专利名称：移动协作网络中多目标安全中继选择方法
技术领域：
本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种移动协作网络中多目标安全中继选择方法。
背景技术：
随着通信内容的不断丰富和业务量的不断增长，移动化和宽带化已经成为当前通信领域的两大主流发展趋势。现有的无线通信频谱资源非常有限，如果频谱利用率没有得到有效的提高，就不能满足日益增长的通信需求。而多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, ΜΙΜΟ)技术则能有效解决这一问题。MIMO系统的信道容量可以随着天线数目的增加而线性增大，具有很高的频谱效率，还可以在不增加频谱和功率等额外开销的情况下获得更高的吞吐率和可靠性。但由于移动终端的尺寸、成本、功耗等限制，在移动终端上部署多根天线具有一定困难。为解决这一难题，协作中继技术应运而生。从本质上说，协作中继技术是一种新型的空间分集技术，多个用户通过相互协作，构成一个虚拟的分布式天线阵列，各个用户通过共享天线的方式获得了 MIMO的特性。协作中继的主要中继策略有 AF(Amplify-and-Foreward，放大转发)、DF (Decode-and-Foreward，解码转发)和 CC (Code Cooperation，协作编码)三种模式。在AF模式下，中继只是简单的放大接收到的信号后传给目的端；在DF模式下，中继对接收到的信号进行译码，并重新编码后发给送给目的端；CC模式则是DF模式与信道编码的结合，中继节点对信源节点的信息重新编码，并向目的节点传送了不同的冗余信息，帮助目的节点解码。中继选择旨在从多个候选中继节点中选出最优的一个或者多个中继节点来承担通信任务。已有的中继选择方案多从信道增益、功耗、中继位置、误码率等多角度考虑了不同网络环境下的最优中继选择问题。但现有的中继选择方案虽然从多种角度出发考虑最优中继的选择，却都忽略了协作中继网络的中继安全性；有的文献虽然从安全容量的角度考虑了协作中继网络的安全问题，但忽略了中继节点的能量高效、低误码率、高传输能力等需求，并且研究所采用的系统模型中，信道均为无记忆慢衰落信道，而实际无线信道均为时变有记忆信道，且涉及的系统模型中考虑的均是固定的一个或者多个中继节点，不能动态地选择最优中继节点，缺乏灵活性。
发明内容
(一 )要解决的技术问题针对现有技术的缺点，本发明为了解决现有技术中协作中继网络中未综合考虑最优中继和安全中继的问题，提出了一种移动协作网络中多目标安全中继选择方法，为数据帧的传输选择了一个最优安全中继，从而在保证传输效率的同时提高了传输的安全性。( 二 )技术方案为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种移动协作网络中多目标安全中继选择方法，所述方法包括步骤
Si，信源节点周期性发送训练序列，进行信道估计确定信源中继SR信道、中继目的RD信道、中继窃听RE信道的信道衰落速度阈值；S2，确定SR、RD、RE信道的状态及相应的信道状态转移概率，进而确定候选中继节点的状态及候选中继节点的状态转移概率；S3，判断SR、RD、RE信道的衰落速度是否大于所述信道衰落速度阈值，若有任一信道的衰落速度大于所述信道衰落速度阈值，则执行步骤S4进行动态中继选择；否则转至步骤S7进行半静态中继选择；S4，为候选中继节点所处的每一个可能的状态计算相应的优先标识值，建立状态-优先标识值对照表；S5，将数据帧传输占用的一个时隙分为二个子时隙，在第一个子时隙，通过增强型 RTS/CTS消息，对SR、RD、RE信道进行信道估计，并判断各信道信噪比状态，进而确定每个候选中继节点当前所处的状态，并预测第二子时隙各信道所处状态，在所述对照表中查找对应的优先标识值，选出优先标识值最小的候选中继节点作为第二子时隙的中继节点；在第二个子时隙，数据帧由信源节点发出，经由第一子时隙选出的中继节点，发送给目的节点；S6，在每个数据帧传输完成后判断所有数据是否已传输完毕，若是则结束通信；否则转回步骤S5进行下一数据帧的传输；S7，根据信道状态的初始分布和信道状态转移概率对系统未来信道状态进行预测，确定最佳的半静态周期T ；在第一时隙选取总体报酬最大的候选中继节点作为本次半静态周期的中继节点，并预设周期计数器count值为0 ；S8，信源节点通过步骤S7选取的本次半静态周期的中继节点使用一个时隙将一个数据帧传输到目的节点并将count值加1 ；判断所有数据是否已传输完毕，若是则结束通信；否则继续执行步骤S9 ；S9，判断count值是否等于T，若是则转回步骤S7开始下一半静态周期；否则转回步骤S8继续传输下一数据帧。优选地，步骤S4中，根据误码率、候选中继节点所建立信道的安全容量和网络生存时间需求调整权值得到Restless Multi-armed Bandit模型中的总体报酬，进行所述计
笪弁。优选地，步骤S4中，对于任一候选中继节点n，所述总体报酬为
权利要求
1.一种移动协作网络中多目标安全中继选择方法，其特征在于，所述方法包括步骤 Si，信源节点周期性发送训练序列，进行信道估计确定信源中继SR信道、中继目的RD信道、中继窃听RE信道的信道衰落速度阈值；S2，确定SR、RD、RE信道的状态及相应的信道状态转移概率，进而确定候选中继节点的状态及候选中继节点的状态转移概率；S3，判断SR、RD、RE信道的衰落速度是否大于所述信道衰落速度阈值，若有任一信道的衰落速度大于所述信道衰落速度阈值，则执行步骤S4进行动态中继选择；否则转至步骤S7 进行半静态中继选择；S4,为候选中继节点所处的每一个可能的状态计算相应的优先标识值，建立状态-优先标识值对照表；S5，将数据帧传输占用的一个时隙分为二个子时隙，在第一个子时隙，通过增强型RTS/ CTS消息，对SR、RD、RE信道进行信道估计，并判断各信道信噪比状态，进而确定每个候选中继节点当前所处的状态，并预测第二子时隙各信道所处状态，在所述对照表中查找对应的优先标识值，选出优先标识值最小的候选中继节点作为第二子时隙的中继节点；在第二个子时隙，数据帧由信源节点发出，经由第一子时隙选出的中继节点，发送给目的节点；S6，在每个数据帧传输完成后判断所有数据是否已传输完毕，若是则结束通信；否则转回步骤S5进行下一数据帧的传输；S7，根据信道状态的初始分布和信道状态转移概率对系统未来信道状态进行预测，确定最佳的半静态周期T ；在第一时隙选取总体报酬最大的候选中继节点作为本次半静态周期的中继节点，并预设周期计数器count值为0 ；S8，信源节点通过步骤S7选取的本次半静态周期的中继节点使用一个时隙将一个数据帧传输到目的节点并将count值加1 ；判断所有数据是否已传输完毕，若是则结束通信； 否则继续执行步骤S9 ；S9，判断count值是否等于T，若是则转回步骤S7开始下一半静态周期；否则转回步骤 S8继续传输下一数据帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，根据误码率、候选中继节点所建立信道的安全容量和网络生存时间需求调整权值得到Restless Multi-armed Bandit模型中的总体报酬，进行所述计算。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对于任一候选中继节点n，所述总体报酬为RaS) = e(an (0 · (Al · Pb (7sr ) +M2-Cm(Trd) + ^- Ce (7re ) + /V ))；其中，算子E( ·)表示根据候选中继节点η当前状态和状态转移概率进行的期望运算；rn(t)表示该候选中继节点η在时刻t的状态；iin(t)表示该候选中继节点η在时刻t 是否被选择，如果被选择，则= 1，如未被选择，则=0;Pb是由信噪比Ysk决定的SR信道误码率，Cm是由信噪比Yed决定的RD信道的信道容量，Ce是由信噪比Yke 决定的RE信道的信道容量，\为候选中继节点η的剩余能量；Pi, i = 1，2，3，4是各项的权值，并且有凡| = 1，U1^O, u2^o, u3 = -u2, “4彡0;取“2、μ 3为相反数，有^2 ‘ CM(yED) + y3 · CE(yEE) = μ 2 (Cm-Ce)，Cm-Ce 表示安全容量。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述计算具体为将所述总体报酬转化为线性规划后进行一阶线性放宽，再通过原始二元启发式方法演化成的优先标识值启发式方法求解。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强型的RTS/CTS消息携带有候选中继节点和目的节点反馈的信道状态信息、以及候选中继节点的位置信息和剩余能量信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述选取优先标识值最小的候选中继节点具体为选取优先标识值最小的一个候选中继节点或者选取优先标识值最小的前若干个候选中继节点。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6和S8中，通过上层协议判断所有数据是否已传输完毕。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，采用卡尔曼滤波或自回归AR 模型对系统未来信道状态进行预测。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，任一候选中继节点η的所述总体报酬具体为Rn = ^ ！ · Pb ( Y se) + ^ 2 · CM(yED) + u 3 · CE(yEE) + y4 · zn ；其中，Pb是由信噪比Ysk决定的SR信道误码率，Cm是由信噪比Yed决定的RD信道的信道容量，Ce是由信噪比γ EE决定的RE信道的信道容量，zn为候选中继节点η的剩余能量，μ i, = 1，2，3，4 是各项的权值，并且有年I 凡 I = 1，U1^O, μ2 ^ 0, μ3 = -μ2，μ4 ^ 0 ；取 μ 2、μ 3 为相反数，Wy2- CM(YED) + y3 · Ce(Yee) = μ2 (CM_CE)，Cm-Ce 表示安全容量。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，步骤S7中，所述选取总体报酬最大的候选中继节点具体为选取总体报酬最大的一个候选中继节点或者选取总体报酬最大的前若干个候选中继节点。
全文摘要
本发明涉及移动通信技术领域，提出了一种移动协作网络中多目标安全中继选择方法。在本发明的方法中，通过周期性发送训练序列及反馈信息确定信道衰落阈值及候选中继节点的各种状态和状态转移概率；当某信道衰落速度大于阈值时进行动态中继选择，否则进行半静态中继选择；在中继选择过程中，根据系统安全容量等多个目标值确定的总体报酬来选择最优安全中继协助数据传输。本发明的方法可以准确及时地描述移动协作网络中的无线信道特性，并以较低的复杂度实现了多目标的动态最优安全中继选择，具有很强的灵活性和可扩展性；根据信道状态进行不同的中继选择也进一步提高了传输效率。
文档编号H04K3/00GK102438234SQ20111024179
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者刘宁宁, 宋梅, 张勇, 戴超, 柯腾辉, 滕颖蕾, 满毅, 王景尧, 王莉, 秦文聪, 马跃, 魏翼飞 申请人:北京邮电大学