謝 鯤,王 玲
湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410082
協(xié)作通信技術(shù)利用單天線移動終端之間的相互協(xié)作,共享彼此的天線,形成虛擬的MIMO系統(tǒng),從而獲得空間分集效應(yīng)。因其能夠抵抗無線信道衰落,提升系統(tǒng)性能,成為近年來通信領(lǐng)域的研究熱點之一。
現(xiàn)有的協(xié)作通信研究主要可以分為兩類:一類是在單跳無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信,主要研究在兩個無線通信節(jié)點之間如何選擇一個或者多個協(xié)作中繼節(jié)點,進(jìn)行資源的最優(yōu)分配以獲得最大性能。如文獻(xiàn)[1-3]研究了單跳無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作中繼節(jié)點選擇和功率分配問題。另一類是在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信,研究多跳網(wǎng)絡(luò)中如何尋找協(xié)作路由來增加傳輸可靠性[4-5],以及如何聯(lián)合協(xié)作路由和協(xié)作中繼選擇提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量等[6]。
在多接口無線網(wǎng)絡(luò)中,可以為每一個無線節(jié)點配備多接口?,F(xiàn)有的研究表明,相比于單接口網(wǎng)絡(luò),多接口網(wǎng)絡(luò)可以提高傳輸性能和可靠性。然而,現(xiàn)有針對多接口無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信研究還十分有限,僅文獻(xiàn)[7]考慮了多接口網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)作傳輸問題。但是,文獻(xiàn)[7]是在給定路由的情況下再進(jìn)行接口的分配,無法動態(tài)為業(yè)務(wù)流進(jìn)行路由選擇,并不能為多條數(shù)據(jù)流提供最優(yōu)的性能。
多接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)可以為網(wǎng)絡(luò)通信提供更多的資源,使得節(jié)點在發(fā)送的過程中能夠有更大的空間來選擇下一跳流量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和協(xié)作節(jié)點。而且,在多接口協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的多個接口既可以服務(wù)某些數(shù)據(jù)流的直接傳輸,又可以為另外一些數(shù)據(jù)流提供協(xié)作通信服務(wù)。如何在多個數(shù)據(jù)流存在的情況下,合理地在多個數(shù)據(jù)流中進(jìn)行接口分配,聯(lián)合考慮路由和中繼節(jié)點選擇來最大化網(wǎng)絡(luò)性能,成為多跳多接口協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的關(guān)鍵和難點。
為解決該問題,本文首先分析在新的網(wǎng)絡(luò)場景下聯(lián)合路由選擇和中繼分配的問題模型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場景建立各個約束條件,將本文中最大化最小數(shù)據(jù)流速率的路由選擇和中繼分配問題建模為一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。然后,提出分支定界(branch and bound)的聯(lián)合路由選擇和中繼分配算法,該算法利用分支定界的思想將原問題分解為多個子問題來獲得最優(yōu)解。在具體實現(xiàn)中,將解空間用上下界來逼近,在算法迭代過程中更新上下界,當(dāng)上下界之差小于某個給定的小數(shù)值時,當(dāng)前的整數(shù)解集則為最優(yōu)解,該最優(yōu)解對應(yīng)了最優(yōu)的路由和中繼節(jié)點分配情況。
協(xié)作通信技術(shù)是適合于單天線用戶的空間分集技術(shù),它利用無線信道的廣播特性,允許單天線終端設(shè)備在多用戶環(huán)境中共享它們的物理資源來進(jìn)行通信,形成虛擬天線陣列。
參與協(xié)作通信的設(shè)備可相互轉(zhuǎn)發(fā)信息,同一信息的多個復(fù)本能夠通過相互獨立的無線信道到達(dá)接收端。圖1給出了協(xié)作通信的三節(jié)點通信模型,這里s是源節(jié)點,d是目標(biāo)節(jié)點,r是協(xié)作中繼節(jié)點。圖1中的信源節(jié)點s和協(xié)作中繼r形成相互獨立的通信信道,這樣信源節(jié)點發(fā)送的多個信號復(fù)本通過相互獨立的信道到達(dá)接收端,便可產(chǎn)生分集增益。相比于傳統(tǒng)的直接傳輸,協(xié)作通信可達(dá)到更高的吞吐量、更低的誤碼率并消耗更少的能量[8-9]。盡管三節(jié)點協(xié)作通信模型很簡單,但是協(xié)作通信的具體實現(xiàn)機制卻并不是唯一的。在文獻(xiàn)[10]中,使用一種時隙模型來傳輸。然而由于正交信道模型比時隙模型更容易分析和處理,并很容易轉(zhuǎn)為使用頻率分集、時間分集或者碼域分集,所以正交信道的使用已經(jīng)在協(xié)作通信中被廣泛接受[1,4,11-13]。類似于文獻(xiàn)[6]的協(xié)作通信協(xié)議,本文也采用正交信道來研究協(xié)作通信。在多跳多接口網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,每個節(jié)點使用單獨的信道,并能夠在不同信道中同時無自干擾地傳輸和發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖1 三節(jié)點協(xié)作通信模型
在協(xié)作傳輸模型中,根據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處理信號機制的不同,有兩種常用的通信模式:放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)。本文采取放大轉(zhuǎn)發(fā)模式,下面給出在放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下源節(jié)點s和目的節(jié)點d之間可達(dá)速率計算公式。
如圖1所示,中繼節(jié)點r接收、放大并轉(zhuǎn)發(fā)來自于源節(jié)點s的信號到目的節(jié)點d。hsd、hsr、hrd分別表示s和d,s和r,r和d之間的路徑損耗、陰影和衰落等影響。zd和zr分表表示在節(jié)點d和r上的零均值,且方差分別為、。為了簡便,假設(shè)一個節(jié)點的背景噪聲在不同的信道上都有相同的隨機特性。Ps和Pr分別表示在節(jié)點s和r處的傳輸功率。
根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知,放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下,在s和d之間由r作為協(xié)作中繼的情況下可達(dá)到的速率為:
如果源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點采用直接傳輸方式,即源節(jié)點s直接發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點d,則可達(dá)速率為:
CD(s,d)=wlb(1+SNRsd)
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)場景和定義
本文考慮存在多條數(shù)據(jù)流的多跳多接口協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,每個節(jié)點配備兩個網(wǎng)卡,每個網(wǎng)卡使用單獨的信道收發(fā)信息,且每個節(jié)點可以同時為兩條流服務(wù)。
圖2 網(wǎng)絡(luò)場景說明圖
網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點,記為集合N;網(wǎng)絡(luò)中J條流,記為集合F={f1,f2,…,fJ}。那么節(jié)點集合N包含三部分:(1)J個源節(jié)點,記為集合Ns={s1,s2,…,sJ};(2)J個目的節(jié)點,記為集合Nd={d1,d2,…,dJ};(3)L個中間節(jié)點,記為集合Nr={r1,r2,…,rL}。因此有n=J+J+L=2J+L。
根據(jù)中間節(jié)點在數(shù)據(jù)流傳輸中的作用,可以分為兩類。一類是多跳傳輸中繼(Multi-hop Relay,MR),與傳統(tǒng)路由中多跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點功能相同,本文中的MR傳輸中繼作為多跳路由的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包(如圖2中為f1服務(wù)的r2、r5、r7和為f2服務(wù)的r1、r4、r6和r7),下面定義0-1變量T(i,u,v)來形式化表示多跳傳輸中繼MR:
這里節(jié)點u和v都是流fi中的MR。
另一類用于節(jié)點之間的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā),即幫助源節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)給目的節(jié)點的協(xié)作者,稱為協(xié)作傳輸中繼(Cooperative Relay,CR)(如圖2中為f1服務(wù)的r3和r6和為f2服務(wù)的r2和r3),發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點和協(xié)作傳輸中繼共同組成如圖1所示的協(xié)作傳輸模塊。這里同樣定義0-1變量G(i,u,w,v)來表示協(xié)作傳輸中繼CR:
這里,節(jié)點u和v仍為fi的MR,節(jié)點w為CR。
2.2.2 問題的描述和建模
首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流服務(wù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能出發(fā),分析網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點在聯(lián)合路由選擇和中繼分配問題中的約束條件。
(1)源節(jié)點:每條流是從相應(yīng)的源節(jié)點出發(fā),所以源節(jié)點必有流出,即
文中假設(shè)源節(jié)點和目的節(jié)點不能作為MR,即除了作為初始節(jié)點或者目的節(jié)點之外,若為其他流服務(wù)只能作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,也就是CR,所以有:
(2)目的節(jié)點:目的作為本條流的終止節(jié)點,其一定有流入,即
類似于源節(jié)點,目的節(jié)點為其他流做中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,也最多只能為一條流服務(wù),即:
(3)中間節(jié)點:
①作為MR,一個中間節(jié)點u作為MR為某條流fi服務(wù),則必有流入和流出,所以中間節(jié)點u在fi這條流中下一跳之和應(yīng)該滿足
上一跳之和應(yīng)該滿足
由于流入和流出是同時存在,所以
②作為CR,為某條流fi服務(wù)的另一種方式就是作為協(xié)作中繼CR,但是也只能為其中的某一跳作為中繼,則有:
而且中間節(jié)點u為fi這條流服務(wù)的時候就只能作為MR或者CR,二者只能取其一,則有:
然后就整個網(wǎng)絡(luò)來說,由于假設(shè)源節(jié)點和目的節(jié)點為其他流服務(wù)時不作為MR,所以源節(jié)點是沒有流入的,目的節(jié)點是沒有流出的,即:
就整個網(wǎng)絡(luò)來講,某個中間節(jié)點u最多只能為兩條流服務(wù),也就是:兩個MR或者兩個CR;一個MR一個CR;一個MR或者一個CR。不參與網(wǎng)絡(luò)服務(wù),所以有:
若網(wǎng)絡(luò)中某條流fi中流經(jīng)(u,v),若w為(u,v)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點應(yīng)滿足:
假設(shè)每條流的速率為ci,那么為了確保路由的可用性,就必須考慮網(wǎng)絡(luò)中每一跳的容量限制,所以對fi的每一跳(u,v)都有:
2.2.3 問題的形式化描述
網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點,J條數(shù)據(jù)流,本文的目標(biāo)是通過優(yōu)化多條流路由和協(xié)作中繼分配來最大化最小的數(shù)據(jù)流的速率。若Cmin表示這J條流中最小的流速,即Cmin=min{c1,c2,…,cJ},那么本文目標(biāo)就是最大化Cmin。
條件(16)是由兩個變量相乘的非線性限制約束條件。為了簡便求解,需要將該非線性約束轉(zhuǎn)化成一個線性約束:
根據(jù)式(15)可知,當(dāng)T′=0的時候,G′=0,所以G′T′=G′,當(dāng)T′=1的時候,G′T′=G′,因此式(16)還可以簡化為:
在上述條件中,式(5)、(7)等價于式(5)、(6)、(7),因此可以忽略條件(6);式(7)、(9)等價于式(7)、(9)、(10),因此也可以忽略條件(10)。
本文的最大化最小數(shù)據(jù)流的聯(lián)合路由選擇和中繼分配問題可以形式化表示如下:
分析可知式(18)是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題(MILP),所有的約束條件都是線性約束,Cmin是目標(biāo)函數(shù),T(i,u,v)和G(i,u,w,v)是決策變量,一旦所有數(shù)據(jù)流的T變量和G變量確定后,路由選擇和中繼分配即可確定。通常來說MILP問題是一個NP-hard問題[14-15]。為了求解該問題,本文提出一種啟發(fā)式算法。
分支定界法(Branch and Bound)是一種系統(tǒng)地搜索解空間的方法,它隱式地將所有決策變量組合的解都求出來然后取最優(yōu)值。通過定界直接刪除一些目標(biāo)函數(shù)值明顯低于當(dāng)前最優(yōu)值的某些變量值,不再對其分支,從而減少搜索空間,減少空間復(fù)雜度,提高算法效率。因此,分支定界法求出的解通常為優(yōu)化問題的最優(yōu)解。
本文基于分支定界思想的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點分配算法具體步驟,如圖3所示。
圖3 基于分支定界思想的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點分配算法
如對于一個求最大值的混合整數(shù)線性優(yōu)化問題(18),表示為P,其決策變量(0-1變量)集合為X,分支定界第一步就是先忽略決策變量的整數(shù)限制,得到一個非整數(shù)解集X0和目標(biāo)函數(shù)值UB0。
然后選擇P的任意整數(shù)可行解集X00(如所有變量都取0)代入P得到另一個目標(biāo)函數(shù)值LB0。這時取P得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值的上界UB=UB0,下界LB=LB0,用一個整數(shù)解集Y=X00,如圖4(a)所示。
接下來從這個非整數(shù)解集X0中找出任意一個非整數(shù)變量x1開始分支成兩個子問題,P1:x1=0和P2:x1=1。分別對P1和P2進(jìn)行求松弛解,過程同第一步,則對于P1,可以得到一個非整數(shù)解集X1和目標(biāo)函數(shù)值UB1,以及一個整數(shù)解集X11和目標(biāo)函數(shù)值LB1。同樣對于P2,也可以得到一個非整數(shù)解集X2和對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值UB2,以及一個整數(shù)解集X22和對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值LB2,如圖4中(b)所示。
(1)如果LB1<LB,LB2>LB,表明P1這個分支得到的整數(shù)解沒有當(dāng)前整數(shù)解好,則刪除P1這個子問題,就是不再對其進(jìn)行分支,并取UB=UB2,LB=LB2,Y=X22,判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB(ε>0,是一個給定的誤差值),如果上述不等式成立,則分支定界算法結(jié)束,LB對應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集,LB則為目標(biāo)函數(shù)值;否則就從非整數(shù)解集X2中再任取一個非整數(shù)變量xi分支成兩個新的子問題繼續(xù)求解,過程同上述分支一樣。
圖4 分支定界步驟
(2)同理如果LB2<LB,LB1>LB,表明P2這個分支得到的整數(shù)解沒有當(dāng)前整數(shù)解好,則刪除P2這個子問題,即不再對其進(jìn)行分支,并取UB=max{UB,UB1},LB=LB1,Y=X11,同上面一樣判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB,如果上述不等式成立,則分支定界算法結(jié)束,LB對應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集,LB則為目標(biāo)函數(shù)值;否則就從非整數(shù)解集X1中再任取一個非整數(shù)變量xi分支成兩個新的子問題繼續(xù)求解。
(3)如果LB1>LB,LB2>LB,表明分支后兩個子問題所得到的整數(shù)解都優(yōu)于當(dāng)前整數(shù)解,則取UB=max{UB1,UB2},LB=max{LB1,LB2} ,同樣判斷是否滿足UB≤(1+ε)LB,如果上述不等式成立,則分支定界算法結(jié)束,LB對應(yīng)的整數(shù)解集Y則為要求的決策變量解集,LB則為目標(biāo)函數(shù)值;否則就依次從非整數(shù)解集X1和非整數(shù)解集X2中任取一個非整數(shù)變量來分支成兩個新的子問題繼續(xù)求解,如圖4(c)所示為子問題P2的分支。
(4)如果LB1<LB,LB2<LB,表明有當(dāng)前的整數(shù)解優(yōu)于兩個分支所得的整數(shù)解,因此對這兩個問題都不在分支。
上述過程結(jié)束后的分支求解類似于P問題的分支過程,算法結(jié)束的標(biāo)志都為上UB≤(1+e)LB或者所有分支灰沒有可行解,LB對應(yīng)的整數(shù)解集為當(dāng)前的最優(yōu)解集,LB為目標(biāo)函數(shù)值。
本文通過仿真實驗來驗證提出的聯(lián)合優(yōu)化路由和中繼節(jié)點算法的有效性。
在仿真實驗中,沿用文獻(xiàn)[12]的參數(shù)設(shè)置,假設(shè)每個接口帶寬W=22 MHz,每個節(jié)點的最大傳輸功率設(shè)為1 W。為了方便計算,假設(shè)hsd只包含節(jié)點s到d的傳播增益,所以|hsd|2=||s-d||-4,這里||s-d||是節(jié)點s和d之間的距離,路徑損耗參數(shù)設(shè)為4,給定的誤差值ε=0.1;并假設(shè)所有節(jié)點噪音的方差為10-10W。
圖5 JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示,在大小為1 000 m×1 000 m的范圍內(nèi)隨機生成16個節(jié)點。其中4個源節(jié)點,4個目的節(jié)點,8個中繼節(jié)點,也就是n=16,J=4,L=8。圖中實線表示節(jié)點之間存在直接通信的鏈路,虛線箭頭表示協(xié)作通信鏈路。目前多接口協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中的研究還十分有限,因此本文對比三種不同的網(wǎng)絡(luò)場景和路由算法來分析本文所提算法的性能。
第一種在雙接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,實現(xiàn)本文提出的JFRBB算法,即為每個數(shù)據(jù)流找到協(xié)作路由的同時確定每個接口中繼分配情況(即MR和CR分配情況),表示為JFRBB-Multi-Radio-Cooperative。
第二種在雙接口無協(xié)作傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中為每條數(shù)據(jù)流利用JFRBB算法找出最優(yōu)路由,表示為JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative。在這個場景中,由于沒有協(xié)作節(jié)點協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā),因此,每個節(jié)點的兩個接口最多只能同時作為MR為兩條流服務(wù)。由于沒有了協(xié)作節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),具體實現(xiàn)中,將JFRBB算法中所有的G變量賦值為0,此時的決策變量只有T。
第三種在單接口協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,利用 JFRBB算法為每個數(shù)據(jù)流找出最優(yōu)的協(xié)作路由,并進(jìn)行中繼分配,表示為JFRBB-Single-Radio-Cooperative。由于網(wǎng)絡(luò)場景為單接口網(wǎng)絡(luò),每個節(jié)點只有一個接口,因此每個節(jié)點只能作為MR或者CR為某一條流服務(wù)。具體實現(xiàn)中將JFRBB算法所有的接口數(shù)目限制設(shè)為1,即在問題(19)的數(shù)學(xué)模型中,約束條件(13)、(14)的接口數(shù)目限制改為1。
圖5給出了JFRBB-Multi-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)果,圖6和圖7分別為JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative網(wǎng)絡(luò)路由情況和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的路由情況。網(wǎng)絡(luò)中各條流的速率如表1所示,可以看出在JFRBB-Multi-radio-cooperative網(wǎng)絡(luò)路由中,由于每個節(jié)點可以為多條流服務(wù),節(jié)點既可以作為MR又可以作為CR,所以由此算法得到的網(wǎng)絡(luò)性能是最好的。而在JFRBB-Multi-Radio-Noncooperativ網(wǎng)絡(luò)中,雖然每個節(jié)點也是多個接口,但是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只能作為MR,沒有了協(xié)作分集的優(yōu)勢,網(wǎng)絡(luò)中各條流的速率比JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由的速率要小。在JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)中,雖然有協(xié)作節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā),但是網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點只有一個接口,只能服務(wù)于一條流,使得有些有優(yōu)勢的節(jié)點得不到充分的利用,從而降低了網(wǎng)絡(luò)性能。
圖6 JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative路由
表1 網(wǎng)絡(luò)中各條數(shù)據(jù)流速率比較 (Mb·s-1)
圖8給出了三種情況下各個網(wǎng)絡(luò)中的最小速率,可以看出JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由的最小速率比JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的最小速率均高出將近43%。圖9給出了各個網(wǎng)絡(luò)中的聚合流量,由圖可以看出,在JFRBB-Multi-Radio-Cooperative路由情況下聚合流量比JFRBB-Multi-Radio-Noncooperative網(wǎng)絡(luò)和JFRBB-Single-Radio-Cooperative網(wǎng)絡(luò)的聚合流量分別高出16.4%和30.7%。
上述實驗結(jié)果表明,一方面,由于協(xié)作通信帶來的協(xié)作分集效應(yīng),協(xié)作通信可以進(jìn)一步提高多接口無線網(wǎng)絡(luò)的性能;另一方面,多接口為協(xié)作傳輸?shù)腗R和CR分配帶來了多樣性的選擇,可以為協(xié)作通信服務(wù),進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。
圖9 網(wǎng)絡(luò)中聚合流量比較
協(xié)作通信可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點資源,通過節(jié)點間的協(xié)作來幫助有通信需求的節(jié)點進(jìn)行高速、可靠的無線通信。本文在多接口多跳網(wǎng)絡(luò)中,聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點選擇,為各條數(shù)據(jù)流尋求一條最優(yōu)路徑,使得各條流之間以較為均衡的速率傳輸數(shù)據(jù)。由于多接口能夠使一個節(jié)點服務(wù)于多條流,所以多接口網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點更能充分地發(fā)揮自己的優(yōu)勢,來最大限度提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。仿真實驗結(jié)果表明,基于分支定界的聯(lián)合流路由和中繼節(jié)點分配算法能夠提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,并公平實現(xiàn)各條數(shù)據(jù)流的帶寬分配。
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