專利名稱：一種移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中分布式最優(yōu)中繼選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇方 法。
背景技術(shù)：
近年來，MMROnobile multi-hop relay，移動多跳中繼)技術(shù)作為能夠滿足未來 更高速率、更大覆蓋范圍通信需求的技術(shù)已被業(yè)界認(rèn)可。電氣與電子工程師學(xué)會(IEEE)在 802. 16j標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)制定了 MMR網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，第三代合作伙伴項目(3GPP)提出的長期演進(jìn)計 劃為蜂窩移動通信引入了中繼技術(shù)，稱為MCN(multi-hop cellular network，多跳蜂窩網(wǎng) 絡(luò))。在移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中，具有解碼轉(zhuǎn)發(fā)功能的中繼站、移動終端等無線收發(fā)器能夠為 距離目的節(jié)點⑶較遠(yuǎn)的源節(jié)點⑶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過中繼鏈路，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率、增加 了系統(tǒng)覆蓋范圍。然而，由于用戶和中繼節(jié)點(R)的移動性以及無線信道隨機(jī)的時變特性， 可用的中繼節(jié)點以及中繼的狀態(tài)都會隨機(jī)變化，如何選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點從而提高移動多 跳中繼網(wǎng)絡(luò)的性能還是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中分布式最優(yōu)中繼選擇 方法。
根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、用于移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點選擇方法，可包 括從多個中繼節(jié)點中選擇多個候選中繼節(jié)點；啟動定時器；所述多個候選中繼節(jié)點中的 每一個廣播其優(yōu)先權(quán)索引值；源節(jié)點接收廣播的所述優(yōu)先權(quán)索引值；以及所述定時器結(jié)束 時，所述源節(jié)點選擇優(yōu)先權(quán)索引值最小的候選中繼節(jié)點作為用于要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的中繼節(jié)點ο
其中，所述源節(jié)點和所述目的節(jié)點通過交互握手信令為要發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀預(yù)留 通信信道后執(zhí)行啟動所述定時器的步驟。
其中，所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個廣播其優(yōu)先權(quán)索引值的步驟進(jìn)一步包 括所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個只記錄并廣播當(dāng)前收到的優(yōu)先權(quán)索引值最小的中繼 節(jié)點的地址。
根據(jù)一個實施方式，上述方法還包括所述多個候選中繼節(jié)點通過廣播交換系統(tǒng) 參數(shù)；以及所述多個候選中繼節(jié)點中的每個根據(jù)所述系統(tǒng)參數(shù)計算各自的優(yōu)先權(quán)索引值。 其中，所述多個候選中繼節(jié)點中的每個根據(jù)所述系統(tǒng)參數(shù)計算各自的優(yōu)先權(quán)索引值的步驟 進(jìn)一步包括
獲得所述候選中繼節(jié)點中每一個的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣；
基于所獲得的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣獲得報償參數(shù)；
基于所獲得的報償參數(shù)建立Restless Multi-armed Bandit模型；
將所建立的模型進(jìn)行線性規(guī)劃放寬處理；以及
基于經(jīng)過線性規(guī)劃放寬處理的結(jié)果，利用原始雙重索引探索法獲得所述優(yōu)先權(quán)索 引值。
根據(jù)上述方法可為每一個數(shù)據(jù)幀選擇一個統(tǒng)計最優(yōu)的中繼節(jié)點，從而降低誤碼率 和提高頻譜效率。


圖1是典型的移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的示意圖2是本發(fā)明一個實施方式的在移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇中繼節(jié)點的流程圖3是圖2中示出的用于計算優(yōu)先權(quán)索引值的進(jìn)一步流程圖4示出了通過本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信 道狀態(tài)不變選擇方法獲得的頻譜效率；
圖5所示為本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信道狀 態(tài)不變選擇方法在不同信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率下的性能比較；
圖6所示為本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信道狀 態(tài)不變選擇方法在不同候選中繼節(jié)點個數(shù)下的性能比較；
圖7示出了本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信道狀 態(tài)不變選擇方法獲得的平均誤碼率；
圖8所示是本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信道狀 態(tài)不變選擇方法在不同信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率下的平均誤碼率比較；以及
圖9所示是本發(fā)明的最優(yōu)中繼選擇方法、已有的隨機(jī)選擇以及已有的假設(shè)信道狀 態(tài)不變選擇方法在不同候選中繼個數(shù)下的平均誤碼率比較。
具體實施方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1示例性地示出了典型的移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1000。系統(tǒng)1000包括源節(jié)點 10、目的節(jié)點20和多個中繼節(jié)點30-l、30-2. . . 30_n，其中，源節(jié)點到中繼節(jié)點的鏈路被示 為S2R，以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點的鏈路被示為R2D。圖2示出了在例如移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)1000中實現(xiàn)中繼通信的示例性處理2000。下面將參照圖2對處理2000進(jìn)行描述。
如圖2所示，在步驟S201，源節(jié)點10和目的節(jié)點20通過信令交互從中繼節(jié)點 30-1,30-2. . 30-n中確定候選中繼節(jié)點集合。源節(jié)點10與目的節(jié)點20之間的握手信令例 如可以使用報文的形式。在這里，源節(jié)點10和目的節(jié)點20的握手信令可以是公知的RTS/ CTS信令，例如，源節(jié)點10發(fā)送RTS信令表示有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，目的節(jié)點20回復(fù)CTS信令表 示準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。在中繼節(jié)點30-1、30-2，. .，30-n中選擇即能收到RTS信令也能收到CTS 信令的節(jié)點組成候選中繼節(jié)點集合。
步驟S202中，候選中繼節(jié)點集合中的每一個節(jié)點通過廣播交換系統(tǒng)參數(shù)計算自 己的優(yōu)先權(quán)索引值并建立索引表。需要交換的參數(shù)包括狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣、報償參數(shù)、時 間折扣因子、和初始狀態(tài)概率向量。狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣可以通過歷史觀測和訓(xùn)練獲得，初始 狀態(tài)概率可以通過對源節(jié)點和目的節(jié)點的信令進(jìn)行信道估計而獲得，報償參數(shù)是各種信道 狀態(tài)對應(yīng)的誤碼率和頻譜效率，時間折扣因子是一個介于0與1之間的數(shù)值。這些參數(shù)可以添加在已有的廣播消息中，如路由請求。源節(jié)點10、目的節(jié)點20和多個中繼節(jié)點30-1、 30-2... 30-n之間的無線信道狀態(tài)可例如用SNR(信噪比)表示。在下文中還會進(jìn)一步對如 何計算優(yōu)先權(quán)索弓I值進(jìn)行具體描述。
在步驟S203中判斷當(dāng)前是否有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果沒有則處理結(jié)束，否則在 步驟S204中，源節(jié)點10和目的節(jié)點20通過握手信令RTS/CTS為該數(shù)據(jù)幀預(yù)留信道。源節(jié) 點10收到目的節(jié)點20發(fā)送的CTS信號后啟動定時器，并在步驟S205中開始接收候選中繼 節(jié)點廣播的優(yōu)先權(quán)索引值。候選中繼節(jié)點中的每一個根據(jù)從源節(jié)點10/目的節(jié)點20收到 的RTS/CTS信令估計S2R鏈路和R2D鏈路的當(dāng)前信道狀態(tài)，查詢自己的索引表找到當(dāng)前狀 態(tài)所對應(yīng)的優(yōu)先權(quán)索引值。如果候選中繼節(jié)點中的某一中繼節(jié)點還沒有收到其他候選中繼 節(jié)點廣播的索引值報文或者自己當(dāng)前的優(yōu)先權(quán)索引值小于已經(jīng)收到其他候選中繼廣播的 優(yōu)先權(quán)索引值，則廣播該節(jié)點自己的索引值報文，否則保持靜默。所有候選中繼節(jié)點只記錄 當(dāng)前收到的優(yōu)先權(quán)索引值最小的中繼節(jié)點地址。此外，由于延時太大或者發(fā)生碰撞無法被 正確接收的索引值報文都不能被源節(jié)點10記錄，對應(yīng)的中繼節(jié)點將不會被選擇。另外，如 果中繼節(jié)點離開候選節(jié)點集合，即不能正確接收RTS和CTS信號，該中繼節(jié)點不廣播自己的 索引值報文，也不會被選擇。
接著，在步驟S206中，當(dāng)定時器計時結(jié)束后，源節(jié)點10就把當(dāng)前記錄的中繼節(jié)點 作為即將發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的中繼站，即，將候選中繼節(jié)點中優(yōu)先權(quán)索引值最小的中繼節(jié)點作 為即將發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的中繼站；然后在步驟S205中，源節(jié)點10通過所選擇的中繼節(jié)點在預(yù) 留的所述信號發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。
下面將參照圖3進(jìn)一步描述上述步驟S202中優(yōu)先權(quán)索引值的具體計算方法。
步驟S2021 獲得候選中繼節(jié)點的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣
應(yīng)該理解，S2R鏈路的誤碼率隨該鏈路的SNR變化，R2D鏈路的調(diào)制編碼方式隨該 鏈路的SNR自適應(yīng)地調(diào)整。假設(shè)候選中繼節(jié)點支持K種調(diào)制編碼方式，各種調(diào)制方式對應(yīng) 的頻譜效率為nQ，H1,...，Hih，對應(yīng)的最低解碼SNR為<，r；,源節(jié)點10與目的 節(jié)點20的數(shù)據(jù)傳輸時間劃分為T個時隙，每個時隙t e T = {0，1，...，T-1}通過選擇的 一個中繼節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)幀。N個可用中繼組成候選中繼集合N= {1，2，...，N}。每個 中繼節(jié)點neN在時隙teT的候選狀態(tài)用iin(t) eA= {0,1}表示，中繼節(jié)點η在時隙t 如果被激活(選擇)則= 1，如果未被激活(選擇)則= 0。
在該實施方式中，S2R信道的狀態(tài)采用一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道模型來描述。給 定調(diào)制編碼方式(MCs2k)，S2R鏈路每個時隙的誤碼率由該時隙的信道狀態(tài)決定。S2R鏈路的 SNR(Ys2e)劃分為L個等級，每個等級對應(yīng)馬爾可夫鏈的一個狀態(tài)。下一時隙信道的狀態(tài)根 據(jù)當(dāng)前所處狀態(tài)以及馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率而變化。用
權(quán)利要求
1.一種用于移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點選擇方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括源節(jié)點、目的節(jié)點 和多個中繼節(jié)點，所述方法包括從所述多個中繼節(jié)點中選擇多個候選中繼節(jié)點； 啟動定時器；所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個廣播其優(yōu)先權(quán)索引值； 所述源節(jié)點接收廣播的所述優(yōu)先權(quán)索引值；以及所述定時器結(jié)束時，所述源節(jié)點選擇優(yōu)先權(quán)索引值最小的候選中繼節(jié)點作為用于要發(fā) 送的數(shù)據(jù)幀的中繼節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述源節(jié)點和所述目的節(jié)點通過交互握手信令 為要發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀預(yù)留通信信道后執(zhí)行啟動所述定時器的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個廣播其優(yōu)先 權(quán)索引值的步驟進(jìn)一步包括所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個只記錄并廣播當(dāng)前收到的優(yōu)先權(quán)索引值最小的中 繼節(jié)點的地址。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個候選中繼節(jié)點包括所述多個中繼節(jié)點 中能夠從所述源節(jié)點和所述目的節(jié)點接收到握手信令的中繼節(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括所述多個候選中繼節(jié)點通過廣播交換系統(tǒng)參數(shù)；以及 所述多個候選中繼節(jié)點中的每個根據(jù)所述系統(tǒng)參數(shù)計算各自的優(yōu)先權(quán)索引值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述多個候選中繼節(jié)點中的每個根據(jù)所述系統(tǒng) 參數(shù)計算各自的優(yōu)先權(quán)索引值的步驟進(jìn)一步包括獲得所述候選中繼節(jié)點中每一個的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣； 基于所獲得的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣獲得報償參數(shù)； 基于所獲得的報償參數(shù)建立Restless Multi-armed Bandit模型； 將所建立的模型進(jìn)行線性規(guī)劃放寬處理；以及基于經(jīng)過線性規(guī)劃放寬處理的結(jié)果，利用原始雙重索引探索法獲得所述優(yōu)先權(quán)索引值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述系統(tǒng)參數(shù)包括以下參數(shù)中的至少之一 用于計算所述優(yōu)先權(quán)索引值的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣、報償參數(shù)，時間折扣因子、和初始狀態(tài)概率向量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，采用一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道模型描述無線 移動環(huán)境下物理信道的隨機(jī)時變特性，并通過歷史觀測和訓(xùn)練所述隨機(jī)時變特性而獲得所 述狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述初始狀態(tài)概率向量通過信道估計獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，時間折扣因子是RestlessMulti-armed Bandit模型引入的一個介于0與1之間的數(shù)值，以及所述報償參數(shù)是Restless Multi-armed Bandit模型中的優(yōu)化目標(biāo)。
全文摘要
公開了一種用于移動多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中分布式最優(yōu)中繼選擇方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括源節(jié)點、目的節(jié)點和多個中繼節(jié)點，所述方法包括從所述多個中繼節(jié)點中選擇多個候選中繼節(jié)點；啟動定時器；所述多個候選中繼節(jié)點中的每一個廣播其優(yōu)先權(quán)索引值；所述源節(jié)點接收廣播的所述優(yōu)先權(quán)索引值；以及所述定時器結(jié)束時，所述源節(jié)點選擇優(yōu)先權(quán)索引值最小的候選中繼節(jié)點作為用于要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的中繼節(jié)點。
文檔編號H04W88/04GK102036345SQ20091017617
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者于非, 劉寧寧, 吳永東, 宋梅, 張勇, 滕穎蕾, 滿毅, 魏翼飛 申請人:北京郵電大學(xué)