CN101895823A - 一种三阶段分布式无线协同组播/广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三阶段分布式无线协同组播/广播方法，该方法将利用多个用户同时协同来获得空间分集增益。分三个阶段来实现组播/广播。第一阶段为源组播/广播数据阶段，设定各阶段的时间分配和数据速率；第二阶段为用户回馈阶段，用户能够利用侦听到的反馈信道信息合理分析自己的协同贡献度，判断是否参与协同，分配自身发送功率；第三阶段为用户分布式协同传输阶段，被协同用户在接收端采用等增益合并的方式或者最大比值合并的方式，处理各路协同数据，提高接收性能。本方法提高了协同传输的有效性，降低了功率消耗，提高了组播的吞吐量和公平性。

Description

一种三阶段分布式无线协同组播/广播方法

技术领域

本发明涉及一种针对组播业务的传输，提供了一种基于协同通信、空间分集和功率控制技术的分布式协同组播/广播调度方法，属于无线组播/广播技术领域。

背景技术

无线组播/广播技术是一种在无线环境下用于一对多数据传输的高效机制，为电视、广播、电影等应用供应商提供了广阔的无线平台，已引起广泛的关注。组播/广播模式，是点到多点的数据服务，单一的数据流被多个用户共同接收，特别适合于电视节目、现场赛事转播等直播类业务。目前用户在移动终端上观看电视节目的手机电视业务正逐渐地大规模流行起来。多媒体组播/广播业务架构已经被纳入3GPP的标准，IPTV、移动电视等有望在未来的4G平台上占有一定的市场。

采用带有基础设施的分布式网络架构已成为支持无线组播/广播业务网络的发展趋势，在IEEE802.11s/16e等标准，以及IMT-Advanced等系统中均采用了类似的网络架构，相关支撑技术得到了广泛关注，其中协同通信技术通过终端或中继站的协同传输，提高组播/广播传输的覆盖范围和吞吐量，正成为研究热点。

无线组播/广播面临的最大问题是各个节点信道状态的不均匀性和波动性，吞吐量受到最差链路节点的限制，无线资源不能被充分地利用，组播的性能得不到保证，现有的广播/组播协议在路由选择、拓扑控制、差错/重传控制及传输速率/功率控制等方面无法给出满意的解决方案。

协同通信技术已被广泛研究可以通过利用无线信道的广播特性以及多用户的协同分集增益用来提高系统的性能。目前该领域内的协同组播/广播方面的专利主要有：

其中，中兴公司在这方面申请了4个发明专利：

1.一种半双工和组播协同中继模式的切换方法及相应的基站，基站根据基站-中继站、中继站-移动终端和基站-移动终端这三个链路上的信道质量信息，估算出这三个链路上的信道速率，然后计算出半双工中继模式和组播协同中继模式下基站-中继站-移动终端链路上的有效信道速率，再结合基站-移动终端链路的信道质量和设定的切换策略进行模式切换的判决，在满足切换条件时，进行半双工中继模式和组播协同中继模式之间的切换。相应的基站包括第一发送模块、第二发送模块和中继模式控制模块。该发明可以充分利用中继系统，达到改善网络性能的效果。

2.一种多媒体广播组播业务网元间的协同方法。该发明在一组同步发送MBMS业务的网元中，多个MBMS业务复用信道时，能够保证从属网元区分MBMS业务数据丢包和MBMS业务没有数据发送的情况，从而正确地判断是否能够发送复用信道上的MBMS业务数据，避免误判导致的小区间无线干扰。

3.一种应用于数字广播单频网的协同发射系统及方法，综合改善数字广播系统的频谱效率、覆盖质量和对移动性的支持能力，可以保持与现有数字广播系统的高度兼容。

4.一种有线与无线协同的协同广播系统结构及其方法，结构包括：在现有有线电视网中增加协同单频网适配器(301)、GPS接收机(302)、QAM解调和解复用(303)、单频网同步单元(304)、调制器(305)和发射机(306)、解复用单元(307)；协同单频网适配器(301)对来自不同网络的传输流进行分类处理，并对需要使用调制器(305)和发射机(306)向控制发射的传输流加入“区域-频率”对应关系；QAM解调和解复用(303)用于从传输流分解出和一个无线广播频道对应的一组传输流；发射机(306)用于将和地面数字电视广播频道对应的传输流发送到对应的服务区域，从而将有线电视网对地面数字电视广播网协同发射，利用有线电视网向空中辐射的和地面数字电视广播频道发射的完全相同的信号，来改善地面数字电视网的覆盖。

株式会社卡西欧日立移动通信提出的广播通信协同控制装置和广播通信协同控制方法。在携带电话终端(100)，在与通信网进行无线通信的通信发送部(106)为发送动作中，由误码率测量部(103)测量从接收数字广播并输出广播数据的广播接收部(102)接收的广播数据的误码率，并在被测量的误码率大于等于规定的阈值的情况下，指示通信发送部(106)停止发送动作。由此，避免因数据通信的发送电波的影响而发生1分段广播接收错误，从而事先防止电视重放中断等的故障，其结果，可以执行稳定的1分段广播接收。

北京邮电大学提出的一种基于协同技术的多域无线广播组播网络系统及方法，可扩展无线广播组播网络的覆盖范围、提高系统容量和服务质量，实现便捷组网，能满足下一代无线广播组播高质量高速率传输需求。

以上专利主要利用中继解决无线覆盖以及小区边缘切换方面的问题，但这些方法都对基础设施有着很大的依赖性，需要特定的中继节点或者特殊的协同控制装置，本文提出的方法主要用于解决分布式协同传输的问题，不增加网络基础架构，利用用户间的自主协同来提高系统的吞吐量和公平性以及协同传输的有效性。

发明内容

本发明针对当前无线网络组播/广播存在的吞吐量受到最差链路节点的限制的缺点，结合协同通信技术，提供一种三阶段分布式无线协同组播/广播的方法，用户能够侦听反馈信道信息合理分析自己的协同贡献度，判断是否参与协同，分配自身发送功率；被协同用户利用多个协同用户同时传输获得空间分集增益，提高接收性能；组播源根据回馈信息预测下一轮组播的信道信息，实时的调整数据速率，以满足组播业务高质量高速率公平传输。

本发明采用如下技术方案：

利用多个用户同时协同来获得空间分集增益。用户通过对回馈信息的侦听，计算各自的协同贡献度来判断是否参与协同传输。分三个阶段实现组播/广播。第一阶段为组播源组播/广播数据阶段；第二阶段为用户回馈阶段；第三阶段为用户分布式协同传输阶段。

第一阶段：组播源组播/广播数据阶段

步骤一：初始化

a.统计组播用户总数，记为N，并按照加入组的先后顺序对每一个用户进行编号i∈{1，2，…，N}。

b.组播确定第一轮数据发送的数据速率R₁，有两种确定方法：

1)根据基站与用户间信道信息的长期统计分布情况，保证平均所有用户接收的中断概率在50％左右确定，

2)基于功率预测算法，根据上一轮组播的回馈信号ACK/NACK，组播源对于下一轮组播信道进行接收功率{p₁，p₂，…，p_N}预测，计算下一轮第一阶段的组播速率R₁，R₁满足预测的接收功率{p₁，p₂，…，p_N}中有50％大于

N₀为高斯白噪声的功率，

c.分配第一阶段的传输时间L/R₁，L为组播数据包的大小，

步骤二：组播源组播/广播数据

a.组播源以速率R₁发送数据，

b.设定协同定时器时间为T₁+T₂；设定组播定时器时间T₁+T₂+T₃，如果组播定时器超时，则开始下一轮数据发送；T₁、T₂、T₃分别为三个阶段的时间消耗，其中T₁、T₂、T₃分别为三个阶段的时间消耗。

T₂＝N*T_ACK/NACK+T_Flag，

(T₃可根据实际情况具体设定)。

c.设定第三阶段数据传输速率R₂＝L/T₃

第二阶段：用户回馈阶段

步骤一：回馈与接收

a.用户在接收第一阶段的数据之后，时分接入信道并回馈相应确认ACK/不确认NACK包，设定所有用户发送ACK包的功率为P_ACK，发送NACK包的功率为P_NACK，为保证NACK包的正确接收，NACK包数据发送采用BPSK调制，低速发送，且保证一定的发送功率，

b.组播源在第二阶段一直处于侦听状态，接收所有的回馈信号ACK/NAC)，记录每个数据包的接收功率，用于第一阶段预测下一轮组播的信道增益，

c.在第一阶段正确接收数据的用户m侦听NACK包，m∈{1，2，…，M}，M为第一阶段正确接收数据用户数，统计用户m所收到的NACK包个数K_m以及相应的接收功率

ε∈{1，2，…，K_m}，用于协同用户的贡献度函数计算，

步骤二：计算

a.组播源对于下一轮组播信道进行功率预测{p₁，p₂，…，p_N}，计算下一轮组播速率R₁。R₂满足预测的接收功率{p₁，p₂，…，p_N}中有50％大于

b.贡献度

用户m收到K_m个NACK包以及各自的接收功率

根据无线链路的对称性，计算出对应下行链路的信道增益

ε∈{1，2，…，K_m}，每个正确接收数据的用户得到一组自己与需要协同或者部分需要协同的用户之间的信道增益信息

定义贡献度

λ_m表示用户m参与协同能获得的平均增益，或者定义贡献度

表示用户m参与协同能提供的所有增益，

c.判断是否参与协同。

根据全局中断概率要求来设定贡献度函数的门限值λ₀，通过定期统计组播数据包的接收情况，分析系统的中断概率，可自适应地调整λ₀的值。

如果用户m的贡献度λ_m大于门限值λ₀，则作为中继参与第三阶段的协同传输。

第三阶段：协同数据传输阶段

a.组播源在协同传输定时器超时后，广播一个标志位来同步协同传输，可以认为同一段时隙内信道状态不会发生变化，所有在第一阶段正确接收数据的用户都能正确接收到此标志位信息。

b.接收到标志位后，所有在第二阶段判断作为中继参与协同的用户同时以速率R₂协同传输数据。

c.根据各中继用户的贡献度，依据功率分配算法，如平均分配功率，进行发送功率的分配，从而达到性能的优化，节约能量。

d.被协同用户j在接收端采用等增益合并或者最大比值合并方式，接收各路协同传输数据，以获得较高的信噪比。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明提出的协同组播/广播方法，利用了空间分集增益，可以获得较高的吞吐量。参照图6，本发明方法相比与直接广播方式，无论是对于每个用户还是整个组播组，吞吐量有了很大的提高，而且用户间的吞吐量的差异也相对较小。

2.较好的解决了现在组播中存在的各个用户接收质量的差异，基本保证了用户间的组播性能的公平性。

3.反馈信息以及贡献度函数等策略，提供了一个分布式的协同节点选择方案，较好地解决了协同节点选择的问题，能够有效地选取较优的协同用户，提高了协同传输的有效性，改进组播性能的同时节约了功率消耗。

4.分布式的协同策略具有较好地自适应性，不需要特定的中继节点等基础架构，能够根据信道状态调整协同的功率和速率，做到了资源的合理利用。

5.功率预测算法的采用能够合理的控制组播的速率，保证各种信道环境下的组播质量，降低中断概率。

附图说明

图1本发明方法的网络架构图。

图2本发明方法用户部分的实施流程图。

图3本发明方法源节点的实施流程图。

图4本发明方法在IEEE802.11协议中的应用框架图。

图5本发明方法在IEEE802.16协议中的应用框架图。

图6本发明方法的与直接广播的吞吐量对比，图6(a)为每个用户的吞吐量比较，图6(a)为不同用户数情况下整个组播组的吞吐量比较。

具体实施方式

实施例1(在IEEE802.11网络架构下的应用)

本发明利用多个用户同时协同来获得空间分集增益。用户通过对回馈信息的侦听，计算各自的协同贡献度来判断是否参与协同传输。分三个阶段来实现组播，第一阶段为组播源组播/广播数据阶段，第二阶段为用户回馈阶段，第三阶段为用户分布式协同传输阶段。

针对IEEE802.11网络架构，系统中有50个用户，每轮组播需要将大小为1000字节数据包以基本速率R＝2Mbps组播出去。

具体步骤如下：

第一阶段：源组播/广播数据阶段

步骤一：初始化

a.统计组播用户总数，记为50，并按照加入组的先后顺序对每一个用户进行编号i∈{1，2，…，50}。

b.组播源确定第一轮数据发送的数据速率R₁＝4Mbps，以后第一阶段的发送速率可根据回馈信息自适应的变化

步骤二：源组播/广播数据

a.组播源节点以速率4Mbps发送数据。

b.设定协同定时器时间T₁+T₂，协同定时器超时发送协同标志位；设定组播定时器时间T₁+T₂+T₃，组播定时器超时则开始下一轮数据发送。其中T₁、T₂、T₃分别为三个阶段的时间消耗，

c.设定第三阶段协同传输速率

第二阶段：用户回馈阶段

步骤一：回馈与接收

a.用户在接收第一阶段的数据之后，时分接入信道并回馈相应确认ACK/不确认NACK包，设定所有用户发送ACK包的功率为P_ACK，发送NACK包的功率为P_NACK，为保证NACK包的正确接收，NACK包数据发送采用BPSK调制，低速发送，且保证一定的发送功率，

b.组播源在第二阶段一直处于侦听状态，接收所有的反馈信号ACK/NACK，记录每个数据包的接收功率，用于第一阶段预测下一轮组播的信道增益。

c.在第一阶段正确接收数据的用户m侦听NACK包，m∈{1，2，…，M}，M为第一阶段正确接收数据用户数，统计用户m所收到的NACK包个数K_m以及相应的接收功率

ε∈{1，2，…，K_m}，用于协同用户的贡献度函数计算，

步骤二：工作参数计算

a.源节点对于下一轮组播信道进行功率预测{p₁，p₂，…，p_N}，计算下一轮组播速率R₁。R₁满足预测的接收功率{p₁，p₂，…，p_N}中有50％大于

b.贡献度函数

用户m收到K_m个NACK包以及各自的接收功率

根据无线链路的对称性，计算出对应下行链路的信道增益ε∈{1，2，…，K_m}，每个正确接收数据的用户得到一组自己与需要协同或者部分需要协同的用户之间的信道增益信息

定义贡献度

λ_m表示用户m参与协同能获得的平均增益，或者定义贡献度

表示用户m参与协同能提供的所有增益，

c.判断是否参与协同。

根据全局中断概率要求来设定贡献度函数的门限值λ₀，可初步设定为P_s为协同中继用户的发送功率，N₀为高斯白噪声功率，也可通过定期统计组播数据包的接收情况，分析系统的中断概率，自适应地调整λ₀的值。

如果用户m的贡献度λ_m大于门限值λ₀，则作为中继参与第三阶段的协同传输。

第三阶段：协同数据传输阶段

a.组播源在协同传输定时器超时后，广播一个标志位来同步协同传输，可以认为同一段时隙内信道状态不会发生变化，所有在第一阶段正确接收数据的用户都能正确接收到此标志位信息。

b.接收到标志位后，所有在第二阶段判断作为中继参与协同的用户同时以速率R₂协同传输数据。

c.根据相应的贡献度函数，依据一定的功率分配算法，最简单的平均分配方法，每个中继用户的发送功率都设定为P_s，(P_s的值与具体系统有关)进行发送功率的分配，从而达到性能的优化，节约能量。

d.被协同用户j在接收端采用等增益合并的方式或者最大比值合并的方式，处理各路协同传输数据，以获得较高的信噪比。

实施例2(在IEEE802.16网络架构下的应用)

本发明利用多个用户同时协同来获得空间分集增益。用户通过对反馈信息的侦听，计算各自的协同贡献度来判断是否参与协同传输。分三个阶段来实现组播。第一阶段为源组播/广播数据阶段，第二阶段为用户反馈阶段，第三阶段为用户分布式协同传输阶段。

IEEE802.16网络架构，一个数据帧由下行数据子帧、上行数据子帧和保护带组成，可以考虑将上行子帧划分一部分时隙用于第二阶段的反馈，反馈时间按照用户需要设定；下行子帧分成两部分用于组播数据的传输，前一部分用于上一轮组播的协同数据传输阶段，后一部分用于下一轮组播的源组播/广播数据阶段，具体时隙分配如图5所示。

具体步骤如下：

第一阶段：源组播/广播数据阶段

步骤一：初始化

a.统计组播用户总数，记为N，并按照加入组的先后顺序对每一个用户进行编号i∈{1，2，…，N}。

b.组播源确定第一轮数据发送的数据速率R₁，

c.划分下行数据子帧为两部分，定义相应的DL-MAP，分别时长T₁和T₃，确定速率

d.计算回馈时间T₂，定义UL-MAP，分配上行突发给每个用户接入，用于回馈接收情况。

步骤二：源组播/广播数据

a.源节点以速率R₁发送数据。

b.设定协同定时器时间为T₁+T₂；设定组播定时器时间T₁+T₂+T₃，如果组播定时器超时，则开始下一轮数据发送，T₁、T₂、T₃分别为三个阶段的时间消耗，

第二阶段：用户回馈阶段

步骤一：回馈与接收

a.用户在接收第一阶段的数据之后，根据UL-MAP里分配的时隙回馈相应ACK/NACK包，设定所有用户发送ACK包的功率为P_ACK，发送NACK包的功率为P_NACK。为保证NACK包的正确接收，NACK包数据发送采用BPSK调制，低速发送，且保证一定的发送功率。

b.组播源在第二阶段一直处于侦听状态，接收所有的反馈信号(ACK/NACK)，记录每个数据包的接收功率，用于第一阶段预测下一轮组播的信道增益。

c.正确接收数据的用户侦听NACK包，统计所收到的NACK包个数K_m以及接收到的功率P_NACK，用于协同用户的贡献度计算。

步骤二：计算

a.组播源对于下一轮组播信道进行功率预测{p₁，p₂，…，p_N}，计算合适的组播速率R₁。R₁满足预测的接收功率{p₁，p₂，…，p_N}中有50％大于

b.贡献度

用户m收到K_m个NACK包以及各自的接收功率

根据无线链路的对称性，计算出对应下行链路的信道增益

ε∈{1，2，…，K_m}，每个正确接收数据的用户得到一组自己与需要协同或者部分需要协同的用户之间的信道增益信息

定义贡献度

λ_m表示用户m参与协同能获得的平均增益，或者定义贡献度

表示用户m参与协同能提供的所有增益，

c.判断是否参与协同。

根据全局中断概率要求来设定贡献度函数的门限值λ₀，可初步设定为

P_s为协同中继用户的发送功率，N₀为高斯白噪声功率，也可通过定期统计组播数据包的接收情况，分析系统的中断概率，自适应地调整λ₀的值。

如果用户m的贡献度λ_m大于门限值λ₀，则作为中继参与第三阶段的协同传输。

第三阶段：协同数据传输阶段

a.组播源在协同传输定时器超时后，广播一个标志位来同步协同传输，可以认为同一段时隙内信道状态不会发生变化，所有在第一阶段正确接收数据的用户都能正确接收到此标志位信息。

b.接收到标志位后，所有在第二阶段判断作为中继参与协同的用户同时以速率R₂协同传输数据。

c.根据相应的贡献度函数，依据一定的功率分配算法(如平均分配，每个中继用户以相同的功率发送数据)进行发送功率的分配，从而达到性能的优化，节约能量。

d.被协同用户j在接收端采用等增益合并的方式或者最大比值合并的方式，处理各路协同数据，以获得较高的信噪比。

Claims (3)

1.一种三阶段分布式无线协同组播/广播方法，其特征在于：

该方法分三个阶段实现：第一阶段为组播源组播/广播数据阶段，第二阶段为用户回馈阶段，第三阶段为用户分布式协同传输阶段，具体步骤如下：

第一阶段：组播源组播/广播数据阶段

步骤一：初始化

a.统计组播用户总数，记为N，并按照加入组的先后顺序对每一个用户进行编号i∈{1，2，…，N}，

b.组播源确定第一阶段数据发送的数据速率R₁比特/秒，

c.分配第一阶段的传输时间为L/R₁秒，L为组播数据包的大小，

步骤二：组播源组播/广播数据

a.组播源以速率R₁发送数据，

b.设定协同定时器时间为T₁+T₂；设定组播定时器时间T₁+T₂+T₃，如果组播定时器超时，则开始下一轮数据发送；其中T₁、T₂、T₃分别为三个阶段的时间消耗，

c.设定第三阶段的协同传输速率R₂＝L/T₃，

第二阶段：用户回馈阶段

步骤一：回馈与接收

a.用户在接收第一阶段的数据之后，时分接入信道并回馈相应确认ACK/不确认NACK包，设定所有用户发送ACK包的功率为P_ACK，发送NACK包的功率为P_NACK，

b.组播源在第二阶段一直处于侦听状态，接收所有的回馈信号(ACK/NACK)，记录每个数据包的接收功率，用于第一阶段预测下一轮组播的信道增益，

c.在第一阶段正确接收数据的用户m侦听NACK包，m∈{1，2，…，M}，M为第一阶段正确接收数据用户数，统计用户m所收到的NACK包个数K_m以及相应的接收功率

ε∈{1，2，…，K_m}，用于协同用户的贡献度函数计算，

步骤二：工作参数计算

a.组播源对于下一轮组播信道进行功率预测，计算下一轮组播速率R₁，

b.第一轮正确数据的用户m计算各自的贡献度λ_m

c.如果用户m的贡献度λ_m大于门限值λ₀，则作为中继参与第三阶段的协同传输，第三阶段：协同数据传输阶段

a.组播源在协同传输定时器超时后，广播一个标志位来同步协同传输，使得所有作为中继的用户都能正确接收到此标志位信息，

b.接收到标志位后，所有在第二阶段判断作为中继参与协同的用户同时以速率R₂协同传输数据，

c.根据各中继用户的贡献度，依据功率分配算法进行发送功率的分配，

d.被协同用户j在接收端采用等增益合并或最大比值合并方式，处理各路协同传输数据。

2.根据权利要求1所述的三阶段分布式无线协同组播/广播方法，其特征在于，组播源确定第一阶段数据发送的数据速率R₁的方法是：

根据上一轮组播的回馈信号(ACK/NACK)，组播源对于下一轮组播信道进行接收功率{p₁，p₂，…，P_N}预测，计算下一轮第一阶段的组播速率R₁，R₁满足预测的接收功率{p₁，p₂，…，p_N}中有50％大于

N₀，N₀为高斯白噪声的功率。

3.根据权利要求1所述的三阶段分布式无线协同组播/广播方法，其特征在于，计算用户m贡献度的方法是：

用户m收到K_m个NACK包以及各自的接收功率根据无线链路的对称性，计算出对应下行链路的信道增益ε∈{1，2，…，K_m}，每个正确接收数据的用户得到一组自己与需要协同或者部分需要协同的用户之间的信道增益信息

定义贡献度

λ_m表示用户m参与协同能获得的平均增益，或者定义贡献度

表示用户m参与协同能提供的所有增益。

Images