第一源节点1与源节点2相隔100米，进行双向传输，并且有M个候选中继节点分布在两源节点中间。链路的方差分别为1//0,,=0.5C/《，1/^,-0.5C/《和l/A-0.5C/《,M，其中《,是节点7和节点,'的距离，^132=100米，《=^=50米，路径损耗指数是"=3，C是一个常数表达成C-G,《"/(4;r)2i:，其中G,是发射天线增益，G,是接收天线增益，义是波长，丄是路径损耗因子(Ql)，设G,-l，G,=l，Z=l，/1=1/3(即载波的频率为900兆赫兹)。假设所有链路的加性高斯白噪声方差为10-1。，系统的接收信噪比要求为SWi,-lO。当M-2，可以得到表l中的实验数据<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>当M-8，其它参数不变，可以得到表2的实验数据:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>从上述实验数据可以看出，在ioo米的双向传输中，总发射功率工作在数百毫瓦的范围内，且随着候选中继节点数的增加，总发射功率的均值极大地下降。以上所述仅为本发明在网络中两跳范围内的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种分布式机会性中继的网络数据传输方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)处于网络中两跳内的第一源节点向所有候选中继节点和第二源点发送联络信息，第二源节点所有候选中继节点和第一源节点发送联络信息；(2)上述候选中继节点对接收的来自第一源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度{|h1i|2，i＝1，...，M}，上述候选中继节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，获取信道幅度{|h2i|2，i＝1，...，M}，其中M为候选中继节点数，第一源节点对接收的来自第二源节点的联络信息进行信道估计，第二源节点对接收的来自第一源节点的联络信息进行信道估计，分别获取信道幅度{|h0|2}；(3)每个候选中继节点分别对来自上述两个源节点的信道幅度进行比较，取最小幅度值进行选举计数，使具有最小幅度值中的幅度值最大的候选中继节点R最先完成计数，最先完成计数的候选中继节点R告知其它节点本节点将参与数据传输协作，其它候选中继节点放弃数据传输协作；(4)设处于网络中两跳内的第一源节点和第二源节点之间的信道幅度方差为1/β0，第一源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为1/β1t，第二源节点与第i个候选中继节点之间的信道幅度方差为1/β2t，上述中继节点R与第一源节点之间的信道幅度为|h1R|2，上述中继节点R与第二源节点之间的信道幅度为|h2R|2，|htR|2与|h2R|2间的最小值AR的累积分布函数为各节点的接收信噪比SNRt和数据传输的中断概率ρ为已知网络参数，若中继节点R同时满足以下条件1)和条件2)，则使中继节点R参与数据传输，网络传输成为中继传输方式其中是上述的关于AR求导获得的函数，(·)+＝max(0，·)，第一源节点发射功率PS1为第二源节点发射功率PS2为若中继节点R不满足条件1)或条件2)，则执行步骤(12)；(5)第一源节点和第二源节点分别计算出中继节点R的转发门限为γ1，γ2，计算方法为根据及得到γ的取值范围为根据γ的取值范围，使成立的γ值，即为中继节点R的转发门限γ，其中，βmin＝min{βi，i＝1，...，M}，βmax＝max{βi，i＝1，...，M}；(6)第一源节点和第二源节点分别将上述计算出的发射功率和转发门限告知中继节点R；(7)在网络协议第一数据传输阶段，第一源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第二源节点，在网络协议第二数据传输阶段，第二源节点在发送数据中加入校验码，并将数据发送至中继节点R和第一源节点；(8)中继节点R从上述接收的两个转发门限γ1和γ2中选取最大的门限值作为转发门限值γ，当γ≤min{|h1R|2，|h2R|2}时，中继节点R将第一源节点的数据和第二源节点的数据进行网络编码；当γ>min{|h1R|2，|h2R|2}时，执行步骤(1)；(9)计算中继节点R的发射功率PR，计算方法为当|h1R|2≥|h2R|2时，PR＝(SNRt-PS1|h1R|2)+/|h2R|2；当|h1R|2<|h2R|2时，PR＝(SNRt-PS2|h2R|2)+/|h1R|2；(10)在网络协议第三传输阶段，中继节点R以发射功率PR将上述网络编码的数据同时发送给第一源节点和第二源节点；(11)第一源节点和第二源节点将中继节点R转发的数据进行最大似然解码后，与从直接链路接收的数据进行最大比合并，执行步骤(13)；(12)在网络协议第一传输阶段，第一源节点以发射功率向第二源节点发送数据；在网络协议第二传输阶段，第二源节点以发射功率向第一源节点发送数据；(13)第一源节点、第二源节点分别输出接收到的信息。全文摘要本发明涉及一种分布式机会性中继的网络数据传输方法，属于无线网络数据传输
技术领域：
。在双向的无线网络传输中，多个候选的中继节点通过分布式的选举计数，选出一个中继节点参与协作，由源节点决定采用直接传输的方式或中继传输的方式，在满足系统的服务质量同时降低功耗。中继节点判决是否转发数据，并计算出其优化的发射功率，将来自多个源节点的数据进行网络编码后，同时发送至多个目的节点。各目的节点在接收端用最大似然的方法和最大比合并的方法接收数据，解码出接收信息。本发明在只有部分的信道状态信息情况下，通过分布式控制机制，对中继节点的选取、网络编码和功率分配进行联合优化，能有效地应用于能量有效的双向传输的无线网络。文档编号H04L12/56GK101465814SQ20091007711公开日2009年6月24日申请日期2009年1月16日优先权日2009年1月16日发明者周世东,京王,宁胡,钟晓峰申请人:清华大学