CN101969396B - 一种基于时延和带宽资源的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出针对广电业务的一种基于时延和带宽资源的中继选择方法，该方法通过获取节点的时延信息和带宽资源信息，得出系统中断选择决策值，并以此作为判决门限，进行中继节点的选择。同时结合功率分配提出了一种使中断概率最小化的最优中继选择协作通信方法，提出一种支持多径传输的中继路由选择方法，此方法能够动态地根据网络的变化选择适当的路由，该方法可以扩展小区的覆盖范围，消除或减少通信盲点，从而增加系统的吞吐量，提高系统的频谱利率，增强业务的服务质量。

Description

一种基于时延和带宽资源的中继选择方法

技术领域：

本发明针对广播电视频段、支持广播电视业务，提出一种宽带无线接入系统的中继方法。该方法可应用于传统蜂窝通信系统和一些新兴的宽带无线接入系统，如mesh网、蓝牙等。也适用于多媒体广播业务，还可应用于一些异构通信系统中。

背景技术：

采用传统蜂窝网的蜂窝结构存在以下问题：第一，传输速率跟不上广播电视业务的需求，因为在指定发射功率下，比特能量会随着传输速率的提高呈线性下降，因为高速率将会产生严重的功耗问题。第二，2GHz以上频段的无线电波在非可视条件下传播效果很差，这样会造成小区会有很多盲区，通信范围覆盖不全。

为支持广电业务的宽带无线接入系统的研发和应用的启动奠定基础，以推动我国三网融合技术与应用的发展。在广播电视频段、支持广播电视业务的宽带无线接入系统中，使用中继技术可以扩展小区的覆盖范围，消除或减少通信盲点；还可以根据实际网络环境的负载分布进行负载平衡，转移热点地区的业务，提高系统的频谱利用效率。中继技术在系统中可以用来扩展小区的覆盖范围，消除或减少通信盲点，提高系统的频谱利用效率，增强对业务服务质量的支持。

中继是一种接收其他站点无线信号，并根据接收到的信号生成自身发射信号的装置。无线通信中，中继能在不增加基站数目的前提下，以较低的成本解决网络覆盖和服务质量问题，是一种很有发展前景的技术。中继一般分为非再生中继和再生中继。非再生中继是中继节点简单地放大源节点的信号并传送给目的节点；再生中继是中继节点将接收到的符号进行解码并重新编码后发送给目的节点。本发明主要在于再生中继的选择研究。

目前，对中继算法的研究较多。基于路径损耗的中继选择算法最为简单，但性能最差，且需要全球定位系统(GPS)的协助；基于信噪比(SINR)的中继选择算法拥有较优的性能。利用香农容量公式作为判定函数来进行中继选择较基SINR的中继选择算法可以获得一些性能增益。基于放大转发模式，以最小中断概率为目标，提出一种中继策略。基于协作区域的中继选择策略，但在实际应用中，各个用户是不断运动的，及时地确定用户之间的距离很困难。因此基于协作区域的中继选择策略只适合于静态网络。在跨层协作方面，结合MAC层和物理层提出了基于最小误码率的跨层中继策略，结合网络层和物理层提出了优化中继选择的协作路由算法等。

采用中继通信与直接通信相比能提供空间分集增益，实现目标用户高速、高可靠性的数据传输。中继通信中的一个关键问题是如何分配和管理中继节点。上述各种中继算法的研究主要集中在单个最佳中继节点的选取，没有考虑多路径的选择算法，比较单一。采用这种方式可能会造成某个中继节点负载过重、流量过大，无法获得多个中继节点协作通信。并最终影响系统性能。

中继协作还需要考虑协作转发的触发机制与协作中继节点的选取，以及控制开销等问题。在给出这些问题的解决方法的同时，还需要考虑系统增益与系统复杂度之间的最佳折中。

提出一种支持多路径的中继路由技术，该技术配合中继站的负载均衡技术，进一步提高了宽带接入系统的带宽资源利用率，是一种行之有效的路由管理技术。

使用中继站的网络拓扑示意图，其中BS为基站，RS为中继站，SS为用户终端。由图可以看出，中继站可以扩展网络的覆盖范围，一个终端可以通过多个中继站与基站连接(如SS1～SS6)，也可以直接与基站连接(如SS7、SS8)。

针对一个移动终端可以通过多个中继站与基站通信的情况，可以根据各个中继基站的负载和时延等信息，为移动终端选择一个或多个负载较轻的中继站进行通信，可以避开负载较重的节点，避免网络局部拥塞。如图1中的RS2中继站负载比RS3重，则可以选择RS3为SS3的中继站。

由于采用了多路径选择策略，则系统时延可能会比较严重，由于移动台的位置不断变化，造成不同中继发来的信号会有不同的时延，在终端叠加信号时失真就会比较严重，致使用户接收不到数据。

同时，随着中继节点数目的增加，如何分配和管理中继节点又成了问题，中继通信会耗费更多的系统功率资源。为了提高节点功率效率，需对基站和中继节点的功率进行一定算法上的控制。从而节省功耗，并且保证较低的实现复杂度。

由此可见，采用多路径路由中继转发数据，其优点是可以平衡系统内“热点”地区的节点，平衡网络流量，提高系统的频谱利用效率。但同时会带来中继路由选择时时延、误码性能以及功率管理等一些问题。所以选择合适数量的协同节点是一个有待优化的问题。

发明内容：

本发明的内容在于支持广播电视业务的宽带无线接入系统中继方法，提出一种支持多路径的中继路由技术。该技术包括路由发现，维护和管理，和中继的选择机制，能够动态的根据网络的变化选择相应的中继。提出针对广电业务的中继技术路由方法，该方法通过获取节点的时延信息和功率信息，得出系统中断选择决策值，并以此作为判决门限，进行中继节点的选择。同时结合功率分配提出了一种使中断概率最小化的最优中继选择协作通信方法，提出一种支持多径传输的中继路由选择方法，此方法能够动态地根据网络的变化选择适当的路由，该方法可以扩展小区的覆盖范围，消除或减少通信盲点，从而增加系统的吞吐量，提高系统的频谱利用率，增强业务的服务质量。本方法可以承载广播电视组播数据业务，也可以承载各种分组数据业务。

在对本发明介绍阐述之前，先介绍如下一些原理说明：

1、本发明优势。正交频分多址(OFDMA)作为下一代移动通信的关键技术之一，面临着高数据速率、高频谱效率和泛在覆盖等要求.然而，在传统的蜂窝网络下提高容量和覆盖需要部署大量价格昂贵的基站。中继站的引入可以很好的解决这一问题。但是，这些潜在的容量和覆盖增益高度依赖于无线资源管理策略，中继选择作为其中的关键技术之一而倍受关注。

对协作分集技术的影响：随着通信速率和信道容量的一步步提高，传统蜂窝网本身存在不可避免的一些缺点。同时由于无线信道具有多径衰落和多普勒频移等特性，严重阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善。多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)技术能够有效地对抗无线信道中的多径衰落，但是由于受移动终端体积、功率、天线位置设置等因素的限制，MIMO很难实用化。协作通信作为一种新的空域分集技术，近年来迅速发展，其基本思想是无线网络中各单天线用户彼此为对方转发信息从而形成“虚拟”MIMO，可以大大提高系统的容量。

由于协作分集“虚拟”MIMO的特点，参与协同方案的中继节点数目是不确定的，某一时刻和哪些中继节点进行协同也是不可知的。在适当的时间选取合适的中继节点能够给系统带来增益，选择了不合适的中继节点会造成资源浪费。所以在协作通信系统中，为了有效地利用系统资源，必须选取合适的中继节点来参与协作；而且，随着信道的变化，一个节点并不总是需要中继节点协助，所以还需确定协作的时机(何时协作)。因此，一个完整的中继策略包括协作时机确定和中继节点选择两方面。

综上，采用中继技术，基站发射功率可较少，这样减少了对邻小区的干扰；对于终端来说，可以接收到来自基站或者多个中继节点的多条链路分集增益；对于不在基站覆盖范围内的终端，可以通过单个或多个中继站的转接，得到服务，从而扩展了业务的覆盖范围减少小区的“盲点”数量，同时保证业务质量。

2、中继站的放置和选择问题。根据基站的业务能力、中继站的接受能力、中继站的业务覆盖范围以及达到基站覆盖范围内的干扰信号足够小的要求，将基站和对应的中继站共同的业务覆盖范围划分为三个部分：1)基站正常通信范围内的圆形区域是基站的基本覆盖范围；2)在基站覆盖不到的终端范围外，中继站起转接作用时，存在一个以中继通信范围的环状区域，该环状区域应该保证中继在基站的覆盖范围内，并同时结合中继覆盖终端的业务范围共同构成了中继站的环状业务区域，是网络的合并覆盖层；3)在中继站的覆盖范围外存在一个以基站为中心的环状地带是网络的第三层，称为扩展覆盖层。为保证网络的覆盖能力达到无缝要求，需要在设置中继站时满足如下要求：首先，中继站得在基站的覆盖范围内，以保证中继能接收并解调来自基站的信号；其次，中继站的覆盖环状区域与基站的覆盖区域有一定的交叠，使得用户在网络的合并覆盖层内可以的到基站和中继的合并接收增益。而不在基站覆盖范围内的盲区用户，则完全由中继节点覆盖，已达到扩展覆盖的目的。

处在不同区域的中继各自有其作用，放置在交叠区域内的中继可以提供信号质量，此时终端能接受终端和中继的多条链路信号，从而获得分集增益；放置在基站边缘地带的中继，除了能扩展基站覆盖范围外，还可以减少来自相邻小区的干扰，达到最有协作分集的目的。从而解决了MIMO功率、天线等方面的问题。并最终可以简化以OFDM为基础的下一代宽带无线通信网的拓扑规划。

3、同步问题。通过中继结构作为一种新的网络扩展，其发给覆盖范围内的终端的业务信息在内容上应当与基站保持同步，由于中继端接收到基站信息处理时有一定的时延，并且基站信号本身到终端也存在一定的时延，故而基站与中继的通信链路采用时分方式，即先是基站发送业务数据到中继，同时中继站进行接收和处理，然后再由中继站接收数据解调，对其进行解码转发方式(decode and forward，DF)转发给终端。通过将两者的数据发送在时间域上分隔，以达到消除干扰，获得分集增益的目的。

中继站之间的同步发送以及中继站与基站的同步发送对于终端来说，是获得分集增益的基础，在基站进行数据发送时，为使中继站能够同步发送，在数据帧前加上发送用于同步的前向导频信号，同时终端也可以接收该导频信号与基站同步。如果系统采用以前发送方式，基站为中继站提前传输完数据后，必须留有一定的时间间隔，作为中继处理数据的保护时间，保护时间过后基站将再次发送导频信号用于基站与中继的同步。中继站接收基站的第二次发送的导频信号，形成与基站的同步，等待下次发送时间到来，中继站根据导频信息与基站同步发送，发送的数据为中继站在基站提前发送时隙内接收到并完成处理的基站下行数据。如果系统采用时延方式，则基站在发送完用于同步的前向导频信号后，进行对终端和中继站同时发送业务数据，中继站同步接收基站发送过来的数据进行DF转发，基站发完数据后留有一定的时间间隔，用于中继站的数据处理和同步调整。同步调整时，各中继站可根据基站发送的业务控制信息中用于进行同步调整使用的时间标签信息，确定各自相对于中继站的同步发送时刻的时间调整量，然后各自进行发送时间的调整，在中继站同步发送时刻进行同步发送。中继站发送数据时，首先发送用于终端进行同步的同步信息，然后发送数据业务，该数据可以是前一次基站发送的数据或更往前某此基站发送的数据，中继站正在发送的数据和刚对基站完成接收的数据在基站端的发送时间间隔加上系统留有的保护时间必须大于中继站最大的处理时延以及同步调整时间。

4、终端的接收：在本次发明中会出下如下终端接收情况：

1)处于盲区扩展覆盖层的终端不能直接接收来自基站的有用信号，只能接收单一中继站的信号，此时中继可以扩展基站的覆盖范围，也是本发明的研究重点所在。

2)如果基站采用时间提前传输模式，且终端能同时接收来自中继和基站的信号，由于这两个信号能保持同步，所以终端能都获得分集增益，或中继站采用延迟发送传输模式，此时终端能够在不同时间分别接收来自中继和基站的同一信号，此时终端需在MAC层或以上层完成选择合并，终端可以根据从基站或中继接收的信息的校验结果来选择接收哪一个信息。

3)如果处在合并覆盖层和盲区的终端同时接收来自多个中继站的信号，此时可直接合并信号，获得分集增益。

4)如果基站在采用时间提前传输的模式，处在合并覆盖层和盲区的终端既能接收到来自基站的信息，也能接收多个中继站的信号，此时终端可以直接采用物理层合并，获得分集增益；对于延迟发送传输模式，同理可用，此处不再赘述。

5、中继站和基站资源的使用和分配：采用基站统一控制和调度方式，基站知道覆盖区内的每个终端和中继信息，可实现功率控制、切换、接入控制等资源的统一调度管理。

6、针对一个移动终端可以通过多个中继站与基站通信的情况，可以根据各个中继基站的负载，为移动终端选择一个或多个负载较轻的中继站进行通信，可以避开负载较重的节点，避免网络局部拥塞。

7、如果用户终端和多个中继站之间有链路连接，而采用协作通信机制并不需要太多数量的中继站，这时需要通过路由管理机制，在建立多条并行路径的同时，限制与一个终端通信的中继站的数量，减少维护这些链路的开销，并且提高无线资源的利用率。

8、跨层优化技术。以往的网络分层结构为了考虑层与层之间的独立性和灵活性，往往各层之间没有信息的共享。但对于多跳无线网络来说，整个网络的性能受到多方面因素的影响，层与层之间的关联性要强于传统网络结构。因此，通过一定信息的跨层传递，如接收机的接收信号强度可以被路由协议和链路重传机制利用，选择质量较好的链路来提高通信的可靠度。

以上是本发明方法的一些技术背景，为了实现上述所说的覆盖盲区范围，要通过中继节点的合理选择来设计，本发明提供了一种多路径的中继节点的选择方法，具体的技术方案包括：

第一步，规划中继站的网络拓扑结构图，如图1支持广播电视业务的宽带无线接入系统网络拓扑结构图所示，其中BS为基站，RS为中继站，SS为用户终端。由图可以看出，中继站可以扩展网络的覆盖范围，一个终端可以通过多个中继站与基站连接(如SS1～SS6)，也可以直接与基站连接(如SS7、SS8)。

第二步，具体的实施规划。通信节点SS7，SS8直接与基站建立通信；节点SS1，SS2，SS3采用单个中继的转发方式；节点SS4，SS5，SS6采用多个中继协作通信的中继转发方式。对该通信系统进行分析：节点SS7，SS8距离源节点较近，采用无中继的通信方式，可以达到一定的吞吐量和较小的系统复杂度；在SS1，SS2，SS3的情况下，中继节点对信号的转发可以起到增加信噪比，减小中断概率的目的，同时，单个节点通信的方式也有着较低的系统复杂度。在SS4，SS5，SS6的情况下，采用多个中继节点协作通信的转发方式，由于较高的通信质量要求，多个中继节点协作通信的方式可以提高系统的性能。但是，同样的带来较高的资源利用率和路由开销。如何在满足通信系统性能的基础上减小维护路由的开销和提高资源利用率是本发明中继算法的关键。

第三步，采用链路时延信息和节点带宽资源信息联合评价的跨层优化方法进行中继节点的选择。每个节点维护一个到达源节点所通过的中继节点的链路时延信息和相应的带宽资源信息，以达到选路的目的。

第四步，获取相关参数，系统采用与IEEE802.11MAC中相似的协议来确定链路时延和带宽资源信息。采用跨层优化技术。

第五步，算法完成后进行路由选路。各个SS通过RS连接到BS之后，会建立通过RS中继的路由表，如图1支持广播电视业务的宽带无线接入系统网络拓扑结构图所示。其中表项中的剩余资源可以为RS的剩余带宽(由流量检测机制负责提供)。负载平衡机制根据节点建立的路由表各个下一跳路径的剩余资源情况选择合适的路由。

路由选择标准不能只考虑链路的时延(由接收机提供的接收信号强度判断)，还要考虑到各RS的节点带宽资源信息。如图1支持广播电视业务的宽带无线接入系统网络拓扑结构图所示，SS1和SS3的业务可以避过业务较重的中继站RS2，而选择RS1和RS3中继，来保证各条路径负载均衡，业务被较平均地分配到各个中继站。

基于上述技术方案，本发明提出了一种多路径中继技术的路由管理和实现方式。通过负载均衡机制和建立合理的路由发现、选路、维护等机制，限制了并行路径的数量，在保证带宽利用率和减小系统时延的基础上实现了多中继系统的转发。在广电系统网络中，中继的选择对于系统的收敛性和提高系统的业务实时性有着重要意义。本发明提出的多路径路由选择策略，能够适应业务和网络的动态实时的变化，从而达到增加系统的带宽利用率，提高广电系统的业务质量。

附图说明：

图1支持广播电视业务的宽带无线接入系统网络拓扑结构图

图2I EEE 802.11 MAC协议每帧中的握手过程

图3各个终端的路由表示意图

图4跨层优化链路时序图

图5路由发现过程图

图6路由维护过程图

图7路由发现、维护、选路流程图

具体实施方式：

采用理论分析、仿真建模与实际测试相结合的发明方式。下面结合附图和实施例，对本发明具体的实施方案做进一步详细说明：

图1是按照本发明的方法得到的支持广播电视业务的宽带无线接入系统网络拓扑结构图，其中基站覆盖的圆形区域是网络的基本覆盖层。如图1中的以基站为中心的虚线圆所示。图1中中继站的位置应该在基站的边缘覆盖区，其覆盖范围包括了小区的“盲区”位置，其接收能力应该在基站的覆盖范围以内，并与基站的覆盖范围有一个环状的交叠，如图1中的以中继站为中心的虚线圆所示。单个中继站的服务范围远远小于基站的覆盖范围，主要用于补充覆盖(如图1中的终端SS1-SS6)，还可以减少小区间的干扰，再有就是对于环状的交叠区域内的终端可以提供分集增益(如图1中的终端SS7和SS8)。

在实际的部署过程中，需要做到：

第一，覆盖范围内的中继站、终端(服务区内)的资源分配和调度都由基站统一协调控制和管理。为了简化网络，实现协作分集的思想，均采用一跳中继站，即基站到终端跳数为1，以后再需扩展时可考虑多跳中继。

第二，对于处在基站覆盖范围内的终端，可以直接接收来自基站的信号，而不需要中继的中转了，若终端想获得分集增益，则可以考虑基站与中继信号的叠加。

第三，对于不在服务区的终端，需要中继站的转接发送，采用协作分集思想，并通过跨层技术的优化实现多路径路由转发到达终端，从而达到扩展网络覆盖范围的目的。

图2是IEEE 802.11 MAC协议每帧中的握手过程，源节点发送RTS(Ready ToSend)帧，通知目的节点接收数据帧。目的节点收到RTS帧后，等待SIFS(ShortInter Frame Spacing，短帧间间隔)发送CTS(Clear To Send)帧，表示准备好接收。收到RTS或CTS帧的其他节点则启动虚拟载波检测，在RTS或CTS指定的时间内保持静默。源节点收到CTS帧后，等待SIFS则开始发送数据帧，目的节点收到数据帧后，等待SIFS则回ACK(Acknowledge Character)帧。

图4是本次发明对握手时序图的设计：(1)在新的RTS帧中，源节点指定数据传输的目标速率R。(2)新的CTS帧中，目的节点搭载接收RTS帧的延时。

利用RTS/CTS的交换过程可以提取瞬时信道状态信息：通过监听来自源节点的CTS帧，可以获得源节点到中继节点i之间的信道信息和源节点到目的节点的信道信息，同理，通过监听目的节点的CTS帧，可以获得从节点i到目的节点的信道信息。得到瞬时信道状态信息后，根据中继选择策略法即可完成中继节点选择。

通过路由管理机制可以对网络拓扑进行控制，使每个用户终端通过尽可能少的中继站连接到基站，又能满足协作通信所需要的中继站数量，减少维护路由的开销和提高资源利用率。路由建立通过用户终端发起，可以建立通过多个中继站转发的多路径路由。可以利用按需路由协议，减少控制开销，只在需要建立路径的时候发起路由请求。路径选择过程中，需要限制并行路径的数量，并且要考虑到节点的可用资源等约束条件，尽可能一次选择能够提高业务服务质量的最优路径。约束路由选择的条件包括链路质量和剩余资源等，都需要消息的跨层传递。

跨层优化技术贯穿于以上各种机制的执行过程中。通过各种所需消息的跨层传递，可以使整个节点体系结构成为一个整体，发挥出各层协作的优势。具体的需要传递的消息有：

1)接收机的接收信号强度需传递到路由协议，把计算的链路时延信息写入路由表项。

2)SS和RS所承载的数据流情况需要传递给各自的流量控制和接入控制等机制，并作为路由表项写入路由表。

确定路由参数，由上述所述帧的握手信息中得到时延和带宽利用率最小的路由结果，具体的计算过程如下：

对于单个节点，时延由下式给出：

$D=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(B-\mathrm{\&lambda;})(B-2\mathrm{\&lambda;})},\mathrm{\&lambda;}<\frac{B}{2}---\left(1\right)$

其中：λ是数据包到达速率，B为节点处理能力。

引入R_it(t)为第i条链路到t时刻的平均带宽。

$R_i(t+1)=\frac{t_c-1}{t_c}{R}_i\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{r}_i\left(t\right)I_{i\&Element;L\left(t\right)}---\left(2\right)$

其中r_i(t)为第i条链路在时隙t支持最大传输速率，为t时刻的链路集合。

定义：

$I_x=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{iftrue}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

引入标志性函数I_x，等于1表示约束条件为真，否则为0。

L(t)为t时刻的链路集合。由于它是时间轴上某一刻时间的解空间集，故而它是最大解空间集的子集。

将式(1)和式(2)式代入目标函数(乘积和最小函数)得：

$\min F\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_{\mathrm{ij}}{R}_i{(t+1)}_{\mathrm{ij}}$

$=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ij}}}{(B_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ij}})(B_{\mathrm{ij}}-2{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ij}})}\&times;(\frac{t_c-1}{t_c}{R}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{r}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)I_{\mathrm{ij}\&Element;L\left(t\right)})$

$=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i}{(B_i-{\mathrm{\&lambda;}}_i)(B_i-2{\mathrm{\&lambda;}}_i)}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{t_c-1}{t_c}{R}_j\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{r}_j\left(t\right)I_{j\&Element;L\left(t\right)})---\left(3\right)$

故选择的多路径为使式(3)最小的方案。即分组所选路径为

R＝{R_i|F_i＝minF_j，j∈(1，2，...I+J-1)}

附图3是路由表信息，是根据上述发包收包过程，利用相关帧信息计算得出的一个相对值列表，中继节点和终端节点将会把这些信息存储在路由表中，待后续路由选路算法提供支持。

由于在移动多跳网络中，由于节点的移动性，链路的有效带宽和固有流量一般是动态变化的，且较难测量。所以式(3)一般用于理论分析中，它提供了一个选路的依据。

在实际中，通过类似于IGMP的PNG功能测量时延和流量，并将这两个参数作为选路依据。本发明根据最短多路径算法和实际移动多跳网络的特点提出如下源目路由建立过程：

第一步，路由发现过程。中继节点和终端分别维护一个特有的网络标识号ID。当终端首次接入广电网络，需要建立从中继到基站的路由。因此，由终端首先发起路由发现过程。对于如附图2所示路由发现过程图，路由发现过程如下：

若终端节点SS1需要发起路由发现，首先广播一个路由发现包rout-discovery(RD)，接收到该RD的中继节点RS1，RS2立即向终端节点SS1发送一路由响应包rout-respond(RR)，并分别将其ID号加入RR中，RR中还包含了中继节点到终端节点SS1的链路时延和带宽利用率信息，终端节点SS1将接收到的所有RR包中的中继节点的ID，再探测多路径时，为了计算带宽，每个节点需要维护一个带宽字段，具体协议握手时序图如图5所示过程，其中各节点根据式(2)分别在DATA和CTS上加载各自的带宽信息。同时在由源节点沿各路径发送ICMP检测分组，在源目节点分别记下当前时刻T_j和T_i，则各路径上的平均分组时延为E(T_j-T_i)，写入自己的路由表中，完成路由发现过程。

第二步，路由维护过程。由于终端的移动性，路由发现过程建立的路径及其链路状态信息会随着网络拓扑的变化而动态的变化，因此需要路由维护机制的建立。路由维护过程分为以下几个阶段：

(1)每个终端节点在固定的时间间隔interval内广播一个维护路由的hello包。收到hello包的中继节点将该hello包做回复(hello-respond)。中继节点将当前的链路状态和带宽资源信息写入该HR报文。若终端节点在一定时间内没有收到某中继节点的HR报文，则表示终端节点到该中继节点的链路已经断开，如图3所示路由维护过程，需要将至该中继节点的路径在路由表上删除；收到HR报文的终端节点将HR报文中相应中继节点的链路状态信息和带宽资源信息重新写入路由表，动态的维护路由表的信息。

(2)当终端节点发送的数据包在一定时间内无法发送成功，表明路由表中的路径过期，需要终端节点重新发起路由发现过程，建立至基站的新路由。

第三步，路由选择过程。终端节点通过各个中继节点的协作通信实现与基站的连接。本系统中，需要建立一定的负载均衡机制和路径选择管理机制，限制并行路径的数量，达到资源约束的目的。路由约束条件由链路质量和节点带宽资源来评定，合理的路径选择为中继节点提供了负载均衡的能力和业务服务的优化能力。

(1)终端节点在建立与基站的联通路径时，首先判定路由表中相应中继的带宽资源。如终端节点SS的路由表中有三个中继节点，即为RS1，RS2，RS3，如表2所示。将其带宽资源按照降序排列W3＞W2＞W1，从带宽资源较大的中继节点RS3选起，直至相应的中继节点的带宽资源小于某一门限值W。如若W3＞W2＞W＞W1，则将中继节点RS3，RS2列入选择区间M＝{R2，R3}，中继节点RS1不做考虑。

表2SS中维护的路由表

目的节点	中继节点	链路时延	节点带宽资源
				BS	RS1	M1	W1
BS	RS2	M2	W2

BS

RS3

M3

W3

(2)判定中继节点的带宽资源后，需要对链路时延作判定，以确定最终的路径转播方式。通过链路时延的计算可估算出选择区间M中中继节点转发的传输中断概率P。首先考虑单个中继节点转发的传输。选择中断概率较小的中继节点与门限值Pout比较，若P＜Pout，则选择该中继节点转发。若中断概率最小的中继节点的P值仍然大于Pout，则采用多个中继协同工作的方式，将多个中继节点的中断概率相乘得到新的系统中断概率值p′直至p′＜Pout，即选择相应的中继节点进行协同通信工作。这种通信方式尽可能减小了通信的中继节点的数目，从而达到了减小系统负载度和增大带宽利用率的目的。

图7表示上述所有路由发现、路由维护、路由选路的总流程图。是对上述发明过程的一个直观图的详尽清晰的表达。

本发明提出了一种多路径中继技术的路由管理和实现方法。通过负载均衡机制和建立合理的路由管理机制，限制了并行路径的数量，在保证带宽利用率和减小系统负载度的基础上实现了多中继系统的转发，实现了中继系统性能的优化。该方法包括路由发现，维护和管理，和中继的选择机制，能够动态的根据网络的变化选择相应的中继。结果表明，该多路径的路由选择技术在节省带宽资源和流量控制的基础上，增加了系统的吞吐量，减少了网络时延，提高了网络的性能。在广电系统网络中，中继的选择对于系统的收敛性和提高系统的业务实时性有着重要意义。

本发明提出的中继选择策略，能够适应业务和网络的动态实时的变化，从而达到增加系统的带宽利用率，提高广电系统的业务质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并不意味着本发明限于这些描述的实施方式。对本领域的技术人员来说，可以对本发明的具体实现方式进行改进或者对部分内容进行同等替换、修改等，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应包含在本发明的权利要求范围之内。同时要说明的是本发明的技术方案并不专门针对哪一种特定的无线通信系统。对其他同等类型的无线通信系统同等适用。

Claims (8)

1.一种支持广播电视业务的宽带无线接入系统中继方法，该中继方法包括：

终端SS需要接入网络时，发送广播消息，所述广播消息包括自己在网络中一个特有的网络标识号ID用来验证自己的合法性；

中继RS收到SS的广播后，向SS发送一个确认消息，该消息包括RS的网络ID以及RS到SS的链路时延信息和节点带宽资源信息；

SS根据所述节点带宽资源信息确定潜在的中继选择区间M，通过在节点处数据的链路时延计算传输中断概率，并通过中断概率与门限值的比较选择相应中继节点，同时SS建立一张路由表；

SS通过路由表中的路径寻路方法，与基站BS进行通信。

2.根据权利要求1所述的中继方法，将基站和对应的中继站共同的业务覆盖范围划分为三个部分：

1）基站正常通信范围内的圆形区域是基站的基本覆盖范围；

2）在基站覆盖不到的范围外，中继站起到一个转接作用，并且此时存在一个以中继为中心的环状通信范围，该环状区域应该保证中继在基站的覆盖范围内，并同时结合中继覆盖终端的业务范围共同构成了中继站的环状业务区域，是网络的合并覆盖层；

3）在中继站的覆盖范围外存在一个以基站为中心的环状地带是网络的第三层，称为扩展覆盖层。

3.根据权利要求2所述的中继方法，其特征在于，所述终端的接入方法包括：

第一，覆盖范围内的中继站、终端的资源分配和调度都由基站统一协调控制和管理；为了简化网络，实现协作分集的思想，均采用一跳中继站，即基站到终端跳数为1；

第二，对于处在基站覆盖范围内的终端，可以直接接收来自基站的信号，而不需要中继的中转了，若终端获得分集增益，则将基站信号与中继转发信号叠加；

第三，对于处在基站覆盖范围外的终端，需要中继站的转接发送，采用协作分集思想，并通过跨层技术的优化实现多路径路由转发到达终端，从而达到扩展网络覆盖范围的目的。

4.根据权利要求1所述的中继方法，其特征在于，该方法还包括路由建立，且其步骤包括：根据最短多路径算法和实际移动多跳网络的特点提出如下源目路由建立过程：

第一步，路由发现过程：中继节点和终端分别维护一个特有的网络标识号ID；当终端首次接入广电网络，需要建立从中继到基站的路由；因此，由终端首先发起路由发现过程；路由发现过程如下；

若终端节点SS1需要发起路由发现，首先广播一个路由发现包rout-discovery（RD）,接收到路由发现广播报文的中继节点RS1,RS2立即向终端节点SS1发送一路由响应包rout-respond（RR），并分别将其ID号加入rout-respond（RR）中，rout-respond（RR）中还包含了中继节点到终端节点SS1的链路时延和带宽利用率信息，终端节点SS1将接收到的所有rout-respond（RR）包中的中继节点的ID，再探测多路径时，为了计算带宽，每个节点需要维护一个带宽字段，其中各节点根据节点带宽计算公式分别在DATA和CTS上加载各自的带宽信息；所述节点带宽计算公式为：

R_i(t)为第i条链路到t时刻的平均带宽，r_i(t)为第i条链路在时隙t支持最大传输速率，L(t)为t时刻的链路集合；同时在由源节点沿各路径发送ICMP检测分组，在源目节点分别记下当前时刻T_j和T_i，则各路径上的平均分组时延为E(T_j-T_i)，写入自己的路由表中，完成路由发现过程；

第二步，路由维护过程：由于终端的移动性，路由发现过程建立的路径及其链路状态信息会随着网络拓扑的变化而动态的变化，因此需要路由维护机制的建立；路由维护过程分为以下几个阶段：

⑴每个终端节点在固定的时间间隔interval内广播一个维护路由的hello包；收到hello包的中继节点将该hello包做回复（hello-respond）；中继节点将当前的链路状态和带宽资源信息写入hello包回复报文；若终端节点在一定时间内没有收到某中继节点的hello包回复报文，则表示终端节点到该中继节点的链路已经断开，需要将至该中继节点的路径在路由表上删除；收到hello包回复报文的终端节点将其中相应中继节点的链路状态信息和带宽资源信息重新写入路由表，动态的维护路由表的信息；

⑵当终端节点发送的数据包在一定时间内无法发送成功，表明路由表中的路径过期，需要终端节点重新发起路由发现过程，建立至基站的新路由。

5.根据权利要求1所述的中继方法，其特征在于，该方法还包括：

路由的选择方法：

终端节点通过各个中继节点的协作通信实现与基站的连接；在所述路由的选择方法中，需要建立一定的负载均衡机制和路径选择管理机制，限制并行路径的数量，达到资源约束的目的；路由约束条件由链路质量和节点带宽资源信息来评定，合理的路径选择为中继节点提供了负载均衡的能力和业务服务的优化能力；

⑴终端节点在建立与基站的联通路径时，首先判定路由表中相应中继的带宽资源；在表1中，终端节点SS的路由表中有三个中继节点，即为RS1,RS2,RS3；将其带宽资源按照降序排列W3>W2>W1，从带宽资源较大的中继节点RS3选起，直至相应的中继节点的带宽资源小于某一门限值W；如若W3>W2>W>W1,则将中继节点RS3,RS2列入选择区间M={R2,R3}，中继节点RS1不做考虑；

表1SS中维护的路由表

目的节点 中继节点 链路时延 节点带宽资源 BS RS1 M1 W1 BS RS2 M2 W2 BS RS3 M3 W3

⑵判定中继节点的带宽资源后，需要对链路时延作判定，以确定最终的路径转播方式；通过链路时延计算选择区间M中中继节点转发的传输中断概率P；首先考虑单个中继节点转发的传输；选择中断概率较小的中继节点与门限值Pout比较，若P<Pout，则选择该中继节点转发；若中断概率最小的中继节点的P值仍然大于Pout，则采用多个中继协同工作的方式，将多个中继节点的中断概率相乘得到新的系统中断概率值p'直至p'<Pout，即选择相应的中继节点进行协同通信工作；这种通信方式尽可能减小了通信的中继节点的数目，从而达到了减小系统负载度和增大带宽利用率的目的。

6.根据权利要求5所述的中继方法，其特征在于，该方法还包括：负载均衡机制：针对一个移动终端可以通过多个中继站与基站通信的情况，再根据各个中继站的负载，为移动终端选择一个或多个负载较轻的中继站进行通信，可以避开负载较重的节点，避免网络局部拥塞。

7.根据权利要求5所述的中继方法，其特征在于，该方法还包括：采用链路时延信息和节点带宽资源信息联合评价的跨层优化方法进行中继节点的选择。

8.一种支持广播电视业务的宽带无线接入系统中继方法，其特征在于，该中继方法包括：通过建立路由发现、选择机制，解决并行路径数量，提高系统带宽利用率以及减少系统报文传输时延，并在此基础上实现多中继系统的转发，其技术特征包括：

1)在路由发现过程中，中继站将链路延时信息和节点剩余带宽资源信息携带在响应报文中发送给终端；

2)路由选择过程中，首先，根据节点的带宽资源确定中继选择区间M，然后通过节点的链路时延计算链路中断概率，将此概率值与门限值进行比较，以此来选择相应的中继节点；

通过上述路由机制选择并限定了并行路径的数量，在保证带宽利用率和减小系统实验的基础上实现多中继系统的转发。

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