专利名称：基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，特别涉及协作通信中寻找中继节点的方法，可用于协 作通信领域中虚拟多输入多输出MIMO系统在Ad hoc网络中的通信。
背景技术：
随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需 求在迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱是有限的，如果通信频谱的利用率没有得到显 著提高，就不可能满足通信容量的需求。在单天线链路系统中，采用先进的编码，例如Turbo 码和低密度奇偶校验码，就可以接近香农容量极限。通过增加发射端和接收端的天线数量， 可以进一步显著提高频谱利用率，这就是多输入多输出MIMO系统。与之相对的就是单输入 单输出SISO系统。使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一种可行、有效的方法。空时编 码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号 之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以使接收机克服MIMO信道衰落并 减少接收误码。对于空间未编码系统，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集 和功率增益的作用。空时编码在编码结构上有多种方法，包括空时分组码，空时网格码等。 所有这些编码方案的核心思想都是使用多径能力达到获得较高的频谱利用率和性能增益 的目的。虽然MIMO可以提供发射分集和功率增益，但是在某些领域中，终端设备上无法 安装多个分集天线，如低功耗或尺寸受限的传感器节点，小型手持设备等，因而无法使用 MIMO技术。为了解决这个问题，分布式空时编码提出了在多个单天线终端上以分布式的 方式进行空时编码，构建虚拟MIMO传输信道，提供协作分集的技术。国内外对分布式空 时编码的研究已取得 了一些成果。如 “J. N. Laneman and G. W. Wornel 1. "Distributed Space-Time-Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in Wireless Networks. " IEEE Global Telecommunications Conference. 2002. ” 里提出“放大并转 发”和“解码并转发”两种中继节点转发信号的方式。“H. Τ. Cheng et al. "Distributed Space-Time Block Coding with Imperfect Channel Estimation. ” IEEE International Conference on Communications. 2005. ” 石if 究了分布式空时编石马在 信道估计不准确时的应用。“S.Moh，et al. "CD-MAC =Cooperative Diversity MAC for Robust Communication in Wireless Ad Hoc Networks. ，，IEEE International Conference on Communications. 2007. ”提出了协作分集的媒体接入控制MAC算 法。"M. W0dczak. "Extended REACT-Routing information Enhanced Algorithm for Cooperative Transmission. "Mobile and Wireless Communications Summit. 2007.，，中 提出了适合协同传输的路由信息增强算法。然而在现有的研究中，需要较多数量的中继节点参与协作，并且发射节点仅在 SISO方式的传输范围内寻找中继节点。例如在“Gentian JaklIari,et al.“A Cross-LayerFramework for Exploiting Virtual MISO Links in Mobile Ad Hoc Networks.，，IEEE Transactions on Mobile Computing. 2007. ”中需要多达4个中继节点才能完成协作，且寻 找中继节点的范围较小，故这种方法在网络较为稀疏或网络负荷较大时，很难找到足够的 节点参与协作，最终导致网络延迟增大，吞吐量下降。
发明内容
本发明的目的在于针对述已有技术的不足，提出一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，以在网络较为稀疏或网络负荷较大时，减小网络延迟，提高吞吐量。实现本发明目的技术关键是要找到较多的节点参与协作，具体步骤包括如下(1)对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控 制分组的通信范围(Ia)定义r为单输入单输出SISO方式的通信半径，表示为
权利要求
一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，包括如下步骤(1)对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控制分组的通信范围(1a)定义r为单输入单输出SISO方式的通信半径，表示为 <mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mi>v</mi><msqrt> <mfrac><msub> <mi>E</mi> <mi>S</mi></msub><mrow> <mn>49998.5</mn> <mo>·</mo> <msub><mi>N</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac></msqrt> </mrow>其中Es为发射节点单位距离处接收到的信号的平均功率，v为路径损耗指数，N0为平均噪声功率；(1b)根据单输入单输出SISO方式的通信半径，得到控制分组通信半径R的约束条件为 <mrow><mi>R</mi><mo>≤</mo><msqrt> <mn>10</mn></msqrt><mo>·</mo><mi>r</mi> </mrow>(1c)根据控制分组通信半径R的约束条件，计算分布式空时编码方式的信噪比γDSTC为 <mrow><msub> <mi>γ</mi> <mi>DSTC</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mfrac> <mrow><mfrac> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <msubsup><mi>d</mi><mi>RD</mi><mi>v</mi> </msubsup></mfrac><mfrac> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <msubsup><mi>d</mi><mi>SR</mi><mi>v</mi> </msubsup></mfrac> </mrow> <mrow><mfrac> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <msubsup><mi>d</mi><mi>SR</mi><mi>v</mi> </msubsup></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <msubsup><mi>d</mi><mi>SD</mi><mi>v</mi> </msubsup></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mfrac><msub> <mi>E</mi> <mi>S</mi></msub><msubsup> <mi>d</mi> <mi>RD</mi> <mi>v</mi></msubsup> </mfrac></mrow><mrow> <mfrac><msub> <mi>E</mi> <mi>S</mi></msub><msubsup> <mi>d</mi> <mi>SR</mi> <mi>v</mi></msubsup> </mfrac> <mo>+</mo> <msub><mi>N</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mfrac> <msubsup><mi>E</mi><mi>S</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mrow><msup> <mi>R</mi> <mi>v</mi></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>N</mi><mn>0</mn> </msub> <msup><mi>R</mi><mi>v</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <mrow><msup> <mn>2</mn> <mi>v</mi></msup><msup> <mi>R</mi> <mi>v</mi></msup> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub></mrow><mrow> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>N</mi><mn>0</mn> </msub> <msup><mi>R</mi><mi>v</mi> </msup></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>其中dSR为发射节点到中继节点的距离，dRD为发射节点到中继节点的距离，dSD为发射节点到中继节点的距离；(1d)设分布式空时编码方式的信噪比γDSTC的下界为544.391，得到控制分组通信半径R的性能下界为 <mrow><mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><mi>v</mi><msqrt> <mfrac><mrow> <mn>4.5914</mn> <mo>×</mo> <msup><mn>10</mn><mrow> <mo>-</mo> <mn>4</mn></mrow> </msup> <mo>·</mo> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub></mrow><msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac></msqrt> </mrow>(1e)根据控制分组通信半径的性能下界和SISO方式的通信半径r，设v＝2，得到与r的关系为 <mrow><mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>·</mo><mfrac> <mrow><mi>v</mi><msqrt> <mfrac><mrow> <mn>4.5914</mn> <mo>×</mo> <msup><mn>10</mn><mrow> <mo>-</mo> <mn>4</mn></mrow> </msup> <mo>·</mo> <msub><mi>E</mi><mi>S</mi> </msub></mrow><msub> <mi>N</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac></msqrt> </mrow> <mrow><mi>v</mi><msqrt> <mfrac><msub> <mi>E</mi> <mi>S</mi></msub><mrow> <mn>49998.5</mn> <mo>·</mo> <msub><mi>N</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac></msqrt> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>4.791</mn><mi>r</mi><mo>;</mo> </mrow>(1f)根据与r的关系和约束条件得控制分组通信半径R与SISO方式的通信半径r的关系为(2)在的控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点计算任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径；(3)根据任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，发送控制分组邀请该中继节点参与三点协作，并由中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，再按照分布式空时编码的方式完成数据传输。FDA0000028250870000014.tif,FDA0000028250870000022.tif,FDA0000028250870000023.tif,FDA0000028250870000025.tif,FDA0000028250870000026.tif,FDA0000028250870000027.tif,FDA0000028250870000028.tif
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)所述的约束控制分组的长度，是规定只允 许传输长度不超过51字节的控制分组，若控制分组的长度超过51字节，则拆分成多个不超 过51字节的分组传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)所述的根据每个节点寻找到的邻居节点 计算任意两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，按如下步骤进行(3a)输入网络拓扑G= (V, E)的所有节点的集合V、任两节点间的边的集合E和邻接 表A，表中元素a(i，j)是拓扑中节点i到节点j的边的权值；(3b)根据输入的节点集合V、边的集合E和邻接表A，初始化源节点s到其余各节点的 偶数跳最短路径值的数组队和奇数跳最短路径值的数组D。、源节点s到其余各节点的偶数 跳最短路径中前一跳的数组Pe和奇数跳最短路径中前一跳的数组P。；(3c)根据偶数跳最短路径值的数组队、奇数跳最短路径值的数组D。、偶数跳最短路径 中前一跳的数组Pe和奇数跳最短路径中前一跳的数组P。，对于集合V中任意两个节点i和 节点j执行如下操作(3d)如果满足De(j) > D。⑴+a(i，j)，则令 De(j) = D。(i)+a(i，j)，Pe(j) = i， 其中队(j)为源节点s到节点j的偶数跳最短路径，D。(i)为源节点s到节点i的奇数 跳最短路径，a(i，j)为节点i与节点j之间的距离，PJj)为源节点s到节点j的偶数跳最 短路径中的前一跳；(3c2)如果满足D。(j) >Dji)+a(i，j)^|^D。(j) = De(i)+a(i，j)，P。(j) =i，其中 P0(J)为源节点s到节点j的奇数跳最短路径中的前一跳；(3d)重复执行(3c)，直到不存在满足(3cl)或(3c2)的节点i和节点j ； (3e)将偶数跳最短路径中前一跳的数组Pe和齐数跳最短路径中前一跳的数组P。按奇 偶性交替反转，得到源点s到任一节点的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的MAC层选择到目标节点的下一跳 作为中继节点，是在路由表中找出到目标节点的偶数跳最短路径中的下一跳节点作为中继 节点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)所述的中继节点选择到目标节点的下一 跳作为接收节点，是在MAC层找出到目标节点的奇数跳最短路径中的下一跳节点作为接收 节点。
全文摘要
本发明公开了一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，主要解决现有技术在网络较稀疏或负荷较大时延迟增大且吞吐量下降的问题，其步骤是(1)对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控制分组的通信范围；(2)在该控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点计算任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径；(3)根据该偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，发送控制分组邀请该中继节点参与三点协作，并由中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，再按照分布式空时编码的方式完成数据传输。本发明能提高网络吞吐量，减小延迟，可用于协作通信领域。
文档编号H04W84/18GK101951641SQ20101050721
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者宗汝, 常红娜, 李勇朝, 李洁, 王旭宇, 蔡田齐一, 高新波 申请人:西安电子科技大学