專利名稱：一種降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)部署的降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，該方法基于隨機幾何理論，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
協(xié)作通信是一種利用空間分集來達到更好的傳輸性能或更快的傳輸速度的技術(shù)。 該技術(shù)不像MIMO技術(shù)一樣需在一個用戶上安裝多個天線，而是多個單天線用戶協(xié)作分享他們的天線，形成虛擬的天線陣，以達到系統(tǒng)性能提高的目的。協(xié)作通信的依據(jù)中繼節(jié)點個數(shù)分為單中繼協(xié)作通信和多中繼協(xié)作通信；依據(jù)中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)方式分為放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信和解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信。多中繼協(xié)作通信策略如分布式空時編碼雖然可以帶來滿分集增益，但同時也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。機會通信作為一種單中繼的協(xié)作通信策略，可以很好的降低系統(tǒng)負責度，其協(xié)作方式是在中繼備選集中選出一個最好的節(jié)點作為唯一中繼，選擇的依據(jù)是通過此節(jié)點的源到目的節(jié)點的信道性能最好。以往的研究表明此策略可以在無干擾的點對點系統(tǒng)中達到滿分集增益。
但以往在機會通信上的研究局限于點對點系統(tǒng)，這些結(jié)果無法應(yīng)用于大規(guī)模隨機分布的自組織網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點隨機分布，沒有中心控制節(jié)點控制各節(jié)點的發(fā)射，節(jié)點在一定的時隙以一定的概率傳輸信息，因此節(jié)點間的干擾不可忽略。另一方面，由于是隨機網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的離去、加入、移動等原因，中繼節(jié)點與源和目的節(jié)點之間的距離并不是固定的。此外，若每一個中繼節(jié)點、源和目的節(jié)點組成協(xié)作通信組，那么在網(wǎng)絡(luò)中每組的情況并不相同，即組內(nèi)節(jié)點之間的距離不同。要分析網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率并找出降低此中斷概率的方法，需從宏觀上對節(jié)點間的隨機距離求期望。
隨機幾何理論通過對節(jié)點的位置取期望，為描述和計算大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的宏觀統(tǒng)計特性提供了一個有效的方法?；陔S機幾何理論，一些研究將不考慮中繼選擇的協(xié)作通信從點對點系統(tǒng)擴展到大規(guī)模隨機網(wǎng)絡(luò)并分析了其中斷概率?？紤]到上面所提到的機會通信在降低復(fù)雜度提高系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢，如何能使得大規(guī)模隨機網(wǎng)絡(luò)利用機會通信策略，以降低網(wǎng)絡(luò)中干擾的影響，得到更低的中斷概率，有著重要的實際意義。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，該方法有效地降低了自組織網(wǎng)絡(luò)中干擾的影響及網(wǎng)絡(luò)的中斷概率，從而在未知網(wǎng)絡(luò)拓撲并且不用逐一統(tǒng)計每對通信鏈路性能的情況下，得到網(wǎng)絡(luò)在使用機會通信下的平均性能，從而更有效的布置網(wǎng)絡(luò)以達到預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量。
技術(shù)方案一種降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，包括源節(jié)點選擇，后備中繼節(jié)點選擇，最佳中繼選擇以及睡眠節(jié)點選擇四個步驟，在每一輪通信的開始，動態(tài)的選擇源節(jié)點、后備中繼節(jié)點、最佳中繼節(jié)點及睡眠節(jié)點；其中，
第一步，源節(jié)點選擇源節(jié)點的選擇階段主要通過選擇節(jié)點的調(diào)度因子來調(diào)節(jié)源節(jié)點的密度；根據(jù)不同的發(fā)射功率，選擇適當?shù)恼{(diào)度因子，使得在機會通信的復(fù)用率不降低的前提下，降低中斷概率，或者當中斷概率不高于可容忍上限時，得到最大的源節(jié)的密度； 所述源節(jié)點的密度由確定源節(jié)點選擇概率來實現(xiàn)，源節(jié)點的選擇概率是指節(jié)點被選做源節(jié)點的概率；
根據(jù)不同的發(fā)射功率，可以選擇適當?shù)恼{(diào)度因子使得在機會通信的復(fù)用率不降低的前提下降低中斷概率，也可以等價地看作當中斷概率不高于可容忍上限時，得到最大的源節(jié)點密度，而此密度正是在實際實施過程中所需要的源節(jié)點選擇概率參數(shù)。這種源節(jié)點的選擇，使得不需要先驗信息，也不需要統(tǒng)計各個鏈路的信息，就可以達到網(wǎng)絡(luò)的性能要求，對于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)而言，可以有效的節(jié)約成本，減少部署帶來的通信資源開銷。
第二步，后備中繼節(jié)點選擇通過使源節(jié)點傳輸信息的概率Ptl小于節(jié)點成為后備中繼節(jié)點的概率P1來選擇后備中繼節(jié)點；實施中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(shù)一定，后備中繼節(jié)點的個數(shù)在滿足上述要求的前提下也是固定的，因此網(wǎng)絡(luò)剩余節(jié)點即這些要進入睡眠模式的節(jié)點與被選中的源節(jié)點的數(shù)目之和是固定的。在滿足中斷概率要求的前提下會盡量多的選擇源節(jié)點，目的在于增加網(wǎng)絡(luò)空間的復(fù)用程度率。
第三步，最佳中繼選擇在后備中繼節(jié)點中選擇最佳中繼節(jié)點，使得源到目的后備中繼節(jié)點的鏈路最好，最佳中繼節(jié)點的選擇需考慮網(wǎng)絡(luò)干擾，其選擇過程如下
(1)選出滿足下式的后備中繼節(jié)點
PF d—a ]γκ = arg Ii^x min \ ——~,——~ |>^θ(Λ) InO+1B(A0) N0 +1B(A0) J
其中Yk為通過后備中繼節(jié)點的源到目的端的信號干擾噪聲比， (λ)表示后備中繼集合，4W為后備中繼節(jié)點間的干擾，Ntl為目的端熱噪聲功率，F(xiàn)ij, 分別代表后備中繼節(jié)點i，j之間的信道快衰落功率系數(shù)和距離，α為路徑損耗因子；當后備中繼集合ρ d—a F d—aΘ U1)中的后備中繼節(jié)點1監(jiān)聽到來自各信源的信號后，分別計算γ Ij1和Λ/二廣JV0 十 7 (々) JV0 十 7 (々)并得出其中的較小的值，并將其設(shè)為F1 ；
(2)啟用計時器，計時器的時間按照下面公式計算
T1 = Teifs X (Fmax-F1) / (Fmax-Fmin)
其中Fmax、Fmin分別為后備中繼集合θ (λ》中后備中繼節(jié)點的F1的最大值和最小值，Tkifs為中繼的競爭時間；
(3)任意一屬于Θ (X1)的后備中繼節(jié)點監(jiān)聽信道直到有后備中繼節(jié)點占用信道或者自己的計時器歸零；
(4)當計時器歸零又沒有后備中繼節(jié)點占用信道時，此后備中繼節(jié)點將作為最佳中繼傳輸監(jiān)聽到的信源信息到目的節(jié)點。
第四步，睡眠節(jié)點選擇在得到源節(jié)點和后備中繼節(jié)點后，剩余的節(jié)點將自己的模式設(shè)為睡眠狀態(tài)。
上述方法無需中心節(jié)點控制，網(wǎng)絡(luò)的部署也不需要預(yù)先統(tǒng)計各個鏈路的性能。算法可以根據(jù)應(yīng)用層性的性能要求，在每一個節(jié)點的MAC層進行。所述源節(jié)點選擇是通過調(diào)度因子的選擇從而確定源節(jié)點的密度，篩選出合適數(shù)量的源節(jié)點以使得網(wǎng)絡(luò)的中斷概率小于給定的可容忍值；源節(jié)點選擇階段的功能是通過調(diào)度因子的選擇從而確定源節(jié)點的密度，篩選出合適數(shù)量的源節(jié)點以使得網(wǎng)絡(luò)的中斷概率小于給定的可容忍值；后備中繼節(jié)點的選擇階段主要是保證源節(jié)點有足夠的后繼中繼節(jié)點可以選擇，后繼中繼節(jié)點數(shù)量遠遠大于源節(jié)點數(shù)量決定了不同的源節(jié)點選擇到同一后備中繼節(jié)點的概率極低；最佳中繼節(jié)點的選擇保證了源節(jié)點和目的節(jié)點之間鏈路的最佳，更有利于降低中斷概率；睡眠節(jié)點的選擇主要使得節(jié)點在沒有傳輸信息的時間段內(nèi)進入睡眠模式，降低能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
每一傳輸時隙劃分為兩個子時隙，在第一個子時隙結(jié)束時，后備中繼節(jié)點競爭選出最佳中繼節(jié)點，剩余則進入睡眠模式，在第二個子時隙中未被選做中繼的節(jié)點和源節(jié)點設(shè)為睡眠模式，源節(jié)點設(shè)為睡眠模式以節(jié)省能量，延長大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)壽命。
有益效果本發(fā)明提供的降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法利用自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用時分ALOHA協(xié)議避免節(jié)點間傳輸?shù)臎_突，即每一傳輸時隙中，節(jié)點都以某一概率傳輸信息選為源節(jié)點，以另一概率選為中繼候選節(jié)點。具有如下優(yōu)點
(1)該發(fā)明使得網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的調(diào)節(jié)節(jié)點密度以滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅苄枰６揖W(wǎng)絡(luò)的拓撲不需要中心節(jié)點的控制，節(jié)點工作模式的選擇以及節(jié)點信息的傳輸采用分布式控制，這樣可以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，均衡節(jié)點能量消耗并且不易產(chǎn)生熱點；
(2)該發(fā)明屬于預(yù)部署方案，不需要收集各鏈路的信息再進行部署策略的實施，減少了頭文件消耗。
(3)分布式的密度控制使得不需要動態(tài)的調(diào)節(jié)發(fā)射功率來達到預(yù)定的性能，該種發(fā)明更有利于實際操作。以往動態(tài)調(diào)節(jié)功率一方面要增加模塊的復(fù)雜度，另一方面功率的調(diào)節(jié)是階梯的，難以達到最優(yōu)效果；
(4)該發(fā)明是在考慮到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間干擾的情況下選出的最佳中繼，適用于實際的自組織網(wǎng)絡(luò)。給出的節(jié)點密度選擇方案可以更有效的利用機會通信的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明實施例的節(jié)點應(yīng)用的場景；
圖2為本發(fā)明實施例的流程圖3為本發(fā)明實施例中源節(jié)點選擇算法；
圖4為本發(fā)明實施例中節(jié)點的通信流程。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
1.節(jié)點選擇過程
本發(fā)明降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法設(shè)計節(jié)點選擇算法的具體實施過程如圖2。
1.節(jié)點選擇過程
1)源節(jié)點的選擇
首先節(jié)點計算出作為源節(jié)點傳輸信息的概率Ρ『選擇適當?shù)腜tl使得網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率小于可容忍的值，即P。ut ^ PthO中斷發(fā)生在信道傳輸?shù)男畔⑺俾蔍小于給定的傳
輸速率R。而信息速率可以表示為
權(quán)利要求
1.一種降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，其特征在于，包括源節(jié)點選擇，后備中繼節(jié)點選擇，最佳中繼選擇以及睡眠節(jié)點選擇四個步驟，在每一輪通信的開始，動態(tài)選擇源節(jié)點、后備中繼節(jié)點、最佳中繼節(jié)點及睡眠節(jié)點；其中，第一步，源節(jié)點選擇源節(jié)點的選擇階段主要通過選擇節(jié)點的調(diào)度因子來調(diào)節(jié)源節(jié)點的密度；根據(jù)不同的發(fā)射功率，選擇適當?shù)恼{(diào)度因子，使得在機會通信的復(fù)用率不降低的前提下，降低中斷概率，或者當中斷概率不高于可容忍上限時，得到最大的源節(jié)的密度；所述源節(jié)點的密度由確定源節(jié)點選擇概率來實現(xiàn)，源節(jié)點的選擇概率是指節(jié)點被選做源節(jié)點的概率；第二步，后備中繼節(jié)點選擇通過使源節(jié)點傳輸信息的概率Ptl小于節(jié)點成為后備中繼節(jié)點的概率P1來選擇后備中繼節(jié)點；第三步，最佳中繼選擇在后備中繼節(jié)點中選擇最佳中繼節(jié)點，最佳中繼節(jié)點的選擇需考慮網(wǎng)絡(luò)干擾，其選擇過程如下(1)選出滿足下式的后備中繼節(jié)點 ρF d—a ]γκ = arg Ii^x min \ ——~,——~ |>^θ(Λ) InO+1B(A0) N0 +1B(A0) J其中Y κ為通過后備中繼節(jié)點的源到目的端的信號干擾噪聲比，Θ ( λ》表示后備中繼集合，4W為后備中繼節(jié)點間的干擾，Ntl為目的端熱噪聲功率，F(xiàn)ij, Clij分別代表后備中繼節(jié)點i，j之間的信道快衰落功率系數(shù)和距離，α為路徑損耗因子；當后備中繼集合Θ (X1)ρ d—a F d—a中的后備中繼節(jié)點1監(jiān)聽到來自各信源的信號后，分別計算Y:/'和α/·!/3并得出其中的較小的值，并將其設(shè)為F1;(2)啟用計時器，計時器的時間按照下面公式計算Ti — Teifs X (Fmax-F1) / (Fmas_Fmin)其中Fmax、Fmin分別為后備中繼集合Θ U1)中后備中繼節(jié)點的F1的最大值和最小值， Teifs為中繼的競爭時間；(3)任意一屬于Θ(X1)的后備中繼節(jié)點監(jiān)聽信道直到有后備中繼節(jié)點占用信道或者自己的計時器歸零；(4)當計時器歸零又沒有后備中繼節(jié)點占用信道時，此后備中繼節(jié)點將作為最佳中繼傳輸監(jiān)聽到的信源信息到目的節(jié)點。第四步，睡眠節(jié)點選擇在得到源節(jié)點和后備中繼節(jié)點后，剩余的節(jié)點將自己的模式設(shè)為睡眠狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，其特征在于每一傳輸時隙劃分為兩個子時隙，在第一個子時隙結(jié)束時，后備中繼節(jié)點競爭選出最佳中繼節(jié)點，剩余則進入睡眠模式，在第二個子時隙中未被選做中繼的節(jié)點和源節(jié)點設(shè)為睡眠模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低大規(guī)模無線自組織網(wǎng)絡(luò)中斷概率的方法，包括源節(jié)點選擇，后備中繼節(jié)點選擇，最佳中繼選擇以及睡眠節(jié)點選擇四個步驟，在每一輪通信的開始，動態(tài)的選擇源節(jié)點、后備中繼節(jié)點、最佳中繼節(jié)點及睡眠節(jié)點。該方法有效地降低了自組織網(wǎng)絡(luò)中干擾的影響及網(wǎng)絡(luò)的中斷概率，從而在未知網(wǎng)絡(luò)拓撲并且不用逐一統(tǒng)計每對通信鏈路性能的情況下，得到網(wǎng)絡(luò)在使用機會通信下的平均性能，從而更有效的布置網(wǎng)絡(luò)以達到預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量。
文檔編號H04W16/18GK102523588SQ20111040637
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者夏瑋瑋, 宋鐵成, 徐艷麗, 沈連豐, 胡靜 申請人:東南大學(xué), 南京東大移動互聯(lián)技術(shù)有限公司