專利名稱：協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配及中繼節(jié)點選擇方法
技術領域：
本發(fā)明涉及協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配及中繼節(jié)點選擇方法，屬于通信領域。

背景技術：
近些年來，超寬帶技術以其低功率譜密度、高多徑分辨率等優(yōu)點已經(jīng)成為未來短距離無線互聯(lián)以及無線傳感器網(wǎng)絡的候選技術之一，為了避免對現(xiàn)存系統(tǒng)造成干擾，美國聯(lián)邦通信委員會于2002年發(fā)布了關于超寬帶技術的“FirstReportandOrder”，在容許了超寬帶技術商業(yè)應用的同時也對超寬帶發(fā)射機在室內(nèi)和室外應用時的有效全向輻射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,EIRP)做出了嚴格的限制。其中，在超寬帶發(fā)射機工作頻段3.1GHz~10.6GHz處的峰值EIRP為-41.3dBm/MHz，由于這一峰值EIRP非常低，導致超寬帶接收機接收到的信號功率也非常低，從而加大了超寬帶接收機設計的難度。為了保證接收信號的質(zhì)量，同時降低超寬帶接收機的復雜度，現(xiàn)有文獻提出將協(xié)作通信引入到超寬帶系統(tǒng)中。
協(xié)作通信技術的基本思想起源于三終端中繼信道，但是由于在實現(xiàn)中繼的過程中存在著許多技術難題，因此對于協(xié)作通信的研究在上世紀80年代初期進入了瓶頸期。近些年來，由于一個在上行鏈路的條件下以分集形式建立的用戶協(xié)作模型的提出，協(xié)作通信技術再一次受到了研究人員的廣泛關注。
通過將協(xié)作技術引入到超寬帶系統(tǒng)中，利用協(xié)作技術既可以提高接收信號的質(zhì)量，同時還可以降低超寬帶發(fā)射機的發(fā)射功率，從而延長節(jié)點的待機時間。但是由于超寬帶接收機的復雜度限制以及超寬帶信道的密集多徑特性所導致的長時隙擴展使得超寬帶接收機難于實現(xiàn)有效的分集合并，因此在協(xié)作超寬帶系統(tǒng)中，一般僅僅選擇一個中繼節(jié)點，即僅僅建立一條有效的中繼路由來實現(xiàn)對于發(fā)射信號的中繼。由于每一個節(jié)點周圍都存在著多個可能的中繼節(jié)點，因此如何選擇有效的中繼節(jié)點便成為一個必須解決的問題，現(xiàn)有反饋式中繼節(jié)點選擇方法或者是同步的中繼節(jié)點選擇方法并沒有考慮超寬帶系統(tǒng)對于中繼節(jié)點選擇方法的簡單化、實時化等特殊要求，因此不適合于直接應用到協(xié)作超寬帶系統(tǒng)中。反饋式的中繼節(jié)點選擇方法需要額外的發(fā)射能量用以發(fā)射反饋信息，即使很少比特數(shù)的反饋信息也將耗費大量的節(jié)點能量，因此為了保證中繼節(jié)點選擇方法的簡單化和實時化等要求，協(xié)作超寬帶系統(tǒng)中的中繼節(jié)點選擇方法應該是異步無反饋的。
異步路由選擇的過程中，最為關鍵的一個步驟就是中繼節(jié)點對源節(jié)點發(fā)送的導頻信號進行轉(zhuǎn)發(fā)。為了避免各個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號到達目的節(jié)點時產(chǎn)生沖突，造成接收到的多個信號相互干擾，必須有效地對中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時隙進行合理的分配。
已有的算法中，一種方案是將轉(zhuǎn)發(fā)時隙設置為同該信道增益成反比的形式，其中信道增益由中繼節(jié)點根據(jù)兩條子鏈路信道增益計算出由源節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益，但這種方法是不合理的，因為信道的增益并不能完全反應實際鏈路的質(zhì)量。另一種方案是采用誤碼率來評價信道質(zhì)量的方法，將轉(zhuǎn)發(fā)時隙設置為同誤碼率成正比的形式。
上述兩種轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方案本質(zhì)上都是建立信道質(zhì)量和時隙之間的線性映射。對于室內(nèi)超寬帶所處的密集多徑環(huán)境中，信道增益以分貝為單位時呈現(xiàn)正態(tài)分布。因而，信道增益往往處于正態(tài)分布的均值附近，兩個中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時隙相隔較短，當這個時間間隔小于信道的多徑時隙擴展時，兩個中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號就會在目的節(jié)點處相互干擾，從而使得系統(tǒng)的性能有所下降。中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端的沖突概率大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決協(xié)作超寬帶中采用現(xiàn)有算法進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端的沖突概率大的問題，提供了協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配及中繼節(jié)點選擇方法。
本發(fā)明的協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法包括以下步驟 步驟一、協(xié)作超寬帶中的各中繼節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送的導頻信號； 步驟二、根據(jù)步驟一接收的導頻信號分別獲取源節(jié)點至k個中繼節(jié)點的信道增益

，其中i=1,2,3……k，k≤50； 步驟三、根據(jù)步驟二獲取的k個信道增益來擬合服從正態(tài)分布的信道增益隨概率密度變化的曲線，將曲線的[

]增益區(qū)間分成N份面積相等的小增益區(qū)間，其中，N為大于k的自然數(shù)，且5000≥N≥100； 步驟四、按照N份小增益區(qū)間的信道增益比例關系分配轉(zhuǎn)發(fā)時隙。
基于上述步驟，進一步包括如下步驟來實現(xiàn)協(xié)作超寬帶中的中繼節(jié)點選擇方法 步驟五、根據(jù)步驟三確定每個中繼節(jié)點的信道增益所在的小增益區(qū)間； 步驟六、目的節(jié)點按照步驟四確定的轉(zhuǎn)發(fā)時隙接收與其對應的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并計算各個時隙對應的信號到達時的誤碼率； 步驟七、選擇誤碼率最小的路由對應的中繼節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息信號的中繼節(jié)點，并將選擇情況以廣播的方式通知源節(jié)點和各中繼節(jié)點。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法，明顯降低了中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端的沖突概率。
建立一種信道質(zhì)量和中繼轉(zhuǎn)發(fā)時隙之間非線性的對應方案，對均值附近的區(qū)間細分，對于遠離均值的區(qū)間粗分，從而保證落入每一段區(qū)間的概率相同，并使相鄰的兩個區(qū)間對應的時隙差大于多徑信道的最大時隙擴展。
本發(fā)明方法可以有效保證在均值附近的信道增益對應的轉(zhuǎn)發(fā)時隙得到有效區(qū)分，降低了中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端的沖突概率，進而可以快速的選擇一個有效的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，保證了協(xié)作超寬帶系統(tǒng)的性能增益。



圖1是協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法流程圖，圖2是協(xié)作超寬帶中的中繼節(jié)點選擇方法，圖3是協(xié)作超寬帶系統(tǒng)示意圖，圖4是信道增益分布圖，圖5是非線性中繼轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配示意圖。

具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1、圖3至圖5說明本實施方式，本實施方式協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法包括以下步驟 步驟一、協(xié)作超寬帶中的各中繼節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送的導頻信號； 步驟二、根據(jù)步驟一接收的導頻信號分別獲取源節(jié)點至k個中繼節(jié)點的信道增益

，其中i=1,2,3……k，k≤50； 所述的信道增益

按如下公式獲取
式中

表示第i個時隙接收到的脈沖信號；

表示第i個時隙中繼節(jié)點的本地模板脈沖信號；

表示第i個時隙中繼節(jié)點對噪聲的估計值； 步驟三、根據(jù)步驟二獲取的k個信道增益來擬合服從正態(tài)分布的信道增益隨概率密度變化的曲線，將曲線的[

]增益區(qū)間分成N份面積相等的小增益區(qū)間，其中，N為大于k的自然數(shù)，且5000≥N≥100； 所述服從正態(tài)分布的信道增益曲線為概率密度函數(shù)

(1) 其中，X為信道增益，單位為分貝，

為k個信道增益的平均數(shù)，

為標準差。
步驟四、按照N份小增益區(qū)間的信道增益比例關系分配轉(zhuǎn)發(fā)時隙。
源節(jié)點發(fā)送的導頻信號通過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，在k個中繼節(jié)點中選擇一個有效的中繼節(jié)點，其中至關重要的環(huán)節(jié)是對多個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時隙的分配，在一個時隙內(nèi)不能同時存在兩個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號，以免發(fā)生沖突。
k個信道增益構建服從正態(tài)分布的信道增益曲線如圖4所示，橫坐標為信道增益，單位為分貝，縱標為概率密度，用公式(1)表示。
根據(jù)正態(tài)分布的特性，信道增益X在[

]內(nèi)的概率達到99.7%，因而，這里近似的認為[

]這一區(qū)間內(nèi)涵蓋了所有信道增益X的情況。將曲線的[

]增益區(qū)間分成N份面積相等的小增益區(qū)間，面積即為概率。使得信道增益X落入每段小增益區(qū)間的概率相等，參見圖5所示，給出一個具體實施例，k=50，N=200，即[

]增益區(qū)間分成200份面積相等的小增益區(qū)間，因此曲線呈正態(tài)分布，因此這200份小增益區(qū)間在橫軸上的長度是非線性的，均值(正態(tài)分布圖中心)附近的區(qū)間時隙短，遠離均值的區(qū)間時隙長。在第1份小增益區(qū)間落入的是第5個中繼節(jié)點的信道增益，第2份小增益區(qū)間落入的是第2個中繼節(jié)點的信道增益，第3份小增益區(qū)間落入的是第7個中繼節(jié)點的信道增益，……第200份小增益區(qū)間落入的是第13個中繼節(jié)點的信道增益，因為N大于k，因此，會有一些小增益區(qū)間中沒有落入任何一個中繼節(jié)點的信道增益值，此具體實施例中會有150份小增益區(qū)間沒有落入任何一個中繼節(jié)點的信道增益，設置N大于k，且5000≥N≥100是為了不發(fā)生一個小增益區(qū)間出現(xiàn)兩個或兩個以上中繼節(jié)點的信道增益，以免沖突。
按照200份小增益區(qū)間的信道增益比例關系分配轉(zhuǎn)發(fā)時隙，即轉(zhuǎn)發(fā)時隙被分配成非線性關系，比例關系如圖5所示的200份小增益區(qū)間的信道增益比例關系，均值(正態(tài)分布圖中心)附近的區(qū)間時隙短，遠離均值的區(qū)間時隙長，從而保證落入每一段小增益區(qū)間的概率相同，并使相鄰的兩個小增益區(qū)間對應的時隙差大于多徑信道的最大時隙擴展。第1時隙轉(zhuǎn)發(fā)第5中繼節(jié)點的信號，第2時隙轉(zhuǎn)發(fā)第2中繼節(jié)點的信號，第3時隙轉(zhuǎn)發(fā)第7中繼節(jié)點的信號，第200時隙轉(zhuǎn)發(fā)第13中繼節(jié)點的信號，沒有落入任何一個中繼節(jié)點的信道增益的時隙不轉(zhuǎn)發(fā)，處于空閑狀態(tài)，即其中150個時隙處于空閑狀態(tài)。
為了達到?jīng)_突概率的最小化，本發(fā)明中提出的將每段小增益區(qū)間的概率調(diào)整為相同，采用非線性中繼轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法，基于以下原理設計完成 設信道增益X落入第i個小增益區(qū)間的概率為pi，則k個中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號中至少存在兩個在同一時隙內(nèi)到達的概率p為

(2) 為了求解得到最小的轉(zhuǎn)發(fā)信號沖突概率，將每一個轉(zhuǎn)發(fā)信號落入第i個小增益區(qū)間的概率pi視為變量，且它們滿足之和為1的約束條件。從而，求概率p的最小值問題可以歸結(jié)為一個存在約束條件的非線性規(guī)劃問題，即

(3) 據(jù)非線性規(guī)劃中的Karush-Kuhn-Tucker最優(yōu)化條件，

(4) 其中，l為一常數(shù)；p由式(2)表示。令S對pi求偏導為0，即

(5) 由(5)計算可得

，再根據(jù)約束條件，可得

。此時，

，達到了沖突概率的最小化。
具體實施方式
二下面結(jié)合圖2說明本實施方式，基于實施方式一所述的協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法的中繼節(jié)點選擇方法，它還包括以下步驟 步驟五、根據(jù)步驟三確定每個中繼節(jié)點的信道增益所在的小增益區(qū)間； 步驟六、目的節(jié)點按照步驟四確定的轉(zhuǎn)發(fā)時隙接收與其對應的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并計算各個時隙對應的信號到達時的誤碼率； 誤碼率按如下公式獲取 BER=Q(SNR) 其中，BER為誤碼率， SNR為信噪比。
步驟七、選擇誤碼率最小的路由對應的中繼節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息信號的中繼節(jié)點，并將選擇情況以廣播的方式通知源節(jié)點和各中繼節(jié)點。
根據(jù)實施方式一所述的時隙分配方法進行轉(zhuǎn)發(fā)信號，目的節(jié)點接收后，再根據(jù)誤碼率選擇一個最好的中繼節(jié)點作為有效中繼節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)信號。
實現(xiàn)本發(fā)明協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配及中繼節(jié)點選擇方法的裝置如圖3所示， 1、在信號的發(fā)射端(即源節(jié)點)，由導頻序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的導頻序列和脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖，通過脈沖成型器產(chǎn)生發(fā)射的導頻脈沖； 2、各中繼節(jié)點將本地產(chǎn)生的脈沖信號模板和接收到的導頻脈沖進行脈沖相關； 3、各中繼節(jié)點計算信道增益并進行解調(diào)通過存儲器記錄接收到的導頻； 4、各中繼節(jié)點根據(jù)將信道增益進行概率等值分配器的結(jié)果； 5、各中繼節(jié)點根據(jù)概率等值分配器的結(jié)果匹配得到轉(zhuǎn)發(fā)時隙。
6、各中繼節(jié)點由導頻存儲器和時隙分配器控制產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)發(fā)脈沖，并通過天線發(fā)送； 7、目的端(即目的節(jié)點)將各個時隙接收到的信號和本地模板脈沖進行相關，通過增益計算器計算出各個時隙對應的中繼信道的信道增益，誤碼率計算器根據(jù)信道增益計算出各個信道的誤碼率； 8、目的端最優(yōu)值判決器選出具有最小誤碼率的中繼信道對應的時隙，并將選擇結(jié)果編碼，并通過脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生包含有選擇結(jié)果的脈沖信號發(fā)送。
權利要求
1.協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
步驟一、協(xié)作超寬帶中的各中繼節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送的導頻信號；
步驟二、根據(jù)步驟一接收的導頻信號分別獲取源節(jié)點至k個中繼節(jié)點的信道增益
，其中i=1,2,3……k，k≤50；
步驟三、根據(jù)步驟二獲取的k個信道增益來擬合服從正態(tài)分布的信道增益隨概率密度變化的曲線，將曲線的[
]增益區(qū)間分成N份面積相等的小增益區(qū)間，其中，N為大于k的自然數(shù)，且5000≥N≥100；
步驟四、按照N份小增益區(qū)間的信道增益比例關系分配轉(zhuǎn)發(fā)時隙。
2.根據(jù)權利要求1所述的協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法，其特征在于，步驟二所述的信道增益
按如下公式估計
式中
表示第i個時隙接收到的脈沖信號；
表示第i個時隙中繼節(jié)點的本地模板脈沖信號；
表示第i個時隙中繼節(jié)點對噪聲的估計值。
3.根據(jù)權利要求1所述的協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法，其特征在于，步驟三所述服從正態(tài)分布的信道增益曲線為概率密度函數(shù)
，
其中，X為信道增益，單位為分貝，
為k個信道增益的平均數(shù)，
為標準差。
4.基于權利要求1所述的協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配方法的中繼節(jié)點選擇方法，其特征在于，它還包括以下步驟
步驟五、根據(jù)步驟三確定每個中繼節(jié)點的信道增益所在的小增益區(qū)間；
步驟六、目的節(jié)點按照步驟四確定的轉(zhuǎn)發(fā)時隙接收與其對應的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并計算各個時隙對應的信號到達時的誤碼率；
步驟七、選擇誤碼率最小的路由對應的中繼節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息信號的中繼節(jié)點，并將選擇情況以廣播的方式通知源節(jié)點和各中繼節(jié)點。
5.根據(jù)權利要求4所述的協(xié)作超寬帶中的中繼節(jié)點選擇方法，其特征在于，步驟六所述的誤碼率按如下公式獲取
BER=Q(SNR)
其中，BER為誤碼率，
SNR為信噪比。
全文摘要
協(xié)作超寬帶中的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配及中繼節(jié)點選擇方法，屬于通信領域，本發(fā)明為解決協(xié)作超寬帶中采用現(xiàn)有算法進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號在接收端的沖突概率大的問題。本發(fā)明方法包括一、各中繼節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送的導頻信號；二、計算源節(jié)點至k個中繼節(jié)點的信道增益；三、擬合服從正態(tài)分布的信道增益曲線，將其[μ-3σ，μ+3σ]分成N份面積相等的小增益區(qū)間；四、按照N份小增益區(qū)間的信道增益比例關系分配轉(zhuǎn)發(fā)時隙。進一步包括如下步驟來實現(xiàn)中繼節(jié)點的選擇五、根據(jù)三確定每個中繼節(jié)點的信道增益所在的小增益區(qū)間；六、目的節(jié)點按照四接收與其對應的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并計算誤碼率；七、選擇誤碼率最小的路由對應的中繼節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息信號的中繼節(jié)點。
文檔編號H04B1/69GK101800567SQ20101013116
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權日2010年3月24日
發(fā)明者吳宣利, 沙學軍, 沈清華, 石碩, 林迪, 邱昕, 姜來為 申請人:哈爾濱工業(yè)大學