CN102638872B - 协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，采用分布式两步中继选择，移动用户首先基于所构造的中继选择函数选择服务中继节点；中继节点再反向调度最优的移动用户，通过匹配选择实现基于负载均衡的中继选择，达到吞吐量和用户公平性之间的折中。选择过程中可实时选择权重值ω_k和资源调度因子α_m。本发明的计算过程简化，小区内用户可公平选择中继节点。本发明综合考虑了物理层信道状况以及MAC层的用户状况，使得每个小区的负载合理分布，进而提高了传输效率，增强系统吞吐量，提高了网络的整体性能。可在多个中继节点间通过中继选择实现资源和负载均衡，对无线协作网络进行性能优化。使有限无线资源得以高效利用，具有实用性。

Description

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及协作中继网络中的中继节点选择方法，具体是一种协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法。在协作中继网络中，该方法可用于如何在多个中继节点之间均衡的分布负载。

背景技术

协作中继技术由于能够实现更高分集增益，提高小区边缘信号质量，扩大小区覆盖面积而被认为是实现未来无线通信系统目标的良好解决方案之一。未来无线通信系统中的协作中继节点选择方法主要解决的是移动终端“与谁协作”的问题。尽管广泛认同未来中继节点将由运营商来部署，但是由于无线链路质量的多变性，业务QoS需求的多样性以及用户业务分布的不均衡性，需要集中式或者分布式地选择最优的中继节点进行用户接入以及数据转发。协作中继传输的中继选择方法，其根本问题类似于移动自组织网络中的路由选择问题。但与路由选择问题不同的是，中继选择不仅需要中继节点的参与，更需要基站的参与进行集中式或者分布式控制，从而达到充分利用资源、提高系统容量的目的。

目前所研究的中继选择策略一般都以不同的物理层参数(信噪比、功率、距离、路径损耗等)为依据，来选择最优的中继节点。而事实上，中继蜂窝小区中的每个移动台的吞吐量不仅取决于当前物理层的信道状况，还取决于当前小区中的基站和中继节点所服务的用户数以及MAC层的调度方法。如果当前中继服务的用户数过多，即使选择了最优的中继节点，仍然不能保证获得最大的用户吞吐量，这是因为无法保证中继节点有足够的资源，使得用户能够通过中继节点而获得协作传输增益。

随着协作中继网络技术的迅速发展，协作中继网络中的中继节点有限的服务能力制约了整个网络传输效率，客观上需要一种基于负载均衡的中继节点选择方法，合理的在中继节点之间分配负载，并兼顾用户之间的公平性，以提高整个网络的传输效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提出了一种基于负载均衡、传输效率高、小区内用户可灵活公平选择中继节点、增强系统吞吐量的协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法。首先根据每个用户的具体信道状况以及中继节点服务的用户数目，每个用户以分布式的方式选择最优的中继节点，其次中继节点再根据具体的资源分配情况、用户业务的优先级以及加权信道相关调度方法进行用户选择。所提出的中继选择方法综合地考虑了物理层的信道状况以及MAC层的资源与用户状况，有效地利用中继节点选择来实现小区内的负载均衡，获得了吞吐量性能与用户公平性之间的折衷。

本发明的技术方案是：

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，其特征在于：采用分布式中继选择，通过两步中继选择来平衡小区内的负载分布，具体实现步骤包括：

(1)小区内的基站和中继节点周期性的广播导频信号，中继节点发送的导频信号中包含当前时隙内其服务的移动用户数；

(2)根据接收到导频信号强度，选择两跳协作传输的小区内用户首先根据从本小区中每个中继节点接收到的导频信号计算信干噪比(SINR)，并且通过导频信号获知每个中继节点的服务用户个数；

(3)上述用户又在邻小区中再选择一个具有最大接收信干噪比的中继节点，并记录其服务的用户数；本小区中的中继节点与邻小区的一个中继节点作为候选的中继节点；

(4)用户在候选的中继节点中，计算在时刻t选择不同候选中继节点的两跳传输可达速率并建立中继节点选择函数，通过中继节点选择函数获取候选中继节点预测吞吐量；依据预测吞吐量值从大到小的顺序对所有候选中继节点进行排序，首先选择使得预测吞吐量最大的中继节点作为服务中继节点：

${\mathrm{\β}}^{*}\left(t\right)=\underset{i,m}{\arg \max }\left\{\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E\left[K_m\left(t\right)\right]+1}\right\}$

其中，β^*(t)代表最大预测吞吐量，E[r^c _k，m，i(t)]表示在时刻t，移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[K_m(t)]表示在时刻t用户所侦听到的中继m已服务用户数目，E[K_m(t)]+1表示t时刻用户k需要和中继正在服务的用户竞争中继资源的使用，E[·]表示期望值，上标c代表协作传输；

(5)根据候选节点吞吐量排序，利用加权信道相关调度方法，候选中继节点分别在时刻t构造下述的用户调度函数，调度使得用户调度函数值最大的移动用户：

${\mathrm{\γ}}^{*}\left(t\right)=\underset{k}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\ω}}_k\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E{\left[{r^c}_{k,m,i}(t-1)\right]}^{{\mathrm{\α}}_m}}\right\}$

其中，γ^*(t)代表调度函数的最大值，E[r^c _k，m，i(t)]代表了本时隙t移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[r^c _k，m，i(t-1)]代表了t-1时隙，用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率，ω_k代表用户k的权重，其取值可根据每个移动用户的业务类型来调节。α_m代表中继节点m所采用的与信道状况相关的资源调度因子。

(6)对比用户的中继选择结果以及中继节点的用户调度结果，如果二者相匹配，则根据步骤4所选择的中继节点将作为服务中继节点为被调度到的用户分配子载波，被调度到的用户在分配的子载波上通过所选择的中继节点进行两跳协作传输，完成基于负载均衡的中继选择；如果服务中继节点与用户的调度结果二者不匹配，则根据候选中继节点排序列表，取出列表中选择的下一个中继节点与中继节点的用户调度结果进行比较，持续上述比较步骤直至二者匹配或已遍历全部候选中继节点。

(7)如果已遍历全部候选中继节点，且二者无匹配，则结束中继选择，用户选择直接传输。

本发明采用分布式中继选择的策略，移动用户首先基于所构造的中继选择函数选择使得负载均衡分布的中继节点；随后中继节点再根据加权信道调度准则为合适的移动用户分配资源，通过中继选择与资源调度二者之间的匹配来平衡小区内的负载分布，并将资源分配给合适的用户，实现基于负载均衡的中继选择。

本发明的实现还在于：步骤6所述的用户的中继选择结果以及中继节点的用户调度结果之间的匹配是：步骤4中的移动用户k首先建立了候选中继节点排序，选择了中继节点m，而根据步骤5中的用户调度函数，中继节点m也选择了调度移动用户k，则二者匹配。

本发明的实现还在于：步骤5中的用户k的权重ω_k≥1，其取值根据每个移动用户的业务类型来调节。权重ω_k的值越大，用户的优先级越高。

考虑到用户业务的具体类型、业务量和实际应用情况，实时业务如语音业务、视频点播业务等应选择较大的权重值ω_k；而对于非实时业务如短信，FTP下载等则应选择较小的权重值。

本发明的实现还在于：步骤5中的中继节点m所采用的与信道状况相关的资源调度因子α_m，其取值根据所采用的调度准则来调节，取值范围优选[0，1]。

考虑到资源分配的具体情况，本发明给出了α_m的优选范围。

与现有技术相比，本发明具有的优点：

1.本发明利用两步的中继节点选择实现小区内的负载均衡，第一步移动用户根据其到中继节点的信道状况以及中继节点的服务用户数的状况综合的选择使得其可达速率最大的中继节点；第二步，中继节点再根据具体的信道调度准则，选择合适的用户进行调度，从而不仅有效的均衡了各中继节点之间的负载，还通过调度方法调节了不合适的中继节点选择，使得每个小区之间的负载合理的分布，进而提高了网络的整体性能。

2.本发明中所涉及的权重因子ω_k以及中继资源调度因子α_m可以根据移动用户的业务类型、所采用的调度准则而灵活的调整。如果用户的业务优先级比较高，则可以设置该用户的权重因子ω_k较大。此外，根据蜂窝小区内的具体状况，如果需要优先考虑为信道状况较好的移动用户分配资源，则α_m取值应趋向于0；反之，如果考虑到所有用户的公平性，则应取α_m趋向于1。从而可以通过设置这两个参数的值，使得本发明的计算过程进一步简化，在用户公平性以及小区吞吐量之间获得性能折中。

附图说明

图1是本发明实现的系统模型示意图；

图2是本发明中继选择方法实现的原理图；

图3是本发明中继选择方法流程图；

图4是在不同的用户数情况下，吞吐量性能的仿真曲线图；

图5是在不同的用户数的情况下，用户公平性的仿真曲线；

图6是在不同的用户数的情况下，边缘用户的吞吐量性能仿真曲线；

图7是在不同的用户数的情况下，中继节点服务用户数的仿真曲线。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

实施例1

本发明是一种协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，在下面的描述中，假设系统采用OFDMA物理层技术。如图1所示，假设系统有M个蜂窝小区，每个小区中均匀布设6个中继节点(Relay  Node，RN)。中继节点位于小区半径2/3处。每个小区内可用带宽为B，分为N个正交的子信道。假设系统处于平坦衰落的工作状态，从而蜂窝小区中的移动用户(Mobile  User，MS)和中继节点都可以获得完全的信道状态信息(CSI)。根据接收到的基站(Base Station，BS)和中继节点发射的导频信号强度，移动用户计算分别得到的用户到中继节点、用户到基站的CSI，从而确定采用直接传输接入基站的方式还是经中继节点两跳传输的方式。如果移动用户采用直接接入基站的方式，则其在每个时隙开始时刻将接入请求直接发送给基站。如果两跳传输能够带来更大的传输速率，则移动用户选择两跳传输接入基站。系统采用时分半双工的方式，每个时隙资源分成p，1-p两部分，以上行传输为例，在第一个时隙p内，用户将数据发送给中继节点，在第二个时隙1-p内，中继节点再将用户数据发送给基站，以支持边缘用户的两跳传输，0＜p＜1。在示例性实施例中p取值为0.5。

本发明是一种协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，参见图3，采用分布式中继选择，通过两步中继选择来平衡小区内的负载分布，具体实现步骤包括：

(1)小区内的基站和中继节点周期性的广播导频信号，中继节点发送的导频信号中包含当前时隙内其服务的移动用户数。

(2)根据接收到导频信号强度，选择两跳协作传输的小区内移动用户首先根据从本小区中每个中继节点接收到的导频信号计算信干噪比(SINR)，并且通过导频信号获知每个中继节点的服务用户个数；移动用户也简称用户。

(3)上述用户又在邻小区中再选择一个具有最大接收信干噪比的中继节点，并记录其服务的用户数；本小区中的中继节点与邻小区的一个中继节点作为候选的中继节点。

(4)用户在候选的中继节点中，计算在时刻t选择不同候选中继节点的两跳传输可达速率并建立中继节点选择函数，通过中继节点选择函数获取候选中继节点预测吞吐量；依据预测吞吐量值从大到小的顺序对所有候选中继节点进行排序，首先选择使得预测吞吐量最大的中继节点作为服务中继节点。

${\mathrm{\β}}^{*}\left(t\right)=\underset{i,m}{\arg \max }\left\{\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E\left[K_m\left(t\right)\right]+1}\right\}$

其中，β^*(t)代表最大预测吞吐量，同时也对应于服务中继节点，Ｅ［r^c _k，m，l(t)]表示在时刻t，移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[K_m(t)]表示在时刻t用户所侦听到的中继m已服务用户数目，E[K_m(t)]+1表示t时刻用户k需要和中继正在服务的用户竞争中继资源的使用，E[·]表示期望值，上标c代表协作传输。

(5)根据候选节点吞吐量排序，利用加权信道相关调度方法，候选中继节点分别在时刻t构造下述的用户调度函数，调度使得用户调度函数值最大的移动用户：

${\mathrm{\γ}}^{*}\left(t\right)=\underset{k}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\ω}}_k\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E{\left[{r^c}_{k,m,i}(t-1)\right]}^{{\mathrm{\α}}_m}}\right\}$

其中，γ^*(t)代表调度函数的最大值，E[r^c _k，m，l(t)]代表了本时隙t移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[r^c _k，m，i(t-1)]代表了t-1时隙，用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率，ω_k代表用户k的权重，其取值可根据每个移动用户的业务类型来调节。α_m代表中继节点m所采用的与信道状况相关的资源调度因子。

(6)对比用户的中继选择结果以及中继节点的用户调度结果，如果二者相匹配，则根据步骤4所选择的中继节点将作为服务中继节点为被调度到的用户分配子载波，被调度到的用户在分配的子载波上通过所选择的中继节点进行两跳协作传输，完成基于负载均衡的中继选择；如果二者不匹配，则根据候选中继节点排序列表，取出列表中选择的下一个中继节点与中继节点的用户调度结果进行比较，持续上述比较步骤直至二者匹配或已遍历全部候选中继节点。

(7)如果已遍历全部候选中继节点，且二者无匹配，则结束中继选择，用户选择直接传输。

本发明设计了一种利用中继节点选择实现小区内的负载均衡的方法，首先移动用户根据其到中继节点的信道状况以及中继节点的服务用户数的状况综合的选择使得其可达速率最大的中继节点。然后，中继节点再根据具体的信道调度准则，反向调度合适的用户，不仅有效的均衡了各中继节点之间的负载，还通过调度方法调节了不合适的中继节点选择，使得每个小区之间的负载合理的分布，进而提高了网络的整体性能。

实施例2

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1，下面结合附图3和具体计算对本发明的实现详细说明。

根据本发明所提出的基于负载均衡的节点选择方法，

第一步，位于每个小区中的基站和小区中的六个中继节点周期性的发送导频信号，其中中继节点发送的导频信号中包含当前时隙内其服务的移动用户数。

第二步，选择采用两跳接入基站的移动用户首先根据从基站和中继节点接收到的导频信号强度计算出接收到基站的信号得SINR值以及接收到中继信号的SINR值。对小区中的用户k来说，在时刻t定义其到小区中基站i，到小区中任意一个中继节点m以及中继节点m到基站i的三条链路的SINR可以表示为：

$S_{k,i}\left(t\right)={\left|h_{k,i}\left(t\right)\right|}^2\frac{p_k{l}_{k,i}\left(t\right)}{\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{j,i}\left(t\right)\right|}^2{p}_j{l}_{j,i}\left(t\right)+\mathrm{\σ}{\left(n\right)}^2}---\left(1\right)$

$S_{k,m}\left(t\right)={\left|h_{k,m}\left(t\right)\right|}^2\frac{p_k{l}_{k,m}\left(t\right)}{\underset{j=1,j\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{j,m}\left(t\right)\right|}^2{p}_j{l}_{j,m}\left(t\right)+\mathrm{\σ}{\left(n\right)}^2}---\left(2\right)$

$S_{m,i}\left(t\right)={\left|h_{m,i}\left(t\right)\right|}^2\frac{p_m{l}_{m,i}\left(t\right)}{\underset{j=1,j\≠m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{m,j}\left(t\right)\right|}^2{p}_j{l}_{m,j}\left(t\right)+\mathrm{\σ}{\left(n\right)}^2}---\left(3\right)$

其中p_k，p_m分别表示MS和RN的发射功率，l_i，k(t)，l_k，m(t)，l_m，i(t)分别表示t时刻，MS到BS，MS到RN以及RN到BS的路径损耗，h_k，i，h_k，m，ｈ_m，i分别代表MS到BS，MS到RN以及RN到BS的多径衰落以及阴影衰落， 分别表示来自于本小区及其它小区的MS到BS、MS到RN以及RN到BS的干扰以及接收端白噪声之和。

根据香农定理，若t时刻用户k直接接入基站，则用户k在带宽B上可达数据速率上限为：

r^d _k，l(t)＝Blog(1+S_k，l(t))    (4)

如果用户通过中继m以协作传输的方式两跳接入基站，则用户k在t时刻在带宽B上可达数据速率的上限r^c _k，m，l(t)为：

${r^c}_{k,m,i}\left(t\right)=\frac{B}{2}\min \{\log (1+S_{k,m}\left(t\right)),\log (1+S_{k,i}\left(t\right)+S_{m,i}\left(t\right))\}---\left(5\right)$

如果直接传输能获得更大的增益，即有r^d _k，l(t)＞r^c _k，m，l(t)，则移动用户k直接将数据发送给基站；否则用户k采用两跳协作传输接入基站。

此外，根据接收到的中继节点导频信息，MS可以获得当前小区中的6个中继节点的服务的用户数信息，记为K_m(t)，m∈[1，6]。

第三步，在周围相邻的小区中，根据侦听获得的相邻小区中每个中继的导频信号信息，MS再选择一个具有最大接收信干噪比SINR的中继节点，并且记录其服务的用户数。为了降低计算的复杂度，中继节点选择的目标只考虑了本小区中的六个中继节点和周围小区中一个接收SINR最大的中继节点，本小区中的六个中继节点和周围小区中一个接收SINR最大的中继节点为候选中继节点。

第四步，在时隙t，每个需要进行两跳传输的MS构造其中继选择函数，通过中继节点选择函数获取候选中继节点预测吞吐量；依据预测吞吐量值从大到小的顺序对所有候选中继节点进行排序，中继选择的目标是使得β^*(t)最大

${\mathrm{\β}}^{*}\left(t\right)=\underset{i,m}{\arg \max }\left\{\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E\left[K_m\left(t\right)\right]+1}\right\}---\left(6\right)$

对于移动用户k来说，需要在其所在的小区的6个中继节点和相邻小区具有最大接收信干噪比SINR的中继节点中，即候选中继节点中计算通过每个中继节点m接入基站i的可达速率r^c _k，m，i(t)，其取值由(5)式计算得到。随后每个用户根据所记录的中继节点m的服务用户数K_m(t)，构造各自的中继选择函数。由于t时刻用户k需要和中继正在服务的用户竞争中继资源的使用，因此，E[r^c _k，m，i(t)]/E[K_m(t)]+1表示了在时刻t，用户k预测的通过中继节点m能够达到的平均吞吐量，从而中继节点选择的目标不仅使得用户k的预测吞吐量β^*(t)最大，同时避免了选择负载较重的中继节点。

第五步，当每个用户完成中继选择之后，中继节点则根据其具体的资源分配情况以及加权信道相关调度方法调度合适的移动用户k，

${\mathrm{\γ}}^{*}\left(t\right)=\underset{k}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\ω}}_k\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E{\left[{r^c}_{k,m,i}(t-1)\right]}^{{\mathrm{\α}}_m}}\right\}---\left(7\right)$

其中，E[r^c _k，m，i(t)]代表了本时隙t移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[r^c _k，m，i(t-1)]代表了t-1时隙，用户选择中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率。二者之间的关系为：

$E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]=(1-\frac{1}{1000})E\left[{r^c}_{k,m,i}(t-1)\right]+\frac{1}{1000}\max \{r_{k,i}^d\left(t\right),r_{k,m,i}^c\left(t\right)\}---\left(8\right)$

根据用户需要发送的具体业务，权重因子ω_k的取值可以不同，如语音业务如VOIP、视频点播等对时延敏感的业务，就需要优先考虑安排资源发送，因此其权值取值较大；反之，对于数据业务如短信、数据下载等对时延不敏感业务，则可以采取较小的权值。α_m的取值反映了用户公平性和吞吐量之间的折中：当小区中的所有用户的权重ω_k值相同的情况下，α_m的取值越趋近于0，则中继节点越趋向于调度那些信道状况较好的用户，调度准则逐渐趋近于MAX C/I准则，反之，当α_m的取值越趋近于1，则中继节点越趋向于在用户之间均匀的分配资源，调度准则逐渐趋近于比例公平准则。从而根据用户的具体信道状况在两种调度准则之间做出优选。

第六步，对比用户的中继节点选择结果以及中继节点的资源调度结果，如果二者相匹配，例如根据第四步的中继选择函数，用户k首先建立了候选中继节点排序，选择了中继节点m作为服务中继节点，再根据第五步中的用户调度函数，中继节点m也选择了调度用户k，则二者匹配，根据步骤4所选择的中继节点将作为服务中继节点为被调度到的用户分配子载波，被调度到的用户在分配的子载波上通过服务中继节点进行两跳协作传输，即用户首先在第一个时隙将数据分别发送给服务中继节点和基站，在第二个时隙，服务中继节点再将数据请求前传给基站。在基站侧，根据从移动用户和中继节点接收到得信息，根据最大比值合并的准则完成接收信号的合并，从而完成两跳的协作传输。

如果二者结果不相匹配，例如根据第四步的中继选择函数，用户k首先建立了候选中继节点排序，选择了中继节点m，而根据第五步中的用户调度函数，中继节点m选择了调度其它用户，则二者不匹配，根据候选中继节点排序列表，取出列表中的下一个中继节点选择结果与中继节点的用户调度结果进行比较，持续进行比较，直至二者匹配或已遍历全部候选节点。

第七步，如果已遍历全部候选节点，且二者无匹配，则结束用户中继选择，用户选择直接传输。

本发明设计了一种基于负载均衡的双向中继选择方法，其中设计了匹配环节，从均衡小区中的中继节点负载入手，进而通过用户中继节点选择达到小区中的负载均衡分布，保证了整个网络系统中负载的均衡和高效传输。

实施例3

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1-2，参见图2，本发明的工作简述如下，假设位于小区i内的移动用户k分别通过从中继节点1到中继节点m接收导频信号，进而计算选择不同候选中继节点的两跳传输可达速率以及获得中继节点的服务用户数K₁(t)...K_m(t)，根据所提出的基于负载均衡的中继选择方法，见图2的左侧部分所显示，用户k基于上述的第四步所构造的中继选择函数，首先建立了候选中继选择列表，选择了中继节点1作为其服务中继节点；其次结合用户k的权重因子ω_k以及不同中继节点的调度因子α₁...α_m，中继节点根据上述的第五步分别构造用户调度函数，最后，通过对比用户的中继节点选择结果即服务中继节点以及中继节点的资源调度结果是否匹配来决定最终的用户中继选择。由于本发明综合考虑了系统吞吐量与用户公平性之间的折中，最终用户k选择了中继节点m作为其服务中继，见图2的右侧部分所显示。

实施例4

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1-3

为了检验本发明的性能，下面根据一个具体的实施例来验证本发明所提出的基于负载均衡的中继选择方法的优越性。参照图4～图7，

假设在本实施例中，系统由27个蜂窝小区构成的，每小区中心放置1个基站，小区半径为1km。每个小区均匀放置6个中继站于2/3小区半径处，且中继节点RN的上行最大发射功率为1W，移动用户MS的上行最大发射功率为50mW。对于每个小区内部，多址接入方式为OFDMA，中继节点的工作方式为解码转发(Decode and Forward，DF)。仿真参数选用3GPP LTE目前所规定的OFDMA系统的参数：载波频率2GHz，系统带宽4.32MHz，时隙长度1ms，每时隙OFDM符号数14个，子载波带宽15kHz，每个子信道包含的子载波数12个，子信道数目24个。用户数据到达为full queue模型，即对于每个用户来说，每时隙均有数据业务到达。用户权重因子ω_k在仿真中设为1。仿真软件为MATLAB，仿真实验通过一台主频为2.4G的台式机上完成。为了模拟从移动用户到基站、移动用户到中继节点以及中继节点到基站的路径损耗模型，在图4～图7的仿真结果中，采用如式9所示的仿真路径模型。

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{PL}}_{\mathrm{MS}\→\mathrm{BS}}=38.4+35\lg \left(d\right)+20\lg (f_c/5)+X_{\mathrm{\σ}}& \mathrm{\σ}=8\\ {\mathrm{PL}}_{\mathrm{RN}\→\mathrm{BS}}=36.5+23.5\lg \left(d\right)+20\lg (f_c/2.5)+X_{\mathrm{\σ}}& \mathrm{\σ}=3.4\\ {\mathrm{PL}}_{\mathrm{MS}\→\mathrm{RN}}=41+22.7\lg \left(d\right)+20\lg (f_c/5)+X_{\mathrm{\σ}}& \mathrm{\σ}=2.3\end{array}\right.---\left(9\right)$

式(9)中，参数d代表距离，f_c代表中心频率，X_σ代表模拟阴影衰落以及多径衰落的随机变量。

为了与本发明所提方法做一比较，在具体实施例中，还考虑了其它中继选择方法对系统性能的影响，在无中继选择的方法中，小区中的移动用户选择直接一跳接入基站，见图4-6中的无中继选择曲线；在基于最大信号比噪声加干扰的中继选择，见图4-7中的Maximum Signal to Interference and Noise Ratio RelaySelection，MSINR-RS曲线，在该方法中，需要进行两跳传输的移动用户将会选择本小区内接收到信号的SINR最大的中继节点作为中继转发节点；在基于最小距离的中继选择，见图4-7中的Shortest Distance Relay Selection，SD-RS曲线，在该方法中，需要进行两跳传输的移动用户将会选择本小区内距离该移动用户最近的中继节点作为中继转发节点；本发明基于负载均衡的中继选择方法，见图4-图7中的Load Balancing Relay Selection，LB-RS曲线，比较上述四种方法的优劣。为了定量描述本发明的性能，在本发明中采用吞吐量(图4)、用户公平因子(图5)，边缘用户吞吐量(图6)，中继服务的用户数(图7)这四个指标来评估其性能。

图4给出了随着小区中用户数目增加，小区用户吞吐量的变化情况，从仿真结果中可以观察到，当小区中用户数目较少时(用户数小于20时)，SD-RS，LB-RS及MSINR-RS的性能都好于无中继选择方法的性能，且三者性能差别不大。但是，随着用户数目的增加，由于每个中继覆盖范围内的用户数增加，更多的用户会选择协作传输机制，从而导致某些中继节点需要服务的用户数激增。然而，无论采用SD-RS，还是采用MSINR-RS，都无法避免用户拥塞的发生。而根据本发明所提出的LB-RS中继选择方法，每个用户都会根据当前时隙其自身的信道状况，结合中继节点的用户服务数目，以分布式的方式来综合的选择最优的中继节点，有效增加了系统的吞吐量。此外，从图4中可以看出，当采用较小的中继资源调度因子α_m，如α_m＝0，则意味着信道状况较好的移动用户则会被所选择的中继节点优先分配资源来实现两跳协作传输，从而使得系统的吞吐量变大，反之，当采用较大的中继资源调度因子α_m，如α_m＝1，则意味着中继节点会综合的考虑用户之间的公平性，机会均等的调度所有需要协作传输的用户，从而导致了系统吞吐量的减少。综上，采用了所提出的中继选择方法之后，通过用户和中继节点之间的两步中继选择来实现中继节点的负载均衡，使得某些负载较轻的中继节点能够帮助用户实现协作传输，提高了整个小区的用户吞吐量。

实施例5

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1-3

图5给出了随着用户数目变化情况下，公平因子的变化情况。公平性因子F定义为：其中r_k表示用户k的平均吞吐量。从仿真结果中可以看出，随着用户数目的增加，所提出的LB-RS方法并没有明显的降低用户的公平性，而对于MSINR-RS以及SD-RS方法，用户之间的公平性却大大降低了。这是由于本发明所提出的LB-RS方法综合的考虑了用户当前的信道状况以及中继节点之间的负载情况，避免了某些用户一直得不到服务情况的发生。此外，可以观察到当中继资源调度因子α_m采用不同值时，用户之间的公平性情况略有不同。当α_m取值较大时，由于中继节点在资源分配时考虑了用户之间的公平性，因此表示用户公平性的用户公平因子较大，而当α_m取值较小时，由于中继节点有限考虑了信道状况较好的用户，因此用户的公平性有所下降。与之相反，MSINR-RS以及SD-RS方法则仅仅从用户当前的信道状况出发来选择中继节点，并未考虑到网络中的实际用户情况，从而降低了用户的公平性。

实施例6

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1-3

图6给出了小区边缘用户吞吐量的变化情况。其中小区边缘用户是指用户距离小区中心距离大于2/3小区半径的用户。可以看出，当小区中的用户数目较小时，MSINR-RS的性能好于所提出的LB-RS，这是因为本发明LB-RS的目标是在保证用户的吞吐量最大的同时达到小区内的负载均衡。因此在用户数目较少时，为了保证小区内中继节点之间的负载均衡，LB-RS会选择一些信道状况次优的中继节点，牺牲一定的吞吐量来获得用户的公平性的增加。但是随着小区中用户数目的增加，本发明LB-RS的负载均衡的效果逐渐显现出来。这是由于LB-RS综合的考虑了整个小区中的中继节点的负载状况，从而有效的使得每个中继节点参与到协作传输的过程中来。反之，对于MSINR-RS以及SD-RS方法，由于每个中继节点的资源受限，当用户数目增加时，会造成中继节点之间负载分配不均衡，从而使得小区整体的性能下降。

实施例7

协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法同实施例1-3

图7给出了中继节点服务的平均用户数的情况。随着用户数的增加，中继节点服务的平均用户数逐渐增加。对于本发明LB-RS(α_m＝1)方法，由于考虑到了中继节点之间的负载均衡，用户能够均衡地接入到每个中继节点，从而使得每个中继节点所能服务的平均用户数逐渐趋近于上限；而对于MSINR-RS及SD-RS由于仅仅采用单一的中继选择标准，因此无法调整每个中继节点的用户接入情况，从而导致某些中继节点资源空闲，使得系统的资源利用率大大降低。

通过实施例可见，无论从吞吐量的角度还是从用户公平性的角度，本发明的性能均好于现有技术中的中继选择方法。

综上，本发明提出的基于负载均衡的中继选择方法是一种兼顾系统吞吐量与用户公平性的方法，首先通过综合地考虑每个用户的信道状况以及其所选择中继节点的服务用户数，以分布式的方式为每个用户选择最优的中继节点，其次中继节点根据具体的资源分配情况、用户业务的优先级以及加权信道相关调度方法进行用户选择。选择过程中可实时选择权重值ω_k和资源调度因子α_m。本发明的计算过程简化，与已有基于单一的物理层参数的中继选择方法相比，本发明综合的考虑了物理层的信道状况以及MAC层的用户状况，使得每个小区之间的负载合理的分布，进而提高了传输效率，增强系统吞吐量，获得了吞吐量性能与用户公平性之间的折衷，提升了整个系统的资源利用率，提高了网络的整体性能。可用于在多个中继节点之间通过中继选择实现资源和负载的均衡，对无线协作通信网络进行性能优化。

需要指出的是，虽然仿真针对一套特定的中继网络构架与系统参数，但是由于本发明方案采用的用户首先根据物理层的信道状况以及中继节点的服务用户数进行中继选择，中继节点再根据具体的资源分配情况、用户业务的优先级以及加权信道相关调度方法进行用户选择的方案，通过用户和中继节点之间的双向选择来实现中继节点的负载均衡，兼顾了用户之间的公平性和系统的吞吐量，具有创新性，该方法本身也具有一定的普遍性，因此，当应用于具有不同网络构架的中继网络与系统参数中时，本发明方案仍能体现出优越性。综合图例可见，本发明的中继蜂窝网络小区方法充分利用了中继节点这个新网元，通过合理的中继选择来实现中继节点之间的负载均衡，保证了用户在移动环境下的通信服务质量，增强了系统吞吐量，使有限的无线资源得到了高效的利用，具有较强的实用性。

尽管参照优选实施例描述了本发明并验证了本发明的优越性，但是本领域技术人员通过参考说明书实施例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，而不会背离本发明的精神和范围。因此这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，其特征在于：采用分布式中继选择，通过两步中继选择来平衡小区内的负载分布，具体实现步骤包括：

(1)小区内的基站和中继节点周期性的广播导频信号，中继节点发送的导频信号中包含当前时隙内其服务的移动用户数；

(2)根据接收到导频信号强度，选择两跳协作传输的小区内用户首先根据从本小区中每个中继节点接收到的导频信号计算信干噪比(SINR)，并且通过导频信号获知每个中继节点的服务用户个数；

(3)上述用户又在邻小区中再选择一个具有最大接收信干噪比的中继节点，并记录其服务的用户数；本小区中的中继节点与邻小区的一个中继节点作为候选的中继节点；

(4)用户在候选的中继节点中，计算在时刻t选择不同候选中继节点的两跳传输可达速率并建立中继节点选择函数，通过中继节点选择函数获取候选中继节点预测吞吐量；依据预测吞吐量值从大到小的顺序对所有候选中继节点进行排序，首先选择使得预测吞吐量最大的中继节点作为服务中继节点：

${\mathrm{\β}}^{*}\left(t\right)=\underset{i,m}{\arg \max }\left\{\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E\left[K_m\left(t\right)\right]+1}\right\}$

其中，β^*(t)代表最大预测吞吐量，E[r^c _k，m，i(t)]表示在时刻t，移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[K_m(t)]表示在时刻t用户所侦听到的中继m已服务用户数目，E[K_m(t)]+1表示t时刻用户k需要和中继正在服务的用户竞争中继资源的使用，E[·]表示期望值，上标c代表协作传输；

(5)根据候选节点吞吐量排序，利用加权信道相关调度方法，候选中继节点分别在时刻t构造下述的用户调度函数，调度使得用户调度函数值最大的移动用户：

${\mathrm{\γ}}^{*}\left(t\right)=\underset{k}{\arg \max }\left\{{\mathrm{\ω}}_k\frac{E\left[{r^c}_{k,m,i}\left(t\right)\right]}{E{\left[{r^c}_{k,m,i}(t-1)\right]}^{{\mathrm{\α}}_m}}\right\}$

其中，γ^*(t)代表调度函数的最大值，E[r^c _k，m，i(t)]代表了本时隙t移动用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率；E[r^c _k，m，i(t-1)]代表了t-1时隙，用户k选择小区i中的中继节点m作为其服务中继所能达到的数据速率，ω_k代表用户k的权重，其取值可根据每个移动用户的业务类型来调节，α_m代表中继节点m所采用的与信道状况相关的资源调度因子；

(6)对比用户的中继选择结果以及中继节点的用户调度结果，如果二者相匹配，则根据步骤4所选择的中继节点将作为服务中继节点为被调度到的用户分配子载波，被调度到的用户在分配的子载波上通过所选择的中继节点进行两跳协作传输，完成基于负载均衡的中继选择；如果二者不匹配，则根据候选中继节点排序列表，取出列表中选择的下一个中继节点与中继节点的用户调度结果进行比较，持续上述比较步骤直至二者匹配或已遍历全部候选中继节点；

(7)如果已遍历全部候选中继节点，且二者无匹配，则结束中继选择，用户选择直接传输。

2.根据权利要求1所述的协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，其特征在于：步骤6所述的用户的中继选择结果以及中继节点的用户调度结果之间的匹配是：步骤4中的移动用户k首先建立了候选中继节点排序，选择了中继节点m，而根据步骤5中的用户调度函数，中继节点m也选择了调度移动用户k，则二者匹配。

3.根据权利要求2所述的协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，其特征在于：步骤5中的用户k的权重ω_k≥1，其取值根据每个移动用户的业务类型来调节，权重ω_k的值越大，用户的优先级越高。

4.根据权利要求3所述的协作中继网络中基于负载均衡的中继选择方法，其特征在于：步骤5中的中继节点m所采用的与信道状况相关的资源调度因子α_m，取值范围优选[0，1]。