专利名称：多中继无线网络的中继节点选择方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种多中继无线网络的中继节 点选择方法。
背景技术：
在多中继网络中，中继节点的选择作为协同通信研究的一个重要分支，它甚至决 定了协同通信网络是否可以带来增益。另外，由于高频信道变化相对较快，信道估计与信道 信息反馈的开销会降低网络吞吐量，因此研究分布式的中继节点选择方法对于实际系统是 必要的，从而既能保证系统在尽可能高的速率下传输信息，又能使得网络开销相对较少。经对现有文献检索发现1、K. Azarian 等人在 2005 年〈〈IEEE transactions on information theory)) 上发表题为"On the achievable diversity-multiplexing tradeoff in half-duplex cooperative channels (半双工协同信道中可达的分集复用折中)，，的文章中，证明了非正 交前向放大(NAF)和动态前向解码(DDF)在频带利用率较高的情况下能够实现更优的复用 和分集增益折衷的性能，值得一提的是，DDF协议的性能优于NAF协议的性能。但是，它所 建立的网络模型是基于单源单宿单中继系统。2、Ahmed S. Ibrahim ^ A ^t 2008 ip《IEEE transactions on wireless communications》上发表题为"Cooperative Communications with Relay-Selection When to Cooperate and Whom to Cooperate With (协同通信中继选择何时协同，与 谁协同？)”的文章中，提出在实际的网络中，并不是所有的节点都需要其它节点的“协助” 来传输信息，讨论了 “发送节点是否需要协作？什么时候需要协作？”的问题，并且提出根 据设定的协作门限值来决定中继节点是否需要进行协同。3、 Yindi Jing 等人在 2009 $《IEEE transactions on wireless communications》上发表题为"Single and Multiple Relay Selection Schemes and their Achievable Diversity Orders (单个和多个中继节点选择机制与它们可达分集阶 数)”的文章中，基于AF协议，提出了以误码率最小(信噪比最大)作为衡量标准来选择中 继节点的方法。总之，目前大多数的研究或者是在单中继网络中分析复杂协议的性能，例如DDF 和NAF，或者是在多中继网络中分析简单的传输协议，例如AF和DF。显然，这对于要求高速 传输的网络是不够的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多中继无线网络的中继节 点选择方法。本发明为了提高无线整个网络的吞吐量，以DDF协议为基础，在易实现的半双 工系统中，实现了单个用户选择合适的中继节点进行多跳协同传输，提高了网络吞吐量。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤
步骤一目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择 出与它之间信道增益最优的中继节点作为“目的节点” rd。所述的“目的节点” rd为源节点s通过一个或多个中继节点的协同最终将信息发送到目的节点d。而“目 的节点”rd则作为最后一个中继节点，即将信息转发给目的节点的中继节点为rd。rd可以是中继节点，也可以是源节点。若rd是源节点，则不再进行下面的步骤，源 节点采用直接链路传输信息给目的节点。步骤二根据网络中各个节点解码由源节点发送的信息量的时间长短，在目的节 点成功解码前判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类解码节点集合A， 未解码节点集合B。所述的解码条件为
j- 2工ak,’、\og(l +SNRhkk )>y, j = 2, . . ,m+1 (1)
!=1 ' ‘其中α u表示节点i发送信息到节点j所使用信道的次数；SNR为无衰落信道的 发送端信噪比，为节点&与节点、之间的信道衰落系数；V为一给定的信息量。假设每次使用信道发送信息的时间为T，不失一般性，将T归一化为1，则节点i使 用α 次信道传输信息到节点j花费的时间为α ^.T = α ^。满足解码条件(1)的节点属于集合Α，并且集合A中的节点分为解码后参与发送 信息的节点集合Y和解码后未参与发送信息的节点集合P，即A = FlJp。集合B中的元素为 信息发送过程中还未解码源信息的节点，即不满足解码条件(1)的节点。源节点s作为信息发送的起始点，规定Γι = aQ e A，且T1 = yQ e Y。Γ 表示网络 中的节点，i为节点的标号，这里源节点的标号为1 ；元素 e A,Yi e Y分别表示第i个解 码的节点、第i次发送信息的节点。另外，元素h e B表示未解码的某个节点。步骤三当前参与协同的中继节点发送信息，集合B中的节点累积接收的信息，直 到集合B中有一个节点h解码。所述的累积接收信息为DDF协议要求每个节点必须完全解码出信源信息后才能够发送信息。在系统中，每 个接收节点可以累积所有接收到的信息来解码。集合B中的节点累积由集合Y中的节点依 次发送的信息，当节点h累积的信息量& 2 V时，即满足解码条件⑴。步骤四节点I3i由集合B转移到集合A，并将其作为候选参与协同的节点。步骤五比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益 较大者作为下次参与协同的节点。即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点 的判决条件。所述的下行链路，具体是网络中的源节点和中继节点分别与“目的节点”rd之间的链路。所述的判决条件，具体是要确定第m+2次发送信息的节点ym+1，则比较当前第m次发送信息的节点ym到rd 之间的链路ym — rd与此次候选参与协同的节点rk到rd之间的链路rk — rd增益大小。若 前者较大，则ym+1 = ym ；反之，ym+1 = rk。
步骤六重复步骤三，直到目的节点成功解码。本发明综合考虑被选择节点的上行链路和下行链路，以节点解码时间的先后作为 选择节点的优先级，并以节点的下行链路的信道增益来决定是否选择该节点，同时为了减 少目的节点反馈信息所带来的开销，目的节点将选择与它之间的链路增益最优的中继节点 作为“目的节点”。本发明避免了集中式中继节点选择方法为获得系统最优传播路径所需要 的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复杂度和网络开 销。与现有技术相比，本发明的有益效果是对于实际问题，特别是在城镇密集区域 中，整个网络的节点数目较多时，本发明避免了集中式中继节点选择法为获得系统最优传 播路径所需要的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复 杂度和网络开销，具有较好的可行性和实用性。
图1是本发明的系统模型示意图。图2是实施例中的算法示意图。图3是实施例不同中继节点数下的网络开销量示意图。图4是实施例中的中继节点数N = 4时，不同信噪比下的网络吞吐量示意图。图5是实施例中的中继节点数N = 7时，不同信噪比下的网络吞吐量示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。实施例如图1所示，本实施例通过一个单源单宿多中继半双工系统网络中的N+2个节点 分别为源节点s，N个中继节点r2，r3，...，rN+1以及单个目的节点d (下面所述的ri，rN+2分别 也表示源节点和目的节点)。在该椭圆区域内的节点之间都可以相互通信，它们之间的信道 为准静态相互独立的平滑瑞利衰落信道。源节点与目的节点、源节点与中继节点、中继节点 与目的节点、中继节点与中继节点之间的信道衰落系数分别设为弋, +2、K^ K-、K1 其中i = 1，...，N，并且i兴j。这些信道衰落系数是均值为零、相应的方差分别为 《吣、ξ η、^+2、《。的循环对称、相互独立的复高斯随机变量。同时，为了避免不同节点 间的信息干扰，系统采用时分复用协议。以下各个步骤将结合网络中的节点之间交互的信息量，根据节点间交互的信息类 型将其分为控制信息和信道信息。每次发送控制信息和信道信息的大小分别为Q1比特和 q2 比特，且 q! << q2。如图2所示，本实施例包括如下步骤第一步目的节点接收到系统中各个节点发送的导频信息，进行信道估计，得到与 它之间信道增益最优的中继节点。此时，目的节点将对整个网络广播「log2(iV + l)l比特的信息指定该节点作为“目的节点” rd。并且其他节点事先可以通过rd发送的导频信息估计出 它们各自到rd的下行链路增益。第二步源节点s作为信息发送的起始点，即Γι = aQ e A，且Γι = yQ e Y。图2描 绘了目的节点顺利解码源信息之前某一时刻的系统各个节点的状态集合A包含了一部分 已解码的节点，并且节点h作为当前参与协同的中继节点；集合B包含的是尚未解码的节 点，各个节点累积了之前参与协同的中继节点依次发送的信息，可以看出，由于信道状况不 同，它们各自累积的信息量也不相同。第三步节点rj在它准备发送的源信息中添加它与“目的节点”的信道信息，即链 路h —rd的信道信息q2比特，然后开始发送信息。集合B中的各个节点累积&发送的信 息，从图2可以看出，此时节点rk累积的信息量满足了解码条件(1)。第四步节点rk由集合B转移到集合A中，即rk e A，且rk作为候选参与协同的节
点ο第五步比较链路rk — rd与链路r」一rd的增益大小。若前者较大，表示候选参 与协同的节点rk到rd的链路增益大于当前参与协同的节点h到rd的链路增益，则rk将作 为下次参与协同的节点，在它发送信息前，将广播Q1比特的控制信息，表示它将占用信道发 送信息；反之，节点h继续发送信息，节点rk不参与协同，即/; e F。步骤五重复步骤三，直到目的节点成功解码。当确定参与协同的中继节点数Hi1后，本实施例分别得到了先解先传方法(FDFT)、 单个中继节点选择方法(BRS)、集中式中继节点选择方法(COS)以及本实施例方法(GSS)的 网络开销量。这四种机制的网络开销量如表1所示。表1四种传输机制的网络开销量比较 图3给出了不同中继节点数下的网络开销量示意图，其中给定参数qi = 1比特，q2 =16比特，可以看到，COS的开销量最大，它的开销与网络中的节点数目成平方关系，随着 节点数目增加，开销平方增加；BRS的开销量随着节点数目的增加线性增加；而GSS与FDFT的开销量随着节点数目的增加并没有明显上升，而是基本保持在一个平稳的区域。
图4、图5分别给出了中继节点个数N = 4和中继节点个数N = 7时，不同信噪比 下的网络吞吐量示意图，其中中继节点个数N = 4时，& =36 ‘ =10 ,C, =4,V = 3 比特冲继节点个数N = 7时，& = 36 ,C1 =C=4 ’C, =1，V = 3比特。结合图4、图5，可 以看到GSS的网络吞吐量接近于COS的网络吞吐量，并且随着信噪比的增加，它们之间的性 能差别变化不大。当中继节点数目增加后，这种优势也没有降低。另外，BRS和FDFT的性 能都比GSS的性能差，且GSS相比FDFT机制获得的信噪比增益随着信噪比的增加而增加。
权利要求
一种多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择出与它之间信道增益最优的中继节点作为目的节点；步骤二根据网络中各个节点解码由源节点发送的信息量的时间长短，在目的节点成功解码前判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类解码节点集合A，未解码节点集合B；步骤三当前参与协同的中继节点发送信息，集合B中的节点累积接收的信息，直到集合B中有一个节点bi解码；步骤四节点bi由集合B转移到集合A，并将其作为候选参与协同的节点；步骤五比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益较大者作为下次参与协同的节点，即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点的判决条件；步骤六重复步骤三，直到目的节点成功解码。
2.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的目 的节点是指源节点通过一个或多个中继节点的协同最终将信息发送到目的节点，目的节 点则作为最后一个中继节点，将信息转发给目的节点的中继节点为。
3.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的目 的节点为是源节点时，则源节点直接链路传输信息给目的节点。
4.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的解码条件为=EflUl log(l + ^k,J2)>V, j = 2，· ·，m+1i=i其中α ,,j表示节点i发送信息到节点j所使用信道的次数；SNR为无衰落信道的发送 端信噪比，为节点Iii与节点、之间的信道衰落系数；V为一给定的信息量。
5.根据权利要求4所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，假设每次 使用信道发送信息的时间为T，将T归一化为1，则节点i使用α U次信道传输信息到节点 j花费的时间为α ^jT = Qijjo
6.根据权利要求4所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，满足所述 的解码条件的节点属于集合Α，并且集合A中的节点分为解码后参与发送信息的节点集合 Y和解码后未参与发送信息的节点集合P，即A = 集合B中的元素为信息发送过程中 还未解码源信息的节点，即不满足解码条件的节点。
7.根据权利要求2所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的源 节点作为信息发送的起始点，规定巧= a0e々，且巧= y0e Y，其中巧表示网络中的节点， i为节点的标号，源节点的标号为1 ；元素ai e A，yi e Y分别表示第i个解码的节点、第i 次发送信息的节点；另外，元素h e B表示未解码的某个节点。
8.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的累 积接收的信息为动态前向解码协议要求每个节点必须完全解码出信源信息后才能够发送 信息，在系统中，每个接收节点可以累积所有接收到的信息来解码，集合B中的节点累积由集合Y中的节点依次发送的信息，当节点h累积的信息量&，V时，即满足解码条件。
9.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的下 行链路是网络中的源节点和中继节点分别与目的节点之间的链路。
10.根据权利要求1所述的多中继无线网络的中继节点选择方法，其特征是，所述的判 决条件是要确定第m+2次发送信息的节点ym+1，则比较当前第m次发送信息的节点ym到rd 之间的链路ym — rd与此次候选参与协同的节点rk到rd之间的链路rk — rd增益大小；若 前者较大，则ym+1 = ym ；反之，ym+1 = rk。
全文摘要
一种无线通信技术领域的的多中无线网络的中继节点选择方法。包括如下步骤目的节点d接收到由各个节点发送的导频信息后进行信道估计，并选择出与它之间信道增益最优的中继节点作为目的节点rd；判断各个节点是否满足解码条件，并将这些节点进行分类；比较当前参与协同的节点与候选参与协同的节点的下行链路增益，增益较大者作为下次参与协同的节点，即把节点的下行链路增益作为下次参与协同的中继节点的判决条件；直到目的节点成功解码。本发明避免了为获得系统最优传播路径所需要的高计算复杂度，能够在满足系统性能需求的情况下大幅度降低系统时间复杂度和网络开销。
文档编号H04W40/12GK101883410SQ20101023083
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者何晨, 占敖, 李倩雯, 蒋铃鸽 申请人:上海交通大学