多源多目標(biāo)無線網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇與功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及多源多目標(biāo)無線網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇與功 率分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 協(xié)作通信技術(shù)不僅具有很好的分集性能，而且還可W很好地對(duì)抗多徑衰落，因此 被認(rèn)為是一種可靠的有效的通信技術(shù)。目前，存在一些針對(duì)解決多源多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)最佳中繼 沖突問題的選擇方法，但很少有研究考慮到功率分配問題。在Elzbieta Beres等人提出的 多源網(wǎng)絡(luò)的選擇協(xié)作方法中，在解決最佳中繼沖突問題的時(shí)候考慮了功率分配問題，即在 有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)為最佳中繼時(shí)，將功率進(jìn)行平均分配，從而在一定程 度上減少了沖突帶來的不良影響。
[0003] 顯然，均分功率不是最優(yōu)的分配方式，均分的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致一部分源節(jié)點(diǎn)傳輸 失敗，因?yàn)樗峙涞墓β蕸]有達(dá)到協(xié)作傳輸所需的最低可靠傳輸功率；還可能會(huì)使得一部 分功率沒有被充分利用，因?yàn)樗峙涞墓β蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)超過其協(xié)作傳輸所需要的最小可靠傳輸功 率，從而造成了一定程度的能量浪費(fèi)。
[0004] 針對(duì)W上不足，本發(fā)明分別提出了集中式和分布式兩種情況下的中繼選擇策略。 該發(fā)明利用源節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)有效中繼的優(yōu)勢(shì)來進(jìn)行協(xié)調(diào)選擇并考慮了功率分配問題。所采 取的功率分配方法不再是簡(jiǎn)單的均分功率，而是W能夠支持鏈路傳輸成功的最低可靠傳輸 功率進(jìn)行分配，在有限的功率下盡可能多的支持源節(jié)點(diǎn)的傳輸。該發(fā)明不僅改善了最佳中 繼沖突問題，保證了系統(tǒng)的傳輸可靠性，并且節(jié)約了系統(tǒng)資源，因此具有較好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)W上現(xiàn)有的不足，提出了四種多源多目標(biāo)無線網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇與功率分配方 法，所提方法改善了最佳中繼沖突問題，保證了系統(tǒng)的傳輸可靠性，并且節(jié)約了系統(tǒng)資源。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種多源多目標(biāo)無線網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇與功率分配方法，其包括W下步驟：
[0007] 建立協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)包括N個(gè)源節(jié)點(diǎn)和N個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，沒有中繼節(jié)點(diǎn)，源節(jié) 點(diǎn)間相互協(xié)作，傳輸分為兩個(gè)階段，第一階段：源節(jié)點(diǎn)Si向自己的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他 N-I個(gè)源節(jié)點(diǎn)嘗試解碼Si的數(shù)據(jù)，解碼成功的節(jié)點(diǎn)加入解碼成功集合A(s1);第二階段：如 果源節(jié)點(diǎn)Si直接傳輸成功，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋確認(rèn)帖給S 1，不需要啟動(dòng)協(xié)作傳輸，如果傳輸失 敗，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用與Si相同的速率反饋否決帖，解碼成功集合A(Si)中能夠正確接收反饋帖 的節(jié)點(diǎn)加入反饋節(jié)點(diǎn)集合B (Si)，接著采用集中式或者分布式的選擇方法在反饋節(jié)點(diǎn)集合 B(Si)中選出最佳中繼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且最佳中繼W最小可靠傳輸功率進(jìn)行協(xié)作， 若有功率剩余，還可W繼續(xù)支持其他需要該中繼協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)。
[0008] 進(jìn)一步的，所述集中式選擇法選自最優(yōu)中繼選擇法、從源節(jié)點(diǎn)角度出發(fā)的次優(yōu)中 繼選擇方法、從中繼節(jié)點(diǎn)角度出發(fā)的次優(yōu)中繼選擇方法中的一種。
[0009] 進(jìn)一步的，所述最優(yōu)中繼選擇法包括步驟：對(duì)每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的所有中繼選擇情況進(jìn) 行全遍歷，在進(jìn)行遍歷時(shí)，若源節(jié)點(diǎn)Si選中的中繼節(jié)點(diǎn)為T(Si)，分配給中繼節(jié)點(diǎn)r (Si)最小 可靠傳輸功率Pi后，由主控節(jié)點(diǎn)判斷r (S1)剩余功率I-Pi能否繼續(xù)支持需要中繼節(jié)點(diǎn)r (S 1) 協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)，若能夠支持，則中繼節(jié)點(diǎn)r(si)仍是運(yùn)些源節(jié)點(diǎn)的備選中繼，否則不予考慮； 接著從反饋節(jié)點(diǎn)集合B(Sz)中選擇一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)r(S2)，分配的功率為Pz,若r (Si) ^r(Sz)， 同樣地，判斷剩余功率I-P2能否支持需要r (S2)協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)；若r (Si) = r (S2)，則判斷 r(S2)在剩余功率I-Pi-Pz的情況下，是否能夠繼續(xù)支持需要其協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)，若能夠支持， 則r (S2)仍是運(yùn)些源節(jié)點(diǎn)的備選中繼，否則不予考慮，W此類推，直到遍歷完所有情況，在所 有的中繼選擇情況中選擇一組中繼，使得傳輸鏈路成功的個(gè)數(shù)最大即為最優(yōu)的中繼組合。
[0010] 進(jìn)一步的，采用從源節(jié)點(diǎn)角度出發(fā)的次優(yōu)中繼選擇方法，設(shè)Ib(Si)I為源節(jié)點(diǎn)Si的 集合B(Si)中中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，則具體步驟為： W11]第1步：將Ib(Si)I按從小到大的順序排列，Ib(Si)I表示反饋節(jié)點(diǎn)集合B(Si)中 中繼節(jié)點(diǎn)，選出Ib(Si)I的最小值Ib(S)Li。；
[0012]第2步：若Ib(S) Lm= 1，則選運(yùn)唯一的節(jié)點(diǎn)為該源節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行 第4步，若Ib(S) |。1。> 1，分別計(jì)算B(S) mi。中每個(gè)節(jié)點(diǎn)被選擇前后，在分配給中繼最 小的可靠傳輸功率后，在剩余功率下，所有其余源節(jié)點(diǎn)Ib(Si)I之和的減少量D，記為 公二玄J B(A)I-S !B(A)I ' D表示減少量； 娃擇 前 ：選釋巧宿 陽01引第3步：選擇使D最小的節(jié)點(diǎn)Ti為最佳中繼；
[0014] 第4步：更新其余源節(jié)點(diǎn)的反饋節(jié)點(diǎn)集合B(Si)，判斷在剩余功率的情況下，能 否使所需協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)傳輸成功，若能支持傳輸，則此源節(jié)點(diǎn)的B (Si)仍保留Tl,否則將 從此集合中刪除；
[001引第5步：返回到第1步執(zhí)行迭代過程，直到N個(gè)源節(jié)點(diǎn)的中繼選擇完畢。
[0016] 進(jìn)一步的，采用從中繼節(jié)點(diǎn)角度出發(fā)的次優(yōu)中繼選擇方法，設(shè)C(Si)為所有分享中 繼的源節(jié)點(diǎn)的集合，Ic(Si) I表示共享集合中源節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，則具體步驟如下：
[0017] 第1步：將中繼節(jié)點(diǎn)按被共享的次數(shù)M從小到大排列，選出M最小的中繼節(jié)點(diǎn)ri; 陽〇1引第2步：若Ich) I = 1，則將r汾配給該源節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行第4步。若|C(ri) I > 1， 則將運(yùn)幾個(gè)共享ri的源節(jié)點(diǎn)的Ib(Si) I從小到大排序，優(yōu)先選擇Ib(Si) I小的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 協(xié)作，若同時(shí)有多個(gè)均為最小，則隨機(jī)選擇一個(gè)；
[0019] 第3步：若ri分配出一部分功率后仍有剩余，則判斷剩余的功率能否繼續(xù)支持下 一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，即Ib(Si) I第二小的源節(jié)點(diǎn)，若能夠支持傳輸，則將ri分配給該源節(jié)點(diǎn)，若不能 夠支持，則將ri從此節(jié)點(diǎn)的Ib(Si) I中刪除，并跳到下一個(gè)源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行判斷，直到ri的 功率被分配完或?qū)λ泄蚕韗i的源節(jié)點(diǎn)都判斷完畢，執(zhí)行第4步；
[0020]第4步：更新其余中繼節(jié)點(diǎn)的共享集合Cb),將已被ri支持協(xié)作的源節(jié)點(diǎn)從其 他包含此源節(jié)點(diǎn)的共享集合Cbi)中刪除；
[OOW第5步：返回到第1步執(zhí)行迭代過程，直到N個(gè)源節(jié)點(diǎn)的中繼選擇完畢。
[0022] 進(jìn)一步的，采用分布式的方式進(jìn)行中繼選擇，即沒有主控節(jié)點(diǎn)的存在，每個(gè)源節(jié)點(diǎn) 只知道自己B(Si)中的中繼情況，從Si依次進(jìn)行中繼選擇，并W節(jié)點(diǎn)被共享的次數(shù)為參數(shù)， 在每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都開啟一個(gè)定時(shí)器，即定時(shí)器最先歸零的節(jié)點(diǎn)被選為最佳中繼節(jié)點(diǎn)。具體步 驟如下： 陽02引第1步：WSi的B(si)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)被共享次數(shù)為參數(shù)，計(jì)算定時(shí)器初值Ti,開啟定 時(shí)器；
[0024] 第2步：選擇定時(shí)器最先歸零的節(jié)點(diǎn)為最佳中繼b，即被共享次數(shù)最少的節(jié)點(diǎn)，并 分配給b最小的可靠傳輸功率； 陽02引第3步：若b的剩余功率Pb> 0,則繼續(xù)參與下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳中繼競(jìng)爭(zhēng)；否則退 出競(jìng)爭(zhēng)，并更新包含中繼b的其他源節(jié)點(diǎn)的B(Si);
[0026] 第4步：返回到第1步執(zhí)行迭代過程，直到N個(gè)源節(jié)點(diǎn)的中繼選擇完畢。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0028] 本發(fā)明提出的幾種中繼選擇方法充分利用了每個(gè)源節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)有效中繼的優(yōu) 勢(shì)，優(yōu)先考慮有效中繼個(gè)數(shù)少的源節(jié)點(diǎn)和被共享次數(shù)少的中繼節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)選擇出各個(gè)源節(jié) 點(diǎn)的最佳中繼節(jié)點(diǎn)，并分配給最佳中繼最低的可靠傳輸功率，W便在有限的功率下支持更 多的傳輸鏈路。運(yùn)樣選擇的好處是能夠較好改善沖突問題，保證無線系統(tǒng)的傳輸可靠性。此 夕F，采用的功率分配方法節(jié)省了系統(tǒng)資源，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，因此具有較好的應(yīng) 用價(jià)值。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例源節(jié)點(diǎn)角度分析的次優(yōu)中繼選擇方法流程圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明從中繼節(jié)點(diǎn)角度分析的次優(yōu)中繼選擇方法流程圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明分布式的中繼選擇方法流程圖。 具體實(shí)施例
[0032] W下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0033] 假定該協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)源節(jié)點(diǎn)分別表示為Si,S2,…，Sw,N個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別表示 為di，d2,…，山。當(dāng)S發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他N-I個(gè)源節(jié)點(diǎn)充當(dāng)S1的中繼，嘗試解碼它的數(shù)據(jù)。 假設(shè)所有的信道都是獨(dú)立的，可逆的，等效的，且服從瑞利衰落模型。系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)存 在均值為0,方差為O2的加性高斯白噪音。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均配置單根天線并且工作在半雙工 模式，傳輸速率為R，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率限制為P，那么信噪比P可表示為：
[0034] P=P/O2 (1)
[0035] 在保證數(shù)據(jù)能夠成功傳輸?shù)那闆r下，為使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗最小，分配的功率是 剛好能夠讓每個(gè)源節(jié)點(diǎn)在各自中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作下傳輸成功，在此我們只考慮最佳中繼節(jié)點(diǎn) 與目的節(jié)點(diǎn)間的信道質(zhì)量情況，即佔(zhàn).4f0' = 1，2，...，AO，并沒有考慮源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間 的信道情況，也就是說，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有采用將兩者進(jìn)行合并接收的形式。那么在運(yùn)種情況 下，最終承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的最佳中繼節(jié)點(diǎn)，其最小的功率分配系數(shù)如下：
[0037] 其中k為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配系數(shù)，并且 (3)
[0039] 傳輸分為兩個(gè)階段。第一階段：N個(gè)源節(jié)點(diǎn)分別給自己的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，形成 集合A(Si);第二階段：若數(shù)據(jù)傳輸成功，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋ACK帖給源節(jié)點(diǎn)，不需要啟動(dòng)協(xié)作傳 輸；若傳輸失敗，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用與Si相同的速率反饋NACK帖給自己的源節(jié)點(diǎn)，A(si)中能夠 正確接收到NACK帖的加入集合B(Si)，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)通過本發(fā)明的四種中繼選擇方法從B(Si) 中選出最佳中繼，并由該中繼將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
[0040] 最優(yōu)中繼選擇方法的過程包括：對(duì)每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的所有中繼選擇情況進(jìn)行全遍歷， 在進(jìn)行遍歷時(shí)，若Si選中的中繼為r(Si)，分配給r(Si)最低的可靠傳輸功率Pi后，由主控節(jié) 點(diǎn)判斷其剩余功率I-Pi能否繼續(xù)支