CN101572654A - 一种资源分配方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种资源分配方法和设备。该方法包括：对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况；比较不同协作中继协议所能实现的性能指标，选择实现最佳性能指标的协作中继协议；根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。通过使用本发明的实施例，对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，进而选择实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。使得传统中继站的蜂窝网在不升级硬件的情况下获得多种协作中继技术的最大性能增益。

Description

一种资源分配方法和设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种资源分配方法和设备。

背景技术

随着无线宽带服务需求的日益增长，未来的无线通信系统必须满足各种各样高速率的应用。目前4G(4^th Generation，第四代数字通信)系统使用的载频(＞5GHz)将比目前系统的载频(＜2.2GHz)高出很多，由于更高的速率意味着更少的每比特传输能量，因此会导致更加严重的信号衰落，使得4G系统无法获得和目前系统相同的覆盖性能。现有技术中一种解决覆盖问题的有效方法是设置RS(Relay station，中继站)，利用中继站来辅助通信。使用中继作为一种廉价的技术，有效地增强了蜂窝网络的性能，在更少的基站数目的情况下实现了相同的服务质量。例如，目前在蜂窝网中用来扩大覆盖的转发器，就可以当作一种特殊的中继器。

协作中继技术，区别与传统的多跳非协作中继技术，是一种可以抵抗无线信道多径衰落的新技术。它的基本思想是让多个单天线用户之间通过共享天线，形成虚拟多天线的协作传输，以此使单天线用户也可以得到空间分集，从而达到扩大网络覆盖、提高传输速率和延长电池寿命等目的。现有技术中的协作中继协议主要可分为两类，分别为CDF(Cooperative Decode andForward，协作解码转发)协议和CAF(Cooperative Amplify and Forward，协作放大转发)协议。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术存在以下缺点：

现有的两类协作中继协议的性能在很大程度上取决于发送端、接收端和中继站之间的位置关系。两种协议的性能在实际使用时各有优势，采用单一协作中继协议的蜂窝网并不能获得最大的性能增益。例如，当中继站比较靠近发送端时使用CDF协议性能可能较好；而当中继站比较靠近接收端时使用CAF协议性能可能较好。

发明内容

本发明实施例提供一种资源分配方法和设备，利用传统中继站的蜂窝网在不升级硬件的情况下获得多种协作中继技术的最大性能增益。

为达到上述目的，本发明实施例提供一种资源分配方法，包括：

对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况；

比较不同协作中继协议所能实现的性能指标，选择实现最佳性能指标的协作中继协议；

根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

本发明的实施例提供一种资源分配设备，包括：

获取单元，用于对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况；

比较单元，用于比较所述获取单元获取的不同协作中继协议所能实现的性能指标；

处理单元，用于根据所述比较单元的比较结果选择实现最佳性能指标的协作中继协议，并根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

通过使用本发明的实施例，实现了以下有益效果：

对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，进而选择实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。使得传统中继站的蜂窝网在不升级硬件的情况下获得多种协作中继技术的最大性能增益。

附图说明

图1为本发明实施例中资源分配方法的流程图；

图2为本发明实施例中的中继站的覆盖模型示意图；

图3为本发明实施例中的单扇区下行合作中继传输的示意图；

图4为本发明实施例中使用统计特性的性能参数时资源分配方法的流程图；

图5A为本发明实施例中CAF和CCDF协议在最小中继概率值时基站和中继站的最优功率分配值；

图5B为本发明实施例中CAF和CCDF协议的最小中断概率值随终端位置变化的仿真示意图；

图6为本发明实施例中使用瞬时特性的性能参数时资源分配方法的流程图；

图7为本发明实施例中资源分配设备的结构示意图。

具体实施方式

协作中继技术的基本思想是让多个单天线用户(即节点)之间通过共享天线，形成虚拟多天线的协作传输，以此使单天线用户也可以得到空间分集，从而达到扩大网络覆盖、提高传输速率和延长电池寿命的目的。该技术可以用在传统的蜂窝网中继站上，进一步提高蜂窝网的系统性能。

目前不同协作中继协议的性能在实际使用时各有优势，采用单一协作中继协议的蜂窝网并不能获得最大的性能增益。为此，本发明的实施例提供一种协作中继协议的处理方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s101、对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况。

具体的，设定可分配资源的约束条件；获取基站、中继站以及移动站之间的位置关系；根据所述基站、中继站以及移动站之间的位置关系，以及可分配资源的约束条件下不同的资源分配情况，获取不同协作中继协议所能实现的性能指标，并记录实现所述性能指标所使用的资源分配情况。

步骤s102、比较不同协作中继协议所能实现的性能指标，选择实现最佳性能指标的协作中继协议。

具体的，获取不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标；对所述不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标进行比较，选择实现最佳性能指标的协作中继协议。具体的，对于信道特性稳定、可维持长时间不变化的移动站，使用统计特性的参数作为所述性能参数；如中断概率、平均误码率/误符号率、系统遍历容量等。对于信道特性变化显著或刚加入网络的移动站，使用接收端的瞬时信噪比作为所述性能参数。

步骤s103、根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

具体的，该协议选择和资源分配方法可以为：通过媒体接入控制MAC(Medium Access Control，媒体接入控制)消息，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况；或通过在MAC头中加入选择标记，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

在天线无方向性时，使用中继的蜂窝小区覆盖和一般中继站的蜂窝系统相一致，如图2所示，可以建模为圆。其中，N个中继站RS(图2中N＝8)等距离均匀分布在基站BS(Base Station，基站)周围，整个小区分成N个独立的扇区。不使用中继时的覆盖半径为r1，使用中继后的覆盖半径扩大到r2，角度θ＝360/N是每个中继的覆盖角。由于对称性，使用协作中继的蜂窝小区只需要描述一个扇区内单个中继站对覆盖的影响即可。

为了获得不同协作中继协议的最佳性能，蜂窝小区扇区内对任一MS(Mobile Station，移动台)的协议选择在最佳资源分配的基础上完成。以下行为例，图3描述了使用协作中继协议的下行操作原理图，各发送端和接收端都为单天线系统。为了避免自干扰现象，可以设定中继站RS工作在半双工模式。

本发明实施例以使用两种协作中继协议-分别为CCDF(CooperativeCRC-based DF，基于循环冗余校验码的CDF协议)协议和CAF协议为例，对本发明的实施方式进行说明。其中，CCDF是在CDF协议基础上发展而来的一种选择性解码转发协作中继协议，可以避免中继的错误传播。

在半双工模式下，上述协作中继协议的实现可分成两个时隙，如图3所示，中继传输的过程如下：

在时隙1，基站BS发送数据，移动站MS和中继站RS接收到的信号可分别表示为：

$y_{M1}=\sqrt{P_B}{h}_{B,M}x+n_0---\left(1\right)$

$y_R=\sqrt{P_B}{h}_{B,R}x+n_1---\left(2\right)$

其中P_B是基站BS的发送功率，h_i，j是i到j的信道衰落系数(如h_B，M是基站BS到移动台MS的信道衰落系数)，n_i～n_c(0，N₀)是接收端的AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)和其他干扰，发送符号x满足E[xx^*]＝1。

在时隙2，使用CCDF协议的中继站RS先解调信号，如果解调的信号经CRC检验正确，它就用发送功率P_R把数据重新调制发给移动站MS，否则不转发数据。以下以φ₁表示RS解码正确，φ₂表示RS解码错误。则移动站在第二时隙接收到来自该中继站RS的信号可表示为：

$y_{M2}=\sqrt{{\tilde{P}}_R}{h}_{R,M}x+n_2---\left(3\right)$

其中 ${\tilde{P}}_R=\left\{\begin{array}{cc}{P}_R& \mathrm{if}{\mathrm{\φ}}_1\\ 0& \mathrm{if}{\mathrm{\φ}}_2\end{array}\right..$

使用CAF协议的中继站RS在接收到基站BS的信号后并不解调，而采用直接放大转发给移动站MS的策略，移动站MS在第二时隙接收到来自该中继站RS的信号可表示为：

y_M2＝βh_R，My_R+n₂              (4)

其中β是功率放大因子， $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{P_R}{P_B{\left|h_{B,R}\right|}^2+N_0}}.$

最后，移动站MS对所有的接收到的信号进行MRC(Maximal RatioCombing，最大比合并)，即：

y_M＝a₁y_M1+a₂y_M2                (5)

使用CCDF协议合并系数a1和a2为：

$a_1=\sqrt{P_B}{h}_{B,M}^{*}/N_0---\left(6\right)$

$a_2=\sqrt{{\tilde{P}}_R}{h}_{R,M}^{*}/N_0---\left(7\right)$

使用CAF协议合并系数a1和a2为：

$a_1=\sqrt{P_B}{h}_{B,M}^{*}/N_0---\left(8\right)$

$a_2={\tilde{h}}_{R,M}^{*}/{\mathrm{\σ}}_0^2$

其中 ${\tilde{h}}_{R,M}=h_{R,M}\mathrm{\β}{h}_{B,R},$ ${{\mathrm{\σ}}_0}^2={\left|h_{R,M}\mathrm{\β}\right|}^2{N}_0+N_0.$

则对于上述两种协议，移动站MS的MRC输出的信噪比分别为：

对于CCDF协议： ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CCDF}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BM}}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}& \mathrm{if}{\mathrm{\φ}}_1\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BM}}& \mathrm{if}{\mathrm{\φ}}_2\end{array}\right.---\left(10\right)$

对于CAF协议： ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BM}}+\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}+1}---\left(11\right)$

其中γ_BM＝|h_B，M|²P_B/N₀，γ_BR＝|h_B，R|²P_B/N₀，γ_RM＝|h_R，M|²P_R/N₀。

为了利用上述CCDF协议与CAF协议的最佳性能，使系统能够在最佳点选择应当使用的协议，本发明实施例中以特定系统性能作为优化的性能指标，对基站和中继站分别使用CCDF协议和CAF协议时的功率进行最优化分配，实现两种协作中继协议间的最佳选择，并根据功率分配方案对系统资源进行最佳功率分配。

根据不同的情况，本发明的实施例中对不同性质的MS使用不同的性能参数：1)对于信道特性稳定、可维持较长时间不变的MS(该信息可以由基站对该MS的累计信道估计做出)，采用统计特性的性能参数进行协议选择，对于这类用户只有当信道发生显著变化时才进行协议变化；2)对信道特性变化显著或刚加入网络的MS采用瞬时特性的性能参数进行协议选择，采用的性能参数可以为接收端瞬时信噪比。

以下首先对采用统计特性的参数作为性能参数进行协作中继协议处理的方法进行说明。

在采用统计特性的性能参数时，可选用的性能参数包括中断概率、平均误码率/误符号率、系统遍历容量等，这些性能参数所能达到的值称为性能指标，例如以中断概率作为性能参数时，将不同协作中继协议所能实现的最小中断概率作为其性能指标。这三种参数从本质上讲都和接收端的SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)成特定的对应关系：SNR越高，中断概率就越低，误码率/误符号率就越小，容量就越大，因此可以等效地看待以上三种性能参数。另外在数学关系上，利用香浓公式可以把容量计算转换为中断概率计算，而特定调制模式下的误码率/误符号率计算可以理解为在中断概率计算过程中考虑调制的错误概率(高斯白噪声信道下误符号率)后对信道作平均。基于上述原因，以下只以选用中断概率作为性能参数为例进行说明。

当位置信息已知时，信道可以用大尺度路径损耗和小尺度多径衰落共同建模：距离发送端d米的接收机接收到的平均信号强度为：

P_r＝P/d^β                  (12)

其中β是路径损耗指数，P是距离发送端单位距离的参考接收信号的强度，可以使用如下自由空间损耗公式：

$P=\frac{P_{\mathrm{tx}}{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{2}L}---\left(13\right)$

其中P_tx是发送功率，G_t是发送天线增益，G_r是接收天线增益，λ是信号波长，L是与信号传播无关的损耗因子(L≥1)。考虑瑞利衰落的小尺度多径衰落模型，那么瞬时接收信号的功率为指数分布，它的概率密度函数可表示为：

$p\left(x\right)=\frac{1}{P_r}{e}^{-x/P_r}---\left(14\right)$

在该模型下，基站、中继站和移动站的平均信噪比可以分别表示为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BM}}=E_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BM}}\right)=\frac{P_B{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{2}L{d}_{\mathrm{BM}}^{\mathrm{\β}}{N}_0}---\left(15\right)$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}}=E_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}\right)=\frac{P_B{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{2}L{d}_{\mathrm{BR}}^{\mathrm{\β}}{N}_0}---\left(16\right)$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}=E_{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}\right)=\frac{P_R{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{2}L{d}_{\mathrm{RM}}^{\mathrm{\β}}{N}_0}---\left(17\right)$

其中d_ij表示i到j的距离(如d_BM表示基站BS到移动台MS的距离)。根据余弦定理，当d_BR和d_BM的大小以及其之间的夹角α的大小确定时，即可以确定d_BM的大小。以下用d_BR、d_BM和α这三个参数来描述系统的位置信息。

本发明的实施例中对于协议中继协议的处理是基于最优化中断概率下实现的，以下对CCDF和CAF两种协作中继协议下的中断概率进行分析。

移动站MS使用CCDF协议的中断概率可以通过下式(18)计算：

$P_{\mathrm{CCDFout}}(d_{\mathrm{BR}},d_{\mathrm{BM}},\mathrm{\α},P_B,P_R)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_0^{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}{p}_{\mathrm{CCDF}}\left(\mathrm{\γ}\right|{\mathrm{\φ}}_i)\mathrm{Pr}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)\mathrm{d\γ}---\left(18\right)$

其中：d_BR为基站BS到中继台RS的距离，d_BM为基站BS到移动台MS的距离，α为d_BR与d_BM之间的夹角，γ_th是信噪比阈值，p_CCDF(γ|φ_i)是条件概率密度函数。

设定 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BM}}=\frac{P_B{\mathrm{\σ}}_{B,M}^2}{N_0},$ ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}=\frac{P_R{\mathrm{\σ}}_{R,M}^2}{N_0},$ 经推导可知瑞丽衰落信道下的p_CCDF(γ|φ₁)和p_CCDF(γ|φ₂)，其中Pr(φ_i)是事件φ_i发生的概率，满足Pr(φ₁)+Pr(φ₂)＝1。把相应概率公式代入(18)式，化简可得CCDF协议的中断概率P_CCDFout(d_BR，d_BM，α，P_B，P_R)。

对于P_CCDFout(d_BR，d_BM，α，P_B，P_R)，在不同的系统中采用不同的调制方式、编码方式、解码方式以及数据包长时，都会对应有不同的Pr(φ_i)概率，例如，当采用卷积编码、维特比硬判决解码且包长W比特时，该概率可以用下式估计：

Pr(φ₂)≤1-(1-P_u(γ_BR))^W               (22)

其中Pu(γ_BR)为最先事件错误概率的联合边界，由式(23)给出：

$P_u\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}\right)=\underset{d=d_{\mathrm{free}}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_d\·P_d\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}\right)---\left(23\right)$

其中d是系统使用的卷积码的自由距离，a_d是重量为d的错误事件的总个数，ρ是高斯白噪声信道下各种调制方式的错误概率。

对于不同的系统，可以需要根据实际情况对Pr(φ_i)进行分析计算。一种简化Pr(φ_i)计算的方法是在比特层面考虑该概率，瑞利衰落信道下，当采用MPSK(Multiple Phase Shift Keying，多相移键控)调制和MQAM(MultipleQAM，多进制正交幅度调制)时，可以分别表示为：

$\mathrm{Pr}{\left({\mathrm{\φ}}_2\right)}_{\mathrm{MPSK}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{(M-1)\mathrm{\π}}{M}}{M}_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}}(-\frac{g_1}{{\sin }^2\mathrm{\φ}})\mathrm{d\φ}---\left(25\right)$

$\mathrm{Pr}{\left({\mathrm{\φ}}_2\right)}_{\mathrm{MQAM}}=\frac{4}{\mathrm{\π}}(1-\frac{1}{\sqrt{M}}){\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{M}_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}}(-\frac{g_2}{{\sin }^2\mathrm{\φ}})\mathrm{d\φ}$

(26)

$-\frac{4}{\mathrm{\π}}{(1-\frac{1}{\sqrt{M}})}^2{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{4}}{M}_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}}(-\frac{g_2}{{\sin }^2\mathrm{\φ}})\mathrm{d\φ}$

其中g₁＝sin²(π/M)，g₂＝1.5/(M-1)，

是瑞利信道的MGF(MomentGenerating Function，矩生成函数)， $M_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BM}}}\left(s\right)={(1-s{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}})}^{-1},$ 其定义为： $M_{\mathrm{\γ}}\left(s\right)=E\left(e^x\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}p\left(x\right)e^x\mathrm{dx},$ 其中x为随机变量，p(x)为其概率密度函数。

对于CAF协议的中断概率，可以基于MGF的数值方法分析：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2\mathrm{\πj}}{\∫}_{\mathrm{\σ}-j\∞}^{\mathrm{\σ}+j\∞}\frac{M_{\mathrm{\γ}}(-s)}{s}{e}^{s{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}\mathrm{ds}---\left(27\right)$

其中M_r(-s)是信道的MGF，σ是选在复平面s的积分收敛区域。该方法不需要计算接收端的信噪比的概率密度函数，但是需要计算与MGF有关的拉普拉斯变换，现有技术中一种有效的数值计算方法如下：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{2^{-K}{e}^{A/2}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}K\\ k\end{array}\right)\underset{n=0}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n}{{\mathrm{\α}}_n}\mathrm{Re}\left\{\frac{M_{\mathrm{\γ}}(-\frac{A+2\mathrm{\πjn}}{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}})}{\frac{A+2\mathrm{\πjn}}{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}}\right\}+E(A,K,N)---\left(28\right)$

其中 ${\mathrm{\α}}_n=\left\{\begin{array}{cc}2& n=0\\ 1& n=\mathrm{1,2},...,N\end{array}\right.,$ A、K和N是选择的参数，用来保证误差E(A，K，N)可忽略，误差项满足以下条件：

$\left|E(A,K,N)\right|\≤\frac{e^{-A}}{1+e^{-A}}+\left|\frac{2^{-K}{e}^{A/2}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{N+1+k}\left(\begin{array}{c}K\\ k\end{array}\right)\mathrm{Re}\right\{\frac{M_{\mathrm{\γ}}(-\frac{A+2\mathrm{\πj}(N+k+1)}{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}})}{\frac{A+2\mathrm{\πj}(N+k+1)}{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}}}\left\}\right|---\left(29\right)$

为了使用该方法，需要得到CAF协议中移动站γ_CAF的MGF

在高信噪比情况下，中继链路的贡献可近似为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2}\≈{\widetilde{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{CAF}2}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{BR}}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RM}}}---\left(31\right)$

γ_CAF2准确的概率密度函数和MGF分别为p(γ_CAF2)和

$p\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2}\right)={\∫}_0^{\∞}\frac{y_1(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2})}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}{(y_1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2})}^2}\exp [-\frac{y_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}}}-\frac{y_{\mathrm{CAF}2}(1+y_1)}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}(y_1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2})}]{\mathrm{dy}}_1---\left(35\right)$

$M_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2}}\left(s\right)={\∫}_0^{\∞}{\∫}_0^{\∞}\frac{y_1(1+y_1)}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}{(y_1-y_2)}^2}\exp [-\frac{y_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BR}}}-\frac{y_2(1+y_1)}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{RM}}(y_1-y_2)}+s{y}_2]d{y}_1{\mathrm{dy}}_2---\left(36\right)$

最后得到CAF接收端最大比合并后的输出的

准确表达式为：

$M_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}}}\left(s\right)=\frac{1}{1-s{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_{\mathrm{BM}}}{M}_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{CAF}2}}\left(s\right)---\left(37\right)$

利用上述基于CCDF和CAF协议的分析，本发明实施例中的基于统计特性的性能参数的协议选择和资源分配方法图4表示，包括以下步骤：

步骤s401、对于特定位置(d_BR、d_BM和α)的MS，采用以统计特性如中断概率为性能参数，设定约束条件为总发送功率P_T一定。

这里以总功率一定为约束条件是为了控制基站和移动站的发送功率减少对小区内其他用户，以及邻小区的干扰，具体的：P_T＝P_B+P_R。

步骤s402、变化P_B和P_R，得到CCDF协议下的最小中断概率P^* _CCDFout以及对应的最佳功率配置(P^* _CCDF，B，P^* _CCDF，R)。

步骤s403、变化P_B和P_R，得到CAF协议下的最小中断概率P^* _CAFout以及对应的最佳功率配置(P^* _CAF，B，P^* _CAF，R)。

步骤s404、比较P^* _CCDFout以及P^* _CAFout，选择二者中的较小中断概率对应的协作中继协议，以及与该较小中断概率对应的最佳功率配置。

至此，完成了不同协作中继协议的协议选择，并同时完成了对基站和中继站的最佳功率分配。

对于特定位置(d_BR、d_BM和α固定)下CCDF和CAF的中断概率优化问题，本发明的实施例中，根据两种协议中断概率计算的复杂性和可操作性分别设计了不同的优化算法。

对于CCDF协议采用了以拉格朗日乘子法和最速下降法为基础的最佳资源分配算法，该资源分配算法包括以下步骤：

步骤1、初始化，设定最大迭代次数N，初始步长μ(0)＝μ0，初始功率P_B(0)＝P_R(0)＝P_T/2。

步骤2、进行功率更新。

$P_B(i+1)=P_B\left(i\right)-\mathrm{\μ}\left(i\right)\frac{d}{d{P}_B\left(i\right)}J(P_B,P_R)$

$=P_B\left(i\right)-\mathrm{\μ}\left(i\right)(\frac{d}{d{P}_B\left(i\right)}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)+\mathrm{\λ}\left(i\right))$

$P_R(i+1)=P_R\left(i\right)-\mathrm{\μ}\left(i\right)\frac{d}{d{P}_R\left(i\right)}J(P_B,P_R)$

$=P_R\left(i\right)-\mathrm{\μ}\left(i\right)(\frac{d}{d{P}_R}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)+\mathrm{\λ}\left(i\right))$

其中J(P_B，P_R)＝P_CCDFout(P_B，P_R)+λ(i)[P_B+P_R-P_T]，λ(i)是拉格朗日乘子，为了满足总功率恒定条件，由下式更新：

$\mathrm{\λ}\left(i\right)=-\frac{1}{2}[\frac{d}{d{P}_B\left(i\right)}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)+\frac{d}{d{P}_R\left(i\right)}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)]$

步骤3.步长调整：检查是否所有分配的功率都大于零，如果是，则保持μ(i)不变，并转步骤4；否则根据非正的功率项对步长作以下调整：

${\widetilde{\mathrm{\μ}}}_B\left(i\right)=\frac{P_B\left(i\right)}{\frac{d}{d{P}_B\left(i\right)}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)+\mathrm{\λ}\left(i\right)}$

${\widetilde{\mathrm{\μ}}}_R\left(i\right)=\frac{P_R\left(i\right)}{\frac{d}{d{P}_R\left(i\right)}{P}_{\mathrm{CCDFout}}(P_B,P_R)+\mathrm{\λ}\left(i\right)}$

其中α是小于1的正数。然后转步骤2。

步骤4.迭代误差检测：当迭代误差足够小时停止迭代，否则继续迭代，转步骤2。

CAF采用以二分法为基础的快速优化算法：

步骤1.初始化：设定最小误差限η，初始步长μ(0)＝μ0，初始功率P_B(0)＝P_R(0)＝P_T/2。

步骤2.调整初始步长：如果P_CAFout(P_B(μ₀)，P_R)＞P_CAFout(P_B(-μ₀)，P_R)，μ(0)＝-μ₀。

步骤3.步长调整：比较P_B(i+1)与P_B(i)，如果P_B(i+1)＜P_B(i)且P_B(i+1)＜P_T，P_R(i+1)＜P_T时转到步骤4；如果P_B(i+1)＞P_B(i)，μ_i+1＝-μ_i/2；如果P_B(i+1)＞P_T，则P_B(i+1)＝P_B(i)，μ_i+1＝μ_i/2。然后转步骤2。

步骤4.检验：如果|P_CAFout(P_B(N+1)，P_R)-P_CAFout(P_B(N)，P_R)|＜η则结束循环，否则转到步骤3。

图5为一典型的仿真结果，应用了本发明的上述最优功率分配算法。图5A为CAF和CCDF两种协作中继协议各自达到最小中断概率值时，基站和中继站获得的最优功率分配值。图5B为CAF和CCDF两种协议各自的最小中断概率，随着终端位置的变化而变化。一个明显的特征是两种协议的中断概率随着终端离基站和中继站的距离的增大而上升，其中CCDF的中断概率上升速率要高于CAF的中断概率上升速率。当终端位置比较接近基站和中继站时，CCDF性能明显优于CAF性能；当终端位置距离远离基站和中继站时，CAF性能明显由于CCDF性能；当终端位置处于某特定区域时，两者性能相当。值得注意的是，当基站和中继站没有实现上述最优功率分配算法时，CAF和CCDF的中断概率均高于图5B所示的中断概率值。

由仿真结果可见本发明实施例的有效效果在于：首先，使用本发明实施例中的基站和中继站的最佳功率分配算法后，CAF和CCDF的性能均优于没有最佳功率分配时的性能；其次，本发明实施例中提出的协作中继协议选择方法，在于根据终端的位置信息，灵活地在CAF和CCDF两种协作中继协议中进行选择，使系统工作在中断概率最小的情况下。

以下对采用瞬时特性的指标作为性能参数进行协作中继协议处理的方法进行说明。

对信道特性变化显著或刚加入网络的用户，可采用瞬时接收端信噪比作为性能参数。此时的协议选择和资源分配方案可用图6表示，包括以下步骤：

步骤s601、对于特定位置(d_BR、d_BM和α)的MS，采用瞬时接收端信噪比为性能参数，设定约束条件为总发送功率P_T一定。

这里以总功率一定为约束条件是为了控制基站和移动站的发送功率减少对小区内其他用户，以及邻小区的干扰，具体的：P_T＝P_B+P_R。

步骤s602、变化P_B和P_R，得到CCDF协议下的最大信噪比γ^* _CCDF以及对应的最佳功率配置(P^* _CCDF，B，P^* _CCDF，R)。

步骤s603、变化P_B和P_R，得到CAF协议下的最大信噪比γ^* _CAF以及对应的最佳功率配置(P^* _CAF，B，P^* _CAF，R)。

步骤s604、比较γ^* _CCDF以及γ^* _CAF，选择二者中的较大信噪比对应的协作中继协议，以及与该较大信噪比对应的最佳功率配置。

至此，完成了不同协作中继协议的协议选择，并同时完成了对基站和中继站的最佳功率分配。

最后，对于所选择的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况的通知方式，本发明的实施例提出以下两种方法：

方法一：在物理层通过MAC消息机制实现。

在现有中继传输协议中，通过基站增加MAC消息来配置中继站工作在DF或AF模式及相应的资源配置，并通知移动站选用哪种协议进行数据处理。

方法二：在MAC层通过MAC header指示实现。

在中继站支持DF和AF模式的传输协议中，基站通过在MAC header中增加1bit的选择协议标记(如1表示指示RS工作在DF模式，0表示指示RS工作在AF模式)可以有效解决协议的选择问题。以下行通信举例，基站在发送数据时，对选择协议标记比特做出标示，中继站可以根据该标示选择中继协议，而移动站可以通过基站或/和中继站发来数据包的MACheader知道选用哪种协议进行数据处理。基站也可以增加MAC header来配置中继站工作在DF或AF模式及相应的资源配置，并通知移动站选用哪种协议进行数据处理。

通过使用上述两种方法，均可实现所选择的协作中继协议的通知，但是对系统资源的影响不同：在物理层通过MAC消息机制来通知接收端，如在控制信道发送包含选择协议的信息，必然会增加系统的信令开销；而在MAC层通过MAC header指示可以有效避免因协议变化导致的信令开销增加的问题，但前提是已有协议必须支持协作中继传输机制。

在本实施例中，上行通信与下行通信进行类似的协议选择，在上行通信中，基站可通过MAC消息或MAC头部指示方式来指示中继站的工作模式，并根据协议判决自行决定对接收信号的处理。在采用统计特性的参数进行协议选择的实施例中以中断概率作为了性能参数，而平均的误码率/误符号率、系统的遍历容量也可作为性能参数。在采用瞬时特性的参数进行协议选择的实施中以接收端的瞬时信噪比作为了性能参数，而瞬时的误码率/误符号率，系统的瞬时容量也可以作为性能参数。

通过使用本发明的实施例提供的方法，对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，进而选择实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。通过本发明的资源分配方法使蜂窝网系统获得多种协作中继技术的最大性能增益，最大程度地扩大了小区覆盖，有效减少发送端的发送功率，有效提高QoS(Quality of Service，服务质量)保障，节约基础建设成本。另外，对于不同的信道特性的MS，使用不同的性能参数获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，使得协议选择和资源分配方法能够满足不同的应用环境。最后，本发明的实施例还提供了对所选择的实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况的通知方法。

本发明实施例还提供一种资源分配设备，如图7所示，包括：

获取单元10，用于对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现性能指标所使用的资源分配情况。

比较单元20，用于比较获取单元10获取的不同协作中继协议所能实现的性能指标。

处理单元30，用于根据比较单元20的比较结果选择实现最佳性能指标的协作中继协议，并根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

具体的，获取单元10进一步包括：

资源设定子单元11，用于设定可分配资源的约束条件；

位置关系获取子单元12，用于获取基站、中继站以及移动站之间的位置关系；

获取子单元13，用于根据位置关系获取子单元12获取的基站、中继站以及移动站之间的位置关系，以及对资源设定子单元11设定的可分配资源总量的约束条件下不同的资源分配情况，获取不同协作中继协议所能实现的性能指标。

具体的，比较单元20进一步包括：

性能指标获取子单元21，用于获取不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标；

比较子单元22，用于对性能指标获取子单元21获取的不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标进行比较。

具体的，处理单元30进一步包括：

第一处理子单元31，用于通过MAC消息，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况；或

第二处理子单元32，用于通过在MAC头中加入选择标记，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。

通过使用本发明的实施例提供的设备，对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，进而选择实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。通过本发明的资源分配方法使蜂窝网系统获得多种协作中继技术的最大性能增益，最大程度地扩大了小区覆盖，有效减少发送端的发送功率，有效提高QoS(Quality of Service，服务质量)保障，节约基础建设成本。另外，对于不同的信道特性的MS，使用不同的性能参数获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标，使得协议选择和资源分配方法能够满足不同的应用环境。最后，本发明的实施例还提供了对所选择的实现最佳性能指标的协作中继协议、以及实现最佳性能指标所使用的资源分配情况的通知方法。

需要说明的是，本发明实施例中的协作中继协议处理方法还可以应用于Ad hoc，WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)和WMN(Wireless Mesh Network，无线网状网)等网络中。对于Ad hoc网络，因为用户具有频繁的移动性，所以采用瞬时特性的性能指标更加合适；对于WMN网络，考虑WMN的主干网，因为它们的发射天线都固定在较高的屋顶，一般会有稳定的信道特性，所以采用统计特性的性能指标会比较合适(采用瞬时特性的性能指标会更佳，但以复杂度为代价)；对于WSN网络，因为能源受限(节能是最主要的设计目标)，所以采用统计特性的性能指标方案会更加合适，可以避免过多的消耗能源。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

权利要求的内容记载的方案也是本发明实施例的保护范围。

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本发明可以通过硬件实现，也可以可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，本发明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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种资源分配方法，其特征在于，包括：

对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况；

比较不同协作中继协议所能实现的性能指标，选择实现最佳性能指标的协作中继协议；

根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

2、如权利要求1所述资源分配方法，其特征在于，所述获取不同协作中继协议下能够实现的性能指标具体包括：

设定可分配资源的约束条件；

获取基站、中继站以及移动站之间的位置关系；

根据所述基站、中继站以及移动站之间的位置关系，以及所述可分配资源的约束条件下不同的资源分配情况，获取采用不同协作中继协议所能实现的性能指标。

3、如权利要求1所述资源分配方法，其特征在于，所述比较不同协作中继协议所能实现的性能指标，选择实现最佳性能指标的协作中继协议具体包括：

获取不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标；

对所述不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标进行比较，选择实现最佳性能指标的协作中继协议。

4、如权利要求1至3中任一项所述资源分配方法，其特征在于，所述性能指标具体包括：

对于信道特性稳定、可维持长时间不变化的移动站，使用通过统计特性的性能参数获取的性能指标作为所述性能指标；

对于信道特性变化显著或刚加入网络的移动站，使用通过接收端的瞬时信噪比获取的性能指标作为所述性能指标。

5、如权利要求4所述资源分配方法，其特征在于，所述性能参数具体包括：中断概率、平均误码率/误符号率、系统遍历容量中的一种或多种。

6、如权利要求1所述资源分配方法，其特征在于，所述选择所述实现最佳性能指标的协作中继协议，并根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配具体包括：

通过媒体接入控制MAC消息，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况；或

通过在MAC头中加入选择标记，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。

7、一种资源分配设备，其特征在于，包括：

获取单元，用于对于特定的性能参数，分别获取采用不同协作中继协议下能够实现的性能指标、以及实现所述性能指标所使用的资源分配情况；

比较单元，用于比较所述获取单元获取的不同协作中继协议所能实现的性能指标；

处理单元，用于根据所述比较单元的比较结果选择实现最佳性能指标的协作中继协议，并根据实现最佳性能指标所使用的资源分配情况进行资源分配。

8、如权利要求7所述资源分配设备，其特征在于，所述获取单元进一步包括：

资源设定子单元，用于设定可分配资源的约束条件；

位置关系获取子单元，用于获取基站、中继站以及移动站之间的位置关系；

获取子单元，用于根据所述位置关系获取子单元获取的基站、中继站以及移动站之间的位置关系，以及对所述资源设定子单元设定的可分配资源的约束条件下不同的资源分配情况，获取采用不同协作中继协议所能实现的性能指标。

9、如权利要求7所述资源分配设备，其特征在于，所述比较单元进一步包括：

性能指标获取子单元，用于获取不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标；

比较子单元，用于对所述性能指标获取子单元获取的不同协作中继协议所能实现的最好的性能指标进行比较。

10、如权利要求7所述资源分配设备，其特征在于，所述处理单元进一步包括：

第一处理子单元，用于通过MAC消息，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况；或

第二处理子单元，用于通过在MAC头中加入选择标记，通知中继站以及移动站选择的目标协作中继协议，和/或实现最佳性能指标所使用的资源分配情况。

Images