一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法技术方案

本发明专利技术公开了一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，首先估算出目的节点D的接收信噪比，判断是否需要引入中继，然后计算出各个中继对基站的干扰，并按照优先级对所有中继进行排序，最后根据中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，从而得到可选中继集合。本发明专利技术方法提出了几种D2D通信系统中的中继选择方案以适应不同的系统环境要求，并且对碰撞概率做了优化，可使D2D通信系统能够在不影响蜂窝通信的基础上达到最佳性能。

【技术实现步骤摘要】
一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法
本专利技术属于中继通信领域，涉及一种中继选择方法。
技术介绍
近年来，移动通信的发展迅速，5G以下的带宽已经十分拥挤，对频带资源的重复利用显得尤为迫切。在蜂窝网络的基础上，引进D2D（Device-to-Device）通信可以很好的增加频带资源的利用率，减缓基站的负载。但是和蜂窝网络中遇到的问题（边缘用户服务的可靠性较差）一样，D2D通信中也存在着类似问题。所以可以将中继加入D2D通信中，提高D2D通信的覆盖范围，得到更稳定的服务。在一个蜂窝网络中会存在很多空闲移动终端，选用哪些终端作为中继关系到整个系统的性能，而不同的中继选择策略又有各自的优缺点。D2D（Device-to-Device）通信，即终端直通通信，是一种在系统控制下允许邻近的终端在近距离范围内使用蜂窝频谱资源通过直连链路进行数据传输的新型技术。由于D2D通信终端的是复用传统蜂窝通信的频带资源，所以D2D通信网络与蜂窝网络构成了混合网络，在中继选择时必须要考虑终端用户对基站的干扰。此外接收端的信噪比你随着所复用的蜂窝频谱资源的变化而变化，所以我们也需要考虑如何在不同的蜂窝频带资源中选择一个最佳的频带。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种应用于下一代蜂窝系统中、可使D2D通信系统能够在不影响蜂窝通信的基础上达到最佳性能的终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法。技术方案：本专利技术的终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，包括如下步骤：1）根据源节点S与目的节点D之间的链路质量信息，估算出目的节点D的接收信噪比，若目的节点D的接收信噪比大于或等于该目的节点正确解码所需的信噪比，则不需要引入中继，进入步骤5），否则需要引入中继，进入步骤2）；2）估算出各个中继R与目的节点D之间的链路质量信息，从而确定利用各个中继转发时目的节点D的接收信噪比，同时按照下式计算出各个中继对基站的干扰：IRiB＝Pi|hRiB|2，其中Pi是第i个中继的发射功率，hRiB是第i个中继与基站之间的链路质量信息，i表示第i个中继；3）按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为；首先确定中继优先级排序选择标准：在视距传播场景下，用距离选择标准，在其他场景下，若用户需要最好服务质量，则采用只考虑性噪比的选择标准，否则采用同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准；然后根据确定的中继优先级排序选择标准，对所有中继进行排序；4）按照步骤3）中确定的中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，最终得到可选中继集合，具体流程为：41）按照下式计算第i个中继的累积干扰Ii：若第i-1个中继为可选中继，则Ii=Ii-1+IRiB，若第i-1个中继不是可选中继，则Ii=Ii-1，其中累积干扰初值I0=0；42）若Ii>Itherd,，则该中继不是可选中继，否则该中继为可选中继，从而将其添加到可选中继集合；其中Itherd是基站的干扰阈值；43）若i＜N，则令i=i+1后返回步骤41），否则进入步骤5），其中N为中继总数；5）结束本方法流程。本专利技术方法的步骤3）中，同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准为按照下式计算得到的比较因子，从大到小对中继进行排序，比较因子越大则表明优先级越高：其中Ei是第i个中继的剩余能量，E是各个中继的初始能量，ε是剩余能量与目的节点接收信噪比的权衡因子，SNRi是第i个中继提供的信噪比。下面对不同的中继选择进行分析：（1）因为最后衡量的标准就是接收SNR，性能最好的是SNR选择方案。如图3所示，随着发送功率的增大，多中继SNR选择方案（这里的SNR是同时考虑接受信噪比以及发送干扰）的性能接近于最优单中继，这是因为在低发送功率区域，每个中继对基站的干扰比较小，可有多个中继参与协作，所以前者性能优于后者，但是随着发送功率的增大，干扰增大，参与协作的中继数目在降低，多中继的优势降低。距离选择方案的性能要低于SNR选择方案，因为链路的质量服从瑞利分布，某一时刻距离最短不能保证信道质量最优。同时考虑SNR与网络寿命的选择方案性能要优于距离选方案，而且在低发射功率区域两者的性能都优于单中继，但是在高发射功率区域，它们的性能都差于单中继选择方案，因为当达到饱和功率，可参与协作的中继数目降低了。多中继的优势就削弱了，且这个单中继在选择时是假设忽略了对基站的干扰影响，所以这个单中继从SNR方面来说是所有节点中最优的。在对通信质量的要求非常严格，对时延要求不太严格，且转发的数据量较少的场景下，应当选用SNR选择方案。（2）网络寿命定义为：从系统开始到网络中出现一个中继其剩余能量为0所经过的时间。三种方案下网络寿命随着发射功率的增大都在逐渐降低。同时考虑SNR与网络寿命选择方案的网络寿命是最大的（在发射功率大于40时，寿命几乎是其他两种方案的两倍）。SNR选择方案的寿命要高于距离选择方案，这是采用距离选择方案时，一旦可选中继集合确定了。由于各个中继的距离信息不会改变，所以距离较近的每次都参与中继，导致“最优”节点能量最先耗尽，从而影响了整个网络的寿命；而SNR选择方案每次选择时都会考虑链路的具体信息，距离最短性能不一定最优，每次选择时都与具体链路质量相关。所以整个网络寿命较距离选择方案而言更具优势。所以在对网络寿命比较关注的情况下，同时考虑SNR与网络寿命的方案应优先考虑。本专利技术D2D中继通信场景下，在保证D2D通信链路通信质量的同时不能干扰到正常的蜂窝通信，所以在中继选择过程中必须考虑中继对基站的干扰，且由于通信场景的不同，不同的中继方案有其适用的环境，为此本专利技术提出了几种中继选择方法并进行适用场景分析。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1）在中继选择过程中考虑不同的判决条件（距离，信噪比以及剩余能量），每种判决条件都有其适用范围，同时考虑不同判决条件以及终端对蜂窝系统的干扰，可以得到不同场景下的最佳中继选择方案。即中继选择方案不唯一，根据具体的情况自适应地调整中继选择方案，而传统中继选择方案唯一确定。使用信噪比选择方法性能要比距离选择法要好，在对通信质量的要求非常严格，对时延要求不太严格，且转发的数据量较少的场景下，应当选用SNR选择方案。从复杂度上来讲，距离选择方法要优于信噪比选择方法，因为信噪比选择方法先要进行中继信道质量估计，而距离选择方法实施简单。所以在对系统时延非常敏感，并且中继时常需要移动的场景或者是会议室场景距离选择方案更加合适。在会议室场景下，相当于很多中继所处的环境非常相似，信道质量的好坏与完全可以由距离的远近来衡量。以上这两种方法都未考虑整个系统的网络寿命，为此本专利技术又提出网络寿命选择方法，在中继选择时同时考虑中继节点的剩余能量，这种方法性能略低于信噪比选择方法，但增加了整个系统的寿命，对于像D2D这样能量受限的通信系统非常适用。2）与传统中继选择方案不同的是在D2D通信系统模型下中继对基站将会产生干扰，所以本专利技术采用的中继选择方案在选择过程考虑了中继对基站的干扰。3）待中继选择完成之后本专利技术对中继所复用的资源进行了优化，进一步提升了整个系统的性能。4）最后分析了中继选择过程中的碰撞概率，并对分布式中继选择方案中的定时器初值做了优化，从而进一步减少了碰撞概率。附图说明图1为本专利技术方法的系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）根据源节点S与目的节点D之间的链路质量信息，估算出目的节点D的接收信噪比，若目的节点D的接收信噪比大于或等于该目的节点正确解码所需的信噪比，则不需要引入中继，进入步骤5），否则需要引入中继，进入步骤2）；2）估算出各个中继R与目的节点D之间的链路质量信息，从而确定利用各个中继转发时目的节点D的接收信噪比，同时按照下式计算出各个中继对基站的干扰：IRiB＝Pi|hRiB|2，其中Pi是第i个中继的发射功率，hRiB是第i个中继与基站之间的链路质量信息，i表示第i个中继；3）按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为；首先确定中继优先级排序选择标准：在视距传播场景下，用距离选择标准，在其他场景下，若用户需要最好服务质量，则采用只考虑性噪比的选择标准，否则采用同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准；然后根据确定的中继优先级排序选择标准，对所有中继进行排序；4）按照所述步骤3）中确定的中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，最终得到可选中继集合，具体流程为：41）按照下式计算第i个中继的累积干扰Ii：若第i?1个中继为可选中继，则Ii=Ii?1+IRiB，若第i?1个中继不是可选中继，则Ii=Ii?1，其中累积干扰初值I0=0；42）若Ii>Itherd,，则该中继不是可选中继，否则该中继为可选中继，从而将其添加到可选中继集合；其中Itherd是基站的干扰阈值；43）若i＜N，则令i=i+1后返回步骤41），否则进入步骤5），其中N为中继总数；5）结束本方法流程。...

【技术特征摘要】
1.一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据源节点S与目的节点D之间的链路质量信息，估算出目的节点D的接收信噪比，若目的节点D的接收信噪比大于或等于该目的节点正确解码所需的信噪比，则不需要引入中继，进入步骤5)，否则需要引入中继，进入步骤2)；2)估算出各个中继R与目的节点D之间的链路质量信息，从而确定利用各个中继转发时目的节点D的接收信噪比，第i个中继所能提供的信噪比为其中PS为发送端S的发送能量，Pi是第i个中继的发射功率，hSRi是发送端与第i个中继之间的链路质量信息，hRiD第i个中继与基站之间的链路质量信息；同时按照下式计算出第i个中继对基站的干扰：IRiB＝Pi|hRiB|2，其中Pi是第i个中继的发射功率，hRiB是第i个中继与基站之间的链路质量信息，i表示第i个中继；3)按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为：首先确定中继优先级排序选择标准：在视距传播场景下，用距离选择标准；在其他场景下，若用户需要最好服务质量，则采用只考虑信噪比的选择标准，按照各中继节点到目的端的信噪比大小排序时中继选择的比较函数为：其中SNR...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵世祥，夏伟成，孙君，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：