CN102547594A - 确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法，该方法如下：1)检测eNB与UE之间发送信息时的信道容量I_SD，1、RN与UE之间发送信息时的信道容量I_RD，1；2)获取eNB与UE之间信道的自适应门限阈值ADTR1；3)获取RN与UE之间的自适应门限阈值ADTR2；4)eNB向小区内的M个UE和N个RN以组播的方式发送一组多媒体数据；5)若G₂组用户中有C_f组用户UE未成功接收到eNB发送的多媒体数据时，则N个RN以速率R₂为C_f组的用户转发数据；6)确定自适应协作无线组播通信的等效数据传输速率。本发明显示了现有协作式无线组播传输系统的速率自适应方法与系统能够取得的数据传输速率上限之间的差距，为整个系统的速率自适应提供进一步发展的方向。

Description

确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法

技术领域

本发明设计确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法。

背景技术

随着移动通信新技术的不断涌现，移动通信网络能给我们带来更高的带宽和更快的数据传输速率，然而在这一演进过程中网络传输的本质仍然是为每一个用户分配一个独立信道进行数据传输。不管是在3G、B3G还是4G移动通信系统中，基站都要为其覆盖区域内的用户分配一个动态的、信息互不干涉的信道。当通信载波扇区内的用户数不断增长，有限的带宽资源终将用尽，而且随着多媒体大容量数据传输业务的不断普及流行，资源紧张的状况将更加明显，甚至会严重影响普通的语音通信。组播技术是应对以上问题的一个有效手段。

组播和广播是指从一个数据源向多个目标传送数据的方式。由于移动通信网络中多媒体应用的不断流行，无线组播技术逐渐得到人们的重视，并伴随着移动通信网络的更新换代不断发展演进。在现有的无线网络系统中有很多关于无线组播和广播技术的成熟应用，例如WiMax中的IPTV(InternetProtocol television)、3GPP中的MBMS(Multimedia Broadcast/MulticastService)以及E-UTRA网络系统支持的增强型多媒体广播多播业务(E-MBMS)等。

MBMS是3GPP R6中定义的多媒体广播组播功能。在终端方面，MBMS仍然最大限度地继承了已有的3GPP标准，在终端耗电、存储、多媒体处理、显示等技术得到改善的同时，仅仅是原有基带处理功能的增强。因此，承载宽带多媒体业务的MBMS终端与现有终端保持了很好的统一性。在带宽方面，MBMS可以最大使用256kbps的速率进行下载和流媒体的传送，而只要128kbps就可以支持15fps QCIF 176*144图像和12.2Kbps语音组合的体育类节目的收看需求。在互动方面，MBMS本身没有定义特别的上行信道，但可以利用已有上行控制信道进行业务订阅、业务加入等业务控制流程，同时利用上行业务信道实现与下行广播/组播配合的一些交互类业务的实现。在容量方面，MBMS提供点到多点传送多媒体的发送机制，提供所谓“SendOnce，Charge Many times”的业务模式，资源消耗与用户数的增长无关，从而为节省3G网络非常紧张的空口资源和Iub口传输资源、规避移动网络容量劣势寻找到了根本解决途径。用户数越多，MBMS在容量和成本方面的优势发挥就越明显；在组播用户数少或者没有组播业务用户的时候，网络可以灵活地为用户分配专用信道或者关闭组播业务信道，这些移动网络特有的高效资源管理技术更让MBMS技术在容量方面锦上添花。如图1所示为MBMS支持的手机电视业务系统架构。

然而，由于无线衰落信道的易错性和动态变化性等原因导致无线多媒体组播应用面临着很大的挑战。因此，为了推广无线多媒体组播应用，我们必须采取有效的措施来对抗无线信道的信道衰落、路径损耗等因素对传输信号的影响。总之，我们要给用户提供高可靠性、高满意度的服务。近年来出现了一个新型的无线传输技术——协作通信，它是指在多用户通信环境中，各临近节点之间按照一定方式共享彼此的天线进行协作发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统的传输性能的通信方式。作为一种新型的无线传输技术，协作通信技术融合了分集技术和中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中获得多天线与多跳传输的性能增益，大大提升了系统性能。其具体特点如下：

(1)扩大覆盖范围。通过协作节点之间的协作传输，使得单个节点数据传输的有效半径大大增加。

(2)消除传输盲点。通过多个节点间协作传输，使得处于通信盲点的两个节点之间形成视距传输，改善通信链路质量。

(3)提高系统性能。利用协作通信的传输方式，通过合并接收或空时联合发射，可以获得复用增益或者分集增益。

将无线组播技术和协作通信技术结合在一起的协作式无线组播技术的应用场景设定如下：在一个多径传输环境中(如一个蜂窝小区)，一个发送端(如基站)给一组接收端(如蜂窝小区内的一组用户设备)发送数据，这一过程可以分成两个阶段：Stage_1阶段和Stage_2阶段。在Stage_1阶段，发送源端向一组由组播用户组成的接收端发送数据，由于发送端与接收端之间无线信道的随机衰落特性导致部分接收端用户无法成功接收数据。这种情况下，在Stage_2阶段那些成功接收到数据的一个或多个用户将作为中继节点给无法成功接收数据的用户组转发数据。图2是协作式无线组播通信的工作场景：

协作式无线组播技术以其优异的特点引起了人们的关注。在无线资源管理、链路自适应等方面人们对其进行了研究，其中在速率自适应方面有了一些研究成果。为了最优化网络系统的数据吞吐量、时延等性能参数，通常利用物理层(PHY)和媒体介入控制层(MAC)协同工作以达到速率自适应、优化系统性能的效果。

有些研究人员提出了一种速率自适应的方法，假设在单小区双跳(Two-Hop)协作式无线组播环境中有(M-1)个UE，eNode B准备向这(M-1)个UE组播一组数据。其工作过程如下：在第一阶段(Stage_1阶段)eNodeB以数据传输速率R_p向(M-1)个UE发送数据，第一阶段结束时(M-1)个UE中有N个成功接收到来自eNode B的数据，则在第二阶段(Stage_2阶段)以一定的策略从N个成功接收到数据的UE中为(M-N-1)个未成功接收数据的UE选择相应合适的中继节点(RN)，这些中继节点(RN)在第二阶段为(M-N-1)个UE转发数据。系统物理层(PHY)的调制模式采用n阶正交幅度调制(QAM)，其中n是预先设定的一组数，因此可以将物理层(PHY)能够支持的数据传输速率设为R_p(p＝0，…，P，R₀＜R₁＜…＜R_P)，UE及eNode B相互间能够以数据速率R₀来传输基本控制信息。UE及eNode B通过互相接收对方的基本控制信息从而对信道状态信息(CSI)进行估计，这样在UE和eNode B的MAC层就可以产生一组对应着数据传输速率R_p的信息矩阵。对应于数据传输速率R_p的矩阵{A_p}_ij＝a_p，ij，假定a_p，ii＝0。当a_p，ij＝1时，表示第i个UE和第j个UE之间可以以数据传输速率R_p进行通信，反之当a_p，ij＝0时则无法在满足一定误比特率的情况下以数据传输速率R_p进行通信。当然，矩阵A₀中除了对角线元素为0外其他元素都为1。同时设定UE间以能够达到的最大数据传输速率进行通信。因此对于(M-N-1)个UE(第一阶段未成功接收到数据的UE)中的任一UE d有N_sd个中继节点可供选择：

$N_{\mathrm{sd}}=\underset{k=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p^{\′},\mathrm{dk}}*a_{p,\mathrm{ks}}={\{A_{p^{\′}}*A_p\}}_{\mathrm{sd}}$

其中s节点表示eNode B，k节点表示(M-1)个UE中的任意一个UE，R_p表示第一阶段基站的数据传输速率，R_p′表示第二阶段选来作为中继节点的用户设备的数据传输速率。定义一个等效数据传输速率R_c：

$R_c=1/(R_p^{-1}+R_{p^{\′}}^{-1})$

则1/R_c表示从基站向UE传输一个信息比特所用的时间。未成功接收数据的UE d从N_sd个可选中继节点中选择使R_c最大的那个节点作为d的中继节点。利用上述方法可以提高系统的数据吞吐量，但是这一方法同时也有很多缺点，首先从N_sd个可选节点中确定最优节点的过程比较复杂，导致系统时延变长，而且这一方法未充分利用N_sd个节点的协作分集作用。另外很重要的一点就是该方法无法确定协作式无线组播系统数据传输速率的上限，从而导致整个速率自适应过程带有很大的盲目性，无法为进一步提高自适应系统的数据吞吐量提供指导。

发明内容

为避免以上现有技术的不足，本发明提出一种确定自适应协作式无线组播系统数据传输速率上限的方法。以解决在这些移动通信网络中应用协作式无线组播传输技术时无法确定数据传输速率的上限，从而导致整个速率自适应过程带有很强的盲目性的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法，该方法包括如下步骤：

1)对于小区内基站eNB、M个组播用户UE、N个中继节点RN，检测eNB与UE之间发送信息时的信道容量I_SD，1、RN与UE之间发送信息时的信道容量I_RD，1；

2)比较信道容量I_SD，1和信道容量I_RD，1的大小，将M个UE分为两组，

当I_SD，1≥I_SD，1，为G1组用户，

当I_SD，1＜I_SD，1，为G2组用户，

获取eNB与UE之间信道的自适应门限阈值ADTR1，

ADTR1＝min(I_SD1，I_SD2，…，I_SDm，I_SR1，I_SR2，…，I_SRN)，

{I_SD1，I_SD2，…，I_SDm}为G₁组用户与eNB之间的香农信道容量，{I_SR1，I_SR2，…，I_SRN}为N个RN与eNB之间的香农信道容量；

3)获取RN与UE之间的自适应门限阈值ADTR2，

ADTR2＝min(I_1，2，…，I_q，2，…，I_n，2)，其中(I_1，2，…，I_q，2，…，I_n，2)为G₂组的n个香农信道容量；

4)eNB向小区内的M个UE和N个RN以组播的方式发送一组多媒体数据，且eNB的发送数据速率为R₁＝ADTR1；

5)若G₂组用户中有C_f组用户UE未成功接收到eNB发送的多媒体数据时，则N个RN以速率R₂＝ADTR2为C_f组的用户转发数据，C_f＝{U₁，U₂，…，U_U}，U_u∈C_f，

U≤n；

6)根据所述R₁和R₂，确定自适应协作无线组播通信的等效数据传输速率R_AD，R_AD＝1/(R₁ ^-1+R₂ ^-1)。

进一步，所述小区内M个UE均匀分布在半径为R的小区内，所述小区内N个中继节点RN，均匀分布在半径为R1的小区内，且0＜R₁＜R，所述RN之间距离相等。

本发明的优点在于：

本发明面向具有预先部署的网络基础设施的移动通信网络系统，确定了一个基于速率自适应的协作式无线组播系统数据传输速率上限的方法。本发明的优点可以归纳为以下几点：

1)在eNB、UE、RN三者之间传输简单的控制信息，让eNB了解了三者之间的无线信道状况。通过对这些无线信道信息的充分利用得出了协作式无线组播系统数据传输速率的上限。

2)本发明将小区内UE分成G₁组和G₂组，同时将整个数据传输过程分成Stage_1阶段和Stage_2阶段。Stage_1阶段和Stage_2阶段分别保证了G₁组用户和G₂组用户成功接收数据，这样就可以从整体上降低用户面的中断概率，保证了用户的通信质量。

3)以往的速率自适应方法由于要频繁的对信道状态信息进行检测，选择中继节点的方法复杂且无法充分利用中继节点的协作分集作用。本发明对中继节点的选择简单明了，同时可以充分利用中继节点的协作分集作用，提高了系统的数据传输速率。本发明中的等效数据传输速率可以达到R_AD＝1/(R₁ ^-1+R₂ ^-1)，相对于已有的速率自适应方法，本发明的等效数据传输速率有了很大的提高。

附图说明

图1：MBMS支持的手机电视业务；

图2：协作式无线组播系统的工作场景；

图3：本发明设定的工作场景；

图4：协作式无线组播系统下行协作中继模型；

图5：自适应协作无线组播通信流程图。

具体实施方式

无线组播技术是随着移动通信网络的更新换代逐步发展起来的。例如在2G、3G、B3G以及4G网络系统中无线组播技术的应用越来越重要越来越迅速。本发明面向具有预先部署的网络基础设施的移动网络，在这些移动通信网络系统中都可以应用，范围较广。

本发明的背景设定为单小区场景，即暂不考虑小区之间的干扰问题。在小区内考虑目前较为常用的一种协作式无线组播设计方案：中继节点固定式协作无线组播方案。这个方案的应用背景如下：考虑单小区场景，小区形状设定为圆形，小区半径设为R，eNode B放置在小区的中心。在此圆形小区内有M个组播用户，这些组播用户随机均匀分布在小区内。小区内任意两个节点之间(包括eNode B与UE之间、UE与UE之间)的无线信道经历独立窄带瑞利衰落、路径损耗以及加性高斯白噪声的影响。如图3为本发明设定场景的示意图。

对于无线通信系统中的通信终端，存在两种基本的工作模式，即半双工模式和全双工模式。在半双工模式下，节点通过不同的时隙或频率接收和发送数据，但节点不能同时接收和发送数据。对于半双工通信系统，有几种典型的协作协议，包括放大转发(AF)、解码转发(DF)、编码协作(CC)等。在本发明中所有的节点都是半双工节点，其中中继节点采用解码转发(DF)的协作协议。对于部分目标节点而言，它们接收到了来自中继节点的多个经历了独立衰落的信号，通过对这些信号进行处理可以做出适当的判决。

本发明中不涉及具体的调制编码方案，仅使用香农信道容量的概念，假定当信道的香农容量大于此时信道上的数据传输速率时节点能够成功接收数据，反之则接收数据失败。因为在一个实际的系统当中，UE的接收数据中断概率依赖于信道衰落的概率密度函数和调制编码模式，所以当系统的调制编码模式确定后UE的接收数据中断概率也就相应的确定下来。为了确定基于速率自适应的协作无线组播系统数据传输速率的上限，我们使用香农信道容量的概念。

如图5为本发明的具体实现过程如下：

步骤一：首先，对于小区内M个无线组播用户，移动通信系统确定eNB与UE之间、UE与UE之间通信使用的合适的频率资源。对于中继节点固定式协作无线组播方案，M个UE均匀分布在小区内。在该小区内存在N个协作中继节点，均匀分布在半径为R₁(0＜R₁＜R)的圆上，相互之间距离相等。在小区空闲时期，eNB、UE以及RN相互之间周期性发送控制信息，这样在eNB的MAC层就会保存eNB、UE以及RN三者之间无线信道状态的相关信息。

步骤二：确定Stage_1阶段的自适应门限阈值ADTR1。根据UE与eNB、RN之间的信道状态信息将M个UE分成两组，分别记为G₁组和G₂组。如图4所示为移动通信网络中下行协作中继模型。Stage_1阶段为eNode B→RN和eNode B→UE两个过程，Stage_2阶段为RN→UE过程。

图4中的信道1为eNB与UE之间的无线信道，信道2为RN和UE之间的无线信道，信道3为eNB与RN之间的无线信道。假设x表示eNB、UE以及RN之间发送的控制信息，则

$y_{\mathrm{SD},1}=\sqrt{P*r_{\mathrm{SD},1}^{-\mathrm{\η}}}*h_{\mathrm{SD},1}*x+n_{\mathrm{SD},1}$

$y_{\mathrm{RD},1}=\sqrt{(P/N)*r_{\mathrm{RD},1}^{-\mathrm{\η}}}*h_{\mathrm{RD},1}*x+n_{\mathrm{RD},1}$

$y_{\mathrm{SR},1}=\sqrt{P*r_{\mathrm{SR},1}^{-\mathrm{\η}}}*h_{\mathrm{SR},1}*x+n_{\mathrm{SR},1}$

其中y_SD，1、y_RD，1表示UE分别从信道1、信道2接收的信号，y_SR，1表示RN从eNB接收的信号。P表示eNB的发送信号功率，P/N表示RN的发送信号功率。r_SD，1、r_RD，1、r_SR，1分别表示eNB与UE、RN与UE以及eNB与RN之间的距离，h_SD，1、h_RD，1、h_SR，1分别表示信道1、信道2、信道3的信道衰落系数，n_SD、n_RD、n_SR分别表示信道1、信道2、信道3的加性高斯白噪声(AWGN)，假设加性高斯白噪声(AWGN)的均值为零、方差为N₀。η表示数据传输过程中的路径损耗指数。则信道1、信道2、信道3此时的香农信道容量分别为：

$I_{\mathrm{SD},1}={\log }_2(1+P*r_{\mathrm{SD},1}^{-\mathrm{\η}}*{\left|h_{\mathrm{SD},1}\right|}^2/N_0)$

$I_{\mathrm{RD},1}={\log }_2\{1+P*r_{\mathrm{RD},1}^{-\mathrm{\η}}*{\left|h_{\mathrm{RD},1}\right|}^2/(N_0*N)\}$

$I_{\mathrm{SR},1}={\log }_2(1+P*r_{\mathrm{SR},1}^{-\mathrm{\η}}*{\left|h_{\mathrm{SR},1}\right|}^2/N_0)$

G₁组用户：I_SD，1≥I_RD，1

G₂组用户：I_SD，1＜I_RD，1

其中N为小区内布置的协作中继节点的数目。假设由以上比较得G₁组用户为G₁＝{U₁，U₂，…，U_m}，U_p∈G₁，G₂组用户为G₂＝{U_m+1，U_m+2，…，U_m+n}，U_q∈G₂，其中m+n＝M。假设N个RN为G_R＝{U_R，1，…，U_R，N}。此时G₁组用户与eNB之间的香农信道容量分别为{I_SD1，I_SD2，…，I_SDm}，N个RN与eNB之间的香农信道容量分别为{I_SR1，I_SR2，…，I_SRN}。则ADTR1为：

ADTR1＝min(I_SD1，I_SD2，…，I_SDm，I_SR1，I_SR2，…，I_SRN)

min表示在G₁组和G_R组的(m+N)个香农信道容量中取最小值。

步骤三：确定Stage_2阶段的自适应门限阈值ADTR2。在Stage_2阶段，N个RN向G₂组的用户发送控制信息x。G₂组的用户U_q接收来自N个RN的数据，并对这N个接收数据采用MRC策略合并为：

$y_{\mathrm{RDq},2}=\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{P*r_{\mathrm{RDqi},2}^{-\mathrm{\η}}/N}*h_{\mathrm{RDqi},2}*x+n_{\mathrm{RDq},2}$

得到U_q的接收数据信噪比(SNR)为：

${\mathrm{SNR}}_q=P*{|\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{r_{\mathrm{RDqi},2}^{-\mathrm{\η}}}*h_{\mathrm{RDqi},2}|}^2/(N_0*N)$

香农信道容量为：

I_q，2＝log₂(1+SNR_q)

则ADTR2为：

ADTR2＝min(I_1，2，…，I_q，2，…，I_n，2)

min表示在G₂组的n个香农信道容量中取最小值。

步骤四：经过步骤二、步骤三分别得到了自适应门限阈值ADTR1和ADTR2。在Stage_1阶段，eNB向小区内的M个组播用户和N个中继节点以组播的方式发送一组多媒体数据，eNB的发送数据速率为R₁＝ADTR1。此时发送速率R₁可以保证G₁组用户U_p和G_R组的N个RN成功接收到来自eNB的数据。

步骤五：在Stage_2阶段，成功接收到数据的G_R组N个RN为在Stage_1阶段中未成功接收到数据的UE转发数据，每个RN的发送数据速率为R₂＝ADTR2。在Stage_1阶段G₁组用户、G_R组RN以及部分G₂组用户成功接收到了eNB发送的数据，设G₂组用户中未成功接收到数据的UE为C_f＝{U₁，U₂，…，U_U}，U_u∈C_f，

U≤n，C_f组的用户U_u接收来自N个RN的数据。此时发送速率R₂可以保证C_f组用户成功接收到数据。

步骤六：将此自适应协作无线组播通信的等效数据传输速率设为R_AD，则：

R_AD＝1/(R₁ ^-1+R₂ ^-1)

其中1/R_AD表示从eNB向UE传输一个信息比特所用的时间。

本发明面向具有预先部署的网络基础设施的移动通信网络，如LTE、WiMax以及IMT-A等移动通信网络。为了解决在这些移动通信网络中应用协作式无线组播传输技术时无法确定数据传输速率的上限，从而导致整个速率自适应过程带有很强的盲目性的问题。

在IMT-advanced等具有预先部署的网络基础设施的移动网络系统中，本发明提出了一个确定基于速率自适应的协作式无线组播系统数据传输速率上限的方法，显示了现有协作式无线组播传输系统的速率自适应方法与系统能够取得的数据传输速率上限之间的差距，为整个系统的速率自适应提供进一步发展的方向。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)对于小区内基站eNB、M个组播用户UE、N个中继节点RN，检测eNB与UE之间发送信息时的信道容量I_SD，1、RN与UE之间发送信息时的信道容量I_RD，1；

2)比较信道容量I_SD，1和信道容量I_RD，1的大小，将M个UE分为两组，

当I_SD，1≥I_RD，1，为G1组用户，

当I_SD，1＜I_RD，1，为G2组用户，

获取eNB与UE之间信道的自适应门限阈值ADTR1，

ADTR1＝min(I_SD1，I_SD2，…，I_SDm，I_SR1，I_SR2，…，I_SRN)，

{I_SD1，I_SD2，…，I_SDm}为G₁组用户与eNB之间的香农信道容量，{I_SR1，I_SR2，…，I_SRN}为N个RN与eNB之间的香农信道容量；

3)获取RN与UE之间的自适应门限阈值ADTR2，

ADTR2＝min(I_1，2，…，I_q，2，…，I_n，2)，其中(I_1，2，…，I_q，2，…，I_n，2)为G₂组的n个香农信道容量；

4)eNB向小区内的M个UE和N个RN以组播的方式发送一组多媒体数据，且eNB的发送数据速率为R₁＝ADTR1；

5)若G₂组用户中有C_f组用户UE未成功接收到eNB发送的多媒体数据时，则N个RN以速率R₂＝ADTR2为C_f组的用户转发数据，C_f＝{U₁，U₂，…，U_U}，U_u∈C_f，

U≤n；

6)根据所述R₁和R₂，确定自适应协作无线组播通信的等效数据传输速率R_AD，R_AD＝1/(R₁ ^-1+R₂ ^-1)。

2.根据权利要求1所述的确定自适应协作无线组播通信数据传输速率上限的方法，其特征在于，所述小区内M个UE均匀分布在半径为R的小区内，所述小区内N个中继节点RN，均匀分布在半径为R₁的小区内，且0＜R₁＜R，所述RN之间距离相等。

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