CN102104932A - 一种lte-a系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点 - Google Patents

一种lte-a系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点 Download PDF

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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

一种LTE-A系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点，本发明的技术方案首先，根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；然后，接收首次接收到的所述候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包；最后，广播确认字符ACK信号给所述首次接收到的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。通过本发明实施例的技术方案使小区边缘用户获得高的数据速率的同时没有增大协作节点的发射功率，并且消耗的能量很小，不会影响网络的平均生存时间。

Description

一种LTE-A系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点
技术领域
本发明涉及一种LTE-A系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点，属于网络通讯技术领域。
背景技术
LTE-A(Long Term Evolution-Advance，长期演进)系统采用正交频分复用技术(OFDM)，即把高速率数据流分割成一些低数据流，通过一些正交的载波发送出去，由于载波间的正交性，小区内的干扰得到有效的削减，但是却不能减弱小区间干扰。COMP(Coordinated Multi-Point Transmission，协作多点传输技术)是利用分布天线原理，通过多个基站协同以减少干扰，从而增强数据的频谱效率，COMP作为LTE-A的一项关键技术，可以提高系统的平均吞吐量以及小区边缘用户的性能。COMP技术包括多个基站之间的协作，也包括一个小区内多个传输节点之间的协作，其中多个传输节点之间的协作是协作节点协助基站和用户之间进行通信，形成一个虚拟的分布式天线阵列。
目前，COMP技术中都是通过增大协作节点的发射功率使得小区边缘用户获得高的数据速率，而同时也会消耗更多的能量，特别是对于一些电池供电(即能量受限)的蜂窝系统来说，会大大影响网络的平均生存时间。
发明内容
本发明提供了一种LTE-A系统中选取协作节点的方法、基站和协作节点，以解决现有技术中提高系统的频谱效率及吞吐量的同时降低网络平均生存时间的问题，为此本发明采用如下的技术方案：
本发明实施例提供了一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，包括：
根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备之间的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；
获取首次接收到的所述候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
广播确认字符ACK信号给所述获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
本发明实施例提供了一种LTE-A系统中选取协作节点的基站，包括：
候选协作节点集合确定单元，用于根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；
接收单元，用于获取首次接收到的所述候选协作节点确定单元确定的候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
广播选取单元，用于广播确认字符ACK信号给所述接收单元获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
本发明实施例提供了一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，包括：
被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则重新发送所述数据包。
本发明实施例提供了一种LTE-A系统中选取协作节点的协作节点，包括：
定时发送模块，用于被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
最优确定模块，用于若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1，并确定为最优协作节点；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则重新发送所述数据包。
本发明实施例中基站根据信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合，并确定首次接收到的数据包对应的候选协作节点为最优协作节点的技术方案，使小区边缘用户获得高的数据速率的同时没有增大协作节点的发射功率，并且消耗的能量很小，不会影响网络的平均生存时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的基站的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的方法流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的协作节点的结构示意图；
图5是本发明实施例结合基站和协作节点提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的方法流程示意图；
图6是本发明实施例优化的目标是最大化小区边缘用户设备的吞吐量，根据权重因子α的情况比较吞吐量的性能效果图；图中横坐标表示候选协作节点的个数；纵坐标表示最大吞吐量(bit/s/Hz)；其中
Figure BSA00000396999600031
表示只考虑最大吞吐量的机制，即α为1的情况；
Figure BSA00000396999600032
表示既考虑最大吞吐量又考虑最大剩余能量的机制，即α为0.5；
Figure BSA00000396999600033
表示只考虑最大剩余能量的机制，即α为0的情况。
图7是本发明实施例优化的目标是最大化小区边缘用户设备的吞吐量，根据权重因子α的情况比较网络生存时间的效果图；图中横坐标表示网络死亡时协作节点的最大个数；纵坐标表示网络生存时间(s)；其中
Figure BSA00000396999600034
表示只考虑最大吞吐量的机制，即α为1的情况；表示既考虑最大吞吐量又考虑最大剩余能量的机制，即α为0.5；表示只考虑最大剩余能量的机制，即α为0的情况。
具体实施方式
下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。本说明书主要以本发明在即时通信服务中的应用作为最佳实施例，当然，实际应用中也可以用于网络邮件服务系统、网络协同工作服务系统等其它互联网服务系统。
在本发明实施方式提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的方法的技术方案，如图1所示，包括：
步骤11、根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合。
进一步，若确定的候选协作节点集合为空集，则基站与用户设备通过直连链路进行通信；若确定的候选协作节点集合不为空集，则具体地首先，根据基站与用户设备之间传输请求发送RTS和允许发送CTS获取基站与用户设备的信道增益hSD、基站与协作节点Rn的信道增益
Figure BSA00000396999600041
以及协作节点Rn与用户设备的信道增益
Figure BSA00000396999600042
其中n为正整数；然后，若
Figure BSA00000396999600043
和
Figure BSA00000396999600044
中的最小值大于或等于hSD，且Rn的接收信噪比大于或等于预定的解码信噪比门限，所述预定的解码信噪比门限是经验值，与实际的信道状况有关，故在不同的信道条件下，预定的解码信噪比门限的取值可能是不相同的，则将所述Rn添加到候选协作节点集合中；所述Rn的接收信噪比包括：
Figure BSA00000396999600045
其中PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
步骤12、获取首次接收到的所述候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；具体地，基站通过所述数据包中协作节点的身份信息确定相应的协作节点。
步骤13、广播确认字符ACK信号给所述获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
进一步，基站通过选取的最优协作节点协助基站与用户设备之间进行通信。
在本发明实施方式提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的基站的技术方案，如图2所示，包括：
候选协作节点集合确定单元21，用于根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；
进一步，若确定的候选协作节点集合为空集，则基站与用户设备通过直连链路进行通信；若确定的候选协作节点集合不为空集，则具体地所述候选协作节点集合确定单元21可以包括信道增益获取子单元211和候选协作节点添加子单元212；
所述信道增益获取子单元211，用于根据基站与用户设备之间传输请求发送RTS和允许发送CTS获取基站与用户设备的信道增益hSD、基站与协作节点Rn的信道增益
Figure BSA00000396999600046
以及协作节点Rn与用户设备的信道增益其中n为正整数；
所述候选协作节点添加子单元212，用于若
Figure BSA00000396999600048
和
Figure BSA00000396999600049
中的最小值大于或等于hSD，且Rn的接收信噪比大于或等于预定的解码信噪比门限，则将所述Rn添加到候选协作节点集合中；所述Rn的接收信噪比包括：
Figure BSA00000396999600051
其中PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
接收单元22，用于获取首次接收到的所述候选协作节点确定单元21确定的候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；具体地，基站通过所述数据包中协作节点的身份信息确定相应的协作节点。
广播选取单元23，用于广播确认字符ACK信号给所述接收单元22获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
进一步，基站通过选取的最优协作节点协助基站与用户设备之间进行通信。
本发明的具体实施方式提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，如图3所示，包括：
步骤31、被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息。
具体地，特定时间
Figure BSA00000396999600052
其中ρ表示时间常数，
Figure BSA00000396999600053
其中α代表权重因子，
Figure BSA00000396999600054
Figure BSA00000396999600055
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量，
步骤32、若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，Tre是经验值，与实际的信道状况有关，故在不同的信道条件下，预定的解码信噪比门限的取值可能是不相同的，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1；若所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则，重新发送所述数据包。
在步骤31之前还可以包括步骤30、进行信道检测，若检测结果为信道空闲，则执行步骤31；若检测结果为信道忙，则等待信道空闲后再执行步骤31。
本发明的具体实施方式提供的一种LTE-A系统中选取协作节点的协作节点，如图4所示，包括：
定时发送模块41，用于被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息。
具体地，特定时间
Figure BSA00000396999600061
其中ρ表示时间常数，
Figure BSA00000396999600062
其中α代表权重因子，
Figure BSA00000396999600064
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量，
Figure BSA00000396999600065
最优确定模块42，用于若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1，并确定为最优协作节点；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则重新发送所述数据包。
具体地，一般协作节点的初始协作标签为“0”，当协作标签为“1”时，即表示被选取为最优协作节点，通过此协作节点协助基站与用户设备之间进行通信。
上述协作节点还可以包括检测模块，用于在定时发送模块41启动之前，进行信道检测，若检测结果为信道空闲，则启动定时发送模块41；若检测结果为信道忙，则等待信道空闲后再启动定时发送模块41。
本发明的具体实施方式结合基站和协作节点具体介绍一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，如图5所示，具体可以包括：首先可以先初始化每个协作节点的能量为EN0，并且初始化候选协作节点集合为空集。
步骤51、基站通过信道增益获取子单元211，根据基站与用户设备之间传输请求发送RTS和允许发送CTS获取基站与用户设备的信道增益hSD、基站与协作节点Rn的信道增益
Figure BSA00000396999600066
以及协作节点Rn与用户设备的信道增益
Figure BSA00000396999600067
步骤52、基站通过候选协作节点添加子单元212，若
Figure BSA00000396999600068
和
Figure BSA00000396999600069
中的最小值大于或等于hSD，且Rn的接收信噪比大于或等于预定的解码信噪比门限，则将所述Rn添加到候选协作节点集合中；所述Rn的接收信噪比包括：
Figure BSA00000396999600071
其中PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
步骤53、协作节点通过定时发送模块41，被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；其中特定时间其中ρ表示时间常数，
Figure BSA00000396999600073
其中α代表权重因子，
Figure BSA00000396999600074
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量，
Figure BSA00000396999600076
步骤54、基站通过接收单元22，获取首次接收到的所述候选协作节点确定单元21确定的候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，并通过广播选取单元23广播确认字符ACK信号给所述接收单元22获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息。
步骤55、协作节点通过最优确定模块42，若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1，并确定为最优协作节点；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则，重新发送所述数据包。
上述方法可以看出，本发明实施例通过特定时间Tn考虑了瞬时信道状态信息(Instantaneous Channel State Information)和协作节点的能量信息，即拥有最小加权度量值的协作节点的定时发送模块会首先超时，发送一个数据包给基站，并且启动一个超时重传预定时间Tre，基站接收到有效的数据包后会广播一个确认消息(ACK信号)通知其他协作节点退出竞争，则定时发送模块会将首先超时的协作节点选取为最优协作节点协作基站与用户设备之间进行通信。在此机制中，若多个数据包到达基站的时间重叠，则基站不发送ACK，启动的超时重传预定时间Tre超时后，对应的协作节点会重新发送数据包给基站。并且通过信道检测可以减少数据包的碰撞概率。
本发明实施例中若优化的目标是最大化小区边缘用户设备的吞吐量，而不考虑协作节点的剩余能量，只考虑最大吞吐量的机制，即选取权重因子α为1，如图6和图7中用
Figure BSA00000396999600081
表示的最优协作节点的表达式可以表示为：
Figure BSA00000396999600082
其中，CDF表示用户设备的吞吐量，PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度，
Figure BSA00000396999600083
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，
Figure BSA00000396999600084
表示协作节点的发射功率。
图6和图7中既考虑最大吞吐量又考虑最大剩余能量的机制，即用
Figure BSA00000396999600085
表示的最优协作节点的表达式可以表示为：
Rn*＝argminTn＝argmaXΔn，其中其中ρ表示时间常数，
Figure BSA00000396999600087
其中α代表权重因子，当α为1时，表示不考虑剩余能量的影响；当α为0时表示同时考虑信道状况和剩余能量；
Figure BSA00000396999600088
Figure BSA00000396999600089
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量。若协作节点的剩余能量超过一定的门限值(例如1/2)，则不考虑剩余能量对系统的影响，认为协作节点有足够的能量来协助基站与用户设备之间进行通信，即f(En)为0；具体f(En)可以表示为：
Figure BSA000003969996000810
如图6和图7所示，优化的目标是最大化小区边缘用户设备的吞吐量，而不考虑协作节点的剩余能量的情况(α)、不考虑协作节点的剩余能量对系统的影响的情况以及考虑权重因子α的情况分别对吞吐量的性能方面和网络生存时间方面进行的比较可知，只要牺牲一小部分的吞吐量就能够明显提升网络生存时间，从而改善LTE-A下行无线蜂窝网络的整体性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，其特征在于，包括：
根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备之间的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；
获取首次接收到的所述候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
广播确认字符ACK信号给所述获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合，包括：
根据基站与用户设备之间传输请求发送RTS和允许发送CTS获取基站与用户设备的信道增益hSD、基站与协作节点Rn的信道增益
Figure FSA00000396999500011
以及协作节点Rn与用户设备之间的信道增益
Figure FSA00000396999500012
若
Figure FSA00000396999500013
和
Figure FSA00000396999500014
中的最小值大于或等于hSD，且Rn的接收信噪比大于或等于预定的解码信噪比门限，则将所述Rn添加到候选协作节点集合中；所述Rn的接收信噪比包括：其中PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
3.一种LTE-A系统中选取协作节点的基站，其特征在于，包括：
候选协作节点集合确定单元，用于根据基站与用户设备的信道增益、基站与协作节点的信道增益、协作节点与用户设备的信道增益以及协作节点的接收信噪比确定候选协作节点集合；
接收单元，用于获取首次接收到的所述候选协作节点确定单元确定的候选协作节点集合中的协作节点发送的数据包，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
广播选取单元，用于广播确认字符ACK信号给所述接收单元获取的数据包对应的协作节点，并选取所述对应的协作节点为最优协作节点。
4.根据权利要求1所述的基站，其特征在于，所述候选协作节点集合确定单元包括：
信道增益获取子单元，用于根据基站与用户设备之间传输请求发送RTS和允许发送CTS获取基站与用户设备的信道增益hSD、基站与协作节点Rn的信道增益
Figure FSA00000396999500021
以及协作节点Rn与用户设备的信道增益
Figure FSA00000396999500022
候选协作节点添加子单元，用于若
Figure FSA00000396999500023
和
Figure FSA00000396999500024
中的最小值大于或等于hSD，且Rn的接收信噪比大于或等于预定的解码信噪比门限，则将所述Rn添加到候选协作节点集合中；所述Rn的接收信噪比包括：
Figure FSA00000396999500025
其中PS表示基站的发射功率，B表示系统的带宽，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
5.一种LTE-A系统中选取协作节点的方法，其特征在于，包括：
被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则重新发送所述数据包。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述特定时间
Figure FSA00000396999500026
其中ρ表示时间常数，
Figure FSA00000396999500027
其中α代表权重因子，
Figure FSA00000396999500028
Figure FSA00000396999500029
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量，
Figure FSA000003969995000210
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述被添加到候选协作节点集合Tn时间后，发送数据包给基站之前，进行信道检测，若检测结果为信道空闲，则发送所述数据包给基站；若检测结果为信道忙，则等待信道空闲后再发送所述数据包给基站。
8.一种LTE-A系统中选取协作节点的协作节点，其特征在于，包括：
定时发送模块，用于被添加到候选协作节点集合特定时间Tn后，发送数据包给基站，所述数据包中含有所述协作节点的身份信息；
最优确定模块，用于若发送所述数据包预定时间Tre内收到所述基站广播的确认字符ACK信号，所述ACK信号对应的数据包中含有的是本协作节点的身份信息，则将协作标签修改为1，并确定为最优协作节点；所述ACK信号对应的数据包中含有的是其它协作节点的身份信息，则将协作标签修改为0；否则重新发送所述数据包。
9.根据权利要求8所述的协作节点，其特征在于，所述定时发送模块中特定时间
Figure FSA00000396999500031
其中ρ表示时间常数，
Figure FSA00000396999500032
其中α代表权重因子，
Figure FSA00000396999500034
表示协作节点与用户设备之间的信道增益，En表示协作节点的剩余能量，EN0表示协作节点的初始能量，
Figure FSA00000396999500035
10.根据权利要求8所述的协作节点，其特征在于，还包括检测模块，用于在定时发送模块启动之前，进行信道检测，若检测结果为信道空闲，则启动定时发送模块；若检测结果为信道忙，则等待信道空闲后再启动定时发送模块。
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