技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种无线异构网络中的接入模式选择以及协作中继选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，通信系统致力于支持更高速率、更多类型的数据业务，同时需要进一步扩大网络覆盖范围、高效利用无线资源。协作中继技术的提出及引入能够提供分集增益、克服多径衰落，确保用户业务需求，并扩大通信范围。另一方面，随着无线移动网络的快速发展，多种网络(如LTE、WLANs、WMANs等)的覆盖范围相互重叠，构成异构网络，处于异构网络覆盖范围内的用户可作为多模终端，采用不同的无线接入技术，充分利用这些网络资源，从而进一步提升用户的服务质量。由于无线环境的复杂现状，研究异构网络背景下的协作中继技术成为亟待解决的热点问题。

2012年Gubong Lim等人在“IEEE Wireless Communications Letters”(《国际电气电子工程师协会无线通信快报》)(2012年10月第1卷)发表的“Energy-EfficientCooperative Relaying in Heterogeneous Radio Access Networks”(《异构无线接入网络中的能效协作中继》)中提出了一种基于无线接入模式选择的协作中继方法，作者将协作技术应用到异构网络中，从能效的角度出发，首先选择出所有候选中继到源端、目的端的无线接入模式，然后再次以能效为目标，选择出所有候选中继中最优的中继进行协作。2013年Stephen Wang等人在“IEEE Wireless Communications”(《国际电气电子工程师协会无线通信》)(2013年10月第20卷)发表的“Cognitive Antenna Selection Relay for GreenHeterogeneous Healthcare Networks”(《绿色异构医疗网络中的认知中继天线选择》)中同样提出了一种针对双跳中继系统的无线接入模式选择方法，作者假定中继具有双天线，不同天线可接入不同的网络，通过选择天线，即可选择出最优的无线接入模式。

上述方案不论在无线接入模式的选择还是在中继的选择过程中，都是基于节点对信道状态信息的完美估计，而现实生活中，由于信道的不确定性、波动性，估计误差，以及信道状态信息的量化及过时，导致完美信道状态信息这一假设过于理想化。另一方面，由于接入不同网络所采用的调制方式、编码方式等的不同，所能达到的信道容量和理论信道容量之间的差值也不同，因而在选择无线接入模式的同时还需要考虑到该网络所带来的性能增益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种无线异构网络中的接入模式及协作中继选择方法，基于非完美的信道状态信息，考量不同网络带来的性能增益，充分利用复杂的异构网络资源，同时使得用户终端获得满分集增益，并提高协作传输的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

异构协作网络中的无线接入模式及中继选择方法，包括源节点、目的节点以及若干候选中继节点，所述方法包括如下步骤：

S1各候选中继节点估计自身与源节点以及目的节点在接入不同网络时的瞬时信道增益，并生成估计误差因子；

S2各候选中继节点根据测量的瞬时信道增益信息，在考虑测量误差基础上，确定源节点到各候选中继节点以及各候选中继节点到目的节点的无线接入模式；

S3采用最大最小中继选择机制从候选中继节点中确定最优中继节点；

S4最优中继节点选择完毕后，源节点对本地将要发送的数据进行信道编码和调制后，将数据传送给被选择的中继节点，由该中继节点进行协作转发。

需要说明的是，步骤S1中，所述估计误差因子包括源节点到各候选中继节点在接入不同网络时的信道估计误差以及目的节点到各候选中继节点在接入不同网络时的信道估计误差所述估计误差相互独立，且分别服从均值为0，方差为和的复高斯分布。

需要说明的是，步骤S2的具体方法如下：

2.1)对于所有的候选中继节点u∈UR，UR＝{1，2，...，U}为候选中继节点集合，U为中继节点的总个数，考虑源节点到候选中继节点链路，若接入网络n，在考虑估计误差的基础上，计算候选中继节点获得的信噪比：

其中ES为源节点发送信号的功率，表示源节点S到候选中继节点u在接入网络n时所估计的瞬时信道增益；σ2为高斯白噪声的方差，Γn为接入网络n时的信噪比差额；

2.2)对于所有的候选中继节点u∈UR，确定令其信噪比最大的网络n*对应的无线接入模式作为源节点S到对应候选中继节点u的接入模式；

2.3)对于所有给定的候选中继节点u∈UR，考虑中继节点到目的节点链路，若接入网络m，在考虑估计误差的基础上，计算目的节点获得的信噪比：

其中ηu为功率放大因子，表示候选中继节点u到目的节点D在接入网络m时所估计的瞬时信道增益，表示源节点S到候选中继节点u在接入网络n*时所估计的瞬时信道增益；为目的节点处的高斯白噪声方差，Γm为接入网络m时的信噪比差额；

2.4)对于所有的候选中继节点u∈UR，确定令其信噪比最大的网络m*对应的无线接入模式作为相应候选中继节点u到目的节点D的接入模式。

进一步需要说明的是，步骤2.1)中各个候选中继节点u接入网络n时所获得的信噪比的计算具体包括如下步骤：

2.1.1)记源节点发送的信号为x，则候选中继节点u接收到的信号为：

其中nu表示均值为0方差为σ2的高斯白噪声，gsr(u，n)为源节点S到候选中继节点u在接入网络n时的实际瞬时信道增益；

2.1.2)由于候选中继节点u对自身到源节点S的链路增益估计值为存在估计误差即则候选中继节点u判定自身接收到信号的有益部分为而剩余部分被认作噪声干扰；

2.1.3)候选中继节点u判定接入网络n后获得的信噪比为：

进一步需要说明的是，所述步骤2.3)中各个候选中继节点u接入网络m时目的节点所获得的信噪比的计算具体包括如下步骤：

2.3.1)候选中继节点以放大转发模式对接收到的信号进行转发，候选中继节点u的功率放大因子为：

其中，gsr(u，n*)为源节点S到候选中继节点u在接入网络n*时的实际瞬时信道增益，ER表示中继转发信号的功率的约束要求，而功率放大因子可确保中继转发信号的功率满足该约束要求ER；

2.3.2)目的节点D接收到的候选中继节点u转发的信号为：

yd＝ηugrd(u，m)yu+nd；

其中nd表示均值为0、方差为σ2的高斯白噪声，grd(u，m)为中继节点u到目的节点D在接入网络m时的实际瞬时信道增益；

2.3.3)由于候选中继节点u对自身到目的节点的链路增益估计值为存在估计误差即因此，在步骤2.2)中确定了源节点S到候选中继节点u的接入模式为令该候选节点u信噪比最大的网络n*所对应的无线接入模式基础上，目的节点D接收到的信号yd可表示为：

其中，表示源节点S到候选中继节点u在接入网络n*时的信道估计误差；

则候选中继节点u判定目的节点D接收到信号的有益部分为：

而被认作噪声干扰的部分为：

2.3.4)候选中继节点u判定接入网络m时目的节点获得的信噪比为：

其中，可表示为：

需要说明的是，步骤S3的具体方法如下：

3.1)对于所有候选中继节点u∈UR，计算其协作性能因子：

其中，为源节点S到候选中继节点u在接入网络n*时该候选中继节点u所获得的信噪比，表示候选中继节点u到目的节点D在接入网络m*时目的节点D所获得的信噪比；

3.2)从所有候选中继节点中选择出协作性能因子最大的中继节点u*作为最优中继节点，即：

需要说明的是，所述步骤S4中，最优中继节点u*与源节点S之间的通信接入网络n*，与目的节点之间的通信接入网络m*，采用放大转发模式对接收到的信息进行协作转发。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出了一种适用于异构协作网络的无线接入模式及协作中继选择方法，该方案考虑节点对于信道状态信息估计的不准确性，基于该不完美的信道状态信息对每一个候选中继的两跳链路选择合适的无线接入模式，再从候选中继中选择出最优性能的中继，提高了协作传输的可靠性；

2、本发明所提的方法充分利用了复杂的异构网络资源，考虑到不同无线接入模式对节点性能增益的不同，使节点具有选择接入不同网络进行数据传输的权利；另一方面，本发明引入了最大最小中继选择机制(参见2014年Gaojie Chen等人在“IEEE Transactionson Vehicular Technology”(《国际电气电子工程师协会车辆技术会刊》)(2014年11月第63卷)发表的“Decode-and-Forward Buffer-Aided Relay Selection in Cognitive RelayNetwork”(《认知中继网络中基于解码转发的具备队列缓存辅助的中继选择策略》))，该机制可有效降低异构协作网络中中继选择的复杂度，同时使得用户终端能够获得满分集增益；

上述异构协作系统联合考虑无线接入模式选择以及中继选择问题，基于不完美的信道状态信息，考量不同网络带来的性能增益，使得用户终端能够获得满分集增益，并提高了协作传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明使用的无线异构协作网络模型图；

图2为本发明的实现总流程图；

图3为图2中源节点到各中继节点以及各中继节点到目的节点的无线接入模式选择子流程图；

图4为仿真试验中本发明与传统策略的选择错误中继概率的结果对比示意图；

图5和图6分别为仿真试验中本发明与传统策略的产生中断概率的结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明使用的无线异构协作系统，由1个源节点、U个候选中继节点、1个目的节点组成。

如图2所示，本发明的实现步骤如下：

步骤1：获取信道状态信息。

1.1)各候选中继节点基于最小均方差的信道估计方法估计自身与源节点以及目的节点在接入不同网络时的瞬时信道增益；

1.2)中继节点生成估计误差因子，表示源节点和目的节点到各候选中继节点在接入不同网络时的信道估计误差和所述估计误差相互独立，且分别服从均值为0，方差为和的复高斯分布。

步骤2：确定源节点到各中继节点以及各中继节点到目的节点的无线接入模式。如图3所示，步骤S2的步骤具体实现如下：

2.1)对于所有给定的候选中继节点u∈UR，考虑源节点到候选中继节点链路，在考虑估计误差的基础上，计算接入不同网络n时中继节点所获得的信噪比

2.1.1)记源节点发送的信号为x，则候选中继节点u接收到的信号为：

其中ES为源节点发送信号的功率，nu表示均值为0方差为σ2的高斯白噪声，gsr(u，n)为源节点S到候选中继节点u在接入网络n时的实际瞬时信道增益；

2.1.2)由于候选中继节点u对自身到源节点S的链路增益估计值为存在估计误差即则候选中继节点u判定自身接收到信号的有益部分为而剩余部分被认作噪声干扰；

2.1.3)候选中继节点u判定接入网络n后获得的信噪比为其中Γn为接入网络n时的信噪比差额。该值越大，表明接入网络n所带来的性能增益越低；

对于所有候选中继用户及所有可接入网络重复步骤2.1.1)至2.1.3)计算该信噪比值。

2.2)对于所有给定的候选中继节点u∈UR，确定令其信噪比最大的网络n*对应的无线接入模式作为源节点S到中继节点u的接入模式；

2.3)对于所有给定的候选中继节点u∈UR，考虑中继节点到目的节点链路，在考虑估计误差的基础上，计算接入不同网络m时目的节点所获得的信噪比

2.3.1)候选中继节点以放大转发模式对接收到的信号进行转发，候选中继节点u的功率放大因子为：

该放大因子可确保中继转发信号的功率满足约束要求ER；

2.3.2)目的节点D接收到的候选中继节点u转发的信号为：

yd＝ηugrd(u，m)yu+nd；

其中nd表示均值为0、方差为σ2的高斯白噪声，grd(u，m)为中继节点u到目的节点D在接入网络m时的实际瞬时信道增益；

2.3.3)由于候选中继节点u对自身到目的节点的链路增益估计值为存在估计误差即因此，在步骤2.2)中确定了源节点S到候选中继节点u的接入模式为令该候选节点u信噪比最大的网络n*所对应的无线接入模式基础上，目的节点D接收到的信号yd可表示为：

其中，表示源节点S到候选中继节点u在接入网络n*时的信道估计误差；

则候选中继节点u判定目的节点D接收到信号的有益部分为：

而被认作噪声干扰的部分为：

2.3.4)候选中继节点u判定接入网络m时目的节点获得的信噪比为：

其中，可表示为：

对于所有候选中继用户及所有可接入网络重复步骤2.3.1)至2.3.4)计算该信噪比值。

2.4)对于所有给定的候选中继节点u∈UR，确定令其信噪比最大的网络m*对应的无线接入模式作为中继节点u到目的节点D的接入模式。

步骤3：从候选中继节点中确定最优中继节点：本发明采用最大最小中继选择准则，对于各个候选中继节点u∈UR，计算其协作性能因子而后从所有候选中继节点中选择出协作性能因子最大的中继u*作为最优中继，即

步骤4：源节点对本地将要被发送的数据进行信道编码和调制后，将数据传送给被选择的中继节点，由该中继节点进行协作转发。

4.1)源节点对本地即将被发送的数据进行信道编码和调制，提高数据的纠错检错能力，有效地适应无线信道传输；

4.2)中继节点通过网络n*接收到信号后，采用放大转发的方式，对信号进行功率放大后，再通过网络m*转发给目的节点。

以下将通过仿真实验进一步说明本发明的性能。

仿真考虑了3用户2接入网络的中继选择问题，两个网络带来的信噪比差额分别为1.5和2，假设源节点和候选中继节点发送功率为1，高斯白噪声方差为10-5。从图4、图5和图6可以看出，相比于传统的不考虑信道状态信息估计误差的策略(实际上存在估计误差)，本发明的优势体现为如下两点：1)不论估计误差值的大小，本发明皆能够确保选择出正确的中继，而传统策略的性能则随着估计误差的增加而不断恶化；2)随着估计误差值的增大，本发明的策略得到的中断概率逐渐增加，但是相比于传统策略，该中断概率值可以忽略不计，因而本发明可有效保证协作系统的传输可靠性。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。