CN102202413B - 一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法，该方法包括：在每个调度周期，基站首先从需要调度的用户中选择接收信号强度最大的用户进行调度，并选择与其信道相关性最小的用户进行配对，以便进行网络编码操作；然后综合考虑当前调度用户对使用不同资源块的性能差异，从系统资源集合中选择公平性好的资源块分配给当前调度用户对；其中，在进行资源选择操作时，基站逐次从待分配资源集合中删除对于目前激活调度用户对性能差的资源块，直到待分配资源集合中仅剩唯一的资源块时，将该资源分配该当前调度用户对。本发明相比于传统的资源分配方法，可在不明显提高系统复杂度的基础上，提升配对用户之间的公平性。

Description

一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法。

背景技术

LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统是3G（3rd Generation，第三代移动通信系统）的演进，LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）作为无线网络演进的唯一标准。LTE能够在20MHz频谱带宽下，提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量，并降低了系统延迟。其中，LTE的技术特征包括高数据速率、分组传送、低延迟、广域覆盖和向下兼容。随着移动终端用户数量的迅速增长，终端用户的业务容量呈指数增长，为了满足持续增加的终端用户的业务需求，需要提供更大的带宽来满足终端用户的业务和应用所需要的更高峰值速率。即在未来的移动通信系统中，例如在B3G（Beyond three Generation，后三代）中或LTE-A（LTE-Advanced，高级LTE）中，系统将提供更高的峰值数据速率和小区吞吐量，同时也需要更大的带宽。

目前2GHz以下的未分配带宽已经很少，B3G系统（以B3G系统为例进行说明）需要的部分或全部带宽只能在更高的频段上，例如在3GHz以上的频段上进行寻找。而在实际的应用中，频段越高，电波传播衰减的越快，传输距离越短，即在同样的覆盖区域下，要保证连续覆盖，则需要更多的基站。由于基站具有较高的造价，当需要很多的基站时，将会增加创建网络的成本。为了解决上述问题，各个厂商以及标准化组织将中继（relay）引入到蜂窝系统中，从而增加覆盖的区域。

因此，下一代宽带蜂窝移动通信系统中，可采用无线中继技术扩展系统的覆盖范围，并提供额外的空间分集增益，以提高信息传输速率和系统频谱效率。其中，协同中继技术作为一种先进的无线传输模式，通过将接收到的多路信息进行联合处理，扩展了中继的覆盖范围，增强了无线传输性能，同时提高了无线传输的频谱效率，因此采用协同中继传输模式可有效地改善系统的性能。

在传统的中继模式中，中继设备只对接收到的信息进行简单的存储和转发。在协同中继模式中，为了避免直传链路和中继链路信息间的干扰，需要消耗额外的时频资源，相应的传输方案的帧结构示意图如图1所示。

以单对用户为例，该传输方案需要消耗4块时频资源块以完成单对用户节点到基站的上行数据通信，其中，每个用户节点各需要1块资源完成信息的传输，中继设备需要2块资源完成传输。以用户节点u₁为例，该用户利用1块资源同时向基站和中继设备发送信息；相应的，中继设备需要消耗1块资源将来自于用户节点u₁的信息转发给基站；同样的，为了完成用户节点u₂的信息传输，也需要消耗2块资源。

在此传输模式下，不同的用户需要使用不同的资源块，以避免用户间信息的干扰。当系统中存在多块资源时，基站控制器为了优化系统性能，需要从可用资源集合中选择合适的资源块分配给用户，以提升其传输性能。通常，基站控制器将根据用户的信道状态为其分配最优的资源块；并且在多用户场景中，需要分别对每个用户进行资源分配操作。

进一步的，在协同中继网络编码模式中，中继设备可同时接收多个用户发送的信息，并将接收到的混合信息转发给基站，从而在维持中继设备所带来的系统分集增益的情况下，在一定程度上解决由于传统的中继转发导致的资源利用率降低的问题。

如图2所示，为协同中继网络编码传输方案的帧结构示意图，该方案只需使用2块时频资源块即可完成单对用户节点与基站的上行通信。用户节点i₁和用户节点u₂共同使用第2块资源块同时向基站与中继设备发送信息，中继设备接收到的信息是两个用户发送信息的混合；中继设备使用第2块资源将接收到的混合信息转发给基站。此方案相比于传统中继方案可节省2块资源块。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

现有技术中，系统为了避免用户之间的干扰，为不同用户分配不同的资源块，所使用的资源分配方法只单纯考虑单个用户的性能指标，并未涉及为多个用户分配同一资源的问题；而对于应用网络编码中继的通信场景中，不同用户可共享同一资源块进行信息传输，同一资源块对于不同用户所能达到的传输性能不同，现有技术中采用的资源分配方法只能为单个用户选择性能较优的资源块，并不能保证该块资源对其他共享用户也能达到较优的传输性能。

发明内容

本发明实施例提供一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法，以提高网络的传输效率，提升用户的公平性。

为了达到上述目的，本发明提供一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法，应用于多用户上行多址接入中继通信系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：基站确定当前调度用户对，并将当前调度待分配资源集合初始化为系统可用资源集合；其中，当前调度用户对由两个用户组成，它们将采用网络编码一起进行信息传输，基站根据接收信号强度最大准则从待调度用户集合中选择一个调度用户，称为主用户；根据信道相关性最小准则从所述待调度用户集合中选择与当前调度用户进行配对的另一个用户，称为辅用户，这两个用户组成当前调度用户对；

步骤2：基站根据主用户及辅用户在所述待分配资源集合上的信道增益信息形成增益矩阵；其中，所述增益矩阵为I行J列的矩阵，行数I取值为2，列数J取值为所述待分配资源集合中的资源块数，并且第1行第j列的元素g_1j表示主用户u_s使用资源块j所获得的信道增益值；第2行第j列的元素g_2j表示辅用户u_p使用资源块j所获得信道增益值；

步骤3：基站检查主用户在待分配资源集合中各资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断当前待分配资源集合中的资源块数量是否等于1，若是，则将该资源块分配给所述当前调度用户对，并结束资源分配流程；否则转入步骤4；

步骤4：基站检查辅用户在待分配资源集合中剩余资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断当前待分配资源集合中的资源块数量是否等于1，若是，则将该资源块分配给所述当前调度用户对，并结束资源分配流程；否则转入步骤3。

优选的，基站根据接收信号强度最大准则从待调度用户集合中选择当前调度的主用户，包括：

基站选择接收信号强度最大的用户u_s作为当前调度的主用户，其中：

u_s=argmaxP_s

其中，P_s为基站接收到待调度用户集合中用户u_s发射信号的信号强度；

所述基站根据信道相关性最小准则从待调度用户集合中选择与所述当前调度用户进行配对的辅用户，包括：

基站选择与当前调度的主用户u_s信道相关性最小的用户u_p作为与当前调度的主用户配对的辅用户，其中：

u_p=argminI(u_s,u_p)

其中，I(u_s,u_p)表示主用户u_s与待调度用户u_p的信道相关度。

优选的，基站根据主用户及辅用户在所述待分配资源集合中每块资源上的信道增益信息，形成满足以下条件的增益矩阵G_IJ：

g_1j=g_sd(j)+g_sr(j)

g_sd(j)=|h_sd|²

$g_{\mathrm{sr}}\left(j\right)=\frac{{\left|h_{\mathrm{sr}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}{1+{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}$

g_2j=g_pd(j)+g_pr(j)

g_pd(j)=|h_pd|²

$g_{\mathrm{pr}}\left(j\right)=\frac{{\left|h_{\mathrm{pr}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}{1+{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}$

其中，g_sd(j)表示所述主用户u_s与所述基站直射链路在资源块j上的信道增益，gsr (j)表示所述主用户u_s与所述基站中继链路在资源块j上的信道增益；其中g_pd(j)表示所述辅用户u_p与所述基站直射链路在资源块j上的信道增益，g_pr(j)表示所述辅用户u_p与所述基站中继链路在资源块j上的信道增益；

h_sd为所述主用户u_s到所述基站的信道衰落系数、h_pr为所述辅用户u_p到中继设备的信道衰落系数、h_pd为所述辅用户u_p到所述基站的信道衰落系数、h_sr为所述主用户u_s到中继设备的信道衰落系数、h_rd为中继设备到所述基站的信道衰落系数。

优选的，所述基站检查主用户在待分配资源集合中各资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，包括：

所述基站从待分配资源集合中选择满足的资源块r，并删除此资源块r；

其中，K表示主用户及辅用户对应的待分配资源集合；g_sj为所述主用户使用资源块j所获得的信道增益值；

所述基站根据以下公式更新所述主用户及辅用户对应的待分配资源集合：

K=K-{r}。

优选的，所述基站检查辅用户在待分配资源集合中剩余资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，具体为：

所述基站从待分配资源集合中选择满足的资源块r*，并删除此资源块r*；

其中，K表示主用户及辅用户当前对应的待分配资源集合；g_pj为所述辅用户使用资源块j所获得的信道增益；

所述基站根据以下公式更新所述主用户及辅用户当前对应的待分配资源集合：

K=K-{r*}。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本发明中，通过将无线中继网络中待调度用户进行配对，并针对调度用户对进行资源分配，提升了无线中继网络中用户间的公平性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为现有技术中协同中继时分接入的传输方案的帧结构示意图；

图2为现有技术中单对用户网络编码的时分接入的传输方案的帧结构示意图；

图3为本发明实施例提供的联合网络编码和用户配对的资源调度方法流程的示意图。

具体实施方式

本发明中所提出的资源分配方法适用于应用网络编码技术的中继通信场景，该方法在两个或多个用户共享同一资源进行传输的场景中，为多个用户分配整体最优的资源块，一方面有效的优化了每个用户的传输性能，另一方面能够确保用户间的公平性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301、在每个调度周期，基站确定当前调度用户对。

当前调度用户对由两个用户组成，它们将采用网络编码一起进行信息传输。在确定当期调度用户对时，基站根据接收信号强度最大准则从待调度用户集合中选择一个调度用户，称为主用户；根据信道相关性最小准则从待调度用户集合中选择与当前调度用户进行配对的另一个用户，称为辅用户，这两个用户组成当前调度用户对。其中，待调度用户集合是由系统中有通信需求的用户构成的集合（也可以将该用户称为激活用户）。在多用户上行多址接入中继通信系统中，每个TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）内，基站需要对小区内激活的用户进行调度。

基站确定当前调度用户对的具体实现过程可以是：基站接收待调度用户集合中各用户的发射信号，并获取各用户发射信号的信号强度P_s，根据接收信号强度最大准则选择当前调度的主用户，即当激活用户u_s满足u_s=argmaxP_s时，基站确定u_s为当前调度的主用户；基站确定当前调度的主用户后，计算各待调度用户与当前调度的主用户的信道相关度，并当待调度用户u_p满足u_p=argminI(u_s,u_p)时，确定用户u_p为当前调度的主用户u_s配对的辅用户。其中，I(u_s,u_p)表示当前调度的主用户u_s与待调度用户u_p的信道相关度。

步骤302、基站将当前调度用户对对应的待分配资源集合初始化为系统可用资源集合，并判断该待分配资源集合中是否存在多块资源，若判断为是，则转至步骤303；否则转至步骤306。

其中，基站确定主用户及辅用户（即当前调度用户对）后，需要从系统可用资源集合中选择资源分配给当前调度用户对。具体的，基站可以将当前调度用户对所对应的待分配资源集合初始化为系统可用资源集合，并判断该待分配资源集合中是否存在多块资源，若判断为是，则需要对资源进行筛选，以便选择一块合适的资源分配给当前调度用户对；否则，基站将待分配资源集合中的资源分配给当前调度用户对。

步骤303、基站根据主用户及辅用户在待分配集合中每块资源上的信道增益信息形成增益矩阵G_IJ。

该增益矩阵G_IJ为I行J列的矩阵，行数I取值为2，列数J取值为所述待分配资源集合中的资源块数（即列数J的取值与待分配资源集合中的资源块数量相同）。增益矩阵G_IJ第1行第j列的元素g_1j表示主用户u_s使用资源块j所获得的信道增益值；增益矩阵G_IJ第2行第j列的元素g_2j表示辅用户u_p使用资源块j所获得信道增益值。

具体的，基站根据主用户及辅用户在待分配资源集合中每块资源上的信道增益信息形成满足以下条件的增益矩阵G_IJ：

g_1j=g_sd(j)+g_sr(j)………………………………[1]

g_sd(j)=|h_sd|²..........................................[2]

$g_{\mathrm{sr}}\left(j\right)=\frac{{\left|h_{\mathrm{sr}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}{1+{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}...\left[3\right]$

g_2j=g_pd(j)+g_pr(j)………………………………[4]

g_pd(j)=|_pd|²………………………………………[5]

$g_{\mathrm{pr}}\left(j\right)=\frac{{\left|h_{\mathrm{pr}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}{1+{\left|h_{\mathrm{rd}}\right|}^2}...\left[6\right]$

其中，g_sd (j)表示主用户u_s与基站间的直射链路在资源块j上的信道增益，g_sr(j)表示主用户u_s与基站间的中继链路在资源块j上的信道增益，g_pd(j)表示辅用户u_p与基站间的直射链路在资源块j上的信道增益，g_pr(j)表示辅用户u_p与基站间的中继链路在资源块j上的信道增益；h_sd为主用户u_s到基站的信道衰落系数，h_pr为辅用户u_p到中继设备的信道衰落系数，h_pd为辅用户u_p到基站的信道衰落系数，h_sr为主用户u_s到中继设备的信道衰落系数，h_rd为中继设备到基站的信道衰落系数。

步骤304、基站检查主用户在待分配资源集合中各资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断删除资源块后的待分配资源集合中是否存在多块资源，若判断为是，则转至步骤305；否则，转至步骤306。

其中，基站删除的资源块r满足：

$r=\arg \underset{r\∈K}{\min }{g}_{\mathrm{sj}}...\left[7\right]$

其中，K表示当前调度用户对（即主用户及辅用户）对应的待分配资源集合，g_sj表示主用户使用资源块j所获得信道增益值；

删除资源块r后，基站更新当前调度用户对对应的待分配资源集合，更新后的待分配资源集合满足：

K=K-{r}……………………………………[8]

删除资源块r后，基站还需要判断card(K)>1是否成立，若成立，则转至步骤305，以继续对待分配资源集合进行删除操作；否则，转至步骤306，以便将待分配资源集合中的资源分配给当前调度用户对；其中，card(K)表示待分配资源集合中资源块的数目。

步骤305、基站检查辅用户在待分配资源集合中剩余资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断删除资源块后的待分配资源集合中是否存在多块资源，若判断为是，则转至步骤304；否则，转至步骤306。

其中，基站删除的资源块r*满足：

$r*=\arg \underset{r*\∈K}{\min }{g}_{\mathrm{pj}}...\left[9\right]$

其中，g_pj表示辅用户使用资源块j所获得信道增益值。

删除资源块r*后，基站更新当前调度用户对对应的待分配资源集合，更新后的待分配资源集合满足：

K=K-{r*}………………………………………[10]

删除资源块r*后，基站还需要判断card(K)>1是否成立，若成立，则转至步骤304，以继续对待分配资源集合进行删除操作；否则，转至步骤306，以便将待分配资源集合中的资源分配给当前调度用户对。

步骤306、基站将待分配资源集合中的资源分配给当前调度用户对。

通过上述方法流程，实现了无线中继网络联合用户配对的资源选择，可以为无线中继网络中配对用户分配合适的资源，提升了用户间的公平性。

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，附图中的单元或流程并不一定是实施本发明所必须的。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

Claims (5)

1.一种联合网络编码和用户配对的资源调度方法，应用于多用户上行多址接入中继通信系统，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

步骤1：基站确定当前调度用户对，并将当前调度待分配资源集合初始化为系统可用资源集合；其中，当前调度用户对由两个用户组成，它们将采用网络编码一起进行信息传输，基站根据接收信号强度最大准则从待调度用户集合中选择一个调度用户，称为主用户；根据信道相关性最小准则从所述待调度用户集合中选择与当前调度用户进行配对的另一个用户，称为辅用户，这两个用户组成当前调度用户对； 

步骤2：基站根据主用户及辅用户在所述待分配资源集合中每块资源上的信道增益信息形成增益矩阵；其中，所述增益矩阵为I行J列的矩阵，行数I取值为2，列数J取值为所述待分配资源集合中的资源块数，并且第1行第j列的元素g_1j表示主用户u_s使用资源块j所获得的信道增益值；第2行第j列的元素g_2j表示辅用户u_p使用资源块j所获得信道增益值； 

步骤3：基站检查主用户在待分配资源集合中各资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断当前待分配资源集合中的资源块数量是否等于1，若是，则将该资源块分配给所述当前调度用户对，并结束资源分配流程；否则转入步骤4； 

步骤4：基站检查辅用户在待分配资源集合中剩余资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，并判断当前待分配资源集合中的资源块数量是否等于1，若是，则将该资源块分配给所述当前调度用户对，并结束资源分配流程；否则转入步骤3。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基站根据接收信号强度最大 准则从待调度用户集合中选择当前调度的主用户，包括： 

基站选择接收信号强度最大的用户u_s作为当前调度的主用户，其中： 

u_s=argmaxP_s

其中，P_s为基站接收到待调度用户集合中用户u_s发射信号的信号强度； 

所述基站根据信道相关性最小准则从待调度用户集合中选择与所述当前调度用户进行配对的辅用户，包括： 

基站选择与当前调度的主用户u_s信道相关性最小的用户u_p作为与当前调度的主用户配对的辅用户，其中： 

u_p=argminI(u_s,u_p) 

其中，I(u_s ,u_p)表示主用户u_s与待调度用户u_p的信道相关度。 

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基站根据主用户及辅用户在所述待分配资源集合中每块资源上的信道增益信息，形成满足以下条件的增益矩阵G_IJ： 

g_1j=g_sd(j)+g_sr(j) 

g_sd(j)=|h_sd|²

g_2j=g_pd(j)+g_pr(j) 

g_pd(j)=|h_pd|²

其中，g_sd(j)表示所述主用户u_s与所述基站直射链路在资源块j上的信道增益，g_sr(j)表示所述主用户u_s与所述基站中继链路在资源块j上的信道增益；其中g_pd(j)表示所述辅用户u_p与所述基站直射链路在资源块j上的信道增益，g_pr(j)表示所述辅用户u_p与所述基站中继链路在资源块j上的信道增益； 

h_sd为所述主用户u_s到所述基站的信道衰落系数、h_pr为所述辅用户u_p到中继设备的信道衰落系数、h_pd为所述辅用户u_p到所述基站的信道衰落系数、h_sr为所述主用户u_s到中继设备的信道衰落系数、h_rd为中 继设备到所述基站的信道衰落系数。 

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站检查主用户在待分配资源集合中各资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，包括： 

所述基站从待分配资源集合中选择满足

的资源块r，并删除此资源块r； 

其中，K表示主用户及辅用户对应的待分配资源集合；g_sj为所述主用户使用资源块j所获得的信道增益值； 

所述基站根据以下公式更新所述主用户及辅用户对应的待分配资源集合： 

K=K-{r}。 

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站检查辅用户在待分配资源集合中剩余资源块上的信道增益，将信道增益最小的资源块从待分配资源集合中删除，具体为： 

所述基站从待分配资源集合中选择满足

的资源块r*，并删除此资源块r*； 

其中，K表示主用户及辅用户当前对应的待分配资源集合；g_pj为所述辅用户使用资源块j所获得的信道增益； 

所述基站根据以下公式更新所述主用户及辅用户当前对应的待分配资源 集合： 

K=K-{r*}。 

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