背景技术
未来移动通信系统将致力于能够在任何时间与任何地点,任何人都能够与任何物之间实现便捷通信,并在全网覆盖范围内,为尽可能多的用户提供高速的数据业务,并减少用户的传输时延;而这无疑会对现有的通信技术和网络架构带来巨大的挑战。因此,必须在现有的网络架构和通信方案的基础上,引入新的先进通信技术,进一步提高无线通信系统的传输速率,以适应未来移动通信的发展要求。因此,下一代宽带蜂窝移动通信系统(IMT-Advanced)将传统的无线中继技术融合到现有的蜂窝网络中,在提高边缘小区通信质量的同时,还可以增大小区覆盖范围和盲区覆盖。
作为一种经济有效的、高效的通信解决方案,无线蜂窝通信与中继传输技术的结合是未来无线通信的一种发展趋势。最近几年,中继传输技术被引入到蜂窝网中。在IMT-Advanced系统中,LTE-Advanced和IEEE 802.16m系统中都使用了无线中继技术。传统的无线中继技术的概念最初起源于Ad hoc网络中,在Ad hoc网络中,距离超过天线覆盖范围的节点之间的通信是由这两个节点之间的其他节点承担中继协作传输,也就是通过中继完成一次通信过程。
引入到蜂窝网的中继传输技术是传统的单向中继传输技术,即目前LTE-Advanced系统中的Type I和Type II,或者IEEE 802.16m中的非透明和透明中继,其基本思想是通过中继将用户发送给基站的信号进行处理后,再转发给基站,反之亦然。当然一个小区中可以同时部署多个中继。引入Type I或者非透明单向中继后,原来的盲点区域可以通过部署中继进行覆盖,保证这些区域能够收接到中继转发的、来自于基站的数据。但是,这种类型的单向中继在提高边缘用户性能的同时,也在浪费着系统的一些宝贵资源。例如,在两跳的单向中继中,传输给中继的信号需要2个资源块。因此,传统的Type I或者非透明单向中继主要用于扩展覆盖范围,其无法有效提高系统的频谱效率。
为了更进一步提高系统的容量,在3GPP和IEEE标准组织中,分别提出了Type II和透明中继,用于一些热点区域进行容量增强,以保证这部分区域的高速传输要求。但是,因这类中继对同步传输的要求较高,而且对资源分配的集中管理和控制难度也比较大,所以,在实际系统的应用和标准协议中的标准化中,工作难度都比较艰巨。
在实际通信系统中,引入中继后的蜂窝移动通信系统的传输链路可以分为下述三种:(1)直传链路:用户和基站直接通信的传输链路;(2)中继接入链路:用户和中继通信的链路;(3)回程链路:中继把用户的信息转发给基站的链路。通常把直传链路和中继接入链路合称为接入链路。在上行链路传输过程中,基站需要把资源分成两部分:一部分用于接入链路传输,另一部分用于回程链路传输。为了保证引入中继后,对系统频谱效率的影响尽量地小,应该尽可能地减少用于回程链路传输的资源块。
因此,如何减少回程链路传输所占用的资源,一直是目前学术界和产业界都很关注的热点问题。但是,在很长一段时间内,受到传统路由器只能是存储转发模式的观念的限制,始终无法寻找到有效的解决办法。
针对无线中继系统的网络编码传输方案,目前业界已经有了一些研究成果。但是,几乎所有的研究成果都没有考虑到和目前的IMT-Advanced系统的特征相结合,即在实际系统协议中,分配给接入链路和回程链路的资源都是固定的,网络编码的使用需要根据回程链路的资源开销自适应确定。同时,基站需要联合直传信息和网络编码处理后的混合信息,把目标信号恢复出来,此时会增加接收端的复杂度,同时由于多径传输和同步等各种因素,会提高传输的误码率。所以,在实际的IMT-Advanced系统采用网络编码,还需要综合考虑回程链路的负载、解码的误码率、网络编码用户信道状态等信息。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是根据回程链路的负载和用户的信道状态等信息,提供一种基于网络编码的无线中继回程链路的自适应协同传输方法,以解决IMT-Advanced系统回程链路资源的受限问题,从而确保无线中继不仅能够扩展覆盖范围,还能减少和避免因引入中继而造成的频谱效率的降低。
为了达到上述发明目的,本发明提供了一种无线中继回程链路的自适应协同传输方法,其特征在于:当多个用户通过无线中继接入基站,如果回程链路的资源占用超过预定门限值时,中继对部分直传用户信息和部分转发用户信息进行网络编码处理,并采用单一无线资源发送给基站,以便在增加中继服务用户数量的同时,减少所占用的回程链路资源,提高无线中继系统传输的整体性能;基站还对采用网络编码处理的用户进行统一调度,对接收到的网络编码混合信息联同来自用户的直传信息一起进行检测恢复,不需增加额外的系统开销;该方法包括下列操作步骤:
(1)在上行链路传输的每个资源调度周期,基站根据需要调度的用户数量、用户的信道状态和所需资源三种信息,统计基站覆盖区域内每个中继传输无线回程链路所需的资源块PRB(Physical Resource Block)数量,设置每个中继所需的PRB数n
i及其当前可用的PRB数N
i,并计算直接解码转发时每个中继传输的无线回程链路的负载
其中自然数下标i为中继序号;然后,判决每个中继传输的无线回程链路的负载η
i是否超过预设的负载门限值η
th,若是,即η
i>η
th,则第i个中继触发网络编码操作,执行步骤(2);否则,即η
i≤η
th,则第i个中继不触发网络编码操作,仍然采用传统方法进行资源分配和调度;
(2)基站判决需要触发网络编码操作的中继区域内的未调度的激活用户,估算未调度的激活用户的传输速率,并将同时处于基站和中继两者覆盖区域的激活用户按照传输速率从大到小进行优先级排序,选择优先级最高的用户作为主调度用户;并分别从只位于中继覆盖区域内或同时处于基站和中继两者覆盖区域的未调度的激活用户中选择与主调度用户传输速率最相近的用户作为主调度用户的配对用户,同时为主调度用户和配对用户分配相应合适的合适资源块;
(3)中继对接收到的、来自主调度用户和配对用户的两者信息进行网络编码操作,即比特信息进行异或处理或符号叠加,并使用分配的资源块传输网络编码后的信息给基站,其传输速率采用两者速率的最小值;基站接收来自中继转发的网络编码混合信息后,结合已经接收到的主调度用户的直传信息或主调度用户与配对用户两者的直传信息进行联合检测,分别恢复主调度用户和配对用户的信息;
(4)基站评估第i个中继下的主调度用户及其配对用户采用网络编码处理后中继所需的PRB数n’
i,并计算节省的回程链路负载
再判断其无线回程链路负载η与其节省的回程链路负载η′之差是否小于预设的负载门限值η
th,即判断(η-η′)<η
th是否成立;若是,则退出网络编码的调度配对操作,所有剩余未调度的用户都采用传统调度方法分配资源;否则,执行后续步骤(5);
(5)基站判断是否所有激活的需要调度的用户都已经执行了网络编码选择的配对操作,若是,则退出网络编码的选择配对操作,对激活的剩余未调度用户采用传统调度方法分配中继到基站的无线资源;否则,返回执行步骤(2)。
本发明方法的技术创新是中继在回程链路采用网络编码,这样,中继就不再只是简单地转发接收到的信息,而是将其接收到的、来自两个用户的信息进行网络编码处理后,再把混合信息转发出去。由于中继要对接收信号重新进行处理,并保证目标节点能够还原或恢复这些处理后的信息,从而能够在理论上证明本发明方法能够有效增强无线中继传输的性能。
本发明方法的有益效果是:能够有效缓解回程链路资源紧张的问题,降低了引入无线中继后导致的传输性能下降的缺陷,提高了无线中继的传输性能。本发明既能够用于LTE-Advanced系统中的Type I中继或者IEEE 802.16m系统中的非透明中继,也可以用于LTE-Advanced系统中的Type II中继或者IEEE 802.16m系统中的透明中继。此外,本发明兼容现有的无线空中接口协议,无需修改终端现有的通信协议,对现有系统传输方案改动较小:中继只需对其接收信息采用比特信息异或或符号叠加的网络编码操作,基站要对其接收到的网络编码后的信息和直传信息进行联合解码;操作复杂度低,但性能增益明显。这样既解决了LTE-Advanced系统回程链路资源的受限问题,确保无线中继不仅能够扩展覆盖范围,还能减少和避免因引入中继而造成的频谱效率的降低。因此,本发明具有非常好的应用前景,特别适用于无线中继蜂窝移动通信系统的上行链路传输。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明是一种基于网络编码的无线中继回程链路自适应协同传输方法,其应用场景是:当多个用户通过无线中继接入基站,如果回程链路的资源占用超过预定门限值时,中继对部分直传用户和部分转发用户的信息进行网络编码处理,并采用单一无线资源发送给基站,以便在增加中继服务用户数量的同时,减少所占用的回程链路资源,提高无线中继系统传输的整体性能;基站还对采用网络编码处理的用户进行集中调度,对接收到的网络编码混合信息联同来自终端的直传信息一起进行检测恢复,不需增加额外的系统开销。本发明方法适用于Type I中继和Type II中继的3GPP LTE-Advanced系统,或者是非透明和透明中继的IEEE 802.16m标准的系统;该方法既适用于采用单天线配置的中继,也适用于采用配置两个天线的中继。
参见图3,介绍本发明方法的下列操作步骤:
步骤1,在上行链路传输的每个资源调度周期,基站根据需要调度的用户数量、用户的信道状态和所需资源三种信息,统计基站覆盖区域内每个中继传输无线回程链路所需的资源块PRB数量,设置每个中继所需的PRB数n
i及其当前可用的PRB数N
i,并计算直接解码转发时每个中继传输的无线回程链路的负载
其中自然数下标i为中继序号;然后,判决每个中继传输的无线回程链路的负载η
i是否超过预设的负载门限值η
th,若是,即η
i>η
th,则第i个中继触发网络编码操作,执行后续步骤2;否则,即η
i≤η
th,则第i个中继不触发网络编码操作,仍然采用传统方法进行资源分配和调度。
步骤2,基站判决需要触发网络编码操作的中继区域内的未调度的激活用户:估算未调度的激活用户的传输速率,并将同时处于基站和中继两者覆盖区域的激活用户按照传输速率从大到小进行优先级排序,选择优先级最高的用户作为主调度用户;并分别从只位于中继覆盖区域内或同时处于基站和中继两者覆盖区域的未调度的激活用户中选择与主调度用户传输速率相近的用户作为主调度用户的配对用户,同时为主调度用户和配对用户分配相应合适的资源块。
该步骤中的基站选择主调度用户和与该主调度用户配对的用户的操作,包括下列具体内容:
(21)基站从触发网络编码操作的中继区域内未调度的激活用户中,根据传输速率由大到小对这些用户进行优先级排序,选择优先级别最高的用户um作为主调度用户。
(22)基站根据两个下行导频信号的平均接收功率是否满足下述公式:-P2<PBm-PRm<P1,判决主调度用户um是否位于基站和中继的联合覆盖区域内,若是,则执行步骤(23);若否,则返回步骤(21),选择优先级次高的用户为主调度用户,并把优先级最高的用户从优先级别用户列表中删除;式中,PBm和PRm分别为主调度用户um接收到来自基站和中继的两个下行导频信号的平均功率,P1和P2分别为根据系统的静态配置而预设的第一功率阈值和第二功率阈值。
(23)基站从位于该中继覆盖范围内的剩余未调度的激活用户中,选择与主调度用户传输速率最相近的用户作为该主调度用户的配对用户;再根据下行导频信号的平均接收功率是否满足下述两种不同公式,分别判决配对用户up是否位于该中继覆盖范围内,若是,执行后续步骤(24);若否,返回执行步骤(21),重新选择主调度用户。其中:LTE-Advanced系统的Type I中继或者IEEE 802.16m系统中的非透明中继都是根据下行导频信号的平均接收功率是否满足下述公式:PRp-PBp≥P2,判决配对用户up是否位于中继覆盖范围内;LTE-Advanced系统的TypeII中继或者IEEE 802.16m系统中的透明中继都是根据下行导频信号的平均接收功率是否满足另一公式:-P2<PBp-PRp<P1,判决配对用户up是否位于基站和中继的联合覆盖区域内;式中,PBp和PRp分别为配对用户up接收到来自基站和中继的下行导频信号的平均功率。
(24)基站为主调度用户和配对用户分配相同的合适的PRB,使主调度用户和配对用户能够把信息发送给基站和中继,具体选用的PRB取决于调度算法。
步骤3,中继节点对接收到的、来自主调度用户和配对用户的两者信息进行网络编码操作,即比特信息进行异或处理或符号叠加,并使用分配的资源块传输网络编码后的信息给基站,其传输速率采用两者速率的最小值;基站接收来自中继转发的网络编码混合信息后,结合已经接收到的主调度用户的直传信息或主调度用户与配对用户两者的直传信息进行联合检测,恢复主调度用户和配对用户的信息。
在LTE-Advanced系统和IEEE 802.16m系统中,中继执行该步骤的网络编码操作过程中,进一步包括下列内容:
(31)在第1个PRB:主调度用户um将信息sm发送出去,因主调度用户位于基站和中继的联合覆盖范围内,故基站接收到um直传链路的传输信息y1=hmBsm+nm1;此时,中继也接收到um的发送信息yr1=hmrsm+nr1,式中,hmB为主调度用户um与基站的直传链路的信道衰落,hmr为主调度用户um与中继的信道衰落,nm1和nr1分别为基站和中继接收主调度用户信息的噪声;
(32)在第2个PRB:配对用户up将其信息sp发送出去,因LTE-Advanced系统中的Type I中继或者IEEE 802.16m系统中的非透明中继的配对用户只位于中继覆盖范围内,故中继接收到up的发送信息yr2=hprsp+nr2,式中,hpr为配对用户up与中继的信道衰落,nr2为中继接收配对用户信息的噪声;而在LTE-Advanced系统中的TypeII中继或者IEEE 802.16m系统中的透明中继中,因配对用户位于基站和中继的联合覆盖范围内,故基站和中继分别接收到up直传链路传输的信息:基站为y2=hpBsp+nm2,中继为yr2=hprsp+nr2,其中,hpB和hpr为配对用户up分别与基站和中继的两条直传链路的信道衰落,nm2为基站接收主调度用户和配对用户混合信息的噪声,nr2为中继接收配对用户信息的噪声;
(33)在第3个PRB:中继对接收到的信息进行解码恢复,然后进行网络编码操作,并将网络编码后的信息通过基站的集中调度,在合适的PRB上转发给基站;基站接收到的信息为
式中,h
rd为中继到基站的信道衰落,n
3为基站接收中继转发信息的噪声,此时的网络编码采用比特信息的异或操作;
(34)基站分别对接收到的LTE-Advanced系统中的Type I中继或者IEEE802.16m系统中的非透明中继的直传和中继的两种信息y1和y3进行联合检测,或者对接收到的LTE-Advanced系统中的Type II中继或者IEEE 802.16m系统中的透明中继的直传和中继的三种信息信息y1,y2和y3进行联合检测,分别恢复主调度用户和配对用户的各自发送信息。
本发明方法应用于配置两个天线的中继在执行该步骤的过程中,中继使用一根天线接收主调度用户的发送信息,同时使用另一根天线接收配对用户的发送信息;并在中继处将两者信息进行网络编码操作后,使用基站集中调度分配的资源块传输编码后的混合信息,其传输速率为两者速率的最小值;基站接收来自中继转发的网络编码混合信息,再结合已经接收到的主调度用户的直传信息进行联合检测,恢复主调度用户和配对用户的信息。
本发明的仿真实施例中,使用双天线的中继执行该步骤包括下列操作内容:
(3A)在第1个PRB:主调度用户um将信息sm发送出去,因主调度用户位于基站和中继的联合覆盖范围内,故基站接收到um直传链路的传输信息y1=hmBsm+nm1,此时,中继使用其中一根天线也接收到um的发送信息yr1=hmrsm+nr1;式中,hmB和hmr为主调度用户um分别与基站和中继第一根天线之间的直传链路的信道衰落,nm1和nr1分别为基站和中继接收主调度用户信息的噪声;同时,配对用户up也将其信息sp发送出去,因配对用户只位于中继覆盖范围内,中继使用另一根天线接收到up的发送信息yr2=hprsp+nr2;式中,hpr为配对用户up与中继另一根天线天线之间的信道衰落,nr2为中继接收配对用户信息的噪声;
(3B)在第2个PRB:中继将两根天线接收到的信息进行解码,并将两者的信息进行异或后,选择增益最大的天线转发给基站;基站接收到的中继信息
式中,h
rd为中继到基站的信道衰落,n
3为基站接收中继转发信息的噪声;
(3C)基站对其接收到的两种信息y1和y3进行联合检测,恢复主调度用户和配对用户的各自发送信息。
步骤4,基站评估第i个中继下的主调度用户及其配对用户采用网络编码处理后中继所需的PRB数n’
i,并计算节省的回程链路负载
再判断其无线回程链路负载η与其节省的回程链路负载η′之差是否小于负载预设门限值η
th,即判断(η-η′)<η
th是否成立;若是,则退出网络编码的调度配对操作,所有剩余未调度的用户都采用传统调度方法分配资源;否则,执行后续步骤5。
步骤5,基站判断所有激活的需要调度的用户是否都已经执行了网络编码选择的配对操作,若是,则退出网络编码的选择配对操作,对激活的剩余未调度用户采用传统调度方法分配中继到基站的资源;否则,返回执行步骤2。
参见图4,介绍本发明已经进行的多次实施仿真实验的实验结果。图4所示为瑞利信道模型下采用蒙特卡洛仿真方法得到的本发明方法与传统分配资源方法在不同接收平均信噪比时,主调度用户和配对用户的吞吐量曲线比较。仿真实施例的试验参数如下:基站、中继和用户都只配备单天线,系统带宽为10MHz,并全部分配给当前用户。
在图4中,实线为不同传输方案下主调度用户的两种吞吐量的曲线,虚线为不同传输方案下配对用户的吞吐量的曲线。可以看出,在设定的通信场景中,采用本发明网络编码方法与传统中继资源分配方法相比较,前者可以有效提升用户的吞吐量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明保护的范围之内。