CN103179674A - 一种无线异构网络系统中的用户动态分组方法 - Google Patents

一种无线异构网络系统中的用户动态分组方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线异构网络系统中的用户动态分组方法，属于移动通信技术领域。所述方法包括计算系统中所有用户的通信能量效率及系统的平均能量效率；根据能量效率性能指标确定用户分组数；完成用户分组，选择簇头，形成一种同时包含蜂窝和短距离两种通信网络的混合网络结构，实现数据的高效协作传输。本发明的用户分组方法中的用户分组数和簇头，可以根据系统性能的改变而动态更新，此外，本发明的用户分组方法可有效解决不同网络间数据传输的融合问题，真正意义上实现蜂窝通信系统与短距离通信系统传输的融合或协调传输，解决视频流等高速数据业务的共享需求。

Description

一种无线异构网络系统中的用户动态分组方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种用于无线异构网络系统的用户动态分组方法。是一种为了解决蜂窝通信系统与短距离通信系统传输的融合问题，同时实现异构网络中视频流等高速数据业务共享的用户分组方法。
背景技术
如何实现高质量高速度的数据业务共享是未来信息网络发展的必然趋势。目前，从有线传输角度看，由于其可提供的传输带宽相对较宽，数据业务共享技术已初显端倪。但从无线通信层面上看，由于其无线信道的特殊性——传播时延导致实际的无线信道始终是窄带的——使得传输速率和传输质量成为这一技术实现的重要瓶颈之一。同时，预测数据表明无线数据业务在移动通信系统中的地位日趋重要，而近年来无线数据业务中的视频流比例将以90%左右的速率增加。另外，尤其值得指出的是，当前国际标准组织和产业界重点关注的IMT-Advanced中也已明确了有关视频流的相关标准和关键技术等。可见，未来无线信息网络中实现高质量高速度的视频流等无线数据业务的共享传输是必要的。
传统的蜂窝移动通信系统旨在提高无线覆盖范围和系统容量，短距离无线通信系统则通过解决覆盖盲点问题成为蜂窝移动通信系统传输的补充之一。虽然如此，但二者之间仅是相互弥补覆盖的关系，目前尚未能真正意义上实现二者间传输的融合或协调传输。而且，当系统中某个用户的数据传输出现错误时，只能不断的向基站NodeB请求重发，并不能通过用户间自身的协作传输来实现数据的恢复。
现有的技术方案中，绝大部分用户分组方法都是基于用户的地理位置，且每个组中用户的特定性能指标（如信噪比等）较为接近，而实际上有效的协作更应在性能指标有一定差异的情况下进行，现有技术已有的分组方法不能充分利用用户间的协作传输实现数据共享。（如公开号为CN102404749A的中国专利申请）
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于无线异构网络系统的用户动态分组方法，解决传统蜂窝网络与短距离通信网络不能很好融合的问题，以实现用户间数据的高效协作传输，通过本发明的用户分组方法，使得既能满足无线高速数据业务增长的要求，又能保证系统能效和稳定性。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种无线异构网络系统中的用户动态分组及通信方法，该无线异构网络包括蜂窝无线通信网和短距离无线通信网，动态分组方法包括如下步骤：
NodeB向用户发送测试数据包；用户接收到测试数据包后发送包含确认信息ACK的反馈数据；NodeB根据反馈数据计算系统中各用户的每比特通信能量效率及整个系统的平均能量效率按照能量效率值降序排列所有用户，根据所有用户的平均能量效率
Figure BDA00002968507200028
将用户分为高能效组和低能效组，由此确定用户分组，在每个组中选择具有最高能效值的用户作为该用户组的簇头，簇头既要负责本组内用户的蜂窝网络通信，又负责与组内用户的短距离通信，簇头接收到蜂窝数据后，通过短距离通信与组内其他用户共享，同时，组内用户相互协作共享数据。
确定用户分组数具体包括：
将系统中所有用户的能量效率按降序排列为U1,…,UN，并计算所有用户的平均能量效率
Figure BDA00002968507200021
Figure BDA00002968507200022
N为用户个数；降序排列的能量效率，从第1个用户开始从小到大，根据公式
Figure BDA00002968507200023
依次计算每两用户的平均能效，并与平均能量效率
Figure BDA00002968507200024
进行比较，满足
Figure BDA00002968507200025
的用户，作为高能效组，满足
Figure BDA00002968507200026
的用户，作为低能效组，其中，Ui、Uj表示第i、j个用户的能量效率，i,j=1,…,N，i<j，i+j=N+1；当某两个用户的平均能量效率
Figure BDA00002968507200031
与系统的平均能量效率相等时，将这两用户判断为高能效组用户。当N为奇数时，直接将第
Figure BDA00002968507200033
个用户的能量效率U(N+1)/2与平均能效
Figure BDA00002968507200034
相比较，如果
Figure BDA00002968507200035
则分在高能效组，否则分在低能效组。
将低能效组的所有k个用户，再按能量效率降序排列为U1,…,UK，将最高能量效率与最低能量效率相减，根据公式U1-UK计算最大能效与最小能量效率的差值，从第1个用户开始从小到大，根据公式Um-Un依次计算每两用户的能效差值，并根据公式：
Figure BDA00002968507200036
计算组内所有用户的平均能量效率差值，其中，m,n=1,…,K，m<n，m+n=K+1，K为低能效组中的用户个数。
将能效性能相差较大的用户分为一组。当K为奇数时，根据排序的结果得到，第个用户与第K个用户的能量效率值相差较大，直接将第
Figure BDA00002968507200038
个用户与第K个用户分在相同的分组中，为组内用户有效协作提供更多的机会。为了方便，假设低能效组的用户总数K为偶数。
综合考虑业务需求（如视频，图像，动画等数据业务）、低能效组的平均能效差值δ以及最大能效与最小能效之差U1-UK，确定用户动态分组数，完成分组。
首先将满足条件
Figure BDA00002968507200039
的高能效组用户分为一个组，组成高能效组，改组用户在通信过程中进行组内协作，共同提高传输的可靠性。
按照上述确定的分组数，结合每两用户的能效差值Um-Un、低能效组的平均能效差值δ以及最大能效差值U1-UK，将低能效组的用户重新分组，每个分组中的用户能效性能相差较大，这样组内用户就可以在通信中更好的协作，使每个组的平均能效值得到提高，以提高整个系统的平均能效。
如果系统中用户分组改变，分组方法进一步包括：簇头CH2实时检测组内用户是否在本组的通信范围内，如果不在，查找用户当前所在分组的通信范围，并向用户当前所在分组的簇头CHk发送包含用户标识的状态转移信息M21，用户当前所在分组的簇头根据状态转移信息M21判定用户是否在本组通信范围内，接收用户发送的加入请求MH21，并验证M21与MH21中的用户标识信息是否一致，如果一致，同意用户加入该分组，并发送确认信息给簇头CH2，簇头删除用户的相关信息。
本发明所述用户动态分组方法很好的融合了蜂窝移动通信系统与短距离无线通信系统，使得两者不仅仅是相互弥补覆盖的关系，真正意义上达到传输的融合，实现用户间的高效协作通信，尤其适合视频流等高速数据业务的共享。另外，本发明的用户分组方法不以地理位置为主要约束，各组成员的性能相差较大，为用户间的协作提供了更好的途径，对系统的能效及稳定性能都有很大的提高。
附图说明
图1为本发明的异构网络系统框架示意图；
图2为本发明的用户分组方法流程示意图；
图3为本发明的用户加入/退出流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明首先提供一种适合视频流等高速数据业务传输的异构网络结构，参照图1所示的系统模型（这里以系统中用户分为三组为例进行说明）。模型内的所有用户首先都可以工作在蜂窝移动通信网，同时部分用户工作在短距离通信网。因此从接入的角度看，系统将呈现的是一个两层通信网络，即蜂窝和短距离通信网络。为了更好的提高通信质量，将模型内所有用户进行分组形成不同的用户群，每个用户组中选择一个用户作为该分组的簇头，所有的簇头用户既要进行蜂窝网络通信，又要负责与组内其他用户的短距离通信。
进一步，为了控制用户在两层网络间有效工作，同时实现层间用户的协作传输及部分用户组间数据的共享，本发明提出一种用户动态分组方法。参照图1所示，NodeB给无线异构网络系统内的所有用户发送测试数据包；用户接收到所述测试数据包后给NodeB发送包含确认信息ACK的反馈数据；NodeB根据接收到的反馈数据计算系统中各用户的每比特通信能量效率及整个系统可获得的平均能量效率
Figure BDA00002968507200051
NodeB根据能量效率这一性能指标确定用户动态分组数；完成用户分组，选择簇头。
首先，NodeB将需要共享的数据发送给系统中的所有簇头（如图1中CH1,CH2,CH3），由簇头负责蜂窝数据的接收，然后簇头用户将接收到的蜂窝数据通过短距离通信网与各自组内的其他用户共享，这样系统内的所有用户都可以接收到NodeB传输的数据。该分组方法可以有效地利用用户间的协作实现数据共享，a、如果某一簇头用户出现数据错误，首先考虑各个簇头间协作恢复数据，簇头间通过短距离通信网协作，当簇头间协作不能恢复数据错误时，簇头才向NodeB请求重发；b、用户组内的其他非簇头用户通过簇头用户进行数据传输，簇头用户接收到蜂窝数据后，通过短距离通信网与组内其他用户共享，同时，组内用户可以相互协作共享数据。不同用户组内的用户也可以通过短距离通信网实现数据共享。由此可见，本发明的用户分组方法为数据的协作传输提供了更大的可能，而短距离通信系统为用户间数据的协作传输提供了更好的平台，尤其适合视频流等高速数据的无线传输。
为了达到上述目的，本发明根据系统中用户对NodeB发送数据的接收情况，计算各用户的平均每比特通信能量效率及系统的平均能量效率，按照能量效率值降序排列所有用户，并根据能量效率性能指标确定用户动态分组数，在每个组中选择具有最高能效值的用户作为该用户组的簇头，完成分组。
在实施过程中对簇头选择动态检测更新，当用户组成员改变时，更新用户分组以及重新选择簇头。
下面结合附图对本发明的具体技术方案进行详细说明。
参照图2，该图是本发明用户分组方法流程图，该方法主要包括以下步骤：
201：NodeB同时给无线异构网络系统中的所有用户发送测试数据包；
202：在所有用户都接收到测试数据包后，NodeB计算系统中各用户的平均每比特通信能量效率，同时计算系统中所有用户的平均能量效率
Figure BDA00002968507200065
203：统计上述计算的能量效率值，并对系统中所有用户按照能效值降序排列，将排序后各用户对应的能效值记为U1,…,UN，其中U1代表用户的最高能效值，UN则是最低能效值（第N个用户的能效值），N表示用户个数；
204：根据排序结果，按照i的取值从小到大依次计算每两用户的平均能效
Figure BDA00002968507200061
（其中脚标i、j为系统用户中第i、j用户，令i,j=1,…,N，i<j，i+j=N+1），并与系统平均能量效率
Figure BDA00002968507200062
比较；
205：根据上述比较结果将所有用户暂时分为高能效组和低能效组两组。其中，满足
Figure BDA00002968507200063
的用户形成的分组为高能效组，满足条件的用户组为低能效组。然后，重新按照能量效率值对低能效组的用户进行降序排列，并将各用户对应的能效值记为U1,…,UK，其中，K为低能效组用户数。
206：针对低能效组用户，计算最大能效与最小能效的差值U1-UK，同时对排好序的用户从小到大依次计算每两用户的能效差值Um-Un（其中脚标m、n为低能效组用户中第m、n个用户，满足m,n=1,…,K，m<n，m+n=K+1），根据公式：
Figure BDA00002968507200071
计算低能效组所有用户的平均能效差值；
207：根据业务需求（如视频、动画、图片等数据业务）、低能效组的平均能效差值δ以及最高能效与最低能效之差U1-UK，确定用户动态分组数；
208：将高能效组用户分为一个组，通信过程中进行组内协作，共同提高传输的可靠性；进一步，根据每两用户的能效差值Um-Un、平均能效差值δ以及最大能效差值U1-UK，对低能效组的用户重新分组，使得分组后组内用户的性能相差较大，为协作奠定基础，以此来实现高效数据传输。完成系统中的用户分组，选择每个分组中能效值最高的用户作为簇头，实现用户间的高效数据传输，以达到传统蜂窝网络与短距离通信网络互相融合的目的；
当某两个用户的平均能量效率
Figure BDA00002968507200072
与系统的平均能量效率
Figure BDA00002968507200073
相等时，将这两用户判断为高能效组用户。当N为奇数时，直接将第
Figure BDA00002968507200074
个用户的能量效率U(N+1)/2与平均能效
Figure BDA00002968507200075
相比较，如果
Figure BDA00002968507200076
则分在高能效组，否则分在低能效组。
动态检测更新，一旦外界条件变化引起系统中用户分组改变，重新回到步骤201。
如图3所示为用户加入/退出过程示意图（以图1中的用户H21为例进行说明）：由于外界条件变化引起系统中用户分组改变。
301：检测用户的分组是否发生变化。由于用户移动或者通信业务的改变，系统中的分组成员发生变化，导致用户H21不再在原来的分组G2中；
303：簇头CHk（k≠2）判定用户H21是否在分组Gk的通信范围内，如果是，则执行步骤306；如果不是，则执行步骤304；
304：簇头CH2给系统中所有其他簇头CHk发送包含用户标识H21ID的状态转移信息M21；
305：系统中簇头不断检测，根据状态转移信息M21判定用户H21目前所在的分组，如果H21位于分组Gk的通信范围内；
307：用户H21给簇头CHk发送包含其ID的加入请求MH21；
308：簇头CHk接收MH21，并验证M21与MH21的ID信息是否一致，如果是，执行步骤309，否则返回；
309：簇头CHk同意用户H21加入分组Gk，并发送确认信息
Figure BDA00002968507200081
给簇头CH2；
310：簇头CH2收到后，NodeB更新系统中各组的信息，同时删除分组G2里面与用户H21相关的信息。

Claims (4)

1.一种无线异构网络系统中用户动态分组及通信方法，其特征在于，所述方法包括：用户接收到基站发送的测试数据包后发送包含确认信息ACK的反馈数据；基站根据反馈数据计算系统中各用户的每比特通信能量效率及整个系统的平均能量效率
Figure FDA00002968507100018
按照能量效率值降序排列所有用户，根据所有用户的平均能量效率将用户分为高能效组和低能效组，并确定用户分组，在每个用户分组中选择具有最高能效值的用户作为该用户组的簇头，簇头负责本组内用户的蜂窝网络通信，以及与组内用户的短距离通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将用户分为高能效组和低能效组具体包括，将所有用户的能量效率按降序排列为U1,…,UN，根据公式
Figure FDA00002968507100011
计算系统中所有用户的平均能量效率
Figure FDA00002968507100012
由第1个用户开始，根据公式
Figure FDA00002968507100013
依次计算每两用户的平均能效，并与平均能量效率
Figure FDA00002968507100014
进行比较，满足
Figure FDA00002968507100015
的用户，作为高能效组，满足的用户，作为低能效组，其中，N表示用户个数，Ui、Uj表示第i、j个用户的能量效率，i,j=1,…,N，i<j，i+j=N+1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定用户分组具体包括：对低能效组的用户能量效率值进行降序排列记为U1,…,UK，计算低能效组用户中最大能效与最小能效的差值U1-UK，对能量效率值降序排列的用户依次计算每两用户的能效差值Um-Un，根据公式：
Figure FDA00002968507100017
计算低能效组所有用户的平均能效差值，其中，K为低能效组用户数，m,n=1,…,K，m<n，m+n=K+1；根据业务需求、低能效组的平均能效差值δ以及最高能效与最低能效之差U1-UK，确定用户分组数；将高能效组用户分为一个组，对低能效组的用户根据用户分组数分组。
4.根据权利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于：如果系统中用户分组改变，分组方法进一步包括：簇头CH2实时检测组内用户是否在本组的通信范围内，如果不在，查找用户当前所在分组的通信范围，并向用户当前所在分组的簇头CHk发送包含用户标识的状态转移信息M21，用户当前所在分组的簇头根据状态转移信息M21判定用户是否在本组通信范围内，接收用户发送的加入请求MH21，并验证M21与MH21中的用户标识信息是否一致，如果一致，同意用户加入该分组，并发送确认信息给簇头CH2，簇头删除用户的相关信息。
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