CN101335971B - 基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，包括步骤：获取基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求，对其求和得到基站、各中继站的最小资源需求；获取各中继站之间的干扰状况，根据基站、各中继站的最小资源需求和各中继站之间的干扰状况，采用不同的划分策略对各中继站进行划分，将各中继站分入可以占用共同资源的不同的独立集中，判断、比较各划分策略下的总的资源需求，以获得优化的资源复用调度划分策略。采用该资源调度方法，能够更好的满足各连接的QoS需求，并且能够适用于动态非对称的多跳网络。

Description

基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络的资源调度方法，特别是涉及一种基于中继站的多跳宽带无线网络的资源调度方法。

背景技术

近年来宽带无线通信技术和网络高速发展，由于频谱规划原因，新兴的无线通信系统的载波频率都比较高。较高的频段虽然能够解决频率分配问题，但是频段越高，电磁波的绕射能力越差，穿透能力也越差，这种状况对无线信号覆盖范围提出了挑战。现在的无线接入网络架构主要是由基站(BS，Base Station)与移动用户(MSS，Mobile Subscriber Station)组成的单跳(Single-hop)网络，每个MSS均通过一条与基站相连的无线链路来访问网络，MSS如果要进行相互通信的话，必须首先访问基站。这种单跳网络很难满足高频无线通信系统的要求，因为高频信号由于透射和绕射能力差，很容易受到地形引起的阴影衰落(shadowfading)效应的影响，另外，频段越高，电磁波的衰减也越大，致使系统基站覆盖面积缩小。例如，根据实际网络规划后所得的结果，由于采用的传输频率较高，微波存取全球互通(WiMAX，Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess)系统基站在市区内有效的覆盖半径大约仅为数公里，且有效数据传输率随移动用户与基站间距离的增加而递减。也就是说，采用单跳网络的高频无线通信系统基站覆盖面积小，且处在基站覆盖边缘的用户无法得到较高的数据传输率和服务质量(QoS，Quality of Service)的保障。

解决上述问题的一个办法就是对于覆盖区域重新划分，使得所有覆盖区域都缩小到基站能够保证较高QoS的范围，这样为了使所有区域都能够进入覆盖范围，就需要增加基站数量，考虑到架设基站的困难程度和成本，这种方法也十分不便。因此，无线通讯网络提出了多跳网络的概念，多跳网络利用中继站(RS，Relay Station)在基站和移动用户间转发信号，从而形成了基站-中继站-移动用户的路径。这种中继站可以是一个，也可以是多个，一个多跳网络的节点能够利用较小的发射功率即可到达相邻节点，因此使得中继站的发射功率大大降低。而且中继站位置分散，能够有效避免地形对网络布局影响。

但是，基于中继站的多跳网络中的数据需要在基站和MSS之间经过一次或多次中继，从信号传输时间开销或频率占用角度，都会造成对系统资源的浪费，由此就会减少系统容量。为此，一些新的技术尝试利用地理因素或其他有效办法，进行资源的复用，这里所指的资源可以是时分多址通信系统中的时间，也可以是频分多址通信系统中的频率带宽，还可以是码分多址通信系统中的伪随机码，或者其他多址复用通信系统中的资源，资源类型的不同不会存在实际应用上的差别。为了方便描述，以下内容中的“资源需求”等分别代表不同多址复用通信系统中的具体资源类型的需求量，“资源调度”指的是基站给各中继站以及直接与基站相连的用户分配资源，“资源复用调度”指的是基站给不同中继站分配相同资源。

目前，无线通信系统资源复用调度方法的无线网络拓扑结构如图1所示，该方案采用曼哈顿模型，每个小区由1个基站和4个中继站构成对称网络结构，而且小区间的布网方式具有相同结构，基站5位于建筑物6群之间，其周围有四个中继站，分别是RS1、RS2、RS3和RS4，图中编号分别对应1、2、3和4。在这种架构下，RS1和RS2由于中间有建筑物遮挡，所以不存在干扰，可以采用资源复用调度，同理，RS3和RS4可采用资源复用调度。

以时分多址系统为例，该方法中，一个无线通信完整的时间帧的结构如图2所示。时间帧内前端标有左斜线填充的区域表示基站分别为RS1、2、3和4提供服务的时间，中间上下并排的右斜线填充的区域表示RS1和RS2同时为移动用户提供服务的时间，中间上下并排的方格填充的区域RS3和RS4同时为移动用户提供服务的时间，后端竖条纹填充的区域表示基站为移动用户提供服务的时间，采用这种资源复用调度方法样就能缩短时间帧的长度，节约系统资源。

但是这种方法由于没有考虑到各中继站带宽需求的不同，给各个中继站分配的资源是相同的，为了保证各中继站的正常工作，给每一个中继站都只能分配整个覆盖范围内中继站对资源要求的最大值。当系统对一系列不会产生干扰的中继站同时调度时，由于当前所需时间资源的差异使得部分中继站的调度早已结束，而部分中继站的调度仍在继续，下一系列的中继站的调度也无法开始。这样仍然会造成系统资源上的浪费，进而会影响各移动用户实际获得的带宽，难以满足各连接的QoS需求。另外，该资源调度方法仅适用于对称、固定位置的中继站布放方案，而没有考虑非对称、位置可移动的中继站的规划方案，应用范围窄。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于中继站的多跳宽带无线网络中资源复用调度的方法，该方法能够根据各中继站的实际资源需求分配给各中继站资源，在此基础上进行中继站之间的资源复用调度。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，该方法包括以下步骤：获取基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求，对其求和得到基站、各中继站的最小资源需求；获取各中继站之间的干扰状况，根据基站、各中继站的最小资源需求和各中继站之间的干扰状况，采用不同的划分策略对各中继站进行划分，将各中继站分入可以占用共同资源的不同的独立集中，判断、比较各划分策略下的总的资源需求，以获得优化的资源复用调度划分策略。

上述方法之后进一步包括步骤：计算无线网络所能够提供的资源与优化的资源复用调度划分策略所需的资源之间的剩余资源值，比较剩余资源值与预定的阈值；如果上述剩余资源值大于预定的阈值，则对剩余资源进行分配。

其中，所述基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求是由各连接的服务质量要求所决定的。

其中，所述对于各中继站的划分步骤中，在对中继站进行划分之前，先将各中继站归入相互不会产生干涉的单连通片，然后在各连通片内部将各中继站划分进入不同独立集，以在连通片内部采用不同的划分策略对各中继站进行划分。

本发明基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法中进行剩余资源分配步骤之后，如果剩余资源进行分配使得原有划分结果所要求的总的资源需求不是各划分策略中的最小值，则重复执行获取资源需求的步骤、资源复用划分步骤、计算剩余资源步骤和剩余资源分配步骤，直至剩余资源低于预定的阈值，停止剩余资源分配。

其中，所述方法还包括，以指定时间长度为周期，重复执行获取资源需求的步骤和资源复用划分步骤。或者重复执行获取资源需求的步骤、资源复用划分步骤、计算剩余资源步骤和剩余资源分配步骤

本发明所提供的基于中继站的多跳宽带无线网络中资源复用调度的方法，根据各中继站的实际资源需求分配资源，具有以下优点：

第一、不需要预先知道网络拓扑或干扰情况，而是利用网络运行过程中动态测量得到的基站、中继站间干扰情况及其资源需求决定调度结果。因而该调度方法既适用于对称、固定位置的中继站布放方案，也适合于非对称、位置可移动的中继站规划方案，同时也能对功率控制及天气等因素导致的中继站间的干扰情况变化做出实时反应。

第二、由于依据各基站、中继站的实际带宽需求进行资源调度，能更好的满足各连接的QoS需求。同时，由于考虑了各中继站的需求差异，所以能更大限度的利用带宽资源，大大提高系统容量。对于使用链路为单位的调度，系统容量可以进一步提高。

附图说明

图1为现有技术中多跳网络拓扑结构图；

图2为现有技术中资源复用调度的时间帧结构；

图3为本发明所适用的一种多跳网络拓扑结构图；

图4为本发明所采用的资源复用调度方法的流程图；

图5为图3所转化而成的顶点加权图；

图6为本发明通信网络下行链路子帧可复用调度结果；

图7为本发明中剩余资源经过再分配前后的通信网络下行链路子帧结构的对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明适用于非对称、可移动的中继站位置规划方案。一个无线通信网络的拓扑结构如图3所示，基于中继站的多跳网络从信号传输对象的角度可以分为基站<->中继站，中继站<->中继站，基站<->移动用户，中继站<->移动用户四种类型的信号传输链路。对于基站和其覆盖下的所有移动用户之间的基站<->移动用户链路，可以看作一个整体，以基站为单位来调度，同理，对于任一中继站和其覆盖下的所有移动用户之间的中继站<->移动用户链路，也可以看作一个整体，以中继站为单位来调度。所以我们以基站、中继站为单位进行自适应可复用调度，以简化描述的复杂性。因此，在图3中没有显示出各移动用户。

如图4所示，本发明的基于中继站的多跳网络资源复用调度方法包括以下步骤：

(101)获取基站、各中继站的最小资源需求：获取基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求，对其求和得到基站、各中继站的最小资源需求。

宽带无线网络所支持的服务中一般包括多种不同QoS需求的业务类型，每种业务一般通过最大数据传输率和最小数据传输率两个重要的QoS参数来表征其资源需求。各连接根据其业务类型的区别有不同的资源需求，将某个时刻基站及各中继站覆盖下的所有直接和它们进行信号传输的移动用户的各个连接所要求的最小数据传输率相对应的QoS需求的资源需求相加，即可得到该时刻以基站、中继站为单位调度的情况下，基站和各中继站所需的最小资源需求。

(102)利用优化的资源复用调度划分策略对各中继站进行划分以实现资源复用调度的步骤：获取各中继站之间的干扰状况，根据基站、各中继站的最小资源需求和各中继站之间的干扰状况，采用不同的划分策略对各中继站进行划分，这些划分策略实质上就是按照不同方式将各中继站分入可以占用共同资源的不同的独立集中，例如中继站1与中继站2归入一个独立集，可以占用相同资源，中继站3和中继站5为一个独立集，可以占用相同资源，中继站7自行组成一个独立集，此即为一个划分策略。判断、比较各划分策略下的总的资源需求，以获得优化的资源复用调度划分策略。

本步骤可以定义为资源复用划分步骤。在本步骤中可以使用各种优化方法以获得一个优化的资源复用调度划分策略，这里给出一个实例：如图5所示，用一个顶加权图G(V，E，W)来表示基站、中继站之间的干扰关系和各自的资源需求：图5中的顶点对应图3中的基站或中继站；该顶点的权值对应利用步骤(一)所获得的资源需求；每条边表示其所连接的两个顶点间同时对各自覆盖区域边缘的用户使用相同资源时，其通信信号会出现严重相互干扰，例如在相邻中继站中使用相同频段的电磁波会造成彼此之间的干扰。

图5中，圆圈表示顶点，圆圈里的两个数字第一个数字表示顶点编号，例如0表示基站，1表示中继站1，圆圈里的第二个数字表示该顶点的带宽需求，因此顶点(0，7)表示基站，与其直接相连的移动用户最低QoS要求所对应的资源需求为7。

干扰是由基站、中继站间的距离、地形地貌、使用的功率及控制策略等多方面原因产生的，干扰的程度可以有多种判别方式，比如可通过设置干扰强度阈值IIth来判断。两顶点间测量到的干扰可以表示为干扰强度(InterferenceIntensity)，如果两顶点间的干扰强度大于IIth，说明二者之间存在严重干扰，在图5中表示为两个顶点之间有一个连接边，例如顶点(7，3)和(1，4)、(3，2)和(2，9)之间的连接边分别表示中继站7和中继站1、中继站3和中继站2之间存在干扰。从资源复用调度的角度出发，具有连接边之间的顶点是不能占用相同的资源的。由于基站负责各中继站的资源调度，因此基站顶点(0，7)与任何一个中继站之间都有连接边。

基于干扰情况、资源需求以及可复用调度结果间的量化关系的数学模型描述如下：给定一个顶加权图G(V，E，W)，其中V表示图中的顶点域，E表示图中的边域，而W表示权重域。每个顶的权值为w(v)，其中w∈W，v∈V。我们通过以下两个子步骤，得到该图的一个划分：

(1)按图5的连通性将该图分为多个连通片B1，B2......Bm，各连通片之间只有基站顶点是共用的，不同的连通片之间不存在干扰，所以可以同时使用相同的频谱资源。

(2)在任一连通片内部，因为存在干扰，所以其成员基站、中继站和其覆盖范围内的移动用户进行数据传输时不能同时使用相同资源，因此需要进一步划分，形成多个可复用调度集。可复用调度集内可以同时使用相同资源，不同可复用调度集不能同时使用相同资源，例如在时间上错开或者使用不同频段。产生可复用调度集的方法是对连通片内的顶点进行正常染色，得到独立集序列S1、S2......Sn，每一个独立集就对应一个可复用调度集。

定义每个独立集的权值为其成员顶点的权值的最大值，即W(Sj)＝max{w(u)|u∈Sj}，j∈[1，n]，其中Sj表示第j个独立集，u是这个独立集中的一个顶点，w(u)是这个顶点的权值，W(Sj)为该独立集所有顶点的权值的最大值；定义每个连通片的权值为其成员独立集的权值之和，即W(Bi)＝∑W(Sj)，j∈[1，n]，i∈[1，m]，Bi为第i个连通片，该连通片内有S1、S2......Sn共n个独立集，Sj为其中第j个独立集，W(Bi)为第i个连通片内所有独立集权值W(Sj)之和，即为该连通片的权值；定义每个划分策略的权值为其所有连通片权值的最大值W(P)＝max{W(Bi)}，i∈[1，m]；P为一种划分策略，其包括B1，B2......Bm共m个连通片，W(Bi)为第i个连通片的权值。最优的调度目标为：求顶加权图G(V，E，W)的一种划分策略P，使得该划分策略的权值最小，即W(P)＝min。

对于划分方法的优化可以选用多种数学算法，例如可以列举出所有可能的划分策略，然后计算出对这些策略所对应的权值并进行比较，也可以使用贪心算法等近似算法以更快地获取最小的划分策略权值。图6是对图3通信网络的一种划分方法所对应的下行链路子帧结构。联系图5中的顶加权图，可以看出图6中的划分策略为：顶点(7，3)、(1，4)、(3，2)、(2，9)和(5，7)组成一个连通片，顶点(4，12)和(6，4)组成一个连通片，顶点(8，7)组成一个连通片；对于第一个连通片，因为顶点(1，4)和(2，9)之间没有连接边，选择(1，4)和(2，9)组成一个独立集，也就是这两个顶点所对应的中继站可资源复用调度，选择(5，7)和(7，3)组成一个独立集；对其它连通片，均实行连通片内单独调度。因此，以时分多址系统为例，最后得到的一个时间帧包括：基站为中继站提供服务的时间、基站为与之直接相连的移动用户提供服务的时间，以及各中继站资源复用调度的时间。其中，每个连通片均同时为与其相连的移动用户提供服务，中继站1和中继站2同时为与其相连的移动用户提供服务，中继站5和中继站7同时为与其相连的移动用户提供服务，随后，中继站3为与其相连的移动用户提供服务。

上行链路子帧与之类似，只需将由基站与中继站之间的中继传输和中继站与移动用户之间的接入传输两阶段掉换次序即可。

上述资源复用调度进程中，把网络划分为不同连通片，然后在连通片内进行划分，使得连通片内不同中继站可以占用相同资源。但是本发明还可以包括直接进行整个网络内所有的中继站之间的资源复用调度，只是需要对优化方法作出相应更改，即对所有中继进行划分，归入不同独立集，然后计算获得优化结果。

(103)计算并判断剩余资源值：计算无线网络所能够提供的资源与优化的资源复用调度划分策略所需的资源之间的剩余资源值，比较该剩余资源值与预定的阈值。

经过步骤(二)的资源复用划分步骤，得到了一个经过优化的复用调度结果，系统能够提供的总资源与该结果所对应的上行和下行链路所需求的两部分资源之和之间的差值为剩余资源R。

(104)对剩余资源进行再分配：如果上述剩余资源值大于预定的阈值，则对剩余资源进行再分配，实现对系统资源的最大利用。

系统剩余资源R如果超过某个预设的阈值Rth，即可认为有较多剩余资源可以用于再分配，此时就可以将这些资源分配给各中继站。分配的策略可以有多种办法，例如平均分配、按业务需求分配等。以下示例为一种剩余资源再分配方法：该方法中取剩余资源的一半即R/2进行分配，将其中R/4的资源在上行子帧的中继链路上分配，将另外R/4的资源在下行子帧的中继链路上分配。这样分配的原因是：以下行链路为例，当给中继链路分配R/4的资源时，因为传输的内容相同，接入链路所需资源同时也会有所增加，但因为接入链路上的资源复用所以增加的带宽就不会超过R/4，这样上行子帧消耗的剩余带宽不超过R/2；同理下行子帧消耗的剩余带宽也不超过R/2，这就保证了剩余带宽再分配不会超过R。分配按以下顺序：先按时延条件尽量满足实时变速率业务需求，若有剩余再满足非实时变速率业务需求，最后再分配给其它业务。剩余资源经过再分配前后的时间帧结构对比如图7所示，图中下半部分表示剩余资源经过一次再分配后的结果，其中基站到中继站的服务时间长度、以及基站为与之直接相连的移动用户提供服务的时间和中继站为与之直接相连的移动用户提供服务的时间都有可能延长。

(105)再次资源复用调度步骤：判断是否需要重新进行可复用调度。

因为剩余资源的重新分配可能引起各连通片权值、各独立集权值、各顶点权值排序的变化，如果这些权值的变化导致步骤(二)中所得的划分策略不再是资源复用调度的最优结果，即使得原有划分结果所要求的总的资源需求不是各划分策略中的最小值，则需要重复进行可复用资源划分步骤和剩余资源再分配步骤，如果没有改变原划分结果的最优性，则继续分配剩余的资源，直至剩余资源低于阈值Rth，停止剩余资源的再分配。

为了实现对于网络资源的动态资源复用调度，本实施例还可以进一步包括步骤：以一定时间段为周期，重复执行步骤(101)至(105)。

由于无线网络的资源需求状况是动态变化的，移动用户甚至中继站的位置也会发生变化，由于天气等随机因素也会导致中继站间的干扰情况变化做出实时反应，所以需要经过一定时间就重新进行资源复用调度，让资源复用调度状况随资源需求状况以及各中继站之间的干扰状况动态变化。

上述优选实施例的方法中，认为所有的中继站直接与基站连接，主要是利用到了中继站<->移动用户之间进行数据传输时的可复用性。实际上，地理环境影响、功率控制和先进的天线技术的运用使得多跳Relay网络中存在的基站<->中继站，中继站<->中继站，基站<->移动用户，中继站<->移动用户四种类型的链路间都存在着可复用调度(同时使用相同频率资源)的可能性。因此可以对上述实施例中的方法进行相应变更，例如：用一个顶加权图G(V，E，W)来表示各链路间的干扰情况和带宽需求，图中的顶点表示每条有信号传输需求的链路，可以是基站<->中继站，中继站<->中继站，基站<->移动用户，中继站<->移动用户中的任意一种；该顶点的权值对应其带宽需求；每条边表示其所连接的两个顶点间同时发送相同频率的信号会出现严重相互干扰。通过这样的变化，利用上述实施例中的资源复用调度方法可以得到对基于中继的多跳网络中所有链路进行有效的综合资源复用调度。

对于上述资源复用调度方法，还可以进一步进行扩展，首先，顶加权图G(V，E，W)的顶点可以不局限于同一个尺度，比如Relay网络中采用以链路为单位的自适应可复用调度中，如果网络布局有一个中继站由于地形等因素和其他中继站隔离，之间传输完全无干扰，那么对于这个孤立中继站覆盖下所有链路可以作为一个顶点与其它的链路进行调度，以减少调度的复杂性；其次，边的形成可以是各种导致不能同时调度的因素综合考虑的结果，边上也可以赋予权值，显示两定点间干扰的程度，在划分独立集时可以作为一个判断条件，例如可以要求一个独立集里的边权值之和不能超过某个阈值来表征减少独立集内的干扰；最后，顶点的权值也可以不限定为仅有一个变量，而扩充到诸如延迟、抖动等各个QoS参数，作为划分独立集的判断条件，比如可以要求一个独立集里的成员需要把抖动的程度错开来保证流量的稳定性。这样的扩展方式能够使得资源复用调度方法具有更宽广的适用范围，同时具有更优异的性能。通过以上扩展，上述资源复用调度方法可以适合于各种多跳无线网络的调度，包括AdHoc，Wireless Mesh，Wireless Sensor Network等网络。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的保护范围。本领域内技术人员应该能够联想到，以不同的无线通信网络作为本发明的应用背景，采用不同优化方法获得最优的划分方法以进行有效资源复用调度，单跳网络与多跳网络的混和情形下的资源复用调度，以及考虑到更多实际需要进行多跳网络的资源复用调度，都应该属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、获取基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求，对其求和得到基站、各中继站的最小资源需求；

B、获取各中继站之间的干扰状况，根据基站、各中继站的最小资源需求和各中继站之间的干扰状况，采用不同的划分策略对各中继站进行划分，将各中继站分入可以占用共同资源的不同的独立集中，判断、比较各划分策略下的总的资源需求，以获得优化的资源复用调度划分策略；

其中，所述对于各中继站的划分步骤中，在对中继站进行划分之前，先将各中继站归入相互不会产生干涉的单连通片，然后在各连通片内部将各中继站划分进入不同独立集。

2.根据权利要求1所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于：所述步骤B之后进一步包括：

C、计算无线网络所能够提供的资源与优化的资源复用调度划分策略所需的资源之间的剩余资源值，比较剩余资源值与预定的阈值；

D、如果上述剩余资源值大于预定的阈值，则对剩余资源进行分配。

3.根据权利要求1所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，所述基站、各中继站当前覆盖下的所有直接与它们进行信号传输的移动用户的连接的最小资源需求是由各连接的服务质量要求所决定的。

4.根据权利要求1或2所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，在各连通片内部将各中继站划分进入不同独立集后，在连通片内部采用不同的划分策略对各中继站进行划分。

5.根据权利要求2所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，所述步骤D之后进一步包括：如果剩余资源进行分配之后，使得原有划分结果所要求的总的资源需求不是各划分策略中的最小值，则重复执行所述步骤A至所述步骤D，直至剩余资源低于预定的阈值，停止剩余资源分配。

6.根据权利要求4所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，所述方法还包括，以指定时间长度为周期，重复执行所述步骤A至所述步骤B。

7.根据权利要求5所述的基于中继站的多跳无线网络的资源调度方法，其特征在于，所述方法还包括，以一段指定时间段为周期，重复执行所述步骤A至所述步骤D。

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