[发明专利]一种异构无线协同网络分布式信道智能探测与接入方法

权利要求书

1.一种异构无线协同网络分布式信道智能探测与接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据无线网络信道统计特性参数，通过线下迭代计算获得网络平均吞吐量λ^*；

步骤2、信源-信宿通信对感知和接入信道；在第n次观测中，从时长δ的微时隙开始，所有信源以相同概率p₀发送RTS数据包独立地竞争信道，如果没有信源发送RTS数据包，则所有信源在下个微时隙竞争信道；如果有两个或以上信源发送RTS数据包，则发生冲突，所有信源在下个微时隙继续竞争；如果仅一个信源s(n)发送RTS数据包，该信源获得信道接入机会，称为信道竞争获胜信源s(n)，然后进入步骤3；

步骤3、信源s(n)向信宿d(n)和所有中继节点广播RTS数据包；信宿d(n)通过解调接收RTS数据包内的训练符号序列，估计信源s(n)与其自身之间的直连信道SNRγ和直连信道最大可传输速率R_d(n)；同时，中继节点根据收到的RTS数据包估计信源s(n)到其自身的第一跳信道SNR，进入步骤4；

步骤4、根据网络平均吞吐量λ^*和直连信道最大可传输速率R_d(n)，离线计算得出放弃接入的SNR判决门限和直连信道接入的SNR判决门限进入步骤5；

步骤5、根据异构两跳中继信道的统计信息，离线计算探测j个中继的判决区间B_s(n),j，中继数量j从1开始，到L-1结束，L表示总的中继节点数量，进入步骤6；

步骤6、基于判决门限和进行数值比较，判断最优信道接入模式，进行第一级决策φ_n：如果按照中继协同的感知接入方法进行信道接入，转至步骤7；否则，按照不依赖中继的感知接入方法进行信道接入，转至步骤11；

步骤7、将直连信道SNRγ与判决门限和进行比较，其中如果直连信道则信源s(n)按照直连信道最大可传输速率R_d(n)进行传输，第一级决策φ_n＝0，单次数据传输结束后返回步骤2；如果直连信道则信源s(n)放弃信道接入机会，φ_n＝L+1，转入步骤2；如果直连信道SNR满足则信宿d(n)进一步探测中继信道，进入步骤8；

步骤8、将直连信道SNRγ与中继数量判决区间B_s(n),j进行比较，其中中继数量j从1开始，到L-1结束，如果直连信道SNR满足γ∈B_s(n),j，则第一级决策φ_n等于最佳的探测中继节点数量j即φ_n＝j，否则为φ_n＝L，进入步骤9；

步骤9、信宿d(n)向信源s(n)和前φ_n个中继节点发送CTS包，令信源s(n)和φ_n个中继节点向信宿d(n)自身发送RTS数据包，用于估计中继信道的CSI，至此，信宿d(n)获得了φ_n个中继辅助传输的信道速率进入步骤10；

步骤10、进行第二级决策ψ_n，将直连信道最大可传输速率R_d(n)、中继辅助传输的信道速率与网络平均吞吐量λ^*进行比较，做出决策如下：

a)如果则信宿d(n)发送CTS包至信源s(n)，令信源s(n)在直连信道和φ_n个中继辅助信道中选择信道速率更大的信道，以速率进行数据传输，ψ_n＝0，单次数据传输后进行第n+1次观测，返回步骤2；

b)否则，信宿d(n)回复RTS数据包至所有信源节点，告知所有信源节点信宿d(n)放弃信道接入，并在下一轮竞争开始时，信源s(n)与其它信源节点重新竞争信道，ψ_n＝1，返回步骤2；

步骤11、将直连信道最大可传输速率R_d(n)与网络平均吞吐量λ^*进行比较，做出决策如下：

a)如果直连信道最大可传输速率R_d(n)≥λ^*，则信宿d(n)发送CTS包至信源s(n)，告知信源s(n)通过直连信道最大可传输速率R_d(n)进行数据传输，单次数据传输结束后进行第n+1次观测，返回步骤2；

b)否则，信宿d(n)回复RTS数据包至所有信源节点，告知所有信源节点信宿d(n)放弃信道接入，并在下一轮竞争开始时，信源s(n)与其它信源节点重新竞争信道，返回步骤2；

步骤1所述的根据无线网络信道统计特性参数，通过线下迭代计算获得网络平均吞吐量λ^*，具体如下：

(1)无线网络信道统计特性参数如下

①信源-信宿对为K个，分别表示为信源S₁,...,S_i,...,S_K，信宿D₁,...,D_i,...,D_K，中继节点为L个，表示为R₁,R₂,...R_L；在每一轮新的观测开始时，各信源在每个时长为δ的微时隙开始时独立地竞争信道，以概率p₀发送RTS数据包；

将信道竞争开始直至出现获胜信源的过程定义为一次观测，每次观测过程中竞争的数量满足参数为Kp₀(1-p₀)^K-1的几何随机分布，在一次观测过程的最后一次信道竞争中，获胜信源—信宿对出现，经历的时间为τ_RTS+τ_CTS，概率为Kp₀(1-p₀)^K-1，其中τ_RTS表示传输RTS数据包的时间，τ_CTS表示传输CTS包的时间，K表示信源-信宿对的个数；在其他次信道竞争中，网络中只会出现空闲时隙或者发生冲突，空闲时隙持续时间为δ、概率为(1-p₀)^K，发生冲突持续时间为τ_RTS、概率为1-(1-p₀)^K-Kp₀(1-p₀)^K-1)，因此，一次观测过程中从信道竞争开始到获胜信源—信宿对出现所经历的平均时长τ₀为

②从第i个信源S_i到其信宿D_i的直连信道的接收SNR表示为γ_i，从第i个信源到第j个中继的第一跳信道接收SNR表示为从第j个中继到第i个信宿的第二跳信道的接收SNR表示为直连信道和中继信道均服从瑞利衰落模型，信道接收SNRγ_i、和服从指数随机分布，期望分别为和

③直连信道的信道速率为R_d＝log₂(1+γ_i)，中继信道中，信宿在探测得到j个中继的第一跳和第二跳信道CSI后，令信源选择信道质量最好的中继j^*进行辅助传输，此时R表示中继节点的集合，执行信号的放大-转发操作；在中继信道的辅助下，信宿收到的有用信号中同时包含通过直连信道和通过中继两跳信道传输的信号，因此信宿在探测j个中继节点后，得到通过中继辅助传输的最大信道接收SNR为R_j表示已经探测的j个中继节点的集合，信道可达速率为

④信道相干时间为τ_d，单次数据传输时间应不大于信道相干时间，若进行了中继探测，则单次数据传输的时间为信道相干时间τ_d减去探测中继的时间；

(2)网络平均吞吐量λ^*的计算公式如下

其中，E[·]表示期望；M_i,j(γ)表示探测j个中继后的得到的中继辅助传输的信道收益；τ^j＝jτ_RTS+τ_CTS，表示探测j个中继的时间；表示探测j个中继后，可用于数据传输的时间；采用蒙特卡洛的方式对λ^*进行求解，根据信道变化率，对信道进行采样，根据不同用户的最大收益函数，迭代求和后取平均，最后根据上述公式求解得到网络的平均吞吐量λ*；

步骤4所述的根据网络平均吞吐量λ^*和直连信道最大可传输速率R_d(n)，离线计算得出放弃接入的SNR判决门限和直连信道接入的SNR判决门限具体计算公式如下：

其中，表示探测j个中继的收益函数M_i,j(γ)与0的交点，0表示放弃传输机会的收益；为所有j中的最小值；表示探测j个中继地收益函数M_i,j(γ)与τ_dR_d-λ^*τ_d的交点，τ_dR_d-λ^*τ_d表示通过直连信道传输的收益，为所有j中的最大值；

步骤5所述的根据异构两跳中继信道的统计信息，离线计算探测j个中继的判决区间B_s(n),j，具体计算公式如下：

(1)探测j个中继的收益函数M_i,j(γ)的解析表达式如下：

其中，β_l(γ)＝lμ_i(α(γ)-1-γ)，和J(x)＝e^xE₁(x)，E₁(x)为指数积分函数，具体表示为表示在信源i直连信道SNRγ_i＝γ，中继数量为j个的条件下的中继辅助信道SNRγ_i,j的累积分布函数，为γ_i,j的概率密度函数，具体表示为其中

(2)定义收益函数M_i,j(γ)的差函数ΔM_i,j(γ)：

ΔM_i,j(γ)＝M_i,j+1(γ)-M_i,j(γ)j＝1,2,...,L-1 (7)差函数ΔM_i,j(γ)表示探测中继数量若由j增加到j+1，给网络带来的收益的差值，具有如下性质：

①对于固定的探测中继数量j，当时，随着γ的增加，函数ΔM_i,j(γ)单调递减；当时，最多具有j个解使得ΔM_i,j(γ)＝0；

证明：

当时，对差函数ΔM_i,j(γ)求导数得

当时，用多项式的形式表示对ΔM_i,j(γ)求导数，可得

将上式(9)中的替换为变量x，则可表示为x的j阶多项式，则方程最多具有j个解，即函数ΔM_i,j(γ)最多有j个驻点，方程ΔM_i,j(γ)＝0最多具有j个解，证毕；

②随着探测中继数量j的增加，函数ΔM_i,j(γ)呈现单调递减；

证明：

函数ΔM_i,j(γ)可被改写为

其中，A_j＝max{R_d,log₂(1+γ_i,j)/2,λ^*}；

显然，对于可得到以下不等式

证毕；

(3)定义判决区间B_i,j：

令为使方程ΔM_i,j(γ)＝0的所有解的集合；根据的值，定义判决区间B_i,j，使得当γ∈B_i,j时，满足ΔM_i,j(γ)≤0，由于可能代表一个或多个值，因此，B_i,j可能为多个不相交子区间的并集。