CN101951641B - 基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，主要解决现有技术在网络较稀疏或负荷较大时延迟增大且吞吐量下降的问题，其步骤是：(1)对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控制分组的通信范围；(2)在该控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点计算任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径；(3)根据该偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，发送控制分组邀请该中继节点参与三点协作，并由中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，再按照分布式空时编码的方式完成数据传输。本发明能提高网络吞吐量，减小延迟，可用于协作通信领域。

Description

基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及协作通信中寻找中继节点的方法，可用于协作通信领域中虚拟多输入多输出MIMO系统在Ad hoc网络中的通信。

背景技术

随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长。另一方面，可利用的无线频谱是有限的，如果通信频谱的利用率没有得到显著提高，就不可能满足通信容量的需求。在单天线链路系统中，采用先进的编码，例如Turbo码和低密度奇偶校验码，就可以接近香农容量极限。通过增加发射端和接收端的天线数量，可以进一步显著提高频谱利用率，这就是多输入多输出MIMO系统。与之相对的就是单输入单输出SISO系统。

使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一种可行、有效的方法。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术。该编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以使接收机克服MIMO信道衰落并减少接收误码。对于空间未编码系统，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。空时编码在编码结构上有多种方法，包括空时分组码，空时网格码等。所有这些编码方案的核心思想都是使用多径能力达到获得较高的频谱利用率和性能增益的目的。

虽然MIMO可以提供发射分集和功率增益，但是在某些领域中，终端设备上无法安装多个分集天线，如低功耗或尺寸受限的传感器节点，小型手持设备等，因而无法使用MIMO技术。为了解决这个问题，分布式空时编码提出了在多个单天线终端上以分布式的方式进行空时编码，构建虚拟MIMO传输信道，提供协作分集的技术。国内外对分布式空时编码的研究已取得了一些成果。如“J.N.Laneman and G.W.Wornell.“Distributed Space-Time-Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in WirelessNetworks.”IEEE Global Telecommunications Conference.2002.”里提出“放大并转发”和“解码并转发”两种中继节点转发信号的方式。“H.T.Cheng et al.“DistributedSpace-Time Block Coding with Imperfect Channel Estimation.”IEEE InternationalConference on Communications.2005.”研究了分布式空时编码在信道估计不准确时的应用。“S.Moh，et al.“CD-MAC：Cooperative Diversity MAC for Robust Communication inWireless Ad Hoc Networks.”IEEE International Conference on Communications.2007.”提出了协作分集的媒体接入控制MAC算法。“M.Wódczak.“Extended REACT-Routinginformation Enhanced Algorithm for Cooperative Transmission.”Mobile and WirelessCommunications Summit.2007.”中提出了适合协同传输的路由信息增强算法。

然而在现有的研究中，需要较多数量的中继节点参与协作，并且发射节点仅在SISO方式的传输范围内寻找中继节点。例如在“Gentian Jakllari，et al.“A Cross-LayerFramework for Exploiting Virtual MISO Links in Mobile Ad Hoc Networks.”IEEETransactions on Mobile Computing.2007.”中需要多达4个中继节点才能完成协作，且寻找中继节点的范围较小，故这种方法在网络较为稀疏或网络负荷较大时，很难找到足够的节点参与协作，最终导致网络延迟增大，吞吐量下降。

发明内容

本发明的目的在于针对述已有技术的不足，提出一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，以在网络较为稀疏或网络负荷较大时，减小网络延迟，提高吞吐量。

实现本发明目的技术关键是要找到较多的节点参与协作，具体步骤包括如下：

(1)对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控制分组的通信范围：

(1a)定义r为单输入单输出SISO方式的通信半径，表示为：

$r=v\sqrt{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}$

其中E_s为发射节点单位距离处接收到的信号的平均功率，v为路径损耗指数，N₀为平均噪声功率；

(1b)根据单输入单输出SISO方式的通信半径，得到控制分组通信半径R的约束条件为：

$R\≤\sqrt{10}\·r$

(1c)根据控制分组通信半径R的约束条件，计算分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{DSTC}}=\frac{\frac{\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0}+\frac{E_S}{d_{\mathrm{SD}}^v}}{N_0(3+\frac{2\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0})}=\frac{\frac{E_S^2}{R^v(E_S+N_0{R}^v)}+\frac{E_S}{2^v{R}^v}}{N_0(3+\frac{2E_S}{E_S+N_0{R}^v})}$

其中d_SR为发射节点到中继节点的距离，d_RD为发射节点到中继节点的距离，d_SD为发射节点到中继节点的距离；

(1d)设分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC的下界为544.391，得到控制分组通信半径R的性能下界

为：

$\hat{R}=v\sqrt{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}$

(1e)根据控制分组通信半径的性能下界

和SISO方式的通信半径r，设v＝2，得到

与r的关系为

$\hat{R}=r\·\frac{v\sqrt{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}}{v\sqrt{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}}=40791r;$

(1f)根据

与r的关系和约束条件

得控制分组通信半径R与SISO方式的通信半径r的关系为

(2)在的控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点计算任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径；

(3)根据任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，发送控制分组邀请该中继节点参与三点协作，并由中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，再按照分布式空时编码的方式完成数据传输。

本发明由于约束控制分组的长度，得到一个更广阔的选择协作节点的范围，与传统的协作通信相比较，具有如下优点：

a)寻找协作节点的范围更大，在路径损耗指数为2时可以增大到10倍的面积，因而有更大的概率找到中继节点，进而降低端到端传输的时延；

b)每个节点的相邻节点个数增加，因而网络的连通性更好，进而减小网络延迟，提高吞吐量。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图；

图2为本发明基于层次结构的传输范围示意图；

图3为本发明在MAC层单次传输的协议流程图；

图4为本发明的吞吐量仿真结果图；

图5为本发明的时延仿真结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现包括如下步骤：

步骤1，计算控制分组的通信范围。

(1a)定义r为单输入单输出SISO方式的通信半径，在该通信半径内误码率小于10^-5，用于传输长度不超过512字节的数据分组和控制分组，表示为：

$r=v\sqrt{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}$

其中E_s为发射节点单位距离处接收到的信号的平均功率，v为路径损耗指数，N₀为平均噪声功率；

(1b)根据单输入单输出SISO方式的通信半径，得到控制分组通信半径R的约束条件为：

$R\≤\sqrt{10}\·r$

在控制分组通信半径中，误码率在10^-5～10^-4之间，用于传输长度不超过51字节的控制分组，若控制分组的长度超过51字节，则拆分成多个不超过51字节的分组传输；

(1c)根据控制分组通信半径R的约束条件，计算分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{DSTC}}=\frac{\frac{\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0}+\frac{E_S}{d_{\mathrm{SD}}^v}}{N_0(3+\frac{2\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0})}=\frac{\frac{E_S^2}{R^v(E_S+N_0{R}^v)}+\frac{E_S}{2^v{R}^v}}{N_0(3+\frac{2E_S}{E_S+N_0{R}^v})}$

其中d_SR为发射节点到中继节点的距离，d_RD为发射节点到中继节点的距离，d_SD为发射节点到中继节点的距离；

(1d)设分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC的下界为544.391，得到控制分组通信半径R的性能下界

为：

$\hat{R}=v\sqrt{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}$

(1e)根据控制分组通信半径的性能下界和SISO方式的通信半径r，设v＝2，得到

与r的关系为

$\hat{R}=r\·\frac{v\sqrt{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}}{v\sqrt{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}}=4.791r;$

(1f)根据

与r的关系和约束条件得到控制分组通信半径R与SISO方式的通信半径r的关系为

如图2所示。

步骤2，计算最短路径。

(2a)在

的控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点生成邻接表A，表中元素a(i，j)是拓扑中节点i到节点j的边的权值：

(2b)根据邻接表A、网络拓扑G＝(V，E)的所有节点的集合V和任两节点间的边的集合E，初始化源节点s到其余各节点的偶数跳最短路径值的数组D_e和奇数跳最短路径值的数组D_o、源节点s到其余各节点的偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和奇数跳最短路径中前一跳的数组P_o；

(2c)根据偶数跳最短路径值的数组D_e、奇数跳最短路径值的数组D_o、偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和奇数跳最短路径中前一跳的数组P_o，对于集合V中任意两个节点i和节点j执行如下操作：

(2c1)如果满足：D_e(j)＞D_o(i)+a(i，j)，则令D_e(j)＝D_o(i)+a(i，j)，P_e(j)＝i，

其中D_e(j)为源节点s到节点j的偶数跳最短路径，D_o(i)为源节点s到节点i的奇数跳最短路径，a(i，j)为节点i与节点j之间的距离，P_e(j)为源节点s到节点j的偶数跳最短路径中的前一跳；

(2c2)如果满足：D_o(j)＞D_e(i)+a(i，j)，则令D_o(j)＝D_e(i)+a(i，j)，P_o(j)＝i，其中P_o(j)为源节点s到节点j的奇数跳最短路径中的前一跳；

(2d)重复执行步骤(2c)，直到不存在满足(2c1)或(2c2)的节点i和节点j为止；

(2e)将偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和齐数跳最短路径中前一跳的数组P_o按奇偶性交替反转，得到源点s到任一节点的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径。

步骤3，MAC层协作传输。

参照图3，MAC层协作传输的具体流程如下：

(3a)当发射节点准备发送数据分组时，首先根据偶数跳路由表中到目标节点的下一跳节点地址得到中继节点的地址，然后向中继节点发送本地请求发送分组，该本地请求发送分组中包含发射节点、中继节点的地址，其它节点收到此分组后，会在自己的网络分配向量表中增加一项发射节点的网络分配向量；

(3b)中继节点收到本地请求发送分组后，首先根据奇数跳路由表中到目标节点的下一跳节点地址得到接收节点的地址，然后向接收节点发送中转请求发送分组，该中转请求发送分组中包含发射节点、中继节点和接收节点的地址，其它节点收到此分组后，会在自己的网络分配向量表中增加一项中继节点的网络分配向量；

(3c)接收节点收到中转请求发送分组后，如果之前收到过发射节点的本地请求发送分组，则去掉网络分配向量表中发射节点的对应项，以免被阻塞，如果接收节点不忙且未被阻塞，则向中继节点发送本地许可发送分组，该本地许可发送分组中包含发射节点和中继节点的地址，其它节点收到此分组后，则在自己的网络分配向量表中增加一项接收节点的网络分配向量；

(3d)中继节点收到本地许可发送分组后，向发射节点发送中转许可发送分组；

(3e)发射节点收到中转许可发送分组后，向中继节点和接收节点发送训练符号，中继节点和接收节点由此估计出自己与发射节点之间的信道增益；

(3f)中继节点将收到的训练符号放大并转发给接收节点，接收节点由此估计出从发射节点经过中继节点到达接收节点的信道的增益；

(3g)发射节点将数据分组以SISO方式发送给中继节点；

(3h)发射节点和中继节点以分布式空时编码方式将数据分组发送给接收节点，其中，编码所用的码字为Alamouti码：

$C=\left(\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)---\left(1\right)$

发射节点按式错误！未找到引用源。中的第一列码字对数据编码，中继节点按式错误！未找到引用源。中的第二列码字对数据编码；

(3i)接收节点收到数据分组后，如果校验正确，则向中继节点发送确认分组；

(3j)中继节点收到确认分组后，转发给发射节点。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.实验条件设置

网络拓扑限定在一个100米×100米的方形区域内，节点坐标在此二维区域内服从均匀分布，每个节点的SISO传输半径，即数据分组传输半径为5米，控制分组传输半径和干扰区域半径都为

倍SISO传输半径，每个节点的新分组到达服从泊松分布，新分组的源地址为该节点地址，目标地址为除自身之外的随机地址，新分组和由其它节点转发而来的分组按时间顺序排入缓存队列中。

2.实验内容和结果

实验1，仿真不同节点个数的端到端吞吐量情况，仿真结果如图4，从图4可以看出，当节点数为1400的时候，分布式空时编码DSTC模式与SISO模式的吞吐量之比为1.234024Mbps/0.605448Mbps＝2.038倍，达到了提高吞吐量的目的。

实验2，仿真1000个节点时不同网络负载下端到端的分组时延情况，仿真结果如图5，从图5可以看出，当每节点分组到达率为64分组/秒时，DSTC模式与SISO模式的时延之比为29.695ms/240.13ms＝12.37％，达到了减少时延的目的。

Claims (4)

1.一种基于分布式空时编码的Ad hoc网络协作中继方法，包括如下步骤：

（1）对Ad hoc网络的物理层，通过约束控制分组的长度，得到一个专用于发送控制分组的通信范围：

（1a）定义r为单输入单输出SISO方式的通信半径，表示为：

$r=\sqrt[v]{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}$

其中E_S为发射节点单位距离处接收到的信号的平均功率，v为路径损耗指数，N₀为平均噪声功率；

（1b）根据单输入单输出SISO方式的通信半径，得到控制分组通信半径R的约束条件为：

$R\≤\sqrt{10}\·r$

（1c）根据控制分组通信半径R的约束条件，计算分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{DSTC}}=\frac{\frac{\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0}+\frac{E_S}{d_{\mathrm{SD}}^v}}{N_0(3+\frac{2\frac{E_S}{d_{\mathrm{RD}}^v}}{\frac{E_S}{d_{\mathrm{SR}}^v}+N_0})}=\frac{\frac{E_S^2}{R^v(E_S+N_0{R}^v)}+\frac{E_S}{2^v{R}^v}}{N_0(3+\frac{2E_S}{E_S+N_0{R}^v})}$

其中d_SR为发射节点到中继节点的距离，d_RD为发射节点到中继节点的距离，d_SD为发射节点到中继节点的距离；

（1d）设分布式空时编码方式的信噪比γ_DSTC的下界为544.391，得到控制分组通信半径R的性能下界

为：

$\hat{R}=\sqrt[v]{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}$

（1e）根据控制分组通信半径的性能下界

和SISO方式的通信半径r，设v=2，得到

与r的关系为

$\hat{R}=r\·\frac{\sqrt[v]{\frac{4.5914\×{10}^{-4}\·E_S}{N_0}}}{\sqrt[v]{\frac{E_S}{49998.5\·N_0}}}=4.791r;$

（1f）根据与r的关系和约束条件

得控制分组通信半径R与SISO方式的通信半径r的关系为

（2）在

的控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点计算任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径：

（2a）在

的控制分组通信范围内，路由层根据每个节点寻找到的邻居节点生成邻接表A，表中元素a(i,j)是拓扑中节点i到节点j的边的权值；

（2b）根据邻接表A、网络拓扑G=(V,E)的所有节点的集合V和任两节点间的边的集合E，初始化源节点s到其余各节点的偶数跳最短路径值的数组D_e和奇数跳最短路径值的数组D_o、源节点s到其余各节点的偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和奇数跳最短路径中前一跳的数组P_o；

（2c）根据偶数跳最短路径值的数组D_e、奇数跳最短路径值的数组D_o、偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和奇数跳最短路径中前一跳的数组P_o，对于集合V中任意两个节点i和节点j执行如下操作：

（2c1）如果满足：D_e(j)＞D_o(i)+a(i,j)，则令D_e(j)＝D_o(i)+a(i,j)，P_e(j)=i，其中D_e(j)为源节点s到节点j的偶数跳最短路径，D_o(i)为源节点s到节点i的奇数跳最短路径，a(i,j)为节点i与节点j之间的距离，P_e(j)为源节点s到节点j的偶数跳最短路径中的前一跳；

（2c2）如果满足：D_o(j)＞D_e(i)+a(i,j)，则令D_o(j)＝D_e(i)+a(i,j)，P_o(j)=i，其中P_o(j)为源节点s到节点j的奇数跳最短路径中的前一跳；

（2d）重复执行步骤（2c），直到不存在满足（2c1）或（2c2）的节点i和节点j为止；

（2e）将偶数跳最短路径中前一跳的数组P_e和奇数跳最短路径中前一跳的数组P_o按奇偶性交替反转，得到源点s到任一节点的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径；

（3）根据任两个节点间的偶数跳最短路径和奇数跳最短路径，MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，发送控制分组邀请该中继节点参与三点协作，并由中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，再按照分布式空时编码的方式完成数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（1）所述的约束控制分组的长度，是规定只允许传输长度不超过51字节的控制分组，若控制分组的长度超过51字节，则拆分成多个不超过51字节的分组传输。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（3）所述的MAC层选择到目标节点的下一跳作为中继节点，是在路由表中找出到目标节点的偶数跳最短路径中的下一跳节点作为中继节点。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（3）所述的中继节点选择到目标节点的下一跳作为接收节点，是在MAC层找出到目标节点的奇数跳最短路径中的下一跳节点作为接收节点。

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