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1、(10)申请公布号 CN 103415057 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103415057 A *CN103415057A* (21)申请号 201310394652.3 (22)申请日 2013.09.03 H04W 40/12(2009.01) H04W 40/10(2009.01) H04B 7/14(2006.01) (71)申请人 中国人民解放军理工大学 地址 210007 江苏省南京市御道街标营 2 号 (72)发明人 吴启晖 王金龙 张宗胜 黄育侦 郑学强 徐煜华 (74)专利代理机构 江苏永衡昭辉律师事务所 32250 代理人 王斌 (54) 发明名称。
2、 基于最优停止理论的最优能效中继选择方法 (57) 摘要 本发明提出了基于最优停止理论的最优能效 中继选择方法， 所述方法通过探测中继节点至目 的节点的信道状态信息， 进而分别计算当前获得 的能效值和继续下一次探测的能效期望值， 如果 当前获得的能效值不小于继续下一次探测的能效 期望值， 则选择当前已经探测了的中继链路中信 道最佳的中继节点进行通信。本发明方法具有 门限性质， 易于实现， 并且是以系统能效为优化目 标， 具有工程价值， 适用于传统的蜂窝网络、 adhoc 网络等多种场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产。
3、权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103415057 A CN 103415057 A *CN103415057A* 1/1 页 2 1. 基于最优停止理论的最优能效中继选择方法， 其具体步骤如下 ： 步骤 1， 初始化中继编号 m=1， 设定探测单个中继链路的时间开销和时隙总长度， 探测 单个中继链路的能量开销和任意中继节点传输的单位时间能量开销 ； 步骤 2， 如果 mM， M 表示中继数目， 停止探测， 并选择已探测的中继链路中链路信道增 益最大的中继节点进行通信 ； 否则， 探测第 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm；。
4、 步骤 3， 根据探测到的第 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm， 分别计算当前获 得的能效值和继续下一次探测的能效期望值 ； 步骤 4， 比较当前获得的能效值和继续下一次探测的能效期望值， 如果当前获得的能效 值不小于继续下一次探测的能效期望值， 则停止探测， 并选择当前已经探测了的 m 个中继 链路中链路信道增益最大的中继节点进行通信 ； 否则， m 值加 1， 并返回步骤 2， 继续下一中 继节点的链路探测。 权 利 要 求 书 CN 103415057 A 2 1/6 页 3 基于最优停止理论的最优能效中继选择方法 技术领域 0001 本发明属于无线通信技术领域， 尤其是涉及。
5、基于最优停止理论的最优能效中继选 择方法。 背景技术 0002 随着因特网及多媒体技术的迅速发展， 无线用户越来越希望通信系统能提供更加 丰富的业务， 通信技术和通信系统在最近二十年得到了飞速发展。 现阶段， 无线通信已经进 入第四代系统 （4G） 。在这一阶段的研究中， 专家们发现了传统移动通信中存在一些问题亟 待解决 ： 一方面， 移动通信虽然经历了数代演进， 但是核心还是基于上世纪六十年代美国的 蜂窝状结构， 越来越多的研究表明这种系统存在瓶颈 ； 另一方面， 我们知道无线信号的传播 会同时受到传播损耗和多径衰落的影响， 在传统蜂窝网络的星形拓扑结构中， 基站作为无 线接入的中心节点与小。
6、区内的各个用户建立点到点的无线链路。当用户处于小区边缘时， 由于基站与用户距离较远， 造成接收信号强度偏低， 难以支持高速率数据的传输， 或者需要 牺牲较大的能量开销用以支持高速率传输。 0003 为了克服上述传统蜂窝网络结构的限制， 中继逐渐被引入无线网络中。中继通信 具有成本低、 覆盖范围广、 通信可靠性高及有效性强等特点， 近二十年已逐渐成为无线通信 研究热点问题之一。为了提高系统的可靠性， 多中继协作系统出现。虽然多中继系统带来 系统的分集增益和提高系统的可靠性， 但是会牺牲系统的吞吐量。为了保持多中继系统的 分集增益优势， 同时克服协作系统吞吐量会降低的不足， 中继选择应运而生。与此。
7、同时， 无 线网络中节点的能量是至关重要的环节之一， 为了更好地延长网络寿命， 结合能效进行中 继选择， 采用最优停止理论， 提出最佳能效中继选择方法， 是中继选择方法发展的方向。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足 , 本发明提出了基于最优 停止理论的最优能效中继选择方法。 0005 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案如下 ： 基于最优停止理论的最优能 效中继选择方法， 其步骤如下 ： 0006 步骤 1， 初始化中继编号 m=1， 设定探测单个中继链路的时间开销和时隙总长度， 探测单个中继链路的能量开销和任意中继节点传输的单位时间能量开销 ； 000。
8、7 步骤 2， 如果 mM， M 表示中继数目， 停止探测， 并选择已探测的中继链路中链路信 道增益最大的中继节点进行通信 ； 否则， 探测第 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm； 0008 步骤 3， 根据探测到的第 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm， 分别计算当 前获得的能效值和继续下一次探测的能效期望值 ； 0009 步骤 4， 比较当前获得的能效值和继续下一次探测的能效期望值， 如果当前获得的 能效值不小于继续下一次探测的能效期望值， 则停止探测， 并选择当前已经探测了的 m 个 说 明 书 CN 103415057 A 3 2/6 页 4 中继链路中链路信道增益。
9、最大的中继节点进行通信 ； 否则， m 值加 1， 并返回步骤 2， 继续下 一中继节点的链路探测。 0010 本发明的有益效果是 ： 本发明提出了基于最优停止理论的最优能效中继选择方 法， 所述方法通过探测中继节点至目的节点的信道状态信息， 进而分别计算当前获得的能 效值和继续下一次探测的能效期望值， 如果当前获得的能效值不小于继续下一次探测的能 效期望值， 则选择当前已经探测了的中继链路中信道增益最大的中继节点进行通信。本发 明方法具有门限性质， 易于实现， 并且是以系统能效为优化目标， 具有工程价值， 适用于传 统的蜂窝网络、 adhoc 网络等多种场合。 附图说明 0011 图 1 为。
10、本发明所采用的系统模型。 0012 图 2 为系统工作时隙 2 模型。 0013 图 3 为已探测中继节点数目和系统能效关系曲线。 0014 图 4 为采用三种不同中继选择算法时， 系统能效与中继节点数目的关系曲线。 0015 图 5 为系统最佳中继节点探测数目与中继节点数目的关系曲线。 具体实施方式 0016 下面结合附图， 对本发明提出的基于最优停止理论的最优能效中继选择方法进行 详细说明 ： 0017 本发明考虑的系统模型如图 1 所示， 系统包含一个源节点， M 个中继节点， 一 个目的节点。系统中节点间的信道增益为非对称， 即节点 1 和节点 2 之间的链路满足 |h12|2 |h2。
11、1|2， 其中 |h12|2表示节点 1 至节点 2 的链路增益， |h21|2表示节点 2 至节点 1 的 链路增益， 这与实际通信系统更加吻合。 这种更贴近实际的系统模型， 打破了传统中常规的 中继选择方法， 即中继节点至目的节点的链路状态信息一次性获得并且是对称的。 因此， 本 发明需要逐个获取中继节点至目的节点间的链路信息， 并且考虑更为实际， 即获取链路信 息时需要消耗时间和能量。假设获取一条链路信息每次需要开销时间 t 和能量 Ps。系统的 时隙 2 工作模型如图 2 所示， 其工作过程简要概括为当系统判断在当前已探测的中继链路 条件下， 能获得的能效回报值不小于继续探测下一中继链。
12、路的期望能效回报值时， 系统停 止探测， 并在已探测的中继中选择链路状态最好的中继进行中继通信。为了更加方便地描 述， 本发明作出如下四个说明 0018 说明 1 ： 任意中继节点至目的节点的信道增益服从同构的瑞利分布， 并且在同一 个时隙内信道状态保持不变。 0019 说明 2 ： 源节点和目的节点之间的距离相对较远或者处于深度衰落状态， 因此， 系 统不存在直传链路。 0020 说明 3 ： 系统的吞吐量是由第二跳链路决定， 即所有中继都正确译码。因为所有中 继节点至目的节点间的信道增益是同构的， 所以系统探测信道状态时随机选择一个未探测 的中继链路进行探测。 0021 说明 4 ： 系统。
13、选择一个先前已经探测过的中继节点进行通信， 并且一个时隙内只 选择一个中继节点进行通信。 说 明 书 CN 103415057 A 4 3/6 页 5 0022 信道探测一般分为三步 ： 首先， 选定中继节点发送信道探测信号 ； 其次， 目的节点 根据接收到的探测信号的大小去估计信道状态 ； 最后， 目的节点将信道状态信息转发给决 策中心 （决策中心由目的节点担任或其他指定节点担任均可， 如果是目的节点担任， 则无需 第三步） 。 0023 本发明将系统的能效定义为在单位时间内传输的数据量与能量开销的比值， 数学 表达式为 : 0024 0025 其中R表示系统能效， C表示单位时间内数据传输。
14、量， E表示单位时间内能量开销。 根据系统的工作模式， 可知探测了 m 个中继节点链路后， 单位时间内系统的数据传输量表 述为 : 0026 0027 其中 T 表示一个工作时隙的长度， m 表示已探测了的中继链路数目， hmax(m) 表示已 经探测了的m个中继链路中最大的链路增益， PT表示中继节点的发射功率 （假设所有中继节 点发射功率均相同） ， t 表示探测单个中继节点至目的节点链路的时间开销。类似地， 单位 时间内系统的能量开销表述为 0028 0029 其中 PS表示探测单个中继节点至目的节点的链路所需的能量开销。根据系统单 位时间能效的定义， 系统能效表示为 0030 0031。
15、 根据系统能效的表达式， 得出系统能效存在一个折中 ： 提高探测次数 m， hmax(m) 会 变大， 但是系统剩余的传输时间 (T-mt) 会相应地变小。依据这种折中特性， 本发明采用最 优停止理论， 以系统能效为优化目标， 获取最佳探测次数， 并且所提的中继选择方法具有门 限特性。 0032 本发明主要是将基于能效最优的中继选择问题转换为最优停止问题， 所以简要介 绍下最优停止理论。 0033 最优停止理论包含两要素 ： 0034 要素 1 ： 一串随机量 X1， X2， Xn， 它们的分布是已知的， n 为随机量个数 ； 0035 要素 2 ： 一串回报函数， y0， y1(x1)， y。
16、2(x1,x2)， y(x1,x2,)， 其中 x1， x2，xn 是 X1， X2， Xn的一次实现。 0036 依据上述定义， 对于一次实现 X1=x1， X2=x2， Xn=xn， 这时选择停止并获得当前回 报值 yn(x1,x2,xn) 或者选择继续观察 Xn+1的实现并重新做决定。 0037 结合本发明所要解决的基于能效的中继选择问题， 可知在停止探测前需要探测的 中继数目 Mstop表述为 说 明 书 CN 103415057 A 5 4/6 页 6 0038 0039 其中表示随机变量的期望， hk表示第 k 个中继节点至目的节点的链路增益， W(m+1) 表示继续下一次探测获得。
17、的能效值， 表述为 0040 0041 其中 hm+1表示第 m+1 个中继节点至目的节点的链路增益。通过计算， 可知探测下 一中继链路能获得的期望能效为 ： 0042 0043 0044 其中 Ei(x) 是指数积分函数， 表述为 0045 0046 从上述分析得到， 系统只需要比较当前获得的能效值和继续下一中继链路探测后 获得的能效期望值。如果当前获得的能效值不小于下一次继续探测获得的期望能效值， 则 停止探测， 在已探测的中继链路中选择链路最佳的中继节点进行通信， 否则继续探测下一 链路。因此， 本发明的中继选择方法复杂度较低， 简单易于实现。 0047 为了简化描述和便于说明， 定义下。
18、列函数 0048 0049 Pm(hmax(m)=b(m)-b(m+1)log2(1+PThmax(m) 0050 0051 Km(hmax(m)=Pm(hmax(m)-Qm(hmax(m) 0052 根据上述函数的定义， b(x) 的一阶导数表述为 0053 0054 从一阶导数得到 b(x)b(m+1)。同理二阶导数表述为 0055 0056 从二阶导数看出 b(x) 是凸函数。根据函数 b(x) 的特性， 则 Pm(hmax(m) 和 Qm(hmax(m) 具有下列特性 0057 Pm+1(hmax(m+1) Pm(hmax(m) 0058 Qm(hmax(m)Qm+1(hmax(m+1。
19、) 0059 依据 Pm(hmax(m) 和 Qm(hmax(m) 的上述性质， 则 Km(hmax(m) 满足 0060 Km+1(hmax(m) Km(hmax(m) 说 明 书 CN 103415057 A 6 5/6 页 7 0061 上式表明， 本发明方法是能效最优的。 0062 依 据 上 述 Pm(hmax(m) 和 Qm(hmax(m) 的 相 关 特 性，得 到 函 数 Pm(hmax(m) 和 -Qm(hmax(m) 分别是 hmax(m) 的增函数。因此， 推断出 Km(hmax(m) 也是 hmax(m) 的增函数。 同时， 可知因此方程 Km(hmax(m)=0 具有。
20、唯 一的根 gm。 0063 结合上述分析， 最佳停止中继节点是在已探测中继信道链路满足 Km(hmax(m)=0 的 条件时停止探测， 即当已探测的 m 个中继链路中信道状态满足 hmax(m) gm。此时看出本发 明所提中继选择方法具有门限特性。 0064 本发明步骤如下 ： 0065 步骤1， 初始化中继编号m=1， t为探测单个中继链路的时间开销， T为时隙总长度， PS为探测单个中继链路的能量开销， PT为任意中继节点传输的单位时间能耗开销 ； 0066 步骤 2， 如果 mM， M 表示中继数目， 停止探测， 并选择已探测的中继链路中链路最 佳的中继节点进行通信 ； 否则， 探测第。
21、 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm； 0067 步骤 3， 根据探测到的第 m 个中继节点至目的节点的信道状态信息 hm， 分别计算当 前获得的能效值和继续下一次探测的能效期望值 ； 0068 步骤 4， 比较当前获得的能效值和继续下一次探测的能效期望值， 如果当前获得的 能效值不小于继续下一次探测的能效期望值， 则停止探测， 并选择当前已经探测了的 m 个 中继链路中信道最佳的中继节点进行通信 ； 否则， 令 m 值加 1， 并返回步骤 2， 继续下一中继 节点的链路探测。 0069 将本发明与已有两种中继选择方法进行比较， 已有方法 1， 我们定义为穷探方法 PORSS， 即将。
22、所有中继链路信息获取后， 根据最大最小原则进行中继选择 ； 已有方法 2， 定义 为随机方法RORSS， 即只根据第一跳链路的状态信息进行中继选择。 穷探方法PORSS的能效 表示为 0070 0071 同样， 系统采用随机方法， 即根据第一跳链路状态选择中继， 此时， 随机方法 RORSS 的能效表述为 0072 0073 本发明采用的实际系统模型是 adhoc 网络， 一些实际参数选择为 ： 单个时隙总长 度 T=100ms ； 探测单个中继链路每次单位时间能量开销根据不同的验证需要设定 ； 传输过 程单位时间能量开销 PT=5 瓦 ； 探测单个中继链路所需时间开销根据验证需要动态调整 ；。
23、 中 继数目也随着验证需要而动态调整 ； 0074 如图 3 所示， 主要验证了系统的能效确实伴随着已探测中继节点数目存在一定的 折中。图 3 显示在不同的单个中继链路探测时间开销和单个中继链路探测能量开销的情况 下， 系统目标函数能效均是关于已探测中继节点数目的凸函数， 说明存在一个最优的中继 节点探测数目。 0075 图 4 主要验证不同方法的能效与中继节点数目的关系。图 4 表示本发明采用的 说 明 书 CN 103415057 A 7 6/6 页 8 基于最优停止的方法的能效是最佳的。同时， 当中继节点数目较少时， 三种方法性能差距 不大， 但是随着中继节点数目的增加， 穷探方法性能下。
24、降较快， 随机方法性能反而会有所提 升。解释为， 当中继节点数增大时， 穷探方法需要付出相对过大的开销 （包括时间开销和能 量开销） ， 随机方法虽然不一定能选择到好的中继节点， 但是不需要付出额外的链路探测开 销。 0076 图 5 主要验证最优探测中继数目与不同的中继数目的关系。图 5 显示出不管是 提高单个信道探测时间开销或者是提高单个信道探测能量开销， 最优探测中继数目都会下 降。主要原因是， 伴随着开销的加大， 系统会相对不情愿继续往后探测， 即系统的能效会降 低。同样还显示出系统更喜欢探测部分中继链路， 而并非全部中继链路。 0077 为了更加清晰地说明本发明所提方法是能效有效的，。
25、 表1给出了在15个中继节点 时， 系统能效与已探测中继数目的具体值。从表中看出探测数为 0 和探测全部中继均不是 能效最佳， 即本发明所提方法的能效性能优于穷探方法和随机方法。 0078 表 1 ： 系统获得的能效与探测中继数的数值表 0079 已探测中继数当前能效回报值探测下一中继能获得的能效期望值 10.5348750.626322 20.6532780.732874 30.8065830.891254 40.9280970.978745 51.0523761.207893 61.2025631.158542 71.1457841.122354 81.0932011.072002 91.0140020.940078 100.9600950.910258 110.9245020.892589 120.9098100.881901 130.8938720.877432 140.8729020.869456 说 明 书 CN 103415057 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103415057 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103415057 A 10 3/3 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103415057 A 11 。