本發(fā)明屬于移動通信技術領域，具體涉及協(xié)作通信系統(tǒng)的天線與中繼選擇方法。

背景技術：

協(xié)作通信系統(tǒng)中，通信性能的好壞與中繼節(jié)點的選擇有關。衡量中繼選擇性能的指標通常包括容量和中斷概率。在多個中繼節(jié)點中選擇一個或者多個中繼節(jié)點作為協(xié)作伙伴幫助源節(jié)點發(fā)送信號，以達到提升通信性能的目的，這就是協(xié)作通信的中繼選擇。參與協(xié)作通信的節(jié)點不僅可以配置一根天線，構成一種虛擬MIMO(Multiple Input Multiple Output)效應，而且可以配置多根天線，進一步提升系統(tǒng)的性能，多天線技術也是未來移動通信的發(fā)展方向。一般來說，增加天線數量可以在一定程度上提高容量，已有的中繼選擇算法通?？紤]選擇最大化系統(tǒng)容量的方式確定天線選擇結果，但是會帶來一些問題，如節(jié)點能耗的不公平、網絡負荷的不平衡、用戶體驗滿意度低等。這是由于中繼選擇方法沒有考慮到公平性原則，中繼的非公平性導致設備負荷的不平衡，負荷不平衡對獲得高的系統(tǒng)容量帶來不利影響。同時，對于電池儲能的中繼設備來說，能量將會被快速消耗，降低網絡的生命周期，降低用戶體驗滿意度。

技術實現(xiàn)要素：

基于上述背景，本發(fā)明是在MIMO協(xié)作通信系統(tǒng)中，從提高網絡生命周期的角度考慮，提供一種基于公平性原則的天線選擇及中繼選擇方法，通過設置生命周期門限控制MIMO協(xié)作通信系統(tǒng)的天線選擇以及基于天線選擇結果從而完成中繼選擇，具有積極的科學意義和應用價值。

本發(fā)明的協(xié)作通信系統(tǒng)模型至少由1個源節(jié)點、M個中繼節(jié)點和1個目的節(jié)點構建系統(tǒng)網絡，每個中繼節(jié)點配置N根天線。本發(fā)明主要包括以下步驟：

步驟一：在中繼選擇時刻j，將目的節(jié)點處接收信噪比大于信噪比門限r_th的中繼節(jié)點選入候選中繼節(jié)點集合Ω中，并獲得所述候選中繼節(jié)點集合Ω中所有中繼節(jié)點的剩余能量。

步驟二：對于候選中繼節(jié)點集合Ω中的第i個中繼節(jié)點：

(1)遍歷計算選擇第i個中繼節(jié)點的天線m時的通信時長1≤m≤N；當時，將天線m選入所述第i個中繼節(jié)點的一根被選天線集合Ψ_1i；其中：為中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的生命周期門限；α_ij為在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點允許消耗的最大能量占其剩余能量的比例；E_ij為在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的剩余能量；表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線m的傳輸功率。

(2)遍歷計算同時選擇一根被選天線集合Ψ_1i中的天線a₁和天線b₁時的通信時長當時，將天線a₁和天線b₁構成的天線組合(a₁,b₁)選入第i個中繼節(jié)點的二根被選天線集合Ψ_2i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₁和天線b₁的傳輸功率。

(3)遍歷計算選擇二根被選天線集合Ψ_2i中的由天線a₂、天線b₂構成的天線組合(a₂,b₂)以及一根被選天線集合Ψ_1i中與天線a₂、天線b₂互不相同的天線c₁且該三根天線中的任意兩根天線的組合屬于所述二根被選天線集合Ψ_2i時的通信時長當時，將天線a₂、天線b₂和天線c₁構成的天線組合(a₂,b₂,c₁)選入第i個中繼節(jié)點的三根被選天線集合Ψ_3i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₂、天線b₂、天線c₁的傳輸功率。

(4)遍歷計算選擇三根被選天線集合Ψ_3i中的由天線a₃、天線b₃、天線c₃構成的天線組合(a₃,b₃,c₃)以及一根被選天線集合Ψ_1i中與天線a₃、天線b₃、天線c₃互不相同的天線d₁且該四根天線中的任意三根天線的組合屬于所述三根被選天線集合Ψ_3i時的通信時長當時，將天線a₃、天線b₃、天線c₃和天線d₁構成的天線組合(a₃,b₃,c₃,d₁)選入第i個中繼節(jié)點的四根被選天線集合Ψ_4i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₃、天線b₃、天線c₃、天線d₁的傳輸功率。

(5)以此類推，直到被選天線集合中的天線組合中的天線個數達到最大值，此時的被選天線集合為所述第i個中繼節(jié)點的最終被選天線集合。

對于步驟二，存在另一種方式：

(1)遍歷計算選擇第i個中繼節(jié)點的天線m時的通信時長1≤m≤N；當時，將天線m選入所述第i個中繼節(jié)點的一根被選天線集合Ψ_1i。

(2)遍歷計算選擇一根被選天線集合Ψ_1i中的每一根天線時，第i個中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的天線n_x，分別計算同時選擇天線n_x和所述一根被選天線集合Ψ_1i中不同于天線n_x的天線h_x時的通信時長當時，將天線n_x和天線h_x構成的天線組合(n_x,h_x)選入所述第i個中繼節(jié)點的二根被選天線集合Ψ_2i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線n_x和天線h_x的傳輸功率。

(3)遍歷計算選擇二根被選天線集合Ψ_2i中的每一個天線組合時，第i個中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的由天線a_x、天線b_x構成的天線組合(a_x,b_x)；再計算選擇所述天線組合(a_x,b_x)以及一根被選天線集合Ψ_1i中與天線a_x、天線b_x互不相同的天線c_x時的通信時長當時，將天線a_x、天線b_x和天線c_x構成的天線組合(a_x,b_x,c_x)選入所述第i個中繼節(jié)點的三根被選天線集合Ψ_3i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a_x、天線b_x、天線c_x的傳輸功率。

(4)遍歷計算選擇三根被選天線集合Ψ_3i中的每一個天線組合時，第i個中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的由天線a_y、天線b_y、天線c_y構成的天線組合(a_y,b_y,c_y)，分別計算同時選擇所述天線組合(a_y,b_y,c_y)以及一根被選天線集合Ψ_1i中與天線a_y、天線b_y、天線c_y互不相同的天線d_y時的通信時長當時，將天線a_y、天線b_y、天線c_y、天線d_y構成的天線組合(a_y,b_y,c_y,d_y)選入所述第i個中繼節(jié)點的四根被選天線集合Ψ_4i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a_y、天線b_y、天線c_y、天線d_y的傳輸功率。

(5)以此類推，直到被選天線集合中的天線組合中的天線個數達到最大值；此時的被選天線集合為所述第i個中繼節(jié)點的最終被選天線集合。

步驟三：對于每一個非空的最終被選天線集合對應的中繼節(jié)點，分別計算其最終被選天線集合中每一個天線組合對應的該中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路的信道容量，選取最大信道容量對應的天線組合為該中繼節(jié)點的被選天線組合，該最大信道容量為該中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路的信道容量；

步驟四：選擇中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路的信道容量最大的中繼節(jié)點作為數據轉發(fā)的中繼節(jié)點。

本發(fā)明不僅可用于由電池供電的中繼節(jié)點構成的協(xié)作通信系統(tǒng)，同時適用于電池供電中繼節(jié)點和電網供電中繼節(jié)點共存的協(xié)作通信系統(tǒng)，只需要根據節(jié)點類型的不同，分別采用不同的天線和中繼選擇方法。例如，對于其中電池供電的中繼節(jié)點，采用本發(fā)明中的方案進行天線選擇，對于電網供電的中繼節(jié)點，采用已有的方案進行天線選擇，然后根據在所有中繼節(jié)點中，選取信道容量最大的中繼節(jié)點轉發(fā)數據。

本發(fā)明可以獲得如下有益效果：

(1)本發(fā)明在中繼選擇時考慮了中繼節(jié)點的剩余能量，在存在電池供電的中繼節(jié)點的協(xié)作通信網絡中，能夠平衡網絡負荷，延長網絡生命周期。(2)本發(fā)明相對于已有采用遍歷組合計算的天線選擇算法，計算復雜度大大降低，方法簡單有效，可與已有方法有效融合，具有很好的可實現(xiàn)性和應用價值。

具體實施方式

協(xié)作通信系統(tǒng)實施例模型由1個源節(jié)點、M個中繼節(jié)點和1個目的節(jié)點構成，中繼節(jié)點配置N根天線且采用電池供電。在中繼選擇時刻j第i個中繼節(jié)點的剩余能量為E_ij，每次轉發(fā)信號允許消耗的最大能量為α_ijE_ij，α_ij為在中繼選擇時刻j第i個中繼節(jié)點允許消耗的最大能量占其剩余能量的比例，定義為中繼選擇時刻j第i個中繼節(jié)點的生命周期門限。

實施例主要步驟如下：

步驟一：在中繼選擇時刻j，將目的節(jié)點處接收信噪比大于信噪比門限r_th的中繼節(jié)點選入候選中繼節(jié)點集合Ω中，并獲得該集合中所有中繼節(jié)點的剩余能量。步驟二：對于候選中繼節(jié)點集合Ω中的每一個中繼節(jié)點，以中繼節(jié)點i為例：

(1)分別計算選擇第i個中繼節(jié)點的天線m時的通信時長1≤m≤N；當時，天線m不被選擇；當時，將天線m選入該中繼節(jié)點的一根被選天線集合Ψ_1i；表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線m的傳輸功率。

(2)對于Ψ_1i中的任意兩根天線，分別計算同時選擇Ψ_1i中的天線a₁和天線b₁時的通信時長當時，將天線a₁和天線b₁構成的天線組合(a₁,b₁)選入第i個中繼節(jié)點的二根被選天線集合Ψ_2i；當時，天線組合(a₁,b₁)不被選擇；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₁和天線b₁的傳輸功率。

(3)對于Ψ_2i中的任意天線組合，分別計算同時選擇Ψ_2i中的天線組合(a₂,b₂)以及Ψ_1i中與天線a₂、天線b₂互不相同的天線c₁且該三根天線中的任意兩根天線的組合屬于Ψ_2i時的通信時長當時，由天線a₂、天線b₂和天線c₁構成的天線組合(a₂,b₂,c₁)不被選擇；當時，將天線組合(a₂,b₂,c₁)選入第i個中繼節(jié)點的三根被選天線集合Ψ_3i；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₂、天線b₂、天線c₁的傳輸功率。

(4)對于Ψ_3i中的任意天線組合，分別計算同時選擇Ψ_3i中的天線組合(a₃,b₃,c₃)以及Ψ_1i中與天線a₃、天線b₃、天線c₃互不相同的天線d₁且該四根天線中任意三根天線的組合屬于Ψ_3i時的通信時長當時，將天線a₃、天線b₃、天線c₃和天線d₁構成的天線組合(a₃,b₃,c₃,d₁)選入第i個中繼節(jié)點的四根被選天線集合Ψ_4i；當時，天線組合(a₃,b₃,c₃,d₁)不被選擇；其中：分別表示在中繼選擇時刻j時第i個中繼節(jié)點的天線a₃、天線b₃、天線c₃、天線d₁的傳輸功率。

(5)以此類推，直到被選天線集合中的天線組合中的天線個數達到最大值，此時的被選天線集合為所述第i個中繼節(jié)點的最終被選天線集合。

步驟三：對于每一個非空的最終被選天線集合對應的中繼節(jié)點，分別計算其最終被選天線集合中每一個天線組合對應的該中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路的信道容量，選取最大信道容量對應的天線組合為該中繼節(jié)點的被選天線組合，該最大信道容量為該中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道容量；

步驟四:選擇中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路的信道容量最大的中繼節(jié)點作為數據轉發(fā)的中繼節(jié)點。

本發(fā)明的另一個實施例，是將上述實施例中的步驟二替換為下述步驟即可實現(xiàn)。替換的步驟二：

對于候選中繼節(jié)點集合Ω中的每一個中繼節(jié)點，以中繼節(jié)點i為例：

(1)分別計算選擇第i個中繼節(jié)點的天線m，1≤m≤N，時的通信時長當時，天線m不被選擇，當時，將天線m選入該中繼節(jié)點的一根被選天線集合Ψ_1i。

(2)分別計算選擇Ψ_1i中的每一根天線時該中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的天線n，分別計算同時選擇天線n和Ψ_1i中不同于天線n的天線h時的通信時長當時，由天線n和天線h構成的天線組合(n,h)不被選擇，當時，將天線組合(n,h)選入該中繼節(jié)點的二根被選天線集合Ψ_2i；

(3)分別計算選擇Ψ_2i中的每一個天線組合時該中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的天線組合(a_x,b_x)，分別計算同時選擇天線組合(a_x,b_x)以及Ψ_1i中與天線a_x、天線b_x互不相同的天線c_x時的通信時長當時，由天線a_x、天線b_x和天線c_x構成的天線組合(a_x,b_x,c_x)不被選擇，當時，將天線組合(a_x,b_x,c_x)選入該中繼節(jié)點的三根被選天線集合Ψ_3i；

(4)分別計算選擇Ψ_3i中的每一個天線組合時該中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道容量，選取最大信道容量對應的天線組合(a_y,b_y,c_y)，分別計算同時選擇天線組合(a_y,b_y,c_y)以及Ψ_1i中與天線a_y、天線b_y、天線c_y互不相同的天線d_y時的通信時長當時，由天線a_y、天線b_y、天線c_y和天線d_y構成的天線組合(a_y,b_y,c_y,d_y)不被選擇，當時，將天線組合(a_y,b_y,c_y,d_y)選入該中繼節(jié)點的四根被選天線集合Ψ_4i；

(5)以此類推，直到被選天線集合中的天線組合中的天線個數達到最大值；此時的被選天線集合為所述第i個中繼節(jié)點的最終被選天線集合。

本發(fā)明并不限于僅由1個源節(jié)點、M個中繼節(jié)點和1個目的節(jié)點組網，本領域技術人員都能輕易根據本發(fā)明擴展應用于多點數據傳輸。