一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法

摘要

本发明涉及一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法。首先，为各数据终端分配一个正交信道，随后，网络控制中心执行基于最优响应的中继‑信道联合更新算法，对中继节点的部分重叠信道以及各终端之间的中继传输链路进行更新，使得终端之间能够进行信息交互。本发明既能够有效提高频谱利用率，又能够节省中继节点信道切换的开销和移动消耗的能量。

权利要求

1.一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法，其特征在于，

假设网络中有一个控制中心；有N个数据终端，其集合为 有R个中继节点，其集合为 有A个信道，其集合为 信道带宽均为B，信道距离为Δ，正交信道有K个，其集合为

工作时，各数据终端首先在 中随机选择一个正交信道工作，令数据终端n接入的正交信道为 将数据终端n需要与之通信的其他数据终端定义为其邻居，集合为 控制中心按照以下过程对网络中各中继节点选择的信道以及各数据终端之间的中继传输链路进行更新：初始化状态下，各中继节点随机选择一个信道工作，令中继节点r接入的信道为在第k次迭代中，k≥1，控制中心随机选择一个中继节点r进行信道更新，该中继节点依次尝试接入所有信道，而其他中继节点的信道保持不变，并将除中继节点r以外的所有中继节点的信道集合记为a_r，假设中继节点r接入信道a′时， 某对数据终端n和m按照路径 传输可得到最大的吞吐量 则此时全网吞吐量之和为将能使全网吞吐量之和最大的信道作为中继节点r更新后的信

道，即 将中继节点r选择信道ar(k+1)时能使终端对n和

m之间吞吐量最大的路径作为更新后的路径，即

中继节点均采用DF方式转发，假设作为源节点的数据终端S和作为目的节点的数据终端D之间的中继节点个数为Y，其集合为 S, S和D之间的传输路径为pSD＝{1→…→Y}，若S和D之间没有中继节点，即Y＝0，其直传吞吐量为 若S和D之间有中继节点，即Y≥1，则S与第一个中继节点之间的吞吐量为λ1，第Y个中继节点与D的吞吐量为λY+1，第y个中继节点与第y+1个中继节点的吞吐量为λy+1,y≤Y-1，S和D之间的中继传输吞吐量为 当终端对S和D之间的直传吞吐量大于中继传输吞吐量时，该终端对S和D选择直传通信，则S和D之间的吞吐量为 全网各数据终

端之间的吞吐量之和为

在上述更新过程中使用香农公式计算网络中任意两个节点之间的一跳传输吞吐量，包括数据终端与中继节点、中继节点与中继节点之间的一跳传输吞吐量；一跳传输吞吐量计算方式具体如下：假设节点i为发端，节点j为收端，节点i的发送功率为pi，节点i和节点j的信道选择分别为ai和aj，两者选相同信道时的信道增益为hij，则节点i和节点j之间的吞吐量为其中H(ai,aj)为信道ai和aj的信道重叠度，将节点i的信号功率谱密度表示为Si(f)，节点j的频率响应表示为Bj(f)，信道ai和aj的中心频率间隔表示为τ，则信道重叠度可为 f表示频率，N0表示背景噪声。

说明书

一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法。

背景技术

[0002] 无线通信网络中，由于发射功率受限、信号传输存在损耗等原因，数据终端的传输范围有限，相距较远的两个终端之前无法直接通信。中继技术能够有效解决此问题。位于发端(源节点)和收端(目的节点)之间的中继终端可以通过放大转发(amplify-and-forward，AF)或译码转发(decode-and-forward，DF)技术，对接收到的信号进行转发，使得目的节点成功解调信号。但此类方法存在不足之处。假设各节点只有一个通信接口。当只考虑一个源节点、一个中继和一个目的节点时，若源节点和目的节点在不同信道上工作，中继节点需要先在源节点所用信道接收信息，再切换到目的节点所在信道转发信息。当考虑多个源节点、多个中继和多个目的节点时，若源节点和目的节点在多个信道上工作，多个中继需要进行信道切换，以保证信息的顺利转发。在这种情况下，此类方法的切换开销较大。解决方法之一是为中继节点配备多个通信接口，但此时对硬件要求较高，成本较大。当中继节点为可移动终端(如无人机)时，其可以利用动态性，在源节点和目的节点之间移动，扮演类似邮差的角色(参见：Q.Wu,Y.Zeng and R.Zhang“, Joint Trajectory and Communication Design for Multi-UAV Enabled Wireless Networks,”IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.17,no.3,pp.2109-2121,2018.)。此时，可以减少中继数量，但是信道切换的代价并没有降低，且中继节点移动所产生的能耗远远大于通信所产生的能耗。

[0003] 传统无线通信网络中的优化问题大多基于正交信道(non-partially overlapping channel,NOC)，即信道之间的频率间隔足够远，信道之间不存在重叠，当两对收发设备(以下简称设备对)选用不同信道通信时，各方收端不会接收到对方发端信号。该种信道划分方式的频谱利用率较低。部分重叠信道(partially overlapping channel,POC)指相邻信道之间频谱有重叠，当两个设备对选用相邻信道通信时，各方收端可能接收到对方发端信号，但接收信号强度小于选择同一个信道时的强度。此外，由于同一段频谱中POC数量远多于NOC，网络中设备可选择的策略空间更大，网络中的干扰情况相对较轻。目前基于POC技术大多通过优化信道选择实现网络吞吐量最大化或网络干扰最小化，尚未有利用POC重叠特性的中继传输方案。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种可行的基于部分重叠信道的多跳中继传输方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于部分重叠信道的多跳中继传输方法，

[0006] 假设网络中有一个控制中心；有N个数据终端，其集合为 有R个中继节点，其集合为 有A个信道，其集合为 信道带宽均为B，信道距离为Δ，正交信道有K个，其集合为

[0007] 工作时，各数据终端首先在 中随机选择一个正交信道工作，令数据终端n接入的正交信道为mn, 将数据终端n需要与之通信的其他数据终端定义为其邻居，集合为 控制中心按照以下过程对网络中各中继节点选择的信道以及各数据终端之间的中继传输链路进行更新：

[0008] 初始化状态下，各中继节点随机选择一个信道工作，令中继节点r接入的信道为[0009] 在第k次迭代中，k≥1，控制中心随机选择一个中继节点r进行信道更新，该中继节点依次尝试接入所有信道，而其他中继节点的信道保持不变，并将除中继节点r以外的所有中继节点的信道集合记为a-r，假设中继节点r接入信道a′时， 某对数据终端n和m按照路径 传输可得到最大的吞吐量 则此时全网吞吐量之和为将能使全网吞吐量之和最大的信道作为中继节点r更新后的信
道，即 将中继节点r选择信道ar(k+1)时能使终端对n和
m之间吞吐量最大的路径作为更新后的路径，即

[0010] 较佳地，中继节点均采用DF方式转发，假设作为源节点的数据终端S和作为目的节点的数据终端D之间的中继节点个数为Y，其集合为 S和D之间的传输路径为pSD＝{1→…→Y}，若S和D之间没有中继节点，即Y＝0，其直传吞吐量为 若S和D之间有中继节点，即Y≥1，则S与第一个中继节点之间的吞吐量为λ1，第Y个中继节点与D的吞吐量为λY+1，第y个中继节点与第y+1个中继节点的吞吐量为λy+1,y≤Y-1，S和D之间的中继传输吞吐量为 当终端对S和D之间的直传吞吐量大于中继传
输吞吐量时，该终端对S和D选择直传通信，则S和D之间的吞吐量为
全网各数据终端之间的吞吐量之和为

[0011] 较佳地，在上述更新过程中使用香农公式计算网络中任意两个节点之间的一跳传输吞吐量，包括数据终端与中继节点、中继节点与中继节点之间的一跳传输吞吐量；一跳传输吞吐量计算方式具体如下：

[0012] 假设节点i为发端，节点j为收端，节点i的发送功率为pi，节点i和节点j的信道选择分别为ai和aj，两者选相同信道时的信道增益为hij，则节点i和节点j之间的吞吐量为其中H(ai,aj)为信道ai和aj的信道重叠度，将节点i的信号功率谱密度表示为Si(f)，节点j的频率响应表示为Bj(f)，信道ai和aj的中心频率间隔表示为τ，则信道重叠度可为 f表示频率。

[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用信道的重叠特性，相邻信道之间可以进行信息交互，中继节点以多跳的方式将源节点信息传递给目的节点，减少了信道切换和位置移动的开销；(2)由于相同频谱资源下部分重叠信道的数量远多于正交信道的数量，所提本发明方法极大提高了频谱利用率。

附图说明

[0014] 图1是本发明中正交信道与部分重叠信道对比示意图。

[0015] 图2是本发明实施例中的网络结构示意图。

[0016] 图3是本发明实施例中算法收敛后中继信道选择和中继传输路径示意图。

[0017] 图4是本发明实施例中学习算法对比图。

具体实施方式

[0018] 容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

[0019] 结合附图，假设网络中有一个控制中心，有N个数据终端，其集合为有R个中继节点，其集合为 有A个信道，其集合为 信道带宽均为B，信道距离为Δ，正交信道有K个，其集合为 网络中所有数据终端
和中继节点均只有一个通信接口，且采用半双工的通信方式，每跳链路通信时长相等，中继节点均采用DF方式转发，背景噪声为N0，路径损耗因子为α。

[0020] 在所述DF方式转发中，假设作为源节点的数据终端S和作为目的节点的数据终端之间的中继节点个数为Y，其集合为 S和D之间的传输路径为pSD＝{1→…→Y}，若S和D之间没有中继节点，即Y＝0，其直传吞吐量定义为 若S和D之间有中继节点，即Y≥1，则S与第一个中继的吞吐量定义为λ1，第Y个中继与D的吞吐量为λY+1，第y个中继与第y+1个中继的吞吐量为λy+1,y≤Y-1，S和D之间的中继传输吞吐量为当终端对S和D之间的直传吞吐量大于中继传输吞吐量时，该终
端对S和D会选择直传(不需要中继节点进行辅助通信)，则S和D之间的吞吐量可表示为全网各数据终端之间的吞吐量之和表示为

[0021] 工作时，各数据终端首先在 中随机选择一个正交信道工作，令数据终端n接入的正交信道为mn, 将数据终端n需要与之通信的其他数据终端定义为其邻居，集合为 控制中心执行本发明提出的基于最优响应的中继-信道联合更新算法，对网络中各中继节点选择的信道以及各数据终端之间的中继传输链路进行更新；具体如下：

[0022] 初始化状态下，各中继节点随机选择一个信道工作，令中继节点r接入的信道为ar(0),

[0023] 在第k次迭代中，k≥1，控制中心随机选择一个中继节点r进行信道更新，该中继节点依次尝试接入所有信道，而其他中继节点的信道保持不变，并将除中继节点r以外的所有中继节点的信道集合记为a_r，假设中继节点r接入信道a′时， 某对数据终端n(源节点)和m(目的节点)按照路径 传输可得到最大的吞吐量 则此时全网吞吐量之和可以表示为 将能使全网吞吐量之和最大的信道作
为中继节点r更新后的信道，即 将中继节点r选择信道
ar(k+1)时能使某终端对n和m之间吞吐量最大的路径作为更新后的路径，即[0024] 在上述更新过程中使用香农公式计算网络中任意两个节点(包括数据终端与中继节点、中继节点与中继节点)之间的一跳传输吞吐量；一跳传输吞吐量计算方式具体如下：

[0025] 假设节点i为发端，节点j为收端，节点i的发送功率为pi，节点i和节点j的信道选择分别为ai和aj，两者选相同信道时的信道增益为hij，则节点i和节点j之间的吞吐量表示为 其中H(ai,aj)为信道ai和aj的信道重叠度，将节点i的信号功率谱密度表示为Si(f)，节点j的频率响应表示为Bj(f)，信道ai和aj的中心频率间隔表示为τ，则信道重叠度可表示为 f表示频率。

[0026] 为了直观说明本发明的有益效果，对本发明方法进行了如下仿真实验，系统仿真采用Matlab软件，参数设定不影响一般性。

[0027] 结合图1，以802.11b的部分重叠信道模型为例，网络中共有11个信道，每个信道带宽B＝22MHz，信道距离Δ＝5MHz，则1,6,11号信道为正交信道，即

[0028] 结合图2，仿真场景为4个数据终端部署在一个14000m×14000m的网络中，发送功率均为0.1W，背景噪声N0＝-90dBm，数据终端x与数据终端y在同信道上传输时的信道增益为 其中dxy为两者物理距离，fc＝2.4GHz为载波频率，解调信噪比门限为-4dB，13个中继随机分布在数据终端部署区域内。网络拓扑如图1所示，三角形表示数据终端，实线为其传输范围，圆点表示中继节点。仿真所用信道参数参考802.11b，图
2中三角形右上角数字表示各数据终端选择的正交信道序号。

[0029] 结合图3，基于图2所示的网络环境，控制中心执行基于最优响应的中继-信道联合更新算法达到收敛后，网络中各终端对之间的传输路径和传输路径上的中继节点所选信道如图3所示。可以看出，各终端可以通过所提方法与邻居终端进行通信。此外，由于多个传输路径存在共用中继的情况，所提方法可以避免中继进行信道切换。

[0030] 结合图4，仿真结果为500个随机产生(数据终端位置不变，中继节点位置随机产生)的拓扑所得结果取平均得到。由图4可以看出，所提方法能够收敛，且性能比基于较优响应的更新算法更优。

[0031] 结合仿真实验可以看出，本发明所述基于部分重叠信道的多跳中继传输方法，在提高频谱利用率的同时，节省了中继节点信道切换的开销和移动消耗的能量。