用于解决多用户无线网络协作冲突的中继选择方法

技术领域

本发明协作通信的技术领域，具体涉及用于解决多用户无线网络协作冲突 问题的中继选择方法。

背景技术

近年来，协作通信技术发展迅速，由于只需在每个设备上配置单根天线， 通过用户间的资源共享就能够达到与多输入多输出系统相同的分集效果，降低 了成本的同时还缩减了系统体积，因此越来越多的研究者致力于协作通信技术 的研究。其中，单中继的协同方法以其简单易实现的优势被广泛地认为是一种 可靠的通信技术，但在多用户协作网络场景中应用单中继协同技术存在着最佳 中继冲突问题。目前，有关针对解决该问题的研究比较有限。ElzbietaBeres等 人提出了在多用户网络中的最优选择，按序选择和分布式选择三种中继选择方 法，在一定程度上降低了多用户网络最佳中继选择冲突的可能。

然而，ElzbietaBeres等人提出的选择方法存在着一些不足，其中的分布式 方法，在每个用户只考虑一个有效中继节点的情况下，节点冲突的可能仍然会 比较高。

本发明针对多用户无线协作网络，采用三种可靠的集中式选择方法协调选 择出每个用户的最佳中继，包括最优中继选择和次优中继选择方法，次优中继 选择方法又分别从用户和中继节点两种角度进行中继选择，相比于之前的中继 选择方法，本发明能够更好地改善多个用户最佳中继选择冲突的问题。

发明内容

针对以上现有的不足，提出了一种对中继选择冲突问题有所改善、提高整个 网络的传输可靠性的中继选择方法。。本发明的技术方案如下：一种用于解决多 用户无线网络协作冲突的中继选择方法，包括采用最优中继选择法进行中继选 择的步骤，其中所述无线网络为协作网络，包含M个用户和M个相应的目的节 点，无线网络中没有中继节点，当一个用户传输数据时，其他用户就被认为是 中继节点，各个用户相互协作，其特征在于，中继选择方法还包括次优中继选 择法；所述次优中继选择方法包括分别从用户角度进行中继选择的步骤和中继 节点角度进行中继选择的步骤。

进一步的，所述网络中用户的传输过程如下：首先，用户s_i发送数据给自己 的目的节点d_i，其他M-1个用户尝试接收s_i的数据，接收成功的用户加入第一集 合A₁(s_i)；其次，若用户s_i的数据传输成功，目标节点返回确认ACK帧给s_i，不 需要进行协作传输；若传输失败，目的节点以与s_i相同的速率反馈否决NACK 帧，A₁(s_i)中能够成功接收NACK帧的用户加入第二集合A₂(s_i)，在第二集合A₂(s_i) 中选择出最佳中继并由该中继节点将数据转发给目的节点d_i。

进一步的，所述采用最优中继选择法进行中继选择的步骤具体为：将每个 用户的中继选择情况，即集合A₂(s_i)中的所有节点进行全遍历，从所有的中继选 择情况中选择一组中继节点使得M条传输链路成功的个数最大化，可表示如下：

$\{r\left(s_1\right),\mathrm{...},r\left(s_M\right)\}=\underset{\forall r\left(s_1\right)\in A_2\left(s_1\right),\mathrm{...},r\left(s_M\right)\in A_2\left(s_M\right)}{\max }f\{s_1{d}_1;r\left(s_1\right),\mathrm{...},s_M{d}_M;r\left(s_M\right)\}---\left(1\right)$

其中，函数f(·)表示为传输成功的链路数，s_id_i；r(s_i)表示为第i个用户和其对应的 目的节点在中继节点r(s_i)的作用下进行协作传输。

进一步的，次优中继选择法中，所述从用户角度进行中继选择的步骤具体 为：(同权利要求书中的问题)

设|A₂(s_i)|表示用户s_i的集合A₂(s_i)中中继节点的个数，则具体步骤如下：

第1步：将|A₂(s_i)|按照从小到大的顺序排列，选出最小值|A₂(s)|_min；

第2步：若|A₂(s)|_min＝1，则选择这唯一的节点为该用户的最佳中继节点，若 |A₂(s)|_min＞1，则由主控节点判断A₂(s)_min中各中继节点被共享的次数，选择被共享 次数少的节点作为中继，若存在多个共享次数最小的，则随机选择一个，设被 选择的节点为r_i；

第3步：更新剩余所有与r_i有关的集合A₂(s_i)，将r_i从这些集合中删除；

第4步：返回到步骤1继续进行迭代过程，直到M个用户完成中继选择。

进一步的，次优中继选择法中，中继节点角度进行中继选择的步骤具体为： 设A₃(r_i)表示的是所有分享中继节点r_i用户的集合，|A₃(r_i)|表示中继节点r_i共享集 合中用户的个数，则

第1步：将中继节点按照被共享的次数N从小到大排序，选出N最小的中继 节点r₁；

第2步：若|A₃(r₁)|＝1，则将r₁分配给这唯一的用户；若|A₃(r₁)|＞1，则将共享r₁的所有用户的|A₂(s_i)|从小到大排序，优先选择|A₂(s_i)|小的用户进行分配，如果 存在多个最小的情况，则r₁随机选择一个用户进行协作，设被协作的用户为s_i；

第3步：更新剩余所有包含s_i的共享集合，将s_i从这些集合中删除；

第4步：返回到步骤1继续进行迭代过程，直到M个用户完成中继选择。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出的三种中继选择方法中，最优选择方法的性能最好，但复杂度 最高，两种次优选择方法的性能次之，复杂度相对较低，三种方法都能较好地 改善多用户无线网络的冲突问题。尤其是两种次优的中继选择方法，充分利用 了反馈机制带来的优势，即每个用户存在多个有效的中继节点，从用户角度进 行中继选择的方法考虑到让有效中继个数少的用户优先进行中继选择，而从中 继节点角度进行中继选择的方法则是考虑到优先分配被共享次数少的中继，两 种方法的目标均是为了尽可能地避免冲突发生，从而提高无线通信系统的传输 可靠性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例从用户角度分析的次优中继选择方法流程 图；

图2是本发明从中继节点角度分析的次优中继选择方法流程图。

具体实施例

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

用于解决多用户无线网络协作冲突问题的中继选择方法，首先设定该多用 户无线协作网络有M个用户，分别表示为s₁,s₂,…,s_M，M个目的节点，分别表示 为d₁,d₂,…,d_M，没有中继节点，各个用户间相互协作。当用户s_i发送数据时，其 他M-1个用户尝试接收s_i的数据，即充当中继节点的角色。各个信道间相互独 立且服从瑞利衰落模型。设用户s_i与其对应的目的节点d_i之间的信道增益为用户与中继节点间的信道增益为中继节点与目标节点间的 信道增益为对于信道对等性方面，假设所有的信道都是可逆的，等效的， 即不失一般性，系统在传输数据时会受到均值 为0，方差为N₀的加性高斯白噪音的干扰。假设网络中的每个节点均配置单根 天线且采用半双工模式，用户与目的节点之间的传输频率效率为R。

用户的传输过程为：首先，用户s_i发送数据给自己的目的节点，M-1个用 户中能够成功接收s_i数据的加入集合A₁(s_i)；其次，若s_i数据传输成功，则目标 节点反馈ACK帧给s_i，不需要进行协作传输。若传输失败，目的节点采用与s_i相 同的速率反馈NACK帧，A₁(s_i)中能够成功接收到NACK帧的用户进一步形成 集合A₂(s_i)，通过本发明的三种中继选择方法选出每个用户的最佳中继，并由最 佳中继将数据转发给目的节点。

在选择每个用户的最佳中继节点时，可分别采用本发明的三种方法进行选 择。

首先，最优中继选择方法的过程包括：将所有用户的中继选择情况进行全 遍历，选出一组中继使得M个传输链路成功的数目最大，可表示为：

$\{r\left(s_1\right),\mathrm{...},r\left(s_M\right)\}=\underset{\forall r\left(s_1\right)\in A_2\left(s_1\right),\mathrm{...},r\left(s_M\right)\in A_2\left(s_M\right)}{\max }f\{s_1{d}_1;r\left(s_1\right),\mathrm{...},s_M{d}_M;r\left(s_M\right)\}---\left(1\right)$

设发射功率限制为P，则信噪比可表示为：

ρ＝P/N₀(2)

也就是说，最优中继选择方法即是寻找r(s_i)∈A₂(s_i)，使得下面式子成立的个 数最多：

$\left(\begin{array}{c}1og(1+\rho |h_{r\left(s_1\right),d_1}{|}^2)\ge R\\ log(1+\rho |h_{r\left(s_2\right),d_2}{|}^2)\ge R\\ \mathrm{...}\\ 1og(1+\rho |h_{r\left(s_M\right),d_M}{|}^2)\ge R\end{array}\right)---\left(3\right)$

这里，目标节点没有进行合并接收，只考虑了中继节点与目的节点间的信道增 益。

其次，如图1所示，从用户角度分析的次优中继选择方法步骤如下：

第1步：将|A₂(s_i)|按照从小到大的顺序进行排序，选出最小值|A₂(s)|_min；

第2步：判断|A₂(s)|_min＝1是否成立，若成立，则将这唯一的中继节点r_i分配 给此用户，否则若|A₂(s)|_min＞1，则优先选择A₂(s)_min中各节点被共享次数N最少的 为最佳中继，如果有多个N最小的，则随机选择一个；

第3步：更新剩余所有与r_i有关的集合A₂(s_i)，将r_i从这些集合中删除；

第4步：m＝m-1，并判断m＝0是否成立，若成立，则算法结束，否则返回 第1步进行迭代过程。

如图2所示，从中继节点角度分析的次优中继选择方法步骤如下：

第1步：将中继节点按照被共享次数N从小到大排序，选择出N最小的中继 节点r₁；

第2步：判断|A₃(r₁)|＝1是否成立，若成立，则将r₁分配给此用户。若|A₃(r₁)|＞1， 则将A₃(r₁)中用户的|A₂(s_i)|从小到大排序，优先选择|A₂(s_i)|小的节点，如果存在 多个最小的，则随机选择一个；

第3步：更新剩余所有与s_i有关的共享集，将s_i从这些共享集中删除；

第4步：m＝m-1，并判断m＝0是否成立，若成立，则算法结束，否则返回 第1步进行迭代过程。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。