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1、10申请公布号43申请公布日21申请号201410627488022申请日20141110H04B7/1420060171申请人中国电子科技集团公司第二十研究所地址710068陕西省西安市雁塔区光华路1号72发明人韩春雷欧阳逢辰陈赤联胡军锋郝明杜利刚74专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人顾潮琪54发明名称大规模中继网络中基于时隙ALOHA的贪婪中继选择方法57摘要本发明提供了一种大规模中继网络中基于时隙ALOHA的贪婪中继选择方法，首先建立网络模型，然后可用中继节点进行自我标记后进行基于时隙ALOHA的贪婪中继选择，当中继节点被成功选择，则源节点使用被选中的中继节点进行传输。本发。
2、明同时结合了盲网络、动态网络、大规模网络环境等多方面因素，可以在不需要中继提供状态信息的前提下，在大量动态中继之中快速选择出符合用户传输需求的中继，并且引入了贪婪中继选择的新兴概念，是一种可用性强，适用面广的中继选择方案。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书9页附图3页10申请公布号CN104378151A43申请公布日20150225CN104378151A1/2页21一种大规模中继网络中基于时隙ALOHA的贪婪中继选择方法，其特征在于包括下述步骤1建立网络模型，包括一个源节点S、一个目的节点D和密度为R的均匀随机分布的若干中继节点R，其中中继节。
3、点分为可以满足用户最低传输需求的可用中继和不能满足传输需求的其它中继；源节点到目的节点、源节点到中继节点、中继节点到目的节点之间的距离分别表示为DSR、DSR和DRD；在每帧内执行步骤24；2可用中继的自我标记2A源节点在每帧中的第一时隙广播用户最低需求传输速率RR和源节点坐标给所有中继节点；2B收到源节点广播信息的每个中继节点计算自己的中继传输速度并与需求传输速率RR进行对比，其中为用户能够承受的目标传输总中断率，PS与PR分别为源节点和中继节点的发射功率，N0为噪声平均功率；2C每个能够满足RARR的中继节点都将自己标记为可用中继，继续参与步骤3中基于时隙ALOHA的中继选择，其余中继自我。
4、标记为其它中继，并退出本帧的中继选择，在下一帧之前保持静默；3基于时隙ALOHA的贪婪中继选择3A可用中继通过可用中继区域估算每时隙最优接入概率其中R|S|，M为本帧中目前已成功接入的中继个数，PSUCPACC为一个时隙内的发生成功接入的总概率，其中，K为该帧内的可用中继数量，代表在KM个中选1个的组合符号，|S|为可用中继区域的面积，积分下限与上限分别为权利要求书CN104378151A2/2页3其中3B在每帧的中继选择开始之前，设为被选中继传输速率的初始值，W为连续失败接入的时隙的上限值，W00为连续接入失败时隙计数器的初始值，M00为已成功接入中继数量的初始值，L表示一帧中总的时隙数，L。
5、00为选择过程使用时隙的初始值；在从第二个时隙开始的每一个时隙中，每个尚未接入成功的可用中继都以计算得到的接入概率PACC,M来接入信道；当且仅当同时只有一个中继接入信道时，则完成了一次成功的选择，此时成功接入中继数量M加1并且令W归零；否则选择失败，且当M0时令W加1；无论选择是哪一种结果，L都加1，代表推进到下一时隙；每当发生一次成功的选择，将选择成功的中继节点的速度RA和RS进行对比；当RARS，源节点更新被选中的中继节点为新接入成功的中继节点并令RSRA，继续进行中继选择，否则终止中继选择；在W达到上限W，或者L达到上限L时也终止选择；4当步骤3结束且有中继节点被成功选择，源节点使用被。
6、选中的中继节点以速度RS进行传输；协作传输过程分为两个阶段第一阶段，源节点将数据发送给中继节点；第二阶段，中继解码收到的数据，如果能够正确解码，则中继将解码的数据转发给目的节点，否则中继将不进行转发。权利要求书CN104378151A1/9页4大规模中继网络中基于时隙ALOHA的贪婪中继选择方法技术领域0001本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及大规模无线中继网络中由于缺乏中继信息的广播和更新时的中继选择方案的设计问题，可用于解决含有设备与设备间的直接通信的移动蜂窝网，以及传感器网络通信等动态大规模网络环境中，无法获得中继信息时的中继选择问题。背景技术0002协作通信技术是一种将中继节点运。
7、用到无线网络的新兴技术。它能够为原本信道质量较差难以保证传输质量的用户提供可靠的数据传输服务。其基本思想是通过利用分集技术，在信道质量较差的发射接收端之间安放用于接收转发的中继节点，从而达到减短单跳距离，改善信道质量，提高总传输距离，降低中断率等作用。在中继服务网络中，由于可能同时存在有复数性能不同的中继，设计一个能为用户提供合适中继的中继选择方案非常重要。目前有很多研究中继选择的相关工作。YJING等人在SINGLEANDMULTIPLERELAYSELECTIONSCHEMESANDTHEIRACHIEVABLEDIVERSITYORDERSIEEETRANSWIRELESSCOMMUN,。
8、VOL8,NO3,PP14141423,MAR2009一文中总结了目前存在的数种单中继选择算法，并将中继选择的场景扩展到了多中继的情况。进一步，SPARK等人在ADAPTIVETHRESHOLDBASEDRELAYSELECTIONFORMINIMUMFEEDBACKANDCHANNELUSAGEIEEETRANSWIRELESSCOMMUN,VOL10,NO11,PP36203625,NOV2011中提出了一种基于单比特反馈可调节阈值的中继选择算法，它能够很好地降低对信道状态信息CSI更新量的需求。0003为了选择最优的中继，以上述两个方案为代表的众多算法都采取了收集中继信息进行比较的方式来。
9、进行选择，然而这种方法网络开销很大且十分复杂。在诸如分布式动态大规模中继网络这样的实际场景中，通过上面的穷举对比的方式来在大量中继中选择最优中继就显得非常不现实了。0004基于时隙ALOHA的中继选择方案是一种能够随机选取满足特定条件中继的策略，这类选择方案能够在不进行特别对比的情况下选择出中继，从而降低了对中继的信息需求。FETEZADI,等人在DECENTRALIZEDRELAYSELECTIONSCHEMESINUNIFORMLYDISTRIBUTEDWIRELESSSENSORNETWORKSIEEETRANSWIRELESSCOMMUN,VOL11,NO3,PP938951,MAR2。
10、012一文中阐述了在均匀分布的中继网络中的中继选择问题。重点对比了最优中继选择，随机中继选择以及基于地理的中继选择方案。然而该方案并未给出如何在大规模网络中协调随机接入中继的接入概率问题，同时也缺乏具体的帧结构设计的相关讨论。发明内容0005为了克服现有技术网络规模过小，过度依赖收集中继的信息来完成选择，以及大多只能应用于静态网络等不足，本发明提供一种能运用在动态大规模网络中的贪婪中继选说明书CN104378151A2/9页5择方案，该方案能够在不需要收集中继的信息情况下，快速选取满足传输速率需求的中继，并且能很好地适应不同的中继密度及节点运动情况。0006本发明解决其技术问题所采用的技术方案。
11、包括以下步骤00071建立网络模型，包括一个源节点S、一个目的节点D和密度为R的均匀随机分布的若干中继节点R，其中中继节点分为可以满足用户最低传输需求的可用中继和不能满足传输需求的其它中继；源节点到目的节点、源节点到中继节点、中继节点到目的节点之间的距离分别表示为DSR、DSR和DRD；在每帧内执行步骤24；00082可用中继的自我标记00092A源节点在每帧中的第一时隙广播用户最低需求传输速率RR和源节点坐标给所有中继节点；00102B收到源节点广播信息的每个中继节点计算自己的中继传输速度并与需求传输速率RR进行对比，其中为用户能够承受的目标传输总中断率，PS与PR分别为源节点和中继节点的发。
12、射功率，N0为噪声平均功率；00112C每个能够满足RARR的中继节点都将自己标记为可用中继，继续参与步骤3中基于时隙ALOHA的中继选择，其余中继自我标记为其它中继，并退出本帧的中继选择，在下一帧之前保持静默；00123基于时隙ALOHA的贪婪中继选择00133A可用中继通过可用中继区域估算每时隙最优接入概率其中R|S|，M为本帧中目前已成功接入的中继个数，PSUCPACC为一个时隙内的发生成功接入的总概率，00140015其中，K为该帧内的可用中继数量，代表在KM个中选1个的组合符号，|S|为可用中继区域的面积，00160017积分下限与上限分别为0018说明书CN104378151A3/。
13、9页60019其中00203B在每帧的中继选择开始之前，设为被选中继传输速率的初始值，W为连续失败接入的时隙的上限值，W00为连续接入失败时隙计数器的初始值，M00为已成功接入中继数量的初始值，L表示一帧中总的时隙数，L00为选择过程使用时隙的初始值；0021在从第二个时隙开始的每一个时隙中，每个尚未接入成功的可用中继都以计算得到的接入概率PACC,M来接入信道；当且仅当同时只有一个中继接入信道时，则完成了一次成功的选择，此时成功接入中继数量M加1并且令W归零；否则选择失败，且当M0时令W加1；无论选择是哪一种结果，L都加1，代表推进到下一时隙；0022每当发生一次成功的选择，将选择成功的中继。
14、节点的速度RA和RS进行对比；当RARS，源节点更新被选中的中继节点为新接入成功的中继节点并令RSRA，继续进行中继选择，否则终止中继选择；在W达到上限W，或者L达到上限L时也终止选择；00234当步骤3结束且有中继节点被成功选择，源节点使用被选中的中继节点以速度RS进行传输；协作传输过程分为两个阶段第一阶段，源节点将数据发送给中继节点；第二阶段，中继解码收到的数据，如果能够正确解码，则中继将解码的数据转发给目的节点，否则中继将不进行转发。0024本发明的有益效果是本发明考虑的是一个大规模协作网络中的中继选择问题，该方案同时结合了盲网络、动态网络、大规模网络环境等多方面因素，本发明可以在不需要。
15、中继提供状态信息的前提下，在大量动态中继之中快速选择出符合用户传输需求的中继，并且引入了贪婪中继选择的新兴概念，是一种可用性强，适用面广的中继选择方案。附图说明0025图1是本发明适用的网络模型图；0026图2是本发明的算法流程图；0027图3是本发明的帧结构图；0028图4是本发明的可用中继区域面积计算标示图；0029图5是本发明的方案和现有方案性能的对比图。具体实施方式0030下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。0031本发明建立在一个时分的系统上，中继选择将在每一帧中独立完成。具体步骤包括如下00321建立网络模型0033本发明建立的系统模型由一个源节。
16、点S，一个目的节点D，和密度为R的均匀随机分布的一些中继节点R组成，其中中继节点分为可以满足用户最低传输需求的可用中继，和不能满足传输需求的其它中继。各个节点都配备单天线以及定位装置如GPS，且工作在半双工模式。我们将源节点到目的节点，源节点到中继、中继到目的节点之间的距离分说明书CN104378151A4/9页7别表示为DSR，DSR和DRD。下面的步骤将在每帧内进行。00342可用中继的自我标记00352A源节点将中继选择要求广播给网络中的全部中继。0036源节点在每帧中的第一时隙广播用户最低需求传输速率RR和自己的地理位置坐标给所有中继。00372B接收到信息的中继计算是否能够达到该要求。
17、。0038收到源节点广播信息的每个中继计算自己的中继传输速度RA，并与需求传输速率RR进行对比，其中RA由下式获得。00390040其中为用户能够承受的目标传输总中断率，PS与PR分别为源节点和中继的发射功率，N0为噪声平均功率。00412C中继可用状态的标记。0042每个在2B中能够满足中RARR的中继都将自己标记为“可用中继”，继续参与3中基于时隙ALOHA的中继选择，其余中继自我标记为“其它中继”，并退出本帧的中继选择，在下一帧之前保持静默。00433基于时隙ALOHA的贪婪中继选择00443A可用中继通过可用中继区域估算每时隙最优接入概率。0045每个中继的最优接入概率PACC,M的取。
18、值可由下式获得00460047其中R|S|，M为本帧中目前已成功接入的中继个数，PSUCPACC为一个时隙内的发生成功选择接入的总概率，由下式获得。00480049其中，K为该帧内的可用中继数量，代表“在KM个中选1个”的组合符号，|S|为可用中继区域的面积，由下式获得00500051积分下限与上限分别为说明书CN104378151A5/9页800520053其中00543B可用中继使用时隙ALOHA接入，竞争中继。0055在每帧的中继选择开始之前，设为被选中继传输速率的初始值。令W为连续失败接入的时隙的上限值，其中W可根据实际用户对连续失败时隙的容忍程度来确定。同时我们令W00为连续接入失败。
19、时隙计数器的初始值。令M00为已成功接入中继数量的初始值。令L表示一帧中总的时隙数，同时我们令L00为选择过程使用时隙的初始值。0056在从第二个时隙开始的每一个时隙中，每个尚未接入成功的可用中继都以计算得到的接入概率PACC,M来接入信道。当且仅当同时只有一个中继接入信道时，则完成了一次成功的选择，此时成功接入中继数量M加1并且令W归零。否则选择失败，且当M0时令W加1。无论选择是哪一种结果，L都加1，代表推进到下一时隙。0057每当发生一次成功的选择，我们将选择成功的中继的速度RA和RS进行对比。当RARS，源节点更新被选中中继为新接入成功的中继并令RSRA，继续进行中继选择。否则终止中继。
20、选择。另外，在W达到上限W，或者L达到上限L时也终止选择。00584两阶段半双工的中继传输0059当中继选择阶段结束且有中继被成功选择，源节点使用被选中继，以速度RS进行传输。协作传输过程分为两个阶段。第一阶段，源节点将数据发送给中继节点；第二阶段，中继解码收到的数据，如果能够正确解码，则中继将解码的数据转发给目的节点，否则中继将不进行转发。0060参照图13，本发明的实施例步骤如下0061步骤1建立网络模型。0062由参照图1，本发明建立的系统模型由一个源节点S，一个目的节点D，和密度为R的均匀随机分布的一些中继节点R组成，其中中继节点可分为可以满足用户最低传输需求的可用中继，和不能满足传输。
21、需求的其它中继。各个节点都配备单天线以及定位装置如GPS，且工作在半双工模式。由于网络中没有基站，同时网络规模较大，设定源节点以及目标节点无法获得有关中继的数量，功率，位置，信道状态等信息。中继之间也不互相通信来获取信息。所以称以上网络是“盲”的。另一方面我们假设源节点和中继可以进行运动，以帧为单位改变所处的位置。所以每帧内的选择结果无法适用在下一帧中。又由于大规模网络的频谱资源比较短缺，我们假设与一个用户有关的全部网络活动都限制在一个信道中。我们将源节点到目的节点，源节点到中继、中继到目的节点之间的距离分别表示为DSR，DSR和DRD。假设每条信道都承受瑞利衰落以及参数为2的路径损耗，信道参。
22、数表示为其中服从方差为1的指数分布，D为通信节点之间的距离。下面的步骤如参照图2，将在每帧内进行操作。0063步骤2可用中继的自我标记。说明书CN104378151A6/9页900642A源节点将中继选择要求广播给网络中的全部中继。0065如参照图3，源节点在每帧中的第一时隙广播用户最低需求传输速率RR和自己的地理位置坐标给全部中继，无法正常收到广播信息的中继直接将自己标记为“其它中继”。00662B接收到信息的中继计算是否能够达到该要求。0067收到源节点广播信息的每个中继通过源节点，自己本身，以及目标节点固定，坐标可以在一开始给出的地理位置坐标，计算出DSR以及DRD。我们认定源节点和目的。
23、节点之间的直传链路信道质量无法接受，那么在当一个中继能够达到的传输速度为RA时，源节点中继链路的中断率有00680069同理可得中继目的节点链路的中断率为00700071其中分别代表源节点和中继节点的发射信噪比。PS及PR分别代表源节点及中继的发射功率。N0代表信道噪声平均功率。0072我们采用选择解码转发协议，则采用中继传输的总中断率为00730074当给定用户能够承受的目标传输总中断率时，则一个中继能够达到的最高传输速度RA可计算得为00750076则最终判断一个中继是否为可用中继的准则为0077RARR00782C中继可用状态的标记。0079每个能够满足2B中判断准则RARR的中继都将自。
24、己标记为“可用中继”，继续参与步骤2中基于时隙ALOHA的中继选择，其余中继自我标记为“其它中继”。标记为其它中继的中继退出本帧余下的选择阶段，在下一帧之前保持静默。由2B中的中继传输速度RA表达公式与可用中继判断准则，我们可以得出，可用中继与源节点目的节点之间的地理位置关系满足以下条件说明书CN104378151A7/9页1000800081其中，我们称S为“可用中继区域”。0082步骤3基于时隙ALOHA的贪婪中继选择00833A可用中继计算本时隙接入概率。0084由于我们认为所有中继都是相同配置的，则令所有中继在一个时隙接入信道的概率为相同的PACC,M，其中代表中继数量分布的方差，M0。
25、,1,2为本帧中已成功接入的中继个数。根据泊松极限定理，中继位置成均匀随机分布的网络中，可用中继的数量服从方差为R|S|的泊松分布，其中|S|代表可用中继区域的面积。则网络中有K个可用中继的概率为00850086由于网络中继密度R已知，为了计算|S|，我们如图4设立所示坐标轴。其中令源节点S为坐标原点，并使目标节点D在X轴正半轴上。则我们可以将DSR与DRD关于坐标轴分解为与其中XSR与YSR分别为DSR在X轴与Y轴上的映射。|S|可由下式积分获得00870088X1和X2分别为面积积分的下限和上限，分别为00890090其中0091在任意一个选择时隙中，可以得到在KM个中继中有且只有一个中继。
26、成功接入概率PSUCKM为00920093其中代表“在KM个中选1个”的组合符号。考虑到前面求得的可用中继数量K的分布，则一个时隙中的接入成功概率PSUC为0094说明书CN104378151A108/9页110095则本时隙最优接入概率PACC,M的取值可由下式获得009600973B可用中继通过时隙ALOHA接入，竞争中继。0098初始化在每帧的中继选择开始之前，设为被选中继传输速率的初始值。为了避免多次失败接入而导致的无意义等待开销，令W为连续失败接入的时隙的上限值，其中W可根据实际用户对连续失败时隙的容忍程度来确定。同时我们令W00为接入失败时隙计数器的初始值。令M00为已成功接入中继。
27、数量的初始值。令L为一帧中总的时隙数，同时我们令L00为选择过程使用时隙的初始值。0099接入方式在每一个时隙中，每个尚未接入成功的可用中继都以计算得到的接入概率PACC,M来接入信道。当且仅当同时只有一个中继接入信道时，我们称完成了一次成功的选择，此时M加1并且令W0。否则我们称该时隙发生了冲突复数可用中继同时接入或者空闲没有中继接入。并且当M0时令W加1。无论接入是哪一种结果，L都加1代表推进到下一时隙。0100选择准则每当发生一次成功选择，我们将接入的中继的传输速度RA，和被选中中继传输速度RS进行对比。有两种对比结果01011RARS。这种情况下，源节点更新被选中中继为新接入成功的中继。
28、并令RSRA。同时，源节点“贪婪地”认为有性能更好的中继可以获取，继续进行中继选择。01022RARS。这种情况下，源节点认为目前被选中的中继为最优中继，终止中继选择。0103选择结束准则当发生以下三种情况时，中继选择阶段结束01041发生了选择准则中的情况2；01052接入失败时隙计数器W达到上限W；01063时隙计数器L达到上限L，一帧中的全部时隙都消耗完毕。0107其中，情况1和情况2的出现代表中继选择成功，可以进入步骤4进行传输，情况3中所有时隙都浪费在选择中，导致选择失败。0108步骤4两阶段半双工的中继传输。0109当完成了中继选择，源节点使用被选中继，以速度RS进行传输。协作传输。
29、过程分为两个阶段。第一阶段，源节点将数据发送给中继节点；第二阶段，中继解码收到的数据，如果能够正确解码，则中继将解码的数据转发给目的节点，否则中继将不进行转发。传输阶段可用时隙为总时隙数L减去广播时隙1时隙与选择时隙L时隙。等效传输速度为01100111本发明的效果可以通过以下的仿真进一步说明说明书CN104378151A119/9页1201121、仿真参数设定0113设定PS10MW，PR10MW，N001MW，01，DSD100M，L100，W3。仿真结果为1000次独立网络分布试验的平均结果。01142、仿真结果0115本发明与现有的基于时隙ALOHA的随机最优中继选择方案，随机第一中继选择方案进行仿真，并比较在不同中继密度下的归一化传输速度，仿真结果如图4所示。0116从图4中可以看出，本发明相比现有的两种基于时隙ALOHA的中继选择方案，在传输速率上有着性能的提升，且提升的效果随着中继密度的增大而增大。说明书CN104378151A121/3页13图1说明书附图CN104378151A132/3页14图2图3说明书附图CN104378151A143/3页15图4图5说明书附图CN104378151A15。