專利名稱：基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中繼輔助傳輸?shù)男⌒蜁r(shí)隙多接入網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)進(jìn)行沖突數(shù)據(jù)包的接收和分離，特別是一種基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信及信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在無線網(wǎng)絡(luò)中，大量不可預(yù)測(cè)的信道變化，不均勻的業(yè)務(wù)量，無線節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化以及對(duì)寬帶高速率通信的要求等，對(duì)現(xiàn)有條件下通信系統(tǒng)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)要求我們重新審視現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)組件(從物理層設(shè)計(jì)到MAC層接入和路由層選路、從信源壓縮到信道編碼與調(diào)制、從電路級(jí)資源分配到網(wǎng)絡(luò)級(jí)資源分配)的設(shè)計(jì)思想與方法。面對(duì)上述挑戰(zhàn)，近年來將信號(hào)處理技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)從而有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能引起人們的很大興趣?；跊_突分辨的多包接收(Multiple Packet Reception，MPR)技術(shù)從一個(gè)新的角度來審視隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)中的多址接入問題，把網(wǎng)絡(luò)中的沖突分辨轉(zhuǎn)化為信號(hào)分離問題來解決，利用信號(hào)處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源共同解決網(wǎng)絡(luò)中的沖突問題。其基本思想就是使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有同時(shí)接收多個(gè)用戶數(shù)據(jù)包并對(duì)它們進(jìn)行有效分離的功能，而不是簡(jiǎn)單地將多個(gè)同時(shí)到來的數(shù)據(jù)包當(dāng)作沖突全部丟棄。節(jié)點(diǎn)多包接收能力的引入，將給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和減少數(shù)據(jù)包的傳送等待時(shí)延，對(duì)于實(shí)現(xiàn)新一代無線寬帶通信系統(tǒng)具有重要的意義。
Tsatsanis等人提出的網(wǎng)絡(luò)輔助分集多址接入(NDMA，Network-assisted DiversityMultiple Access)機(jī)制是一種使用信號(hào)處理技術(shù)解決無線時(shí)隙隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包沖突問題的新方法。該方法利用網(wǎng)絡(luò)資源獲得分集特性，并采用信號(hào)分離的方法恢復(fù)沖突數(shù)據(jù)包，這是最先將信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，以提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法。然而，NDMA機(jī)制對(duì)于重傳的依賴致使其性能受到無線信道狀況的極大制約。
協(xié)作分集作為空間分集的一種新形式，一出現(xiàn)就受到人們的廣泛關(guān)注。其基本思想是通過多用戶之間共享天線和其他網(wǎng)絡(luò)資源的形式構(gòu)造“虛擬多天線陣列”，并通過分布式處理產(chǎn)生協(xié)作獲得一定的空間分集增益。Lin Rui和A.P.Petropulu等將協(xié)作分集與NDMA機(jī)制相結(jié)合，提出了一種高吞吐量的MAC協(xié)議——ALLIANCES機(jī)制，為解決無線局域網(wǎng)衰落狀態(tài)下的多包接收提供了新途徑。
在上述兩個(gè)機(jī)制中，一旦沖突發(fā)生，目的端需要對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集(即沖突用戶集合)進(jìn)行判決，此時(shí)檢測(cè)器的門限選擇至關(guān)重要，并將進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的沖突包重傳和分離產(chǎn)生影響。NDMA和ALLIANCES機(jī)制的結(jié)論均基于沖突階數(shù)總能被正確檢測(cè)的假設(shè)，實(shí)際上，目的端的錯(cuò)誤判決極有可能發(fā)生。為精確評(píng)估基于NDMA的協(xié)作多包接收機(jī)制的性能，必須考慮非理想的沖突檢測(cè)及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響，但目前尚未見相關(guān)報(bào)道。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)支持中繼輔助傳輸?shù)男⌒蜁r(shí)隙多接入網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的多包接收方法的不足，提出一種基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離的方法，從而有效地改善無線通信系統(tǒng)的多包接收性能。其優(yōu)點(diǎn)在于一方面，利用節(jié)點(diǎn)的多包接收能力解決傳統(tǒng)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議中無法避免的數(shù)據(jù)包沖突問題；另一方面，利用中繼的轉(zhuǎn)發(fā)能力減少因無線信道固有的衰落特性引起的重傳失敗并進(jìn)一步解決對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集進(jìn)行檢測(cè)和判決時(shí)涉及到的檢測(cè)器門限選擇問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，該方法打破了傳統(tǒng)的NDMA機(jī)制和ALLIANCES機(jī)制中沖突階數(shù)總能被正確檢測(cè)的理想假設(shè)，在協(xié)作沖突分離機(jī)制中，檢測(cè)器門限選擇兼顧理想沖突檢測(cè)和非理想沖突檢測(cè)兩種情況，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、用戶的發(fā)包概率、檢測(cè)概率和虛警概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潛在吞吐量進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過求極值運(yùn)算獲得檢測(cè)概率和虛警概率間的最優(yōu)導(dǎo)數(shù)關(guān)系，進(jìn)而求得最優(yōu)的檢測(cè)器門限；然后，目的端根據(jù)該最優(yōu)門限在沖突時(shí)隙對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集進(jìn)行檢測(cè)，并通過控制信道將判決結(jié)果通知給所有網(wǎng)絡(luò)用戶；系統(tǒng)根據(jù)該結(jié)果確定數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)段長(zhǎng)度，選擇相應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)輔助信源進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，進(jìn)而在目的端實(shí)現(xiàn)沖突數(shù)據(jù)包的分離。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，其特征在于 (1)首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、用戶的發(fā)包概率、檢測(cè)概率和虛警概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潛在吞吐量進(jìn)行預(yù)測(cè)，潛在吞吐量定義為潛在的單位時(shí)隙內(nèi)可成功恢復(fù)的數(shù)據(jù)包，通過求極值運(yùn)算獲得檢測(cè)概率和虛警概率間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，進(jìn)而求得檢測(cè)器門限，步驟如下 定義Pe為用戶緩沖器在傳輸時(shí)段開始時(shí)刻為空的概率，當(dāng)K個(gè)用戶在沖突時(shí)隙沖突時(shí)候，其二進(jìn)制表達(dá)如下 將無線信道建模為瑞利平坦衰落信道
其中，相位

(n)在
-(1+SNR)/SNR(20) 根據(jù)式(3)和式(20)可得檢測(cè)器門限為 (2)信源發(fā)送數(shù)據(jù)包后，目的端根據(jù)求得的檢測(cè)器門限對(duì)接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行沖突檢測(cè)，一旦沖突被檢測(cè)到，目的端將對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集進(jìn)行判決，然后通過控制信道將判決結(jié)果通知給所有網(wǎng)絡(luò)用戶； (3)為獲得沖突信號(hào)的線性獨(dú)立的復(fù)本，系統(tǒng)進(jìn)入中繼輔助重傳時(shí)段，重傳時(shí)段的長(zhǎng)度等于被檢測(cè)到的沖突階數(shù)減1，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)地選作中繼且重傳其在沖突時(shí)隙接收的信號(hào)，中繼輔助重傳時(shí)段一結(jié)束，廣播信道就重置控制比特，中止當(dāng)前的重傳以及所有相關(guān)的傳輸； (4)目的端利用次優(yōu)線性解法對(duì)接收到的所有沖突數(shù)據(jù)包進(jìn)行聯(lián)合解包，實(shí)現(xiàn)多包分離。當(dāng)沖突階數(shù)K和活動(dòng)用戶集

被正確檢測(cè)時(shí)，

且

令源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)表示為

令目的端的接收信號(hào)表示為

，其中

則接收信號(hào)的矩陣形式表示為Z＝HX+W，其中，H表示源節(jié)點(diǎn)和目的端間信道系數(shù)，可以通過活動(dòng)用戶檢測(cè)得到估計(jì)，W表示噪聲矩陣。多包分離時(shí)，當(dāng)信道矩陣滿秩時(shí)，可利用次優(yōu)線性解法實(shí)現(xiàn)沖突數(shù)據(jù)包的分離，即

并得到與初始值δ對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際吞吐量ATP； (5)將上述步驟(4)的結(jié)果輸出至系數(shù)δ的更新，其過程是對(duì)公式(14)中系數(shù)δ在0≤δ≤1的范圍內(nèi)不同取值的迭代，重復(fù)步驟(1)-(4)，最終獲取公式(21)結(jié)果為最優(yōu)檢測(cè)器門限和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐量ATP。
上述步驟(3)中令網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)i(1≤i≤J)在沖突時(shí)隙n發(fā)送的數(shù)據(jù)包表示為xi(n)＝[xi，0(n)，…xi，M-1(n)]，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含M個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)的發(fā)送功率為σx2。目的端接收信號(hào)和所有空閑節(jié)點(diǎn)(沖突時(shí)隙沒有發(fā)包的用戶)接收到的信號(hào)表示為
時(shí)隙n+k，

一個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)選擇為中繼，并重傳它在沖突時(shí)隙的信號(hào)y(n)。此時(shí)，目的端處接收信號(hào)表示為


(23) 其中

為中繼節(jié)點(diǎn)集合；ard(n)為第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和目的端間信道系數(shù)；wd(n+k)為噪聲矢量；c(n+k)為歸一化系數(shù)。若

即中繼本身不是源節(jié)點(diǎn)，則y(n)＝y(tǒng)r(n)，

其中

若

即中繼本身就是源節(jié)點(diǎn)，則y(n)＝xr(n)，c(n+k)＝1。
上述最優(yōu)檢測(cè)器門限獲取時(shí)，公式(14)中系數(shù)δ的迭代選擇過程如下 (1)系數(shù)δ的初始值設(shè)為0，此時(shí)PTP＝PTP2； (2)求得對(duì)應(yīng)門限并實(shí)現(xiàn)沖突分離，比較實(shí)時(shí)實(shí)際吞吐量ATP和潛在吞吐量，計(jì)算|PTP-ATP|2； (3)更新系數(shù)δ，令δ＝δ+Δδ，其中Δδ＝1/J且0≤δ≤1，重復(fù)上述步驟(2)； (4)重復(fù)上述步驟(2)、(3)，找到使實(shí)時(shí)實(shí)際吞吐量與潛在吞吐量最為接近的系數(shù)δ，即滿足

時(shí)，公式(21)結(jié)果為最優(yōu)檢測(cè)器門限。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果本發(fā)明將沖突檢測(cè)引入中繼輔助的多包接收機(jī)制中，打破了現(xiàn)有NDMA和ALLIANCES機(jī)制中沖突階數(shù)總能被正確檢測(cè)的假設(shè)。對(duì)系統(tǒng)性能-潛在吞吐量的數(shù)學(xué)分析綜合考慮了理想沖突檢測(cè)和非理想沖突檢系統(tǒng)性能的影響，并兼顧了潛在吞吐量評(píng)估時(shí)的最壞情況和最好情況，因而是一種更符合實(shí)際通信情況的系統(tǒng)性能估計(jì)，據(jù)此可獲得更為精確的最優(yōu)檢測(cè)器門限，進(jìn)而獲得比NDMA機(jī)制和時(shí)隙ALOHA機(jī)制更好的吞吐量性能。



圖1是本發(fā)明方法的流程圖； 圖2是三用戶的沖突數(shù)據(jù)包重傳示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參看圖1、2，檢測(cè)器門限的確定包含兩個(gè)步驟①潛在吞吐量的數(shù)學(xué)分析利用沖突時(shí)隙上的潛在吞吐量替代吞吐量來預(yù)測(cè)整個(gè)傳輸時(shí)段上的吞吐量性能，定義潛在吞吐量為潛在的單位時(shí)隙內(nèi)可成功恢復(fù)的數(shù)據(jù)包。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、用戶的發(fā)包概率、檢測(cè)概率和虛警概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潛在吞吐量進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體分兩種情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將兩種情況下預(yù)測(cè)的吞吐量進(jìn)行線性組合。②檢測(cè)器門限的選擇通過求極值運(yùn)算獲得檢測(cè)概率和虛警概率間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)檢測(cè)概率和虛警概率之間的函數(shù)關(guān)系求得檢測(cè)器門限。
沖突數(shù)據(jù)包的傳輸假定K個(gè)包在時(shí)隙n發(fā)生沖突，令

表示沖突階數(shù)K的判決結(jié)果，

表示活動(dòng)用戶集即沖突用戶集

的判決結(jié)果。在目的端判決結(jié)果

和

下，為恢復(fù)

個(gè)沖突數(shù)據(jù)包，中繼輔助重傳時(shí)段長(zhǎng)度固定為

個(gè)時(shí)隙。在時(shí)隙n+k，

一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選作中繼，若該節(jié)點(diǎn)為非信源中繼，則重傳其在沖突時(shí)隙接收的沖突信號(hào)；若該節(jié)點(diǎn)為信源中繼，則重傳其在沖突時(shí)隙產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包。
沖突數(shù)據(jù)包的分離在接收端將沖突時(shí)隙接收到的數(shù)據(jù)包和中繼輔助重傳時(shí)段上接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行聯(lián)合解碼。信道系數(shù)矩陣可以通過活動(dòng)用戶檢測(cè)得到估計(jì)。當(dāng)信道矩陣滿秩時(shí)，可利用次優(yōu)線性解法實(shí)現(xiàn)沖突數(shù)據(jù)包的分離。
依據(jù)公式(14)中系數(shù)δ的迭代選擇，在0≤δ≤1的范圍內(nèi)找到使實(shí)時(shí)實(shí)際吞吐量與潛在吞吐量最為接近的系數(shù)δ，即滿足

時(shí)，為最優(yōu)檢測(cè)器門限，將最優(yōu)檢測(cè)器門限替換圖1中的方框1之檢測(cè)器門限，然后按圖1繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)方框步驟，最后實(shí)現(xiàn)最佳的多包分離效果。
權(quán)利要求
1.基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，其特征在于
(1)首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)J、用戶的發(fā)包概率、檢測(cè)概率和虛警概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潛在吞吐量進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過求極值運(yùn)算獲得檢測(cè)概率和虛警概率間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，進(jìn)而求得檢測(cè)器門限，步驟如下
定義Pe為用戶緩沖器在傳輸時(shí)段開始時(shí)刻為空的概率，當(dāng)K個(gè)用戶在沖突時(shí)隙沖突時(shí)候，其二進(jìn)制表達(dá)如下
將無線信道建模為瑞利平坦衰落信道
其中，相位
在
-(1+SNR)/SNR (20)
根據(jù)式(3)和式(20)可得檢測(cè)器門限為
(2)信源發(fā)送數(shù)據(jù)包后，目的端根據(jù)求得的檢測(cè)器門限對(duì)接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行沖突檢測(cè)，一旦沖突被檢測(cè)到，目的端將對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集進(jìn)行判決，然后通過控制信道將判決結(jié)果通知給所有網(wǎng)絡(luò)用戶；
(3)為獲得沖突信號(hào)的線性獨(dú)立的復(fù)本，系統(tǒng)進(jìn)入中繼輔助重傳時(shí)段，重傳時(shí)段的長(zhǎng)度等于被檢測(cè)到的沖突階數(shù)減1，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)地選作中繼且重傳其在沖突時(shí)隙接收的信號(hào)，中繼輔助重傳時(shí)段一結(jié)束，廣播信道就重置控制比特，中止當(dāng)前的重傳以及所有相關(guān)的傳輸；
(4)當(dāng)信道矩陣H滿秩時(shí)，目的端可利用次優(yōu)線性解法對(duì)接收到的所有沖突數(shù)據(jù)包進(jìn)行聯(lián)合解包，
實(shí)現(xiàn)多包分離，并得到與初始值δ對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際吞吐量ATP；
(5)將上述步驟(4)的結(jié)果輸出至系數(shù)δ的更新，其過程是對(duì)公式(14)中系數(shù)δ在0≤δ≤1的范圍內(nèi)不同取值的迭代，重復(fù)步驟(1)-(4)，最終獲取公式(21)結(jié)果為最優(yōu)檢測(cè)器門限和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐量ATP。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，其特征在于對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)i(1≤i≤J)在沖突時(shí)隙n發(fā)送的數(shù)據(jù)包表示為xi(n)＝[xi，0(n)，…xi，M-1(n)]，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含M個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)的發(fā)送功率為σx2。目的端接收信號(hào)和所有空閑節(jié)點(diǎn)(沖突時(shí)隙沒有發(fā)包的用戶)接收到的信號(hào)表示為
時(shí)隙n+k，
一個(gè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)選擇為中繼，并重傳它在沖突時(shí)隙的信號(hào)y(n)。此時(shí)，目的端處接收信號(hào)表示為
其中
為中繼節(jié)點(diǎn)集合；ard(n)為第r個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和目的端間信道系數(shù)；wd(n+k)為噪聲矢量；c(n+k)為歸一化系數(shù)。若
即中繼本身不是源節(jié)點(diǎn)，則y(n)＝y(tǒng)r(n)，
其中
若
即中繼本身就是源節(jié)點(diǎn)，則y(n)＝xr(n)，c(n+k)＝1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離方法，其特征在于最優(yōu)檢測(cè)器門限獲取時(shí)，公式(14)中系數(shù)δ的迭代過程如下
(1)系數(shù)δ的初始值設(shè)為0，此時(shí)PTP＝PTP2；
(2)求得對(duì)應(yīng)門限并實(shí)現(xiàn)沖突分離，比較實(shí)時(shí)實(shí)際吞吐量ATP和潛在吞吐量，計(jì)算|PTP-ATP|2；
(3)更新系數(shù)δ，令δ＝δ+Δδ，其中Δδ＝1/J且0≤δ≤1，重復(fù)上述步驟(2)；
(4)重復(fù)上述步驟(2)、(3)，找到使實(shí)時(shí)實(shí)際吞吐量與潛在吞吐量最為接近的系數(shù)δ，即滿足
時(shí)，公式(21)結(jié)果為最優(yōu)檢測(cè)器門限。
全文摘要
一種基于沖突檢測(cè)的檢測(cè)器門限選擇和協(xié)作沖突分離的方法，其特征是在中繼輔助傳輸?shù)男⌒蜁r(shí)隙多接入網(wǎng)絡(luò)中，首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、用戶的發(fā)包概率、檢測(cè)概率和虛警概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)的潛在吞吐量進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過求極值運(yùn)算獲得檢測(cè)概率和虛警概率間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，進(jìn)而求得最優(yōu)檢測(cè)器門限；然后，目的端根據(jù)該門限在沖突時(shí)隙對(duì)沖突階數(shù)和活動(dòng)用戶集進(jìn)行檢測(cè)，并通過控制信道將判決結(jié)果通知給所有網(wǎng)絡(luò)用戶；系統(tǒng)根據(jù)該結(jié)果確定數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)段長(zhǎng)度，選擇相應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)輔助信源進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，進(jìn)而在目的端通過次優(yōu)線性解法實(shí)現(xiàn)沖突數(shù)據(jù)包的分離。
文檔編號(hào)H04L1/16GK101729206SQ200910234619
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者季薇, 鄭寶玉, 楊震 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)