CN103476087B - 一种提高无线网络中继选择速率的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高无线网络中继选择速率的方法及***，其中该方法包括：根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继。通过采用本发明公开的方法及***，大大提高了中继选择的速率。

Description

一种提高无线网络中继选择速率的方法及***

技术领域

本发明涉及无线技术领域，尤其涉及一种提高无线网络中继选择速率的方法及***。

背景技术

近年来，实现Gbit/s甚至数Gbit/s传输速率的无线通信技术成为无线通信领域前瞻性研究的新热点，60G无线毫米波技术是其中被广为关注的一个研究方向。

高频率短波长的特性导致定向60G无线毫米波绕射穿透能力极差，墙壁等障碍物对毫米波会造成极大衰减，致使直达链路通信失败。为避免障碍直接阻挡60G无线毫米波通信，需要选用中继建立多跳链路，通过非视距链路完成通信任务。

但目前为止，针对毫米波无线网络中选择中继的快速性的问题还未得到解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高无线网络中继选择速率的方法及***，提高了中继选择的速率。

本发明的目的是通过一下技术方案实现的：

一种提高无线网络中继选择速率的方法，该方法包括：

根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；

根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；

根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继。

一种提高无线网络中继选择速率的***，该***包括：

初选扇区个数确定模块，用于根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；

实际初选扇区确定模块，用于根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；

最佳候选中继确定模块，用于根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于地理位置信息确定实际初选扇区缩小候选中继集合的元素个数，使用无线网络的信道模型，确定实际初选扇区中最佳的候选中继；通过上述方法在候选中继较多的情况下，从帧和时隙角度极大减少寻找中继消耗时间，提高中继选择速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种提高无线网络中继选择速率的方法的流程图；

图2a为本发明实施例一提供的一种8扇区拓扑下实际初选扇区的示意图；

图2b为本发明实施例一提供的一种16扇区拓扑下实际初选扇区的示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种提高无线网络中继选择速率的***的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种提高无线网络中继选择速率的方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数。

本发明实施例预先统计网络中扇区的总数，再确定相应的初选扇区个数。例如，可采用自适应的方式确定。从几何角度，由于在发送端和接收端同向的中继有着较小的中继链路距离，所以信道的累计损耗较小，因此，初选扇区选择在与接收端同方向的扇区。示例性的，通过仿真统计最佳中继的分布规律可知，当网络中扇区总数为8时，初选扇区个数取2较为合适；当网络中扇区总数为16时，初选扇区个数取为6。

步骤12、根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区。

集中式网络模型作为个人服务集的控制和调度中心，中心节点会与每个加入到该基本个人服务集的设备进行波束成形对准训练，因此中心节点存储了该个人服务集中所有设备的地理位置信息。

此时，可以根据地理位置信息，判断中断链路的接收端在发送端中的扇区编号，并将该扇区作为阻挡扇区；在此基础上，再基于步骤11获得的所述初选扇区的个数则可确定所述阻挡扇区对应的实际初选扇区。

如图2a-2b所示，为实际初选扇区的示意图。对实际网络环境进行建模仿真，考虑同一障碍物的阻挡，并统计确定固定阻挡扇区下的最佳中继分布规律可得，在8扇区拓扑下（图2a），实际初选扇区为阻挡扇区向左向右的第1个扇区（即图2a中的扇区2与8）；在16扇区拓扑下（图2b），实际初选扇区为阻挡扇区向左向右的第2、3和4扇区（即图2b中的扇区3-5与13-15）。

步骤13、根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继。

本实施例中的最佳候选中继可以根据信号的强弱来进行选择，在实际应用中，预先建立无线网络的信道模型，再根据该模型，分别计算实际初选扇区中不同候选中继链路接收端的接收信号能量，选择信号能量最强候选中继链路的作为最佳候选中继。

步骤14、利用所述最佳候选中继建立中继链路进行数据传输。

其中，所述中继链路可以采用如下方式建立：首先，在一帧的信标传输时期通过信标帧通知所述中断链路的发送端和接收端以及所述最佳候选中继；然后，分别完成所述发送端至所述中继，以及接收端至所述中继的波束成形对准训练，建立发送端至中继以及中继至接收端的中继链路。

综上所述，本发明实施例通过中心节点存储的网络各节点地理位置信息来确定实际初选扇区，即根据实际地理位置信息缩小候选中继集合中元素的个数；通过上述方法在无线网络中候选中继集合较大的情况下，可极大的缩短选择中继的时间，提高中继选择的速率。

进一步的，为了便于理解本发明，下面以60GHz毫米波无线网络下因人体阻挡直连路径选择中继为例做进一步说明。

作为网络的控制和调度中心，中心节点实时监控网络中各链路的信道状态。当发现某一或某几条链路信道状态下降引起通信失败时，中心节点不需遍历采集全部中继链路的实时状态，而是通过每个候选中继及被阻挡链路（中断链路）的发送端和接收端的地理位置信息取得实际初选扇区，筛选去掉性能差的中继，通过这种方式可有效地减小候选中继集合元素个数。

在此基础上通过中心节点对毫米波无线网络信道性能的仿真，选择信道性能最佳的中继链路作为最佳候选中继。

最后完成发送端-中继和中继-接收端链路的波束成形对准训练，实现中继链路的建立。

上述过程仅为一条链路寻找中继的过程，在实际应用中每一条被阻挡链路均可经由上述过程选择中继并建立中继链路，从而实现毫米波无线网络中快速选择中继方案。该方法不仅能根据实际的地理位置信息有效的选择最佳中继，同时也有效的节省了完成中继选择所需的时间，提高了中继选择的效率。

为了说明本发明实施例的快速中继选择方法的性能优势，以下从中继链路建立时间和中继链路的信道容量两个方面进行评估。

中继链路建立时间，可以从帧和时隙两个角度分析。以用于毫米波无线通信网络的IEE802.11ad标准中的帧结构为例，该帧结构包括4个不同的接入时期：信标传输时期(BTI:Beacontransmissioninterval)、关联波束成型训练时期(A-BFT:Associationbeamformingtraining)、通告时期(ATI:Announcementtransmissioninterval)、数据传输时期(DTI:Datatransferinterval）。这4个接入时期分别完成同步、波束成型对准训练、申请时隙和使用时隙功能。

帧级别建立中继链路的时间消耗体现在帧的使用个数上。快速中继选择方法仅需要2个帧时长就可完成‘发送端－中继－接收端’链路的发现和建立；分别完成通过地理位置信息，使用快速中继选择方法找到最佳中继和通知并建立链路的功能。

时隙级别建立中继链路所需消耗的时间可采用下述公式进行计算：

T_FRS＝l×2×t_BF+(l×2-1)×t_SIFS；

其中，l为被中断的链路条数，t_BF和t_SIFS分别为时隙和时隙间隔的时长。

另一方面，为评估因快速中继选择导致非最佳中继接入而可能引起的链路质量下降，可考察实际中继链路的信道容量大小。假定中继链路的传输方式包括放大转发（AF）和解码转发（DF），其分别对应的信道容量计算公式为：

$C_{\mathrm{AF}}(s,r,d)=\frac{W}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}\×{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}}{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}+1}),$

$C_{\mathrm{DF}}(s,r,d)=\frac{W}{2}\min \{{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}),(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}})\};$

其中，s、r和d分别表示发送端、中继和接收端，W为信道带宽，SNR_sd为发送端至接收端直达链路的信噪比，SNR_sr为发送端至中继链路的信噪比，SNR_rd为中继链路至接收端链路的信噪比。

根据上述对中继链路建立时间和中继链路信道容量的理论分析，对基于本发明实施例的技术方案进行仿真实验，具体参数如表1所示。

***参数	取值
		网络拓扑	10m×10m
扇区数	8,16
		循环次数	100
发送功率	10dBm
		人体半径	0.5m
带宽	2GHz
		噪声功率	-80.9897dBm
8扇区初选扇区个数	2
		16扇区初选扇区个数	6
阻挡人体距发送端距离分布	均匀分布
		扇区数	8,16
发送功率	10dBm
		帧时长	30.72ms(30TUs)
tBF	40.75us
		tSIFS	3us

仿真试验中所有节点随机分布在10m×10m的环境中，所有链路均被人体阻挡，并且人体阻挡抽象为在发送端-接收端直达链路上服从均匀分布的数学模型。

仿真实验中，首先比较快速中继选择方法与常规遍历每个中继链路状态选择中继方法所需的时间长短。从帧的角度来看，本发明实施例的快速中继选择方法比遍历式中继选择方法至少优化了一个帧的时长；从时隙角度来看，本发明实施例的快速中继选择方法的优化量度在中继个数的量级，即网络中中继个数越大时，本发明实施例的快速中继选择方法节省的时隙越多。在中继个数较少(例如，数量小于10)时，本发明实施例的快速中继选择方法所需时隙约为遍历式中继选择方法的10%～15%；在中继个数较多(例如，数量大于25)时，本发明实施例的快速中继选择方法所需时隙不到遍历式中继选择方法的4%。可见本发明实施例的快速中继选择方法对于帧和时隙的优化在中继个数较多情况下更为有效。

其次，从信道容量角度考察，与常规的遍历每个中继链路状态选择中继方法的信道容量进行对比，本发明实施例的快速中继选择方法的信道容量略有减小。中继个数小于10且采用AF方式时，本发明实施例的快速中继选择方法的信道容量约是遍历式中继选择方法的87%～97%。但随着中继个数的增多，本发明实施例的快速中继选择方法的信道容量趋于遍历式中继选择方法的信道容量。这说明本发明实施例提供的快速中继选择策略更适用于在网络中中继个数较多时提高中继选择的效率。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的一种提高无线网络中继选择速率的***的示意图。如图3所示，该***主要包括：

初选扇区个数确定模块31，用于根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；

实际初选扇区确定模块32，用于根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；

最佳候选中继确定模块33，用于根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继。

进一步的，所述最佳候选中继确定模块33包括：

最佳候选中继选择模块331，用于根据无线网络的信道模型，分别计算实际初选扇区中不同候选中继链路接收端的接收信号能量，选择信号能量最强候选中继链路的作为最佳候选中继。

进一步的，该***还包括：

数据传输模块34，用于利用所述最佳候选中继建立中继链路进行数据传输；

其中，所述建立中继链路的步骤包括：在帧时间的信标传输时期通过信标帧通知所述中断链路的发送端和接收端以及所述最佳候选中继，并分别完成所述发送端至所述中继，以及接收端至所述中继的波束成形对准训练，建立发送端至中继以及中继至接收端的中继链路。

进一步的，该***还包括：

评估模块35，用于对所述中继链路的建立时间和信道容量进行评估；

其中，评估中继链路建立时间的公式为：

T_FRS＝l×2×t_BF+(l×2-1)×t_SIFS；

其中，l为被中断的链路条数，t_BF和t_SIFS分别为时隙和时隙间隔的时长；

所述中继链路的传输方式包括：放大转发AF和解码转发DF，分别对应的信道容量计算公式为：

$C_{\mathrm{AF}}(s,r,d)=\frac{W}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}\×{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}}{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}+1}),$

$C_{\mathrm{DF}}(s,r,d)=\frac{W}{2}\min \{{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}),(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}})\};$

其中，s、r和d分别表示发送端、中继和接收端，W为信道带宽，SNR_sd为发送端至接收端链路的信噪比，SNR_sr为发送端至中继链路的信噪比，SNR_rd为中继链路至接收端链路的信噪比。

需要说明的是，上述***中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将***的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种提高无线网络中继选择速率的方法，其特征在于，该方法包括：

根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；

根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；

根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继；

利用所述最佳候选中继建立中继链路进行数据传输，并对所述中继链路的消耗时间和信道容量进行评估；

其中，评估消耗时间的公式为：

T_FRS＝l×2×t_BF+(l×2-1)×t_SIFS；

其中，l为被中断的链路条数，t_BF和t_SIFS分别为时隙和时隙间隔的时长；

所述中继链路的传输方式包括：放大转发AF和解码转发DF，分别对应的信道容量计算公式为：

$C_{AF}(s,r,d)=\frac{W}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sd}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{sr}\×{\mathrm{SNR}}_{rd}}{{\mathrm{SNR}}_{sr}+{\mathrm{SNR}}_{rd}+1});$

$C_{DF}(s,r,d)=\frac{W}{2}min\{{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sr}),{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sd}+{\mathrm{SNR}}_{rd})\};$

其中，s、r和d分别表示发送端、中继和接收端，W为信道带宽，SNR_sd为发送端至接收端链路的信噪比，SNR_sr为发送端至中继链路的信噪比，SNR_rd为中继链路至接收端链路的信噪比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继节点包括：

根据无线网络的信道模型，分别计算实际初选扇区中不同候选中继链路接收端的接收信号能量，选择信号能量最强候选中继链路的作为最佳候选中继。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

建立中继链路的步骤包括：在帧时间的信标传输时期通过信标帧通知所述中断链路的发送端和接收端以及所述最佳候选中继，并分别完成所述发送端至所述中继，以及接收端至所述中继的波束成形对准训练，建立发送端至中继以及中继至接收端的中继链路。

4.一种提高无线网络中继选择速率的***，其特征在于，该***包括：

初选扇区个数确定模块，用于根据网络中扇区总数确定初选扇区的个数；

实际初选扇区确定模块，用于根据地理位置信息获得中断链路接收端在发送端中的扇区号，并基于所述初选扇区的个数确定所述扇区号对应的实际初选扇区；

最佳候选中继确定模块，用于根据无线网络的信道模型，确定所述实际初选扇区中的最佳候选中继；

数据传输模块，用于利用所述最佳候选中继建立中继链路进行数据传输；

评估模块，用于对所述中继链路的消耗时间和信道容量进行评估；

其中，评估消耗时间的公式为：

T_FRS＝l×2×t_BF+(l×2-1)×t_SIFS；

其中，l为被中断的链路条数，t_BF和t_SIFS分别为时隙和时隙间隔的时长；

所述中继链路的传输方式包括：放大转发AF和解码转发DF，分别对应的信道容量计算公式为：

$C_{AF}(s,r,d)=\frac{W}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sd}+\frac{{\mathrm{SNR}}_{sr}\×{\mathrm{SNR}}_{rd}}{{\mathrm{SNR}}_{sr}+{\mathrm{SNR}}_{rd}+1});$

$C_{DF}(s,r,d)=\frac{W}{2}min\{{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sr}),{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{sd}+{\mathrm{SNR}}_{rd})\};$

其中，s、r和d分别表示发送端、中继和接收端，W为信道带宽，SNR_sd为发送端至接收端链路的信噪比，SNR_sr为发送端至中继链路的信噪比，SNR_rd为中继链路至接收端链路的信噪比。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述最佳候选中继确定模块包括：

最佳候选中继选择模块，用于根据无线网络的信道模型，分别计算实际初选扇区中不同候选中继链路接收端的接收信号能量，选择信号能量最强候选中继链路的作为最佳候选中继。

6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，

建立中继链路的步骤包括：在帧时间的信标传输时期通过信标帧通知所述中断链路的发送端和接收端以及所述最佳候选中继，并分别完成所述发送端至所述中继，以及接收端至所述中继的波束成形对准训练，建立发送端至中继以及中继至接收端的中继链路。