CN102612125B - 一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用在无线中继协作系统中。两个信源节点通过一个放大转发中继节点交互信息，将具有较大待传输信息量的节点的信息按照比特数分为两部分，一部分的信息量等于较小传输信息量的节点的信息量，两个信息源节点采用双向中继传输方式分别传输等量的信息，具有较大待传输信息量的节点的第二部分剩余信息通过单向中继传输方式传输信息，在传输中，使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段的最优传输时长。本发明方法利用了双向中继在双向数据量相等的场景下能量效率高的优势，以及单向中继在双向数据量不对称的场景下能量效率高的优势，因而可以大大提高无线系统的能量效率。

Description

一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法

技术领域

本发明属于移动通信、无线通信领域，涉及中继协作系统，具体涉及一种应用于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法。

背景技术

近年来，随着无线通信的迅猛发展，无线系统所产生的碳排放逐年增高，同时，其运营成本也在大幅攀升。于是，在追求高频谱效率的同时，人们越来越关注无线系统的能量效率。

能量效率通常被定义为每消耗单位能量所能传输的比特数，在计算能量效率时，不仅要考虑为了发送信息比特所消耗的能量，同时也要考虑无线系统的训练信令以及电路所产生的能耗。

中继协作系统可以通过在源节点与目的节点间插入中继节点，将一个长距传输化为几个短距传输，节省发射能耗，因而被认为一种能量有效的传输方案。实际无线系统中的中继节点多为半双工节点，需要占用两组正交信道，分别分配给源-中继链路以及中继-目标链路，才能将一组信息从源节点传输给目的节点，因此，在高信噪比下，单向中继系统的频谱效率与直接传输相比大约下降1/2。双向中继系统通过借助网络编码技术，同样占用两组正交信道，却可同时完成两个信息节点间两组信息的双向交互，避免了单向中继系统中1/2的频谱效率损失，因而，双向中继系统与单向中继系统相比，频谱效率更高。

延时受限业务是指系统周期性地产生一组信息比特，并且每组信息比特必须在规定时长内传输完毕。这种业务类型应用较为广泛，例如无线传感网，IP语音业务等都是典型的延时受限业务。延时受限业务只限制每组信息比特的最长传输时间，因此，在满足最长传输时间约束的前提下，延时受限系统允许调整每组信息比特的传输时间。在给定待传输数据量时，系统发射数据所产生的能耗随传输时间的增长而降低，而系统电路所产生的能耗随传输时间的增长而增长，因此通过调整传输时间，延时受限系统可以对发射能耗和电路能耗进行折衷，从而降低无线系统的总能耗。

当两个信息节点通过一个放大转发中继进行双向信息交互，且业务类型为延时受限业务时，当前的研究结果表明，若无线系统以最优的传输时间和最优的发射功率进行传输，双向中继的能量效率并不一定总是高于单向中继。当两个方向上待传输数据量相同时，双向中继的能量效率总是优于单向中继，但是当两个方向上待传输数据量相差较大时，单向中继的能量效率可能优于双向中继。

根据目前的研究结果，从最大化无线系统能量效率的角度出发，单向中继和双向中继各自适用于不同的应用场景。目前，亟待一种中继传输方案可以在各种不同的应用场景下均提供较高的能量效率。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种可以在各种不同的应用场景下均具有较高的能量效率的中继传输方案。本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，将每组待传输信息比特被分为两部分，分别使用单向和双向中继传输方式进行传输，通过优化这两部分的比特分配，使得无线系统的能量效率高于单纯的采用单向中继传输方式或采用双向中继传输方式。

本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用于如下场景：两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，在每段时间T内，信源节点A传输B_ab个比特信息量，信源节点B传输B_ba个比特信息量；具体步骤如下：

步骤1：判断两个信源节点的待传输数据量B_ab和B_ba的大小关系，将待传输信息数据量较大的信源节点标记为信源1，另一个信源节点标记为信源2，令B_max＝max{B_ab，B_ba}，B_min＝min{B_ab，B_ba}，则信源1的待传输信息的数据量为B_max个比特，信源2的待传输信息的数据量为B_min个比特。

步骤2：将信源1待传输信息分为两部分，第一部分信息为B_min个比特，第二部分信息为(B_max-B_min)个比特。

步骤3：设定待传输信息的传输方式：将信源2的全部待传输的B_min个比特信息设定采用双向中继传输方式；将信源1的第一部分B_min个比特信息设定采用双向中继传输方式，将第二部分(B_max-B_min)个比特信息设定采用单向中继传输方式。

步骤4：使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段各自的最优传输时长

以及单、双向中继传输阶段中信源1、2和中继节点的最优发射功率。

步骤5：按照步骤3设定的传输方式以及步骤4确定的最优发射功率，在

时长内，使用双向中继传输方式分别在两个方向传输B_min个比特信息，然后在

时长内，使用单向中继传输方式将待传输数据量较大的节点，即信源1的剩余的(B_max-B_min)个比特信息传输给其目的节点，即信源2。

本发明提出的一种混合中继传输方法，其优点和积极效果在于：

通过比特分配，将双向待传输信息分割为两部分，分别使用双向和单向中继传输方式进行传输，其中双向中继传输的部分，两个方向的传输数据量相等，单向中继传输的部分，只有一个方向上有数据传输。这样同时利用了双向中继在双向数据量相等的场景下能量效率高的优势，以及单向中继在双向数据量不对称的场景下能量效率高的优势，因而可以大大提高无线系统的能量效率。

附图说明

图1为本发明混合中继传输方法所应用的场景示意图；

图2为本发明混合中继传输方法的整体步骤流程图；

图3为本发明混合中继传输方式的比特划分及传输方式框图；

图4为采用本发明混合中继传输方式与采用单纯的单向或双向中继传输方式的能量效率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案做进一步的说明。

分析目前中继协作系统的实际应用情况，会发现当两个方向上待传输数据量相同时，双向中继能量效率更高，而当两个方向上待传输数据量相差较大时，单向中继能量效率更高。基于这一分析，本发明提供的混合中继传输方案，通过将待传输比特分配为两部分，分别通过单向、双向中继传输方式进行传输，高能效地完成两个信息节点间的双向信息交互。

如图1所示，两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，本发明针对延时受限业务，即信源处的信息周期性地产生且每组信息必须在一定的时长T内传输完毕。在每段时长T内，信源节点A传输B_ab个比特，信源节点B传输B_ba个比特，图1中A→B表示信源A经中继向信源B传输数据，B→A表示信源B经中继向信源A传输数据。数据传输占用的带宽为W。信源节点A、B与中继节点间的信道系数分别为h_ar与h_br，各节点接收机噪声方差均为N₀，各个节点在发射状态、接收状态以及空闲状态中的电路功耗都分别为P^ct，P^cr以及P^ci，各节点最大发射功率均为P^max，各节点发射机功放效率因子为ε。

如图2所示，为本发明提出的基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法的整体步骤流程图，具体对各步骤说明如下。

步骤1：判断双向中继传输方式下，每组待传输数据量B_ab和B_ba的大小，B_max＝max{B_ab，B_ba}，B_min＝min{B_ab，B_ba}；若B_ab≥B_ba，则令h₁＝h_ar，h₂＝h_br，重命名信源A、B分别为信源1、2；反之，令h₁＝h_br，h₂＝h_ar，重命名信源B、A分别为信源1、2。用h₁、h₂分别表示信源1、2与中继节点间的信道系数。

步骤2：将比特数较多的一组信息，即包含B_max个比特的信息分为两部分，第一部分和比特数较少的一组信息的比特数相同，即B_min个比特，第二部分为剩余比特，即(B_max-B_min)个比特。

步骤3：对于待传输信息的数据量较少的信源节点，也就是信源2，设定其全部待传输信息总共B_min个比特采用双向中继传输方式；对于待传输比特数较多的信源节点，也就是信源1，在步骤2的比特分割后，设定第一部分的B_min个比特信息采用双向中继传输方式，设定第二部分的(B_max-B_min)个比特信息采用单向中继传输方式。如此可以使用双向中继传输方式在两个方向上均传输B_min个比特，使用单向中继传输方式由信源1向信源2传输剩余的(B_max-B_min)个比特，由于双向中继传输方式在双向数据量对称时能量效率较高，单向中继传输方式在双向数据量不对称时能量效率较高，因此，这样的比特分配可以充分利用单向、双向中继传输方式的优点，提高无线系统的整体能量效率。

步骤4：使用经典的凸优化方法，确定单向、双向中继传输阶段的最优传输时长以及各个节点的发射功率，以最小化无线系统的总能耗。经典的凸优化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛顿法等。本发明实施例中以二分法为例介绍此步骤的具体实现流程：

步骤4-1：计算单向中继、双向中继传输阶段的最短传输时间，并判断所需最短传输时间是否满足最长传输时间约束；

在单向中继传输阶段，当源节点和中继节点使用最高发射功率进行传输时，无线系统达到最高数据率，此时所需发射时间为单向中继传输阶段所需的最短传输时间，可由式(1)计算得到：

$T_{\mathrm{owr}-\min }=\frac{B_{\max }-B_{\min }}{\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2})}---\left(1\right)$

在双向中继传输阶段，最短传输时间没有显式表达式，需要使用二分法，搜索出无线系统所能支持的最高数据率，以及与之对应的最短传输时间：

步骤4-1-1：由于双向中继阶段中，双向待传输数据量均为B_min，因此两个方向上数据率一定相等，设置双向数据率下限为R_lower＝0，上限为

$R_{\mathrm{upper}}=\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2}),---\left(2\right)$

步骤4-1-2：令双向数据率均为R_mid＝(R_lower+R_upper)/2；

步骤4-1-3：判断无线系统是否可以支持双向数据率R_mid；

首先，判断下式是否成立，

$\frac{(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)(2{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-{\left|h_1\right|}^2{N}_0(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)}\≤P^{\max }---\left(3\right)$

若成立，则令信源1、2的发射功率分别为

$p_1=\frac{(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)(2{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-{\left|h_1\right|}^2{N}_0(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)},p_2=P^{\max }---\left(4a\right)$

否则，令

$p_1=P^{\max },p_2=(\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1}-({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)P^{\max }{N}_0-N_0^2)/\left({\left|h_2\right|}^2{N}_0\right)---\left(4b\right)$

最后，判断下式是否成立，

$R_{\mathrm{mid}}\≤\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{p}_2}{{\left|h_1\right|}^2{p}_1{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{p}_2{N}_0+{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2})---\left(5\right)$

若成立，表示无线系统可以支持双向数据率R_mid，则令R_lower＝R_mid；反之，表示无线系统无法支持此数据率，则令R_upper＝R_mid；

步骤4-1-4：判断|R_upper-R_lower|是否小于一个事先设置好的阈值δ，如δ＝10^-3bps。若成立，则以R_lower作为无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率，迭代结束；反之，则回到步骤4-1-2继续执行；

在得到无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率后，可以得到对应的双向中继传输阶段的最短传输时间为：

T_twr-min＝B_min/R_lower                (6)

最后，判断单向、双向中继传输阶段所需最短传输时间之和是否超过了无线系统允许的最长传输时间，即判断下式是否成立，

T_owr-min+T_twr-min≤T                 (7)

若成立，则继续步骤4-2；反之，则表示当前信道条件以及无线系统能力无法支持在给定时间T内完成给定数据量的传输，无线系统报告中断，此时段不发射；

步骤4-2：使用二分法搜索单向中继传输阶段最优传输时间；

步骤4-2-1：设置单向中继传输时间下限T_lower为步骤4-1中得到的单向中继传输所需最短时间T_owr-min，设置单向中继传输时间上限T_upper为T，设置阈值ΔT＝10^-3T；

步骤4-2-2：令单向中继传输时间为T_owr＝(T_lower+T_upper)/2；

步骤4-2-3：计算当单向中继传输时间为T_owr时，在单向中继传输阶段中信源1和中继的发射功率p_1-owr，p_r-owr；发射功率在不同情况下有不同表达式：

若|h₁|＞|h₂|，且

$T_{\mathrm{owr}}<\frac{2(B_{\max }-B_{\min })/W}{{\log }_2(1+\frac{{\left|h_2\right|}^2(N_0+2P^{\max }{\left|h_1\right|}^2)-\sqrt{N_0^2+4P^{\max }{\left|h_1\right|}^2+4{\left(P^{\max }\right)}^2{\left|h_1{h}_2\right|}^2}}{2N_0({\left|h_1\right|}^2-{\left|h_2\right|}^2)})}---\left(8\right)$

则有

$p_{1-\mathrm{owr}}=\frac{({\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)K_{\mathrm{owr}}}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{owr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0},p_{r-\mathrm{owr}}=P^{\max }---\left(9\right)$

其中，中间参数 $K_{\mathrm{owr}}=2^{2(B_{\max }-B_{\min })/\left(W{T}_{\mathrm{owr}}\right)}.$

若|h₁|＜|h₂|，且

$T_{\mathrm{owr}}<\frac{2(B_{\max }-B_{\min })/W}{{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1\right|}^2(N_0+2P^{\max }{\left|h_2\right|}^2)-\sqrt{N_0^2+4P^{\max }{\left|h_2\right|}^2+4{\left(P^{\max }\right)}^2{\left|h_1{h}_2\right|}^2}}{2N_0({\left|h_2\right|}^2-{\left|h_1\right|}^2)})}---\left(10\right)$

则有

$p_{1-\mathrm{owr}}=P^{\max },p_{r-\mathrm{owr}}=\frac{({\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)K_{\mathrm{owr}}}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{owr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0}---\left(11\right)$

所有其他情况下，有

$p_{1-\mathrm{owr}}=\frac{K_{\mathrm{owr}}{N}_0}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{\sqrt{K_{\mathrm{owr}}^2+K_{\mathrm{owr}}}{N}_0}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2},$ $p_{r-\mathrm{owr}}=\frac{K_{\mathrm{owr}}{N}_0}{{\left|h_2\right|}^2}+\frac{\sqrt{K_{\mathrm{owr}}^2+K_{\mathrm{owr}}}{N}_0}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}---\left(12\right)$

步骤4-2-4：计算使用上述传输时间以及发射功率时对应的单向中继传输阶段的总能耗：

$E_{\mathrm{owr}}\left(T_{\mathrm{owr}}\right)=\frac{T_{\mathrm{owr}}}{2}(p_{1-\mathrm{owr}}/\mathrm{\&epsiv;}+p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}}+p^{\mathrm{ci}})+\frac{T_{\mathrm{owr}}}{2}(p_{r-\mathrm{owr}}/\mathrm{\&epsiv;}+p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}}+p^{\mathrm{ci}})---\left(13\right)$

其中，信源1到中继节点的传输时长T_owr/2，期间信源1以p_1-owr功率进行发射，信源1的总功耗为p_1-owr/ε+p^ct，中继节点处于接收状态，功耗为p^cr，信源2处于空闲状态，功耗为p^ci；中继节点到信源2转发时占用时长T_owr/2，期间中继节点以p_r-owr功率进行发射，中继节点的总功耗为p_r-owr/ε+p^ct，信源2处于接收状态，功耗为p^cr，信源1处于空闲状态，功耗为p^ci。

步骤4-2-5：令单向中继传输时间为T_owr+ΔT/2，使用与步骤4-2-3以及步骤4-2-4中同样的步骤，计算相应的总能耗E_owr(T_owr+ΔT/2)。

步骤4-2-6：确定二分区间；

若E_owr(T_owr+ΔT/2)＞E_owr(T_owr)，则表示最优传输时间小于T_owr，令T_upper＝T_owr；反之，则表示最优传输时间大于T_owr，令T_lower＝T_owr。

若T_upper-T_lower小于事先设置的阈值ΔT，迭代结束，单向中继传输阶段最优传输时间为

反之，则返回步骤4-2-2重新迭代。

步骤4-3：使用二分法搜索双向中继传输阶段最优传输时间；

步骤4-3-1：设置双向中继传输时间下限T′_lower为步骤4-1中得到的双向中继传输所需最短时间T_twr-min，设置双向中继传输时间上限T′_upper为T，设置阈值ΔT＝10^-3T；

步骤4-3-2：令双向中继传输时间T_twr＝(T′_lower+T′_upper)/2；

步骤4-3-3：计算当双向中继传输时间为T_twr时，信源1、信源2以及中继节点在双向中继传输阶段中的发射功率p_1-twr，p_2-twr以及p_r-twr；发射功率在不同情况下有不同表达式：

若

$T_{\mathrm{twr}}<\frac{2B_{\min }}{W{\log }_2(1+\frac{\frac{P^{\max }}{N_0}(\frac{1}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_2\right|}^2})+\frac{1}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}+\sqrt{{\left(\frac{P^{\max }}{N_0}\right)}^2\frac{4}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_1{h}_2\right|}^4}+\frac{2P^{\max }}{N_0{\left|h_1{h}_2\right|}^2}(\frac{1}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_2\right|}^2})}}{{(1/{\left|h_1\right|}^2-1/{\left|h_2\right|}^2)}^2})}---\left(14\right)$

则

$p_{1-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0^2+K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_1\right|}^2{N}_0^2-K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_2\right|}^2{N}_0^2}{{\left|h_1\right|}^2({\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0)}---\left(15a\right)$

$p_{2-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0^2+K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_2\right|}^2{N}_0^2-K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_1\right|}^2{N}_0^2}{{\left|h_2\right|}^2({\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0)}---\left(15b\right)$

p_r-twr＝P^max                (15c)

其中，中间参数 $K_{\mathrm{twr}}=2^{2B_{\min }/\left(W{T}_{\mathrm{twr}}\right)}-1;$

反之若式(14)不成立，则有

$p_{1-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{N}_0}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{(2K_{\mathrm{twr}}^2+K_{\mathrm{twr}})N_0}{\left|h_1{h}_2\right|\sqrt{2K_{\mathrm{twr}}(2K_{\mathrm{twr}}+1)}}---\left(16a\right)$

$p_{2-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{N}_0}{{\left|h_2\right|}^2}+\frac{(2K_{\mathrm{twr}}^2+K_{\mathrm{twr}})N_0}{\left|h_1{h}_2\right|\sqrt{2K_{\mathrm{twr}}(2K_{\mathrm{twr}}+1)}}---\left(16b\right)$

p_r-twr＝p_1-twr+p_2-twr    (16c)

步骤4-3-4：计算使用上述传输时间以及发射功率时对应的双向中继阶段总能耗：

$E_{\mathrm{twr}}\left(T_{\mathrm{twr}}\right)=\frac{T_{\mathrm{twr}}}{2}(\frac{p_{1-\mathrm{twr}}+p_{2-\mathrm{twr}}}{\mathrm{\&epsiv;}}+2p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}})+\frac{T_{\mathrm{twr}}}{2}(\frac{p_{r-\mathrm{twr}}}{\mathrm{\&epsiv;}}+p^{\mathrm{ct}}+2p^{\mathrm{cr}})---\left(16\right)$

其中，第一个T_twr/2时长内，信源1、2分别以功率p_1-twr和p_2-owr进行发射，二者的总功耗为(p_1-twr+p_2-twr)/ε+2p^ct，中继处于接收状态，功耗为p^cr；第二个T_twr/2时长内，中继以p_r-twr功率进行发射，中继的总功耗为p_r-twr/ε+p^ct，信源1、2处于接收状态，功耗为2p^cr。

步骤4-3-5：令双向中继传输时间为T_twr+ΔT/2，使用与步骤4-3-3以及步骤4-3-4中同样的步骤，计算相应的总能耗E_twr(T_twr+ΔT/2)。

步骤4-3-6：确定二分区间；

若E_twr(T_twr+ΔT/2)＞E_twr(T_twr)，则表示最优传输时间小于T_twr，令T′_upper＝T_twr；反之，则表示最优传输时间大于T_twr，令T′_lower＝T_twr。

若T′_upper-T′_lower小于事先设置的阈值ΔT，迭代结束，双向中继传输阶段最优传输时间为

反之，则返回步骤4-3-2重新迭代。

步骤4-4：判断最优传输时间是否满足无线系统最长传输时长约束；

判断步骤4-2以及4-3中得到的单向、双向中继传输时间是否满足无线系统最长传输时长约束；

若

则上述二分法优化结果满足最长传输时长约束，无线系统可使用上述二分优化结果(即步骤4-2与步骤4-3所得到的最优传输时间)确定的传输时长进行发射，跳转至步骤4-6；反之，上述优化结果不满足最长传输时长约束，需要使用步骤4-5重新搜索单向、双向中继传输阶段的最优传输时长。

步骤4-5：一维遍历搜索单、双向传输阶段最优传输时间；

步骤4-5-1：设置单向中继传输时间下限为T″_lowwer＝T_owr-min，上限为T″_upper＝T-T_twr-min，搜索步长为ΔT＝10^-3T；

步骤4-5-2：令单向中继传输时间T_owr＝T″_lower，双向中继传输时间T_twr＝T-T_owr，使用E^opt表示在搜索过的传输时间中最优传输时间对应的无线系统最小能耗，将其初始化为无穷大；

步骤4-5-3：使用步骤4-2-3以及步骤4-2-4中的方法，计算单向中继传输时长为T_owr时，单向中继传输阶段总能耗E_owr(T_owr)，使用步骤4-3-3以及步骤4-3-4中的方法，计算双向中继传输时长为T_twr时，双向中继传输阶段总能耗E_twr(T_twr)；

步骤4-5-4：若使用当前传输时间无线系统的总能耗E_owr(T_owr)+E_twr(T_twr)小于已知的无线系统最小能耗E^opt，则更新E^opt＝E_owr(T_owr)+E_twr(T_twr)，

步骤4-5-5：更新T_owr为T_owr+ΔT，以更新后的T_owr计算T_twr＝T-T_owr。若T_owr≤T″_upper，则返回步骤4-5-3继续迭代；否则，迭代终止；

步骤4-6：确定与最优传输时长对应的各个节点的发射功率；

使用步骤4-2-3中的方法，计算单向中继传输阶段使用最优传输时间

时，信源1和中继的最优发射功率以及同样，使用步骤4-3-3中的方法，计算双向中继传输阶段使用最优传输时间

时，信源1、信源2和中继的最优发射功率

以及

步骤5：按照步骤3中得到的比特分配以及步骤4中得到的传输时长和发射功率进行发射，如图3所示。

在

时长内，信源1、2分别以功率

发射，分别向中继发送B_min比特，中继处于接收状态；随后的

时长内，中继以功率

发射，向信源1、2广播其刚刚从两个信源接收到的叠加信息，信源1、2处于接收状态，信源1、2接收到叠加信息后，使用自干扰消除技术消除自身之前发射的信号，得到另一信源向自己发送的信息，至此，双向中继传输阶段完成，信源2的待发送信息全部传送完毕，信源1剩余B_max-B_min比特待发送。随后开始单向中继传输阶段，在第一个

时长内，信源1以功率

发射，向中继发送B_max-B_min比特，中继处于接收状态，而信源2处于空闲状态；在第二个

时长内，中继以功率

发射，向信源2转发其从信源1处接收到的信息，信源2处于接收状态，而信源1处于空闲状态。至此，全部信息传输完毕，在随后的

时长内，全部节点切换为空闲状态，等待下次传输。

图4中对比了本发明混合中继与单纯的单向、双向中继传输在不同的数据量大小下的能量效率，从图中可以看出，在中低数据量的情况下，本发明传输方式的能量效率高于单纯的单向与双向中继，在高数据量的情况下，本发明传输方式的能量效率与双向中继传输几乎一致。这表明，本发明混合中继传输方式可以在各种条件下均保证高能效的数据传输。

Claims (5)

1.一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用场景为：两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，在每段时长T内，信源节点A传输B_ab个比特信息，信源节点B传输B_ba个比特信息；其特征在于，该混合中继传输方法包括如下步骤：

步骤1：比较两个信源节点A和B的待传输信息数据量B_ab和B_ba的大小，将待传输信息数据量较大的信源节点标记为信源1，另一个信源节点标记为信源2，令B_max＝max{B_ab,B_ba}，B_min＝min{B_ab,B_ba}，则信源1的待传输信息的数据量为B_max个比特，信源2的待传输信息的数据量为B_min个比特；

步骤2：将信源1待传输信息分为两部分，第一部分信息为B_min个比特，第二部分信息为（B_max-B_min）个比特；

步骤3：设定待传输信息的传输方式：将信源2的全部待传输的B_min个比特信息设定采用双向中继传输方式；将信源1的第一部分B_min个比特信息设定采用双向中继传输方式，将第二部分(B_max-B_min)个比特信息设定采用单向中继传输方式；

步骤4：使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段的最优传输时长以及单、双向中继传输阶段中信源1、2和中继节点的最优发射功率；

步骤5：按照步骤3设定的传输方式和步骤4确定的最优发射功率，在

时长内使用双向中继传输方式分别在两个方向传输B_min个比特信息，在

时长内使用单向中继传输方式将信源1的(B_max-B_min)个比特信息传输给信源2。

2.根据权利要求1所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，步骤4中所述的经典的凸优化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛顿法。

3.根据权利要求1所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，所述的步骤4，采用二分法实现的过程为：

步骤4-1：根据式(1)确定单向中继传输阶段的最短传输时间T_owr-min：

$T_{\mathrm{owr}-\min }=\frac{B_{\max }-B_{\min }}{\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2})}---\left(1\right)$

其中，W表示数据传输占用的带宽，h₁表示信源1与中继节点间的信道系数，h₂表示信源2与中继节点间的信道系数，P^max表示各节点的最大发射功率，N₀表示各节点的接收机噪声方差；

采用二分法确定无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率R_lower，然后得到对应的双向中继传输阶段的最短传输时间T_twr-min：

T_twr-min＝B_min/R_lower               （6）

最后，判断单向、双向中继传输阶段所需最短传输时间之和是否超过了无线系统允许的最长传输时间：

T_owr-min+T_twr-min≤T                   （7）

若成立，则继续步骤4-2；反之，则表示当前信道条件以及无线系统能力无法支持在给定时间T内完成给定数据量的传输，无线系统报告中断，此时段不发射；

步骤4-2：使用二分法搜索单向中继传输阶段最优传输时间

具体方法为:

步骤4-2-1：设置单向中继传输时间下限T_lower为步骤4-1中得到的单向中继传输所需最短时间T_owr-min，设置单向中继传输时间上限T_upper为T，设置阈值ΔT＝10^-3T；

步骤4-2-2：令当前单向中继传输时间T_owr＝(T_lower+T_upper)/2；

步骤4-2-3：确定当单向中继传输时间为T_owr时，在单向中继传输阶段中信源1的发射功率p_1-owr和中继节点的发射功率p_r-owr，根据不同情况有不同的值：

若|h₁|＞|h₂|，且

$T_{\mathrm{owr}}<\frac{2(B_{\max }-B_{\min })/W}{{\log }_2(1+\frac{{\left|h_2\right|}^2(N_0+2P^{\max }{\left|h_1\right|}^2)-\sqrt{N_0^2+4P^{\max }{\left|h_1\right|}^2+4{\left(P^{\max }\right)}^2{\left|h_1{h}_2\right|}^2}}{2N_0({\left|h_1\right|}^2-{\left|h_2\right|}^2)})}---\left(8\right)$

则有

$p_{1-\mathrm{owr}}=\frac{({\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)K_{\mathrm{owr}}}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{owr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0},p_{r-\mathrm{owr}}=P^{\max },---\left(9\right)$

其中，中间参数 $K_{\mathrm{owr}}=2^{2(B_{\max }-B_{\min })/\left({\mathrm{WT}}_{\mathrm{owr}}\right)};$

若|h₁|＜|h₂|，且

$T_{\mathrm{owr}}<\frac{2(B_{\max }-B_{\min })/W}{{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1\right|}^2(N_0+2P^{\max }{\left|h_2\right|}^2)-\sqrt{N_0^2+4P^{\max }{\left|h_2\right|}^2+4{\left(P^{\max }\right)}^2{\left|h_1{h}_2\right|}^2}}{2N_0({\left|h_2\right|}^2-{\left|h_1\right|}^2)})}---\left(10\right)$

则有：

$p_{1-\mathrm{owr}}=P^{\max },p_{r-\mathrm{owr}}=\frac{({\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)K_{\mathrm{owr}}}{|{h_1{h}_2|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{owr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0}---\left(11\right)$

所有其他情况下，有

$p_{1-\mathrm{owr}}=\frac{K_{\mathrm{owr}}{N}_0}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{\sqrt{K_{\mathrm{owr}}^2+K_{\mathrm{owr}}}{N}_0}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2},p_{r-\mathrm{owr}}=\frac{K_{\mathrm{owr}}{N}_0}{{\left|h_2\right|}^2}+\frac{\sqrt{K_{\mathrm{owr}}^2+K_{\mathrm{owr}}}{N}_0}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}---\left(12\right)$

步骤4-2-4：确定使用当前单向中继传输时间以及发射功率p_1-owr、p_r-owr时对应的单向中继传输阶段的总能耗E_owr(T_owr)：

$E_{\mathrm{owr}}\left(T_{\mathrm{owr}}\right)=\frac{T_{\mathrm{owr}}}{2}(p_{1-\mathrm{owr}}/\mathrm{\&epsiv;}+p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}}+p^{\mathrm{ci}})+\frac{T_{\mathrm{owr}}}{2}(p_{r-\mathrm{owr}}/\mathrm{\&epsiv;}+p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}}+p^{\mathrm{ci}})---\left(13\right)$

其中，ε表示各节点的发射机功放效率因子，P^ct，P^cr和P^ci分别表示各个节点在发射状态、接收状态和空闲状态中的电路功耗，信源1到中继节点的传输时长为T_owr/2，期间信源1以功率p_1-owr进行发射，信源1的总功耗为p_1-owr/ε+p^ct，中继节点处于接收状态，功耗为p^cr，信源2处于空闲状态，功耗为p^ci；中继节点到信源2转发时占用时长T_owr/2，期间中继节点以p_r-owr功率进行发射，中继节点的总功耗为p_r-owr/ε+p^ct，信源2处于接收状态，功耗为p^cr，信源1处于空闲状态，功耗为p^ci；

步骤4-2-5：令当前单向中继传输时间T_owr+ΔT/2，然后使用与步骤4-2-3以及步骤4-2-4中同样的步骤，确定相应的总能耗E_owr(T_owr+ΔT/2)；

步骤4-2-6：确定二分区间，具体是：若E_owr(T_owr+ΔT/2)＞E_owr(T_owr)，则表示最优传输时间小于T_owr，令T_upper＝T_owr；反之，则表示最优传输时间大于T_owr，令T_lower＝T_owr；

若T_upper-T_lower小于阈值ΔT，迭代结束，单向中继传输阶段最优传输时间

反之，则返回步骤4-2-2重新迭代执行；

步骤4-3：使用二分法搜索双向中继传输阶段最优传输时间

具体方法为：

步骤4-3-1：设置双向中继传输时间下限T′_lower为步骤4-1中得到的双向中继传输所需最短时间T_twr-min，设置双向中继传输时间上限T′_upper为T，设置阈值^ΔT＝10^-3T；

步骤4-3-2：令双向中继传输时间T_twr＝(T′_lower+T′_upper)/2；

步骤4-3-3：确定当双向中继传输时间为T_twr时，信源1、信源2以及中继节点在双向中继传输阶段中的发射功率p_1-twr、p_2-twr以及p_r-twr；发射功率在不同情况下有不同的值：

若式（14）成立，

$T_{\mathrm{twr}}<\frac{2B_{\min }}{W{\log }_2(1+\frac{\frac{P^{\max }}{N_0}(\frac{1}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_2\right|}^2})\text{+}\frac{1}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}+\sqrt{{\left(\frac{P^{\max }}{N_0}\right)}^2\frac{4}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_1{h}_2\right|}^4}+\frac{2P^{\max }}{N_0{\left|h_1{h}_2\right|}^2}(\frac{1}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{1}{{\left|h_2\right|}^2})}}{{(1/{\left|h_1\right|}^2-1/{\left|h_2\right|}^2)}^2})}---\left(14\right)$

则各节点在双向中继传输阶段中的发射功率为：

$p_{1-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0^2+K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_1\right|}^2{N}_0^2-K_{\mathrm{twr}}^2|{h_2|}^2{N}_0^2}{|{h_1|}^2({\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0)}---\left(15a\right)$

$p_{2-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0^2+K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+K_{\mathrm{twr}}^2{\left|h_2\right|}^2{N}_0^2-K_{\mathrm{twr}}^2|{h_1|}^2{N}_0^2}{|{h_2|}^2({\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_1\right|}^2{N}_0-K_{\mathrm{twr}}{\left|h_2\right|}^2{N}_0)}---\left(15b\right)$

p_r-twr＝P^max                        （15c）

其中，中间参数 $K_{\mathrm{twr}}=2^{2B_{\min }/\left(W{T}_{\mathrm{twr}}\right)}-1;$

反之若式（14）不成立，则各节点在双向中继传输阶段中的发射功率为：

$p_{1-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{N}_0}{{\left|h_1\right|}^2}+\frac{(2K_{\mathrm{tw}}^2+K_{\mathrm{twr}})N_0}{\left|h_1{h}_2\right|\sqrt{2K_{\mathrm{twr}}(2K_{\mathrm{twr}}+1)}}---\left(16a\right)$

$p_{2-\mathrm{twr}}=\frac{K_{\mathrm{twr}}{N}_0}{{\left|h_2\right|}^2}+\frac{(2K_{\mathrm{twr}}^2+K_{\mathrm{twr}})N_0}{\left|h_1{h}_2\right|\sqrt{2K_{\mathrm{twr}}(2K_{\mathrm{twr}}+1)}}---\left(16b\right)$

p_r-twr＝p_1-twr+p_2-twr                   （16c）

步骤4-3-4：确定使用当前双向中继传输时间以及发射功率时对应的双向中继传输阶段的总能耗E_twr(T_twr)：

$E_{\mathrm{twr}}\left(T_{\mathrm{twr}}\right)=\frac{T_{\mathrm{twr}}}{2}(\frac{p_{1-\mathrm{twr}}+p_{2-\mathrm{twr}}}{\mathrm{\&epsiv;}}+2p^{\mathrm{ct}}+p^{\mathrm{cr}})+\frac{T_{\mathrm{twr}}}{2}(\frac{p_{\mathrm{twr}}}{\mathrm{\&epsiv;}}+p^{\mathrm{ct}}+2p^{\mathrm{cr}})---\left(16\right)$

其中，ε表示各节点的发射机功放效率因子，P^ct，P^cr和P^ci分别表示各个节点在发射状态、接收状态和空闲状态中的电路功耗，第一个T_twr/2时长内，信源1、2分别以功率p_1-twr和p_2-owr进行发射，二者的总功耗为(p_1-twr+p_2-twr)ε+2p^ct，中继处于接收状态，功耗为p^cr；第二个T_twr/2时长内，中继以p_r-twr功率进行发射，中继的总功耗为p_r-twr/ε+p^ct，信源1、2处于接收状态，功耗为2p^cr；

步骤4-3-5：令双向中继传输时间为T_twr+ΔT/2，使用与步骤4-3-3以及步骤4-3-4中同样的步骤，计算相应的总能耗E_twr(T_twr+ΔT/2)；

步骤4-3-6：确定二分区间；

若E_twr(T_twr+ΔT/2)＞E_twr(T_twr)，则表示最优传输时间小于T_twr，令T′_upper＝T_twr；反之，则表示最优传输时间大于T_twr，令T′_lower＝T_twr；

若T′_upper-T′_lower小于阈值ΔT，迭代结束，双向中继传输阶段最优传输时间

为：

反之，则返回步骤4-3-2重新迭代；

步骤4-4：判断最优传输时间是否满足无线系统最长传输时长约束，具体方法是：若

则步骤4-2与步骤4-3所得到的最优传输时间满足最长传输时长约束，跳转至步骤4-6；反之，步骤4-2与步骤4-3所得到的最优传输时间不满足最长传输时长约束，进入步骤4-5执行；

步骤4-5：一维遍历搜索单、双向传输阶段最优传输时间，具体方法为：

步骤4-5-1：设置单向中继传输时间下限T″_lower＝T_owr-min，上限T″_upper＝T-T_twr-min，搜索步长ΔT＝10^-3T；

步骤4-5-2：令单向中继传输时间T_owr＝T″_lower，双向中继传输时间T_twr＝T-T_owr，使用E^opt表示在搜索过的传输时间中最优传输时间对应的无线系统最小能耗，将其初始化为无穷大；

步骤4-5-3：使用步骤4-2-3以及步骤4-2-4中的方法，计算单向中继传输时长为T_owr时，单向中继传输阶段总能耗E_owr(T_owr)，使用步骤4-3-3以及步骤4-3-4中的方法，计算双向中继传输时长为T_twr时，双向中继传输阶段总能耗E_twr(T_twr)；

步骤4-5-4：若使用当前传输时间无线系统的总能耗E_owr(T_owr)+E_twr(T_twr)小于已知的无线系统最小能耗E^opt，则更新E^opt＝E_owr(T_owr)+E_twr(T_twr)，

步骤4-5-5：更新T_owr为T_owr+ΔT，以更新后的T_owr更新T_twr＝T-T_owr；若T_owr≤T″_upper，则返回步骤4-5-3继续迭代；否则，迭代终止；

步骤4-6：确定与最优传输时长对应的各个节点的发射功率，具体过程是：使用步骤4-2-3中的方法，确定单向中继传输阶段使用最优传输时间

时，信源1和中继节点的最优发射功率

以及

同样，使用步骤4-3-3中的方法，确定双向中继传输阶段使用最优传输时间

时，信源1、信源2和中继的最优发射功率以及

4.根据权利要求3所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，所述的步骤4-1中采用二分法确定无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率，具体过程为：

步骤4-1-1：双向中继传输阶段两个方向上的数据率相等，初始设置双向数据率下限为R_lower＝0，上限为

$R_{\mathrm{upper}}=\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2})---\left(2\right)$

步骤4-1-2：令双向数据率均为R_mid＝(R_lower+R_upper)/2；

步骤4-1-3：判断无线系统是否支持双向数据率R_mid，具体过程为：

首先，判断式（3）是否成立，

$\frac{(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)(2{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)}{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }-{\left|h_1\right|}^2{N}_0(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)}\&le;P^{\max }---\left(3\right)$

若成立，则令信源1、2的发射功率p₁、p₂分别为：

$p_1=\frac{(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)(2{\left|h_2\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2)}{{\left|{h_{1}h}_2\right|}^2{P}^{\max }-{{|h}_1|}^2{N}_0(2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1)},p_2=P_{\max }---\left(4a\right)$

否则，令信源1、2的发射功率p₁、p₂分别为：

$p_1=P_{\max },p_2=(\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{\left(P^{\max }\right)}^2}{2^{2R_{\mathrm{mid}}/W}-1}-({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)P^{\max }{N}_0-N_0^2)/\left({\left|h_2\right|}^2{N}_0\right)---\left(4b\right)$

最后，判断式（5）是否成立，

$R_{\mathrm{mid}}\&le;\frac{W}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|h_1{h}_2\right|}^2{P}^{\max }{p}^2}{{\left|h_1\right|}^2{p}_1{N}_0+{\left|h_2\right|}^2{p}_2{N}_0+{\left|h_1\right|}^2{P}^{\max }{N}_0+N_0^2})---\left(5\right)$

若成立，表示无线系统支持双向数据率R_mid，则令R_lower＝R_mid；反之，表示无线系统无法支持此数据率R_mid，则令R_upper＝R_mid；

步骤4-1-4：判断|R_upper-R_lower|是否小于一个事先设置好的阈值δ，若成立，则以R_lower作为无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率，迭代结束；反之，则回到步骤4-1-2继续执行。

5.根据权利要求4所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，步骤4-1-4中所述的阈值δ为10^-3bps。

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