大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法。主要解決現(xiàn)有技術(shù)在缺少甚至沒有中繼信息的情況下不能快速選擇出高性能中繼和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題。其技術(shù)方案是：源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)廣播用戶需求信息；中繼節(jié)點(diǎn)開始檢測(cè)自己能否滿足用戶需求信息，若能滿足，則發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息給源節(jié)點(diǎn)，否則，該中繼保持沉默；源節(jié)點(diǎn)使用能量探測(cè)器識(shí)別出可用中繼；可用中繼通過使用時(shí)隙ALOHA的方式為源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地選擇一個(gè)可用中繼作為使用中繼；源節(jié)點(diǎn)通過選擇出的使用中繼傳輸數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明減輕了網(wǎng)絡(luò)的開銷，降低了對(duì)中繼的信息需求，可用于具有大量非特質(zhì)性中繼并缺乏中繼信息收集手段的大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種盲中繼選擇方法，適用于具有大量非特 質(zhì)性中繼并缺乏中繼信息收集手段的大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)。

【背景技術(shù)】
[0002] 協(xié)作中繼技術(shù)是一種將參與協(xié)作的中繼運(yùn)用到無線網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)。它能夠?yàn)?有著較差信道環(huán)境的用戶提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，提高無線信道的傳輸速率和傳輸可靠 性，增加系統(tǒng)的覆蓋范圍和系統(tǒng)的健壯性，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下不僅降低了終端 的功耗和帶寬，還可以明顯提高系統(tǒng)的頻譜效率、吞吐率和容量。目前有很多研究中繼選 擇的相關(guān)工作。在 2009 年 Y. Jing 和 H. Jafarkhani 在 IEEE Transaction on Wireless Communications 上發(fā)表的文章 "Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders"總結(jié)了目前存在的數(shù)種單中繼選擇算法，并將 中繼選擇的場(chǎng)景擴(kuò)展到了多中繼的情況。在2011年S.Pari^D.Kim和S.Nam，在IEEE Transaction on Wireless Communications 上發(fā)表的文章 "Adaptive threshold based relay selection for minimum feedback and channel usage，，中提出 了--矛中基于單比特 反饋可調(diào)節(jié)閾值的中繼選擇算法，它能夠很好地降低對(duì)信道狀態(tài)信息更新量的需求。進(jìn)一 步的，在 2012 年 D. S. Michalopoulos，H. A. Suraweera, G. K. Karagiannidis,和 R. Schober 在 IEEE Transactions on Communications 上發(fā)表的文章 "Amplify-and-forwar drelay selection with outdated channel estimates"研究了過時(shí)的信道狀態(tài)信息對(duì)中繼選擇 性能的影響。然而，以上方案都需要收集中繼的信息并進(jìn)行對(duì)比選擇最優(yōu)中繼。更新這 些信息需要消費(fèi)大量的頻譜以及時(shí)間，并且十分復(fù)雜。這就導(dǎo)致了這些方案只能停留在 實(shí)驗(yàn)室仿真甚至是理論研究的層面。在諸如分布式動(dòng)態(tài)大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)這樣的實(shí)際場(chǎng)景 中，通過窮舉對(duì)比的方式來在大量中繼中選擇最優(yōu)中繼就顯得非常不現(xiàn)實(shí)了。2011年， S. Cho，W. Choi 和 K. Huang 在 IEEE Vehicular Technology Conference 上發(fā)表的文章 "QoS provisioning relay selection in random relay networks，，介紹了一種基于地理區(qū)域 的隨機(jī)中繼選擇方案框架，選擇特定區(qū)域之中的中繼以滿足特定的服務(wù)質(zhì)量，然而該方案 沒有給出具體的幀結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。在2013年，B. Li, H. Li, W. Wang, Z. Hu和Q. Yin在IEEE Wireless Communications Letters 上發(fā)表的 "Energy-effective relay selection by utilizing special diversity for random wireless sensor networks"提出了一種具有 方向性的高能效隨機(jī)中繼選擇方案，其中的隨機(jī)中繼選擇區(qū)域由半徑和夾角決定，然而，該 方案只討論了如何最大限度地從能效角度提高單跳中繼的距離，卻沒有討論如何在目標(biāo) 節(jié)點(diǎn)確定時(shí)如何合理分配兩跳距離的關(guān)系，在具體實(shí)施時(shí)難以滿足目前廣泛存在的多跳場(chǎng) 景需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中，由于其大規(guī)模和盲節(jié)點(diǎn)特性引起地用 戶難以收集中繼實(shí)時(shí)信息的問題，提出一種基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法，以降低大量 中繼之間由于競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致地高沖突概率，滿足多跳場(chǎng)景需求。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過使用時(shí)隙AL0HA的方式來選擇可用中繼，該方式是 一種能夠通過隨機(jī)方法選取滿足給定條件中繼的高效選擇策略，其能夠在需要少量甚至不 需要中繼信息的情況下，滿足多跳場(chǎng)景需求。本發(fā)明還通過引入一種"可用中繼區(qū)域"的概 念來對(duì)可用中繼進(jìn)行預(yù)選擇，以降低沖突概率。其具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：
[0005] (1)源節(jié)點(diǎn)識(shí)別可用中繼：
[0006] (la)將當(dāng)前幀從幀頭開始的2M個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)連續(xù)的"廣播-應(yīng)答"對(duì)，其中 M為"廣播-應(yīng)答"對(duì)個(gè)數(shù)的上限值，設(shè)定為6 ；
[0007] (lb)源節(jié)點(diǎn)計(jì)算用戶需求速率Rr :
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法，包括如下步驟： (1) 源節(jié)點(diǎn)識(shí)別可用中繼： (la) 將當(dāng)前幀從幀頭開始的2M個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)連續(xù)的"廣播-應(yīng)答"對(duì)，其中M為 "廣播-應(yīng)答"對(duì)個(gè)數(shù)的上限值，設(shè)定為6 ; (lb) 源節(jié)點(diǎn)計(jì)算用戶需求速率艮：
其中，m表示源節(jié)點(diǎn)的第m次廣播，兄表示用戶需求速率的上限，Q表示在給定的中 斷概率約束下可用中繼所在區(qū)域的面積，表示均勻分布的中繼密度，arg表示使目標(biāo)函 數(shù)成立時(shí)的變量值； (lc) 在第m個(gè)"廣播-應(yīng)答"對(duì)的第一個(gè)時(shí)隙中，源節(jié)點(diǎn)將用戶的需求速率艮以及它 的定位信息廣播給所有中繼； (ld) 每個(gè)中繼開始檢測(cè)自己能否滿足用戶速率需求& :若能滿足，則發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信 息給源節(jié)點(diǎn)，否則該中繼保持沉默； (le) 在第m個(gè)"廣播-應(yīng)答"對(duì)的第二個(gè)時(shí)隙中，所有滿足用戶需求的中繼返回一個(gè) "同意中繼"的信息給源節(jié)點(diǎn)； (lf) 源節(jié)點(diǎn)使用能量探測(cè)器檢測(cè)是否有中繼回復(fù)信息：若中繼回復(fù)的信息信號(hào)能被 探測(cè)到，則執(zhí)行步驟（2)，否則源節(jié)點(diǎn)將計(jì)算第m+1次的用戶需求速率Ri，再發(fā)起第m+1個(gè) "廣播-應(yīng)答"對(duì)，當(dāng)m的值大于M時(shí)，則判定本幀內(nèi)沒有中繼滿足要求，選擇失敗，并在下一 幀時(shí)重新執(zhí)行步驟（Ia)，否則返回步驟（Ib); (2) 已被識(shí)別出的可用中繼通過使用時(shí)隙ALOHA的方式為源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地選擇一個(gè)可用 中繼： (2a)設(shè)定時(shí)隙個(gè)數(shù)N為8,其中N為隨機(jī)接入時(shí)隙個(gè)數(shù)的上限值； (2b)在第η個(gè)時(shí)隙中，每個(gè)可用中繼都以相同的接入概率： I=a思-/"1 - }廣播一個(gè)"選我"的接入信息，其中，k !表示整 數(shù)變量k的階乘，argmin表示使目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)的變量值； (2c)在第η個(gè)時(shí)隙中，當(dāng)只有一個(gè)可用中繼廣播接入信息時(shí)，源節(jié)點(diǎn)就選擇該可用中 繼作為使用中繼，并執(zhí)行步驟（3)，未被選擇的可用中繼則會(huì)退出，否則本時(shí)隙就發(fā)生了沖 突或者是空閑，所有的可用中繼等待第η+1個(gè)時(shí)隙的到來，當(dāng)η的值大于N時(shí)，則判定本幀 內(nèi)選擇失敗，并在下一幀時(shí)重新執(zhí)行步驟（1)，否則，返回步驟（2b); (3) 源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給使用中繼，該使用中繼再將此數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)， 若數(shù)據(jù)信息傳輸發(fā)生中斷，則傳輸失敗，并在下一幀時(shí)重新執(zhí)行步驟（1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法，所述步 驟（2c)的中繼選擇，是選擇第一個(gè)成功接入的中繼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)中基于隨機(jī)接入的盲中繼選擇方法，所述所 述步驟（Id)中每個(gè)中繼檢測(cè)自己能否滿足用戶速率需求&，是檢測(cè)如下公式是否成立：
其中，ε表示目標(biāo)中斷概率上界，dSK和Clm分別表示源節(jié)點(diǎn)S到中繼R以及中繼R到 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的距離，Ps和已分別表示源節(jié)點(diǎn)和中繼的發(fā)射功率，Ntl表示噪聲功率，&表示 用戶需求速率； 若上述公式成立，則中繼發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息給源節(jié)點(diǎn)，否則中繼保持沉默。
【文檔編號(hào)】H04W40/22GK104320827SQ201410577919
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】宮豐奎, 歐陽逢辰, 張軍山, 王勇, 葛建華 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)