专利名称：：一种基于跨层信息交互的分布式中继选择方法
技术领域：
：本发明涉及新一代无线网络(Adhoc，WSN和MESH)中的机会协作通信，尤其是一种基于跨层信息交互(cross-layerinformationinteraction)的分布式中继选择方法，属于无线网络信号处理的
技术领域：
。
背景技术：
：纵观无线通信网络的整个发展历程，即从模拟到数字、从固定到移动、从集中式到分布式，无线信道具有的多径衰落特性一直以来都是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。基于空间分集思想的MIM0技术在抗信道多径衰落方面具有明显的优势，并可以在不增加功率和频谱的前提下大幅度提高信道容量，已逐渐被新一代无线通信的主流协议所采纳，但仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线大都设置在基站端，然而移动终端由于对体积、质量和功耗的苛刻要求，通常则很难安置多天线。为此，Sendonaris等人提出了协作通信的概念模型，其基本思想是通过多个用户之间共享彼此天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”，并结合一定地分布式处理产生协作，从而可以获得进一步的性能增益，提高网络容量。协作通信作为一种新兴的无线网络技术，其当前的大多数工作都是研究具体的协作方案，如Barbarossa提出的基于分布式空时分组码(DistributedSpace-TimeBlockCode)的协作方案，以及Hunter提出的编码协作(CodedCooperation)。关于“谁和谁协作”，即协作中继的选择问题，至今没能得到有效解决，而这又是关乎协作通信技术能否实用化的关键问题之一。此外，由于无线通信环境的时变特性，选择谁与源节点进行协作属于概率事件，换言之，网络中的所有节点都有机会被选为最佳协作中继，其关键取决于网络节点与源节点之间当前的信道状态信息(ChannelStateInformation)。基于此两点，本发明提出了一种分布式的中继选择方案，并将其应用于机会协作通信的技术实现。
发明内容本发明的目的是提供一种基于跨层信息交互的分布式中继选择方法，通过分布式地从所有候选中继中选出最佳的协作中继，用以实现机会协作通信。这就要求数据源节点能够实时地获知当前网络中哪个节点是最佳候选中继，并且在整个中继选择过程中只能利用本地信息(localinformation)以满足分布式实现的要求。除此之外，在获知最佳协作中继后，如何非常有效地实现源节点和最佳中继的协作传输以得到尽可能大的性能增益也将是本发明需要考虑的问题。本发明一种基于跨层信息交互的分布式中继选择方法，首先依据动态网络环境中协作中继的最佳选择准则，得到最佳协作中继的分布式选择协议，然后根据协作中继与源节点间的无线信道质量，给出自适应协作传输方案，主要包括两个部分，首先提出了动态网络环境中协作中继的最佳选择准则，并给出了最佳协作中继的分布式选择协议，其次根据协作中继与源节点间的无线信道质量，进一步提出了一种自适应协作传输方案，以有效抵抗多用户网络环境中的无线衰落，其整个方法的工作步骤如下(1)最佳协作中继的分布式选择算法分布式协作中继选择算法主要包括定时器设置和中继选择协议设计两部分1)定时器设置根据最佳协作中继选择准则，基于放大重传和基于解码重传的协作中继可以采用信道状态信息作为其性能衡量参数，即为了能够实现分布式地选择最佳协作中继，这里分别对基于AF和DF策略的中继定时器初值做如下定义式中，入皿和入皿都表示归一化时间常数，单位一般为毫秒或微秒。显然，式中定义的TAF(i)及TDF(i)始终都是大于零的正数，故可以用来作为定时器初值。同时，对应于最佳协作中继的定时器初值TAF(best)和TDF(best)都是所有候选中继中最小的，换言之，最佳协作中继的定时器将最先归零。因此，最佳中继定时器的初值为2)分布式协作中继选择协议根据以上提出的定时器设置方法，我们给出分布式协作中继选择协议的具体实现过程如下首先，源节点侦听信道状态。如果信道忙碌，源节点则开始等待，直至信道处于空闲。若无线网络采用放大重传作为中继协议，源节点广播RTS帧；若采用解码重传，源节点则广播V-RTS帧。一旦收到RTS或V-RTS包，目的节点将广播CTS(CleartoSend)帧。CaseI(采用放大重传作为中继协议)所有候选中继将根据先后从源节点和目的节点收到的RTS和CTS进行信道估计，以获得源节点到中继和中继到目的节点之间的信道状态信息。在估计得到源节点到中继以及中继到目的节点之间的信道状态信息后，中继节点根据中继选择准则，按照下式计算各自的定时器初值，其中，XAF表示归一化时间常数，单位一般为毫秒或微秒。CaseII(采用解码重传作为中继协议)所有候选中继根据收到的CTS包估计中继到目的节点间的信道状态信息，并从V-RTS包中解出导频序列以进行CRC校验。如果CRC校验成功，则将该候选中继标记为“较好”中继(preferablecandidate)，相应的定时器初值设置为否则，定时器初值设置成无穷大，当然实际中一般只需设置为较大的数即可。其中，XDF表示归一化时间常数，单位一般为毫秒或微秒。同时，对应于最佳协作中继的定时器初值TAF(best)和TDF(best)都是所有候选中继中最小的，换言之，最佳协作中继的定时器将最先归零。因此，最佳协作中继的定时器将率先减至零，之后将广播发送HTS。所有候选中继在收到HTS包后，将各自的定时器清零，并开始进行退避以免造成冲突。若源节点收到HTS控制包，源节点将解出HTS包中的MAC地址域，开始向最佳协作中继传送数据包。若源节点在一个HTS超时周期内仍未收到HTS包，则采用直传模式，即直接向目的节点发送数据包。目的节点收到数据包之后，将发送一个ACK应答。如果源节点一直收不到目的节点的ACK应答，则在一个超时周期后认为本次发送失败，并启动指数退避算法。(2)自适应协作传输方案根据从源节点到协作中继的无线信道质量，我们提出一种新的自适应协作传输方案，如图2所示。首先，源节点将待发送比特流b依次经过星座调制和功率分配，得到发射符号，并以功率Es/2将其广播给协作中继和目的节点。然后，协作中继将对源节点的广播信号进行相干接收，根据其接收信号高来检测信噪比值，以此判断源节点到协作中继间的无线信道是否产生中断。若接收信噪比大于中断判决门限值(意味着源节点到协作中继的无线信道没有发生中断)，协作中继将其接收信号马进行中继放大后，以功率Es/2发送给目的节点；否则，余下的Es/2功率将由源节点自己发射给目的节点。最后，目的节点将对收到的两路信号进行最大比合并，最终通过最大似然判决器得到比特流b的估计序列叾。显然，根据源节点到协作中继间的无线信道是否发生中断，所提出的自适应协作方案包含两种可能采用的传输策略。本发明的优点及有益效果1.基于放大重传和解码重传提出了两种最佳协作中继的选择准则，并给出了协作中继的分布式选择协议，从而实现多用户网络环境下协作中继的最佳选择。针对协作中继选择准则的误码性能进行了系统仿真，结果表明，所提出的协作中继选择准则明显优于传统中继选择准则，系统平均误比特率显著下降。2.根据源节点到协作中继的无线信道质量，提出了一种自适应协作传输方案，可以有效抵抗多用户网络环境中的无线衰落。数值仿真实验表明，我们提出的自适应协作传输方案获得了进一步的性能增益，误比特率显著下降。图1为最佳协作中继的分布式选择过程；图2为自适应协作传输方案的实现框图；图3为放大重传下所提中继选择准则的性能效果图；图4为解码重传下所提中继选择准则的性能效果图；图5为自适应协作传输方案的误码性能曲线。具体实施例方式本发明基于跨层信息交互的分布式中继选择方法主要用于实现无线网络中的多用户协作通信，具有实现复杂度低、分布式处理等优点，非常适合下一代新型无线通信网络，如无线传感器网络、Adhoc网络和MESH网络等。具体实施方案如下如图1，分布式协作中继选择算法需要在传统IEEE802.11MAC的基础上额外增加HTS控制包，HTS的包格式定义中包含MAC地址域。HTS的作用主要有两个方面一是便于源节点获得最佳协作中继的MAC地址；二是向其他中继声明最佳中继已经获得，其它中继接收到HTS包后就会将自己的定时器清零，并且开始进行退避。实现过程主要包括三个步骤首先，所有候选中继节点通过RTS/CTS来进行信道估计，其次，候选中继在估计得到源节点到中继及中继到目的端的信道状态信息后计算定时器初值并启动定时器，最终最佳中继的定时器将率先归零，并广播HTS控制包；最后，源节点解调HTS包头以获得最佳中继的MAC地址，之后开始发送数据包。具体过程见图2。1)首先，源节点开始侦听信道状态，若信道在一个DIFS时间段内处于空闲状态，以及源节点完成了退避过程的话，则广播一个RTS包。若信道忙，源节点则必须等待直至信道空闲一个DIFS周期，然后再发送RTS。与此同时，目的端在收到RTS包后将发送CTS包。2)所有候选中继将根据先后从源节点和目的节点收到的RTS和CTS进行信道估计，以获得源到中继和中继到目的节点之间的信道状态信息。在估计得到源节点到中继以及中继到目的节点之间的信道状态信息后，中继节点将开始计算各自的定时器初值，并启动定时器。显然，最佳协作中继的定时器将率先减至零，之后将广播发送HTS。3)所有候选中继在收到HTS包后，将各自的定时器清零，并开始进行退避以免造成冲突。若源节点收到HTS控制包，将解出HTS包中的MAC地址域，开始向最佳协作中继传送数据包。若源节点在一个HTS超时周期内仍未收到HTS包，则采用直传模式，即直接向目的节点发送数据包。4)目的节点收到数据包之后，将发送一个ACK应答。如果源节点一直收不到目的端的ACK应答，则在一个超时周期后认为本次发送失败，并启动指数退避算法。对本发明提出的协作中继选择算法，我们进行了Matlab仿真，系统仿真采用8PSK调制，所有无线信道均采用Jakes模型进行建模，并且归一化多普勒频移fdTs=0.0113。无线网络的规模设置为五个网络节点，其中包括一个源节点，一个目的终端及三个候选中继。此外，基于放大重传策略的协作中继进行信号转发时需进行能量归一化处理，同时RCPC编码的母码是一种速率为1/3，生成多项式为G(D)=[11+D1+D+D2]的卷积码，接收端采用基于硬判决的维特比译码器。图3和图4分别给出了不同中继选择准则下协作分集系统的误码性能比较，图3给出的是基于放大重传下分别采用随机中继选择、最小准则和最佳协作中继选择准则的系统误码性能，图4则给出的是基于解码重传下分别采用最小准则、调和平均准则和最佳协作中继选择准则的系统误码性能。从图中容易看出，本文提出的协作中继准则明显优于其它准则，大大改善了系统性能，这也说明了本文所提出的最佳协作中继选择准则的有效性以及最优性。图5给出了数据传输速率R=2bit/s/Hz时自适应协作传输方案与编码协作传输方案的BER性能比较，图中的误码曲线分别对应于(n，iO=(3,-3),(n,u)=(3,3)和(n,u)=(10，10)。从图5中容易看出，当(n，P)=(3，-3)禾n(n，P)=(3，3)时，编码协作在源节点到目的节点间的信噪比分别小于20dB和10dB时，相应的误码性能劣于非协作传输。然而，我们提出的自适应协作传输方案在整个信噪比区域都优于非协作传输，这也间接说明了自适应协作传输要好于编码协作传输。此外，相比编码协作，自适应协作可以获得更多的性能增益，进一步说明了自适应协作传输方案的优越性。值得一提的是，与编码协作方案相比，自适应协作传输方案的系统实现复杂度更低，这主要是因为编码协作传输方案使用了复杂度较高的Viterbi译码器。权利要求一种基于跨层信息交互的分布式中继选择方法，其特征是首先依据动态网络环境中协作中继的最佳选择准则，得到最佳协作中继的分布式选择协议，然后根据协作中继与源节点间的无线信道质量，给出自适应协作传输方案，包括(1)最佳协作中继的分布式选择算法，含定时器设置和中继选择协议设计两部分1)定时器设置根据最佳协作中继选择准则，基于放大重传和基于解码重传的协作中继采用信道状态信息作为其性能衡量参数，即<mrow><mi>BalaPar</mi><msub><mi>a</mi><mi>AF</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo>|</mo><msub><mi>α</mi><mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mi>d</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mo>|</mo><msub><mi>α</mi><msub><mi>sp</mi><mi>i</mi></msub></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mo>|</mo><msub><mi>α</mi><msub><mi>sp</mi><mi>i</mi></msub></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>|</mo><msub><mi>α</mi><mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mi>d</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+<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