[發明專利]一種異構無線協同網絡分布式信道智能探測與接入方法

有效

• 申請號: 202110324708.2
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113115471B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 張周;謝佳;王彤彤;張圣;蔣品;白顯宗
• 申請（專利權）人: 天津（濱海）人工智能軍民融合創新中心
• 主分類號: H04L47/70
• 分類號: H04L47/70;H04W74/08;H04W24/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

1.一種異構無線協同網絡分布式信道智能探測與接入方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、根據無線網絡信道統計特性參數，通過線下迭代計算獲得網絡平均吞吐量λ^*；

步驟2、信源-信宿通信對感知和接入信道；在第n次觀測中，從時長δ的微時隙開始，所有信源以相同概率p₀發送RTS數據包獨立地競爭信道，如果沒有信源發送RTS數據包，則所有信源在下個微時隙競爭信道；如果有兩個或以上信源發送RTS數據包，則發生沖突，所有信源在下個微時隙繼續競爭；如果僅一個信源s(n)發送RTS數據包，該信源獲得信道接入機會，稱為信道競爭獲勝信源s(n)，然后進入步驟3；

步驟3、信源s(n)向信宿d(n)和所有中繼節點廣播RTS數據包；信宿d(n)通過解調接收RTS數據包內的訓練符號序列，估計信源s(n)與其自身之間的直連信道SNRγ和直連信道最大可傳輸速率R_d(n)；同時，中繼節點根據收到的RTS數據包估計信源s(n)到其自身的第一跳信道SNR，進入步驟4；

步驟4、根據網絡平均吞吐量λ^*和直連信道最大可傳輸速率R_d(n)，離線計算得出放棄接入的SNR判決門限和直連信道接入的SNR判決門限進入步驟5；

步驟5、根據異構兩跳中繼信道的統計信息，離線計算探測j個中繼的判決區間B_s(n),j，中繼數量j從1開始，到L-1結束，L表示總的中繼節點數量，進入步驟6；

步驟6、基于判決門限和進行數值比較，判斷最優信道接入模式，進行第一級決策φ_n：如果按照中繼協同的感知接入方法進行信道接入，轉至步驟7；否則，按照不依賴中繼的感知接入方法進行信道接入，轉至步驟11；

步驟7、將直連信道SNRγ與判決門限和進行比較，其中如果直連信道則信源s(n)按照直連信道最大可傳輸速率R_d(n)進行傳輸，第一級決策φ_n＝0，單次數據傳輸結束后返回步驟2；如果直連信道則信源s(n)放棄信道接入機會，φ_n＝L+1，轉入步驟2；如果直連信道SNR滿足則信宿d(n)進一步探測中繼信道，進入步驟8；

步驟8、將直連信道SNRγ與中繼數量判決區間B_s(n),j進行比較，其中中繼數量j從1開始，到L-1結束，如果直連信道SNR滿足γ∈B_s(n),j，則第一級決策φ_n等于最佳的探測中繼節點數量j即φ_n＝j，否則為φ_n＝L，進入步驟9；

步驟9、信宿d(n)向信源s(n)和前φ_n個中繼節點發送CTS包，令信源s(n)和φ_n個中繼節點向信宿d(n)自身發送RTS數據包，用于估計中繼信道的CSI，至此，信宿d(n)獲得了φ_n個中繼輔助傳輸的信道速率進入步驟10；

步驟10、進行第二級決策ψ_n，將直連信道最大可傳輸速率R_d(n)、中繼輔助傳輸的信道速率與網絡平均吞吐量λ^*進行比較，做出決策如下：

a)如果則信宿d(n)發送CTS包至信源s(n)，令信源s(n)在直連信道和φ_n個中繼輔助信道中選擇信道速率更大的信道，以速率進行數據傳輸，ψ_n＝0，單次數據傳輸后進行第n+1次觀測，返回步驟2；

b)否則，信宿d(n)回復RTS數據包至所有信源節點，告知所有信源節點信宿d(n)放棄信道接入，并在下一輪競爭開始時，信源s(n)與其它信源節點重新競爭信道，ψ_n＝1，返回步驟2；

步驟11、將直連信道最大可傳輸速率R_d(n)與網絡平均吞吐量λ^*進行比較，做出決策如下：

a)如果直連信道最大可傳輸速率R_d(n)≥λ^*，則信宿d(n)發送CTS包至信源s(n)，告知信源s(n)通過直連信道最大可傳輸速率R_d(n)進行數據傳輸，單次數據傳輸結束后進行第n+1次觀測，返回步驟2；

b)否則，信宿d(n)回復RTS數據包至所有信源節點，告知所有信源節點信宿d(n)放棄信道接入，并在下一輪競爭開始時，信源s(n)與其它信源節點重新競爭信道，返回步驟2；

步驟1所述的根據無線網絡信道統計特性參數，通過線下迭代計算獲得網絡平均吞吐量λ^*，具體如下：

(1)無線網絡信道統計特性參數如下

①信源-信宿對為K個，分別表示為信源S₁,...,S_i,...,S_K，信宿D₁,...,D_i,...,D_K，中繼節點為L個，表示為R₁,R₂,...R_L；在每一輪新的觀測開始時，各信源在每個時長為δ的微時隙開始時獨立地競爭信道，以概率p₀發送RTS數據包；

將信道競爭開始直至出現獲勝信源的過程定義為一次觀測，每次觀測過程中競爭的數量滿足參數為Kp₀(1-p₀)^K-1的幾何隨機分布，在一次觀測過程的最后一次信道競爭中，獲勝信源—信宿對出現，經歷的時間為τ_RTS+τ_CTS，概率為Kp₀(1-p₀)^K-1，其中τ_RTS表示傳輸RTS數據包的時間，τ_CTS表示傳輸CTS包的時間，K表示信源-信宿對的個數；在其他次信道競爭中，網絡中只會出現空閑時隙或者發生沖突，空閑時隙持續時間為δ、概率為(1-p₀)^K，發生沖突持續時間為τ_RTS、概率為1-(1-p₀)^K-Kp₀(1-p₀)^K-1)，因此，一次觀測過程中從信道競爭開始到獲勝信源—信宿對出現所經歷的平均時長τ₀為

②從第i個信源S_i到其信宿D_i的直連信道的接收SNR表示為γ_i，從第i個信源到第j個中繼的第一跳信道接收SNR表示為從第j個中繼到第i個信宿的第二跳信道的接收SNR表示為直連信道和中繼信道均服從瑞利衰落模型，信道接收SNRγ_i、和服從指數隨機分布，期望分別為和

③直連信道的信道速率為R_d＝log₂(1+γ_i)，中繼信道中，信宿在探測得到j個中繼的第一跳和第二跳信道CSI后，令信源選擇信道質量最好的中繼j^*進行輔助傳輸，此時R表示中繼節點的集合，執行信號的放大-轉發操作；在中繼信道的輔助下，信宿收到的有用信號中同時包含通過直連信道和通過中繼兩跳信道傳輸的信號，因此信宿在探測j個中繼節點后，得到通過中繼輔助傳輸的最大信道接收SNR為R_j表示已經探測的j個中繼節點的集合，信道可達速率為

④信道相干時間為τ_d，單次數據傳輸時間應不大于信道相干時間，若進行了中繼探測，則單次數據傳輸的時間為信道相干時間τ_d減去探測中繼的時間；

(2)網絡平均吞吐量λ^*的計算公式如下

其中，E[·]表示期望；M_i,j(γ)表示探測j個中繼后的得到的中繼輔助傳輸的信道收益；τ^j＝jτ_RTS+τ_CTS，表示探測j個中繼的時間；表示探測j個中繼后，可用于數據傳輸的時間；采用蒙特卡洛的方式對λ^*進行求解，根據信道變化率，對信道進行采樣，根據不同用戶的最大收益函數，迭代求和后取平均，最后根據上述公式求解得到網絡的平均吞吐量λ*；

步驟4所述的根據網絡平均吞吐量λ^*和直連信道最大可傳輸速率R_d(n)，離線計算得出放棄接入的SNR判決門限和直連信道接入的SNR判決門限具體計算公式如下：

其中，表示探測j個中繼的收益函數M_i,j(γ)與0的交點，0表示放棄傳輸機會的收益；為所有j中的最小值；表示探測j個中繼地收益函數M_i,j(γ)與τ_dR_d-λ^*τ_d的交點，τ_dR_d-λ^*τ_d表示通過直連信道傳輸的收益，為所有j中的最大值；

步驟5所述的根據異構兩跳中繼信道的統計信息，離線計算探測j個中繼的判決區間B_s(n),j，具體計算公式如下：

(1)探測j個中繼的收益函數M_i,j(γ)的解析表達式如下：

其中，β_l(γ)＝lμ_i(α(γ)-1-γ)，和J(x)＝e^xE₁(x)，E₁(x)為指數積分函數，具體表示為表示在信源i直連信道SNRγ_i＝γ，中繼數量為j個的條件下的中繼輔助信道SNRγ_i,j的累積分布函數，為γ_i,j的概率密度函數，具體表示為其中

(2)定義收益函數M_i,j(γ)的差函數ΔM_i,j(γ)：

ΔM_i,j(γ)＝M_i,j+1(γ)-M_i,j(γ)j＝1,2,...,L-1 (7)差函數ΔM_i,j(γ)表示探測中繼數量若由j增加到j+1，給網絡帶來的收益的差值，具有如下性質：

①對于固定的探測中繼數量j，當時，隨著γ的增加，函數ΔM_i,j(γ)單調遞減；當時，最多具有j個解使得ΔM_i,j(γ)＝0；

證明：

當時，對差函數ΔM_i,j(γ)求導數得

當時，用多項式的形式表示對ΔM_i,j(γ)求導數，可得

將上式(9)中的替換為變量x，則可表示為x的j階多項式，則方程最多具有j個解，即函數ΔM_i,j(γ)最多有j個駐點，方程ΔM_i,j(γ)＝0最多具有j個解，證畢；

②隨著探測中繼數量j的增加，函數ΔM_i,j(γ)呈現單調遞減；

證明：

函數ΔM_i,j(γ)可被改寫為

其中，A_j＝max{R_d,log₂(1+γ_i,j)/2,λ^*}；

顯然，對于可得到以下不等式

證畢；

(3)定義判決區間B_i,j：

令為使方程ΔM_i,j(γ)＝0的所有解的集合；根據的值，定義判決區間B_i,j，使得當γ∈B_i,j時，滿足ΔM_i,j(γ)≤0，由于可能代表一個或多個值，因此，B_i,j可能為多個不相交子區間的并集。