专利名称：协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法
技术领域：
本发明涉及协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法，属于通信领域。
背景技术：
近些年来，超宽带技术以其低功率谱密度、高多径分辨率等优点已经成为未来短距离无线互联以及无线传感器网络的候选技术之一，为了避免对现存系统造成干扰，美国联邦通信委员会于2002年发布了关于超宽带技术的“FirstReportandOrder”，在容许了超宽带技术商业应用的同时也对超宽带发射机在室内和室外应用时的有效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,EIRP)做出了严格的限制。其中，在超宽带发射机工作频段3.1GHz~10.6GHz处的峰值EIRP为-41.3dBm/MHz，由于这一峰值EIRP非常低，导致超宽带接收机接收到的信号功率也非常低，从而加大了超宽带接收机设计的难度。为了保证接收信号的质量，同时降低超宽带接收机的复杂度，现有文献提出将协作通信引入到超宽带系统中。
协作通信技术的基本思想起源于三终端中继信道，但是由于在实现中继的过程中存在着许多技术难题，因此对于协作通信的研究在上世纪80年代初期进入了瓶颈期。近些年来，由于一个在上行链路的条件下以分集形式建立的用户协作模型的提出，协作通信技术再一次受到了研究人员的广泛关注。
通过将协作技术引入到超宽带系统中，利用协作技术既可以提高接收信号的质量，同时还可以降低超宽带发射机的发射功率，从而延长节点的待机时间。但是由于超宽带接收机的复杂度限制以及超宽带信道的密集多径特性所导致的长时隙扩展使得超宽带接收机难于实现有效的分集合并，因此在协作超宽带系统中，一般仅仅选择一个中继节点，即仅仅建立一条有效的中继路由来实现对于发射信号的中继。由于每一个节点周围都存在着多个可能的中继节点，因此如何选择有效的中继节点便成为一个必须解决的问题，现有反馈式中继节点选择方法或者是同步的中继节点选择方法并没有考虑超宽带系统对于中继节点选择方法的简单化、实时化等特殊要求，因此不适合于直接应用到协作超宽带系统中。反馈式的中继节点选择方法需要额外的发射能量用以发射反馈信息，即使很少比特数的反馈信息也将耗费大量的节点能量，因此为了保证中继节点选择方法的简单化和实时化等要求，协作超宽带系统中的中继节点选择方法应该是异步无反馈的。
异步路由选择的过程中，最为关键的一个步骤就是中继节点对源节点发送的导频信号进行转发。为了避免各个中继节点转发的信号到达目的节点时产生冲突，造成接收到的多个信号相互干扰，必须有效地对中继节点的转发时隙进行合理的分配。
已有的算法中，一种方案是将转发时隙设置为同该信道增益成反比的形式，其中信道增益由中继节点根据两条子链路信道增益计算出由源节点到目的节点的信道增益，但这种方法是不合理的，因为信道的增益并不能完全反应实际链路的质量。另一种方案是采用误码率来评价信道质量的方法，将转发时隙设置为同误码率成正比的形式。
上述两种转发时隙分配方案本质上都是建立信道质量和时隙之间的线性映射。对于室内超宽带所处的密集多径环境中，信道增益以分贝为单位时呈现正态分布。因而，信道增益往往处于正态分布的均值附近，两个中继节点的转发时隙相隔较短，当这个时间间隔小于信道的多径时隙扩展时，两个中继转发的信号就会在目的节点处相互干扰，从而使得系统的性能有所下降。中继转发信号在接收端的冲突概率大。
发明内容
本发明目的是为了解决协作超宽带中采用现有算法进行中继转发信号在接收端的冲突概率大的问题，提供了协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法。
本发明的协作超宽带中的转发时隙分配方法包括以下步骤 步骤一、协作超宽带中的各中继节点接收源节点发送的导频信号； 步骤二、根据步骤一接收的导频信号分别获取源节点至k个中继节点的信道增益
，其中i=1,2,3……k，k≤50； 步骤三、根据步骤二获取的k个信道增益来拟合服从正态分布的信道增益随概率密度变化的曲线，将曲线的[
]增益区间分成N份面积相等的小增益区间，其中，N为大于k的自然数，且5000≥N≥100； 步骤四、按照N份小增益区间的信道增益比例关系分配转发时隙。
基于上述步骤，进一步包括如下步骤来实现协作超宽带中的中继节点选择方法 步骤五、根据步骤三确定每个中继节点的信道增益所在的小增益区间； 步骤六、目的节点按照步骤四确定的转发时隙接收与其对应的中继节点转发的信号，并计算各个时隙对应的信号到达时的误码率； 步骤七、选择误码率最小的路由对应的中继节点作为转发数据信息信号的中继节点，并将选择情况以广播的方式通知源节点和各中继节点。
本发明的优点本发明提出了一种转发时隙分配方法，明显降低了中继转发信号在接收端的冲突概率。
建立一种信道质量和中继转发时隙之间非线性的对应方案，对均值附近的区间细分，对于远离均值的区间粗分，从而保证落入每一段区间的概率相同，并使相邻的两个区间对应的时隙差大于多径信道的最大时隙扩展。
本发明方法可以有效保证在均值附近的信道增益对应的转发时隙得到有效区分，降低了中继转发信号在接收端的冲突概率，进而可以快速的选择一个有效的中继节点转发信息，保证了协作超宽带系统的性能增益。
图1是协作超宽带中的转发时隙分配方法流程图，图2是协作超宽带中的中继节点选择方法，图3是协作超宽带系统示意图，图4是信道增益分布图，图5是非线性中继转发时隙分配示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1、图3至图5说明本实施方式，本实施方式协作超宽带中的转发时隙分配方法包括以下步骤 步骤一、协作超宽带中的各中继节点接收源节点发送的导频信号； 步骤二、根据步骤一接收的导频信号分别获取源节点至k个中继节点的信道增益
，其中i=1,2,3……k，k≤50； 所述的信道增益
按如下公式获取
式中
表示第i个时隙接收到的脉冲信号；
表示第i个时隙中继节点的本地模板脉冲信号；
表示第i个时隙中继节点对噪声的估计值； 步骤三、根据步骤二获取的k个信道增益来拟合服从正态分布的信道增益随概率密度变化的曲线，将曲线的[
]增益区间分成N份面积相等的小增益区间，其中，N为大于k的自然数，且5000≥N≥100； 所述服从正态分布的信道增益曲线为概率密度函数
(1) 其中，X为信道增益，单位为分贝，
为k个信道增益的平均数，
为标准差。
步骤四、按照N份小增益区间的信道增益比例关系分配转发时隙。
源节点发送的导频信号通过中继节点转发到目的节点，在k个中继节点中选择一个有效的中继节点，其中至关重要的环节是对多个中继节点转发时隙的分配，在一个时隙内不能同时存在两个中继节点转发信号，以免发生冲突。
k个信道增益构建服从正态分布的信道增益曲线如图4所示，横坐标为信道增益，单位为分贝，纵标为概率密度，用公式(1)表示。
根据正态分布的特性，信道增益X在[
]内的概率达到99.7%，因而，这里近似的认为[
]这一区间内涵盖了所有信道增益X的情况。将曲线的[
]增益区间分成N份面积相等的小增益区间，面积即为概率。使得信道增益X落入每段小增益区间的概率相等，参见图5所示，给出一个具体实施例，k=50，N=200，即[
]增益区间分成200份面积相等的小增益区间，因此曲线呈正态分布，因此这200份小增益区间在横轴上的长度是非线性的，均值(正态分布图中心)附近的区间时隙短，远离均值的区间时隙长。在第1份小增益区间落入的是第5个中继节点的信道增益，第2份小增益区间落入的是第2个中继节点的信道增益，第3份小增益区间落入的是第7个中继节点的信道增益，……第200份小增益区间落入的是第13个中继节点的信道增益，因为N大于k，因此，会有一些小增益区间中没有落入任何一个中继节点的信道增益值，此具体实施例中会有150份小增益区间没有落入任何一个中继节点的信道增益，设置N大于k，且5000≥N≥100是为了不发生一个小增益区间出现两个或两个以上中继节点的信道增益，以免冲突。
按照200份小增益区间的信道增益比例关系分配转发时隙，即转发时隙被分配成非线性关系，比例关系如图5所示的200份小增益区间的信道增益比例关系，均值(正态分布图中心)附近的区间时隙短，远离均值的区间时隙长，从而保证落入每一段小增益区间的概率相同，并使相邻的两个小增益区间对应的时隙差大于多径信道的最大时隙扩展。第1时隙转发第5中继节点的信号，第2时隙转发第2中继节点的信号，第3时隙转发第7中继节点的信号，第200时隙转发第13中继节点的信号，没有落入任何一个中继节点的信道增益的时隙不转发，处于空闲状态，即其中150个时隙处于空闲状态。
为了达到冲突概率的最小化，本发明中提出的将每段小增益区间的概率调整为相同，采用非线性中继转发时隙分配方法，基于以下原理设计完成 设信道增益X落入第i个小增益区间的概率为pi，则k个中继转发信号中至少存在两个在同一时隙内到达的概率p为
(2) 为了求解得到最小的转发信号冲突概率，将每一个转发信号落入第i个小增益区间的概率pi视为变量，且它们满足之和为1的约束条件。从而，求概率p的最小值问题可以归结为一个存在约束条件的非线性规划问题，即
(3) 据非线性规划中的Karush-Kuhn-Tucker最优化条件，
(4) 其中，l为一常数；p由式(2)表示。令S对pi求偏导为0，即
(5) 由(5)计算可得
，再根据约束条件，可得
。此时，
，达到了冲突概率的最小化。
具体实施方式
二下面结合图2说明本实施方式，基于实施方式一所述的协作超宽带中的转发时隙分配方法的中继节点选择方法，它还包括以下步骤 步骤五、根据步骤三确定每个中继节点的信道增益所在的小增益区间； 步骤六、目的节点按照步骤四确定的转发时隙接收与其对应的中继节点转发的信号，并计算各个时隙对应的信号到达时的误码率； 误码率按如下公式获取 BER=Q(SNR) 其中，BER为误码率， SNR为信噪比。
步骤七、选择误码率最小的路由对应的中继节点作为转发数据信息信号的中继节点，并将选择情况以广播的方式通知源节点和各中继节点。
根据实施方式一所述的时隙分配方法进行转发信号，目的节点接收后，再根据误码率选择一个最好的中继节点作为有效中继节点进行转发信号。
实现本发明协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法的装置如图3所示， 1、在信号的发射端(即源节点)，由导频序列产生器产生的导频序列和脉冲产生器产生的脉冲，通过脉冲成型器产生发射的导频脉冲； 2、各中继节点将本地产生的脉冲信号模板和接收到的导频脉冲进行脉冲相关； 3、各中继节点计算信道增益并进行解调通过存储器记录接收到的导频； 4、各中继节点根据将信道增益进行概率等值分配器的结果； 5、各中继节点根据概率等值分配器的结果匹配得到转发时隙。
6、各中继节点由导频存储器和时隙分配器控制产生相应的转发脉冲，并通过天线发送； 7、目的端(即目的节点)将各个时隙接收到的信号和本地模板脉冲进行相关，通过增益计算器计算出各个时隙对应的中继信道的信道增益，误码率计算器根据信道增益计算出各个信道的误码率； 8、目的端最优值判决器选出具有最小误码率的中继信道对应的时隙，并将选择结果编码，并通过脉冲产生器产生包含有选择结果的脉冲信号发送。
权利要求
1.协作超宽带中的转发时隙分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
步骤一、协作超宽带中的各中继节点接收源节点发送的导频信号；
步骤二、根据步骤一接收的导频信号分别获取源节点至k个中继节点的信道增益
，其中i=1,2,3……k，k≤50；
步骤三、根据步骤二获取的k个信道增益来拟合服从正态分布的信道增益随概率密度变化的曲线，将曲线的[
]增益区间分成N份面积相等的小增益区间，其中，N为大于k的自然数，且5000≥N≥100；
步骤四、按照N份小增益区间的信道增益比例关系分配转发时隙。
2.根据权利要求1所述的协作超宽带中的转发时隙分配方法，其特征在于，步骤二所述的信道增益
按如下公式估计
式中
表示第i个时隙接收到的脉冲信号；
表示第i个时隙中继节点的本地模板脉冲信号；
表示第i个时隙中继节点对噪声的估计值。
3.根据权利要求1所述的协作超宽带中的转发时隙分配方法，其特征在于，步骤三所述服从正态分布的信道增益曲线为概率密度函数
，
其中，X为信道增益，单位为分贝，
为k个信道增益的平均数，
为标准差。
4.基于权利要求1所述的协作超宽带中的转发时隙分配方法的中继节点选择方法，其特征在于，它还包括以下步骤
步骤五、根据步骤三确定每个中继节点的信道增益所在的小增益区间；
步骤六、目的节点按照步骤四确定的转发时隙接收与其对应的中继节点转发的信号，并计算各个时隙对应的信号到达时的误码率；
步骤七、选择误码率最小的路由对应的中继节点作为转发数据信息信号的中继节点，并将选择情况以广播的方式通知源节点和各中继节点。
5.根据权利要求4所述的协作超宽带中的中继节点选择方法，其特征在于，步骤六所述的误码率按如下公式获取
BER=Q(SNR)
其中，BER为误码率，
SNR为信噪比。
全文摘要
协作超宽带中的转发时隙分配及中继节点选择方法，属于通信领域，本发明为解决协作超宽带中采用现有算法进行中继转发信号在接收端的冲突概率大的问题。本发明方法包括一、各中继节点接收源节点发送的导频信号；二、计算源节点至k个中继节点的信道增益；三、拟合服从正态分布的信道增益曲线，将其[μ-3σ，μ+3σ]分成N份面积相等的小增益区间；四、按照N份小增益区间的信道增益比例关系分配转发时隙。进一步包括如下步骤来实现中继节点的选择五、根据三确定每个中继节点的信道增益所在的小增益区间；六、目的节点按照四接收与其对应的中继节点转发的信号，并计算误码率；七、选择误码率最小的路由对应的中继节点作为转发数据信息信号的中继节点。
文档编号H04B1/69GK101800567SQ20101013116
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月24日 优先权日2010年3月24日
发明者吴宣利, 沙学军, 沈清华, 石硕, 林迪, 邱昕, 姜来为 申请人:哈尔滨工业大学