大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法
【專利摘要】本發明公開了一種大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法。主要解決現有技術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現復雜度高的問題。其技術方案是：源節點向中繼節點廣播用戶需求信息；中繼節點開始檢測自己能否滿足用戶需求信息，若能滿足，則發送一個應答信息給源節點，否則，該中繼保持沉默；源節點使用能量探測器識別出可用中繼；可用中繼通過使用時隙ALOHA的方式為源節點隨機地選擇一個可用中繼作為使用中繼；源節點通過選擇出的使用中繼傳輸數據信息。本發明減輕了網絡的開銷，降低了對中繼的信息需求，可用于具有大量非特質性中繼并缺乏中繼信息收集手段的大規模中繼網絡。
【專利說明】大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信領域，特別涉及一種盲中繼選擇方法，適用于具有大量非特 質性中繼并缺乏中繼信息收集手段的大規模中繼網絡。
【背景技術】
[0002] 協作中繼技術是一種將參與協作的中繼運用到無線網絡的新興技術。它能夠為 有著較差信道環境的用戶提供可靠的數據傳輸服務，提高無線信道的傳輸速率和傳輸可靠 性，增加系統的覆蓋范圍和系統的健壯性，在不增加系統復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 擇的相關工作。在 2009 年 Y. Jing 和 H. Jafarkhani 在 IEEE Transaction on Wireless Communications 上發表的文章 "Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders"總結了目前存在的數種單中繼選擇算法，并將 中繼選擇的場景擴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 反饋可調節閾值的中繼選擇算法，它能夠很好地降低對信道狀態信息更新量的需求。進一 步的，在 2012 年 D. S. Michalopoulos，H. A. Suraweera, G. K. Karagiannidis,和 R. Schober 在 IEEE Transactions on Communications 上發表的文章 "Amplify-and-forwar drelay selection with outdated channel estimates"研究了過時的信道狀態信息對中繼選擇 性能的影響。然而，以上方案都需要收集中繼的信息并進行對比選擇最優中繼。更新這 些信息需要消費大量的頻譜以及時間，并且十分復雜。這就導致了這些方案只能停留在 實驗室仿真甚至是理論研究的層面。在諸如分布式動態大規模中繼網絡這樣的實際場景 中，通過窮舉對比的方式來在大量中繼中選擇最優中繼就顯得非常不現實了。2011年， S. Cho，W. Choi 和 K. Huang 在 IEEE Vehicular Technology Conference 上發表的文章 "QoS provisioning relay selection in random relay networks，，介紹了一種基于地理區域 的隨機中繼選擇方案框架，選擇特定區域之中的中繼以滿足特定的服務質量，然而該方案 沒有給出具體的幀結構和實現方法。在2013年，B. Li, H. Li, W. Wang, Z. Hu和Q. Yin在IEEE Wireless Communications Letters 上發表的 "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中繼選擇方案，其中的隨機中繼選擇區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 節點確定時如何合理分配兩跳距離的關系，在具體實施時難以滿足目前廣泛存在的多跳場 景需求。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于針對大規模中繼網絡中，由于其大規模和盲節點特性引起地用 戶難以收集中繼實時信息的問題，提出一種基于隨機接入的盲中繼選擇方法，以降低大量 中繼之間由于競爭導致地高沖突概率，滿足多跳場景需求。
[0004] 為實現上述目的，本發明通過使用時隙AL0HA的方式來選擇可用中繼，該方式是 一種能夠通過隨機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，滿足多跳場景需求。本發明還通過引入一種"可用中繼區域"的概 念來對可用中繼進行預選擇，以降低沖突概率。其具體實現步驟包括如下：
[0005] (1)源節點識別可用中繼：
[0006] (la)將當前幀從幀頭開始的2M個時隙劃分為M個連續的"廣播-應答"對，其中 M為"廣播-應答"對個數的上限值，設定為6 ；
[0007] (lb)源節點計算用戶需求速率Rr :
[0008]
【權利要求】
1. 一種大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法，包括如下步驟： (1) 源節點識別可用中繼： (la) 將當前幀從幀頭開始的2M個時隙劃分為M個連續的"廣播-應答"對，其中M為 "廣播-應答"對個數的上限值，設定為6 ; (lb) 源節點計算用戶需求速率艮：
其中，m表示源節點的第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域的面積，表示均勻分布的中繼密度，arg表示使目標函 數成立時的變量值； (lc) 在第m個"廣播-應答"對的第一個時隙中，源節點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) 每個中繼開始檢測自己能否滿足用戶速率需求& :若能滿足，則發送一個應答信 息給源節點，否則該中繼保持沉默； (le) 在第m個"廣播-應答"對的第二個時隙中，所有滿足用戶需求的中繼返回一個 "同意中繼"的信息給源節點； (lf) 源節點使用能量探測器檢測是否有中繼回復信息：若中繼回復的信息信號能被 探測到，則執行步驟（2)，否則源節點將計算第m+1次的用戶需求速率Ri，再發起第m+1個 "廣播-應答"對，當m的值大于M時，則判定本幀內沒有中繼滿足要求，選擇失敗，并在下一 幀時重新執行步驟（Ia)，否則返回步驟（Ib); (2) 已被識別出的可用中繼通過使用時隙ALOHA的方式為源節點隨機地選擇一個可用 中繼： (2a)設定時隙個數N為8,其中N為隨機接入時隙個數的上限值； (2b)在第η個時隙中，每個可用中繼都以相同的接入概率： I=a思-/"1 - }廣播一個"選我"的接入信息，其中，k !表示整 數變量k的階乘，argmin表示使目標函數取最小值時的變量值； (2c)在第η個時隙中，當只有一個可用中繼廣播接入信息時，源節點就選擇該可用中 繼作為使用中繼，并執行步驟（3)，未被選擇的可用中繼則會退出，否則本時隙就發生了沖 突或者是空閑，所有的可用中繼等待第η+1個時隙的到來，當η的值大于N時，則判定本幀 內選擇失敗，并在下一幀時重新執行步驟（1)，否則，返回步驟（2b); (3) 源節點將數據信息發送給使用中繼，該使用中繼再將此數據信息轉發給目標節點， 若數據信息傳輸發生中斷，則傳輸失敗，并在下一幀時重新執行步驟（1)。
2. 根據權利要求1所述的大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法，所述步 驟（2c)的中繼選擇，是選擇第一個成功接入的中繼。
3. 根據權利要求1所述的大規模中繼網絡中基于隨機接入的盲中繼選擇方法，所述所 述步驟（Id)中每個中繼檢測自己能否滿足用戶速率需求&，是檢測如下公式是否成立：
其中，ε表示目標中斷概率上界，dSK和Clm分別表示源節點S到中繼R以及中繼R到 目標節點D的距離，Ps和已分別表示源節點和中繼的發射功率，Ntl表示噪聲功率，&表示 用戶需求速率； 若上述公式成立，則中繼發送一個應答信息給源節點，否則中繼保持沉默。
【文檔編號】H04W40/22GK104320827SQ201410577919
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】宮豐奎, 歐陽逢辰, 張軍山, 王勇, 葛建華 申請人:西安電子科技大學