基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法。

背景技术：

随着无线通信技术发展及用户对通信需求的不断提升，可用的频谱资源日益紧张，如何在有限资源下提供更好的通信质量，如信息速率高、低延时、高可靠性等，是无线组网迫切需要解决的问题之一。

分布式无线协同网络中，各用户之间通常采用随机竞争方式接入信道，竞争过程的随机性和多用户信道的时变性(通信距离变化、遮挡、信号多径等原因)，时常导致实际接入信道的用户传输质量不佳的问题，信道质量好的用户没有接入，信道利用率低下问题严峻。为了解决该问题，提高通信质量，主要解决思路是引入中继节点，通过信源-中继、中继-信宿的两跳辅助传输，提高点对点信道的通信质量；结合动态的信道接入决策机制，实现共享信道的有限信道资源在多用户之间的高效利用。目前对于分布式信道接入主要有两种解决方法，具体如下：

第一种策略是信源-信宿节点对和中继节点的集中控制传输方式。通过信源-信宿节点对有限开销的信令交互实现中继节点的全信道感知，并结合信道质量的时变性，设计在分布方式下多信源-信宿节点对和中继节点辅助下的高效信道接入方法。这类方法适用于中继节点少，获得信源-信宿节点对之间全部信道信息开销较少的场景下，可实现最优的网络吞吐量统计特性最优。

第二种策略是信源-信宿节点对和中继信道对等模式，即信源-信宿节点对通过有限开销的信令交互仅获得源-中继节点的信道质量的情况下，提出了多信源节点和多中继节点在全分布式运行下的最优动态接入方法。这种情况对应的最优方法适用于中继节点较多情况。为避免全部信道信息探测开销过大导致难以实时获取信息并影响有效信息传输时间，中继节点通过自主方式竞争信道完成第二跳信息传输。

但是上述两种方法都存在各自缺点：

1、信源-信宿节点对和中继节点集中控制的方法，适用性受到中继网络规模的限制。并且随着节点数量的增加，信令开销时间呈线性增加，网络传输效能显著下降。同时，两跳传输一般采用时分方式，信源-信宿节点对的单次传输有效时间受两跳信道相关时间影响减半，信令占有效传输时间比例进一步增强，传输效率较低。

2、信源-信宿节点对与中继节点信道自主控制的方法存在信道利用率低的缺点。该方式下，多个信源-信宿节点对和所有中继节点均自主运行，充分利用了两跳信道的时间多样性。到分布模型下，信源节点、中继节点仅获得自身信道的局部信息，额外信息的获取经历分布竞争过程，导致更多时间开销，影响了传输效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够降低计算复杂度、提高无线协同网络的平均吞吐量的基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法，对无线分布式协同网络模型做如下刻画：在无线分布式协同网络中，存在m个信源-信宿节点对，以分布式方法接入信道传输信息；每个信源-信宿节点对都分配单个中继节点，通过译码-转发模式协助信源-信宿节点对进行通信；

该方法包括以下步骤：

步骤1、第一跳m个信源节点以微时隙的时分形式进行分布的信道竞争，在持续时间δ的微时隙内，各信源节点以随机方式向中继节点发送一个rts包，发送概率为p，包长为τrts；

步骤2、多源节点成功完成信道竞争后，中继节点根据接收的获胜信源节点的rts包携带的训练符号序列，计算获胜信源节点到自身的信道质量，即第一跳信道增益，决定是否接入信道；获胜信源节点i获得第一跳信道下的信噪比，记为snrf；

步骤3、将获胜信源节点第一跳信道下的信噪比snrf与阈值snr0比较，若snrf≥snr0，则利用接入信道完成第一跳传输，并反馈cts包至获胜信源节点和其他信源节点；若snrf＜snr0，则获胜信源节点放弃信道，中继节点主动反馈cts包给信源节点报告该决定，并返回步骤1，在下一个微时隙里所有信源节点开始新一轮竞争；

步骤4、完成第一跳数据传输后，启动第二跳的信道接入，中继节点向信宿节点发送rts包，通过rts包内字符序列，信宿节点计算第二跳信道质量，用可达信息速率表示，记为rg；同时信宿节点向中继节点反馈cts包，告知该速率信息；

步骤5、如果第二跳的可达最大速率log2(1+rg)不小于第一跳传输速率rn，则中继节点以传输速率rn在信道相关时间τd内向信宿节点传输；否则，中继节点放弃传输，并在信道相关时间τd后，返回步骤4，继续进行信道探测，重复以上过程，直至第二跳信息传输完成。

进一步地，步骤1所述的第一跳m个信源节点以微时隙的时分形式进行分布的信道竞争，在持续时间δ的微时隙内，各信源节点以随机方式向中继节点发送一个rts包，发送概率为p，包长为τrts，具体如下：

情况1：如果所有信源节点不发送rts包，所有信源节点在信道上感知无信息发送，所有信源节点在下一个微时隙进行新一轮信道竞争；

情况2：如果有两个或两个以上信源节点发送rts包，发生碰撞，碰撞概率为1-(1-p)^m-mp(1-p)^m-1，则信源节点通过感知碰撞发生后是否有中继节点cts包响应，判断发送包碰撞，重复步骤1，下个微时隙里，所有信源节点开始新一轮信道竞争；

情况3：如果仅有一个信源节点发送rts包，其概率为mp(1-p)^m-1，其他信源节点可感知到信道被占用，则该信源节点为竞争成功的信源节点，基于信令包长度和微时隙组网配置，信源节点以分布方式完成一次成功信道竞争的平均时间τ1为：

其中，τrts和τcts分别表示rts包和cts包的时长。

进一步地，步骤3所述的将获胜信源节点第一跳信道下的信噪比snrf与阈值snr0比较，具体如下：

阈值snr0满足

其中，σi是第i个信源竞争微时隙持续时间，τ2为第二跳传输过程花费的探测和等待时间，τ2＝τrts+τcts+τd；μi与λ^*为系统参数，λ^*、μi通过迭代获得；

若snrf≥snr0，则利用接入信道完成第一跳传输，并反馈cts包至获胜信源节点和其他信源节点；cts包内携带的符号rn信息表示获胜信源节点到中继节点的第一跳信道最大可达到的信息速率；然后信源节点以传输速率rn进行传输，传输时间为第一跳信道的相干时间τd，传输速率rn＝log2(1+min{snrf,μi})，其中，参数μi满足方程τ2为第二跳传输过程花费的探测和等待时间，且τ2＝τrts+τcts+τd；参数λ^*为固定值，满足以下方程：

若snrf＜snr0，则获胜信源节点放弃信道，中继节点主动反馈cts包给信源节点报告该决定，其他信源节点接收到该cts包得知该决策，随后，返回步骤1，在下一个微时隙里所有信源节点开始新一轮竞争。

进一步地，所述的参数λ^*，迭代过程如下：

参数λ^*由下面的迭代过程计算得到：

λk+1＝λk+α·dk(7-1)

式中λk,k＝1,2,...,∞为阈值序列，通过式(7-1)、(7-2)迭代公式计算，初始值λ0是任意非负数；α是迭代步长，满足条件ε≤α≤(2-ε)/(τ1+τ2+τcts)；ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，当|λk+1-λk|≤ε时，得λ^*＝λk+1；

迭代公式中期望运算为通过基于信道统计特性的概率积分数值计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到；

阈值序列λk,k＝1,2,...,∞通过式(7-1)的迭代运算证明收敛到λ^*；迭代算法按系数k进行更新，当|λk+1-λk|≤ε时，完成收敛。

进一步地，所述的参数μi，迭代过程如下：

对于各信源节点，数值μi由迭代公式xl+1＝φ(xl)得到，函数表达为：

式中xl,l＝1,2,...,∞为阈值序列，通过公式(8-1)迭代计算，初始值x0是一个非负的值，其值为随机选取的大于0的数；数值计算的收敛精度为η，当|xl+1-xl|≤η时迭代结束，得μi＝xl+1。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)在第二跳信道整体性能优于第一跳信道的条件下，显著提高了无线网络平均吞吐量；(2)第一跳决策只需要进行一次对比，而第二跳决策则需要进行几次对比，降低了每一次策略的计算复杂度，提高了网络传输效能。

附图说明

图1是本发明无线分布式协同网络系统模型的结构示意图。

图2是本发明基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法的流程图。

图3是本发明中λ^*迭代计算的流程示意图。

图4是本发明中μi迭代计算的流程示意图。

图5是本发明实施例中网络平均吞吐量的性能示意图。

图6是本发明实施例中网络平均吞吐量的性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法，对无线分布式协同网络模型做如下刻画：在无线分布式协同网络中，存在m个信源-信宿节点对，以分布式接入信道传输信息；每个信源-信宿节点对都分配单个中继点，通过译码-转发模式协助信源-信宿节点对进行通信。

本模型不考虑信源-信宿节点对的直接链路情况，所有传输数据和信令交互需要通过中继节点，利用信源-中继节点和中继-信宿节点两跳传输来实现。

结合图2，一种基于双层松耦合最优停止的无线分布式协同网络接入方法，包括以下步骤：

(1)源节点信道竞争过程

步骤1：第一跳m个信源节点以微时隙的时分形式进行分布的信道竞争，在持续时间δ的微时隙内，各信源节点以随机方式向中继节点发送一个rts包，发送概率为p，包长为τrts，存在以下3种情况：

情况1：如果所有信源节点不发送rts包，所有信源节点在信道上感知无信息发送，所有信源节点在下一个微时隙进行新一轮信道竞争；

情况2：如果有两个或两个以上信源节点发送rts包，发生碰撞，碰撞概率为1-(1-p)^m-mp(1-p)^m-1，则信源节点通过感知碰撞发生后是否有中继节点cts包响应，判断发送包碰撞，重复步骤1，下个微时隙里，所有信源节点开始新一轮信道竞争；

情况3：如果仅有一个信源节点发送rts包，其概率为mp(1-p)^m-1，其他信源节点可感知到信道被占用，则该信源节点为竞争成功的信源节点，基于信令包长度和微时隙组网配置，信源节点以分布方式完成一次成功信道竞争的平均时间τ1为：

其中，τrts和τcts分别表示rts包和cts包的时长。

(2)源节点信道接入过程

步骤2：多源节点成功完成信道竞争后，中继节点根据接收的获胜信源节点的rts包携带的训练符号序列，计算获胜信源节点到自身的信道质量，即第一跳信道增益，决定是否接入信道；获胜信源节点i获得第一跳信道下的信噪比，记为snrf。

步骤3：将获胜信源节点第一跳信道下的信噪比snrf与阈值snr0比较，阈值snr0满足：

其中，σi是第i个信源竞争微时隙持续时间，τ2为第二跳传输过程花费的探测和等待时间，τ2＝τrts+τcts+τd；μi与λ^*为系统参数，λ^*满足方程(3-2)，通过迭代公式(7-1)获得。μi通过迭代公式(8-1)获得；

若snrf≥snr0，则利用接入信道完成第一跳传输，并反馈cts包至获胜信源节点和其他信源节点；cts包内携带的符号rn信息表示获胜信源节点到中继节点的第一跳信道最大可达到的信息速率；然后信源节点以传输速率rn进行传输，传输时间为第一跳信道的相干时间τd，传输速率rn＝log2(1+min{snrf,μi})，其中，参数μi满足方程τ2为第二跳传输过程花费的探测和等待时间，且τ2＝τrts+τcts+τd；参数λ^*为固定值，满足以下方程：

若snrf＜snr0，则获胜信源节点放弃信道，中继节点主动反馈cts包给信源节点报告该决定，其他信源节点接收到该cts包得知该决策，随后，返回步骤1，在下一个微时隙里所有信源节点开始新一轮竞争。

(3)中继点信道接入过程

步骤4：完成第一跳数据传输后，启动第二跳的信道接入，中继节点向信宿节点发送rts包，通过rts包内的字符序列，信宿节点计算第二跳信道质量，用可达信息速率表示，记为rg；同时信宿节点向中继节点反馈cts包，告知该速率信息；

步骤5：如果第二跳的可达最大速率log2(1+rg)不小于第一跳传输速率rn，则中继节点以传输速率rn在τd时间内向信宿节点传输；否则，中继节点放弃传输，并在信道相关时间τd后，返回步骤4，继续进行信道探测，重复以上过程，直至第二跳信息传输完成。具体来讲，中继节点放弃传输，并在信道相关时间后继续进行信道探测，等待信道相干时间τd后，中继节点与信宿节点间通过新一轮rts/cts包交互探测第二跳信道变化情况，如果探测到第二跳传输速率不小于第一跳传输速率rn，则进行第二跳数据传输；否则，返回步骤4，继续进行信道探测，重复以上过程，直至第二跳信息传输完成。

上述接入过程中，需要使用的系统参数可通过离线获取，具体计算流程图如图2和图3所示。图2给出参数λ^*的迭代计算过程，图3给出对应迭代更新值λk的最优传输门限值μi。

结合图3，参数λ^*的迭代计算过程为：

λk+1＝λk+α·dk(7-1)

式中λ0是一个非负的初始值，其值为随机选取的大于0的数，如λ0＝1；α是迭代步长，满足条件ε≤α≤(2-ε)/(τ1+τ2+τcts)；ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要进行选择，典型的取值为10^-3；当|λk+1-λk|≤ε时，得λ^*＝λk+1

迭代公式中期望运算为通过基于信道统计特性的概率积分数值计算得到，或由蒙特卡洛仿真方法近似得到；

阈值序列λk,k＝1,2,...,∞为阈值序列，通过公式(7-1)、(7-2)的迭代运算可证明收敛到λ^*；迭代算法按系数k进行更新，当|λk+1-λk|≤ε时，完成收敛。

结合图4，对于各信源节点，数值μi可由迭代公式xl+1＝φ(xl)得到，其函数表达为：

式中xl,l＝1,2,...,∞为阈值序列，通过公式(8-1)迭代计算，初始值x0是一个非负的值，其值为随机选取的大于0的数；数值计算的收敛精度为η，当|xl+1-xl|≤η时迭代结束，得μi＝xl+1。

相对与信源-信宿对中继集中控制模式和中继信道自主控制模式，基于双层松耦合最优停止模式的优点在于第一跳决策只需要进行一次对比，而第二跳决策则需要进行几次对比。因此，每一次策略的计算复杂度低，与用户数并不存在函数关系，其计算复杂度为o(1)，而中继集中控制模式受限于中继网络节点规模，随着节点数量增加，信令的开销时间增加，网络传输效能可能下降，而中继信道自主控制模式的多中继点的竞争开销影响了网络性能。

实施例1

本实施例的分布式网络包括15个信源-信宿节点对，系统信道带宽2mhz，δ＝20μs，τrts＝τcts＝40μs，τd＝8ms，p＝0.1，系统仿真如图5和图6所示。图5中，第一跳信道的平均信噪比取值为0.5，第二跳信道的平均信噪比仿真区间为从1到30，可以看到，本方法的网络吞吐量性能明显好于其他方法，而且第二跳的探测次数随着平均信噪比增加而减小。图6中，第一跳信道的平均信噪比取值为1，第二跳信道的平均信噪比仿真区间为从8到26，可以看到，本方法具有更好的吞吐量性能。

由于第一跳决策由竞争获胜的源节点做出，所以只需要进行一次对比，且比对的门限μi,i＝1,2,...,m和λ^*可通过离线计算获得；第二跳由中继点决策，仅需要进行几次阈值对比。由于所需参数均可通过离线计算获得，每一次策略的计算复杂度低，与用户数不存在联系，计算复杂度为o(1)。从理论并结合仿真结果可知，本方法适应于第二跳平均snr较高的场景。实际使用中，结合其他在低snr场景具有较好吞吐量的方法，进行自适应策略选择，能够达到snr在低至高情况下的高效组网性能。

综上所述，本发明针对无线分布式中继网络节点高效利用无线信道资源以获得最优组网性能的问题，提出基于中继节点两跳(信源-中继、中继-目的)传输的信道接入方法，通过两跳传输过程解耦设计，提升信道接入效率。具体地，信源在获得第一跳良好信道质量基础上，进行中继等待，对第二跳进行探测和评估，在获得第二跳信道质量达到传输的阈值条件后进行数据传输，完成信道接入。根据仿真结果，该方法在第二跳(中继-目的)信道具有较大信噪比情况下，能够高效利用无线信道，获得更大信道传输吞吐量。在基于中继的分布式无线组网环境中，可根据实际探测的信道质量情况，适时选用该方法，提高无线协同网络的平均吞吐量。