CN103298084B - 一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，属于无线通信领域。该系统包括单信源节点、多中继节点和单目的节点。本发明方法在满足用户需求的前提下，以提高系统的能量利用效率为目的，通过比较不同传输链路的能效状况，选择高能效的链路进行传输。在中继参与情况下，对中继节点的功率分配也依据能效最优的方式进行，此功率分配方案即使在可用功率增加的情况下，也能使系统保持较高的能效。

Description

一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，属于无线通信中的数字蜂窝网下行链路数据传输领域。

背景技术

随着我国通信事业飞速发展，通信业消耗的能源占社会总能源消耗的比重越来越大。许多标准化组织和运营商都开始关注在下一代通信技术中无线网络的能量效率问题，很多的国际合作项目已经开始启动，旨在提高无线通信网络能量的效率进而降低通信的运营成本。美国电信运营商Version已经提出了通信设备采购的能效准入标准（TEEER），并规定所有采购的设备必须达到相应的能效标准。随着我国资源节约型社会建设的不断推进，可以预见未来对无线通信网络以及设备能耗的要求会越来越严格。而多输入多输出（MIMO）技术在不增加带宽和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高频谱利用率，因此，作为未来通用移动通信系统技术的长期演进（LTE）的关键技术，MIMO技术受到了很大的关注。但是由于无线终端设备受尺寸或硬件复杂度等的限制，MIMO的应用受到了阻碍。协作通信技术作为MIMO技术的延伸，可以在不需要额外增加投资的情况下，使单天线终端在多用户场景下共享彼此的天线，形成一个虚拟的多天线收发系统，从而能够实现空间分集，提高了系统性能和扩展了无线通信的覆盖范围。在协作通信系统中引入能效评价，可以在满足用户通信需求的前提下，降低通信系统的能量消耗，这已成为无线通信领域的一个研究热点。

经典协作通信技术的研究侧重于系统性能的提高，并未考虑系统能量效率状况。目前在从能效角度出发的对协作通信技术的研究方面，P.Rost等在蜂窝通信中采用固定中继方式的结构设计，得到了在增加中继密度的情况下可以有效降低能量消耗，从而提高系统性能（参见P.RostandG.Fettweis，CooperativeCellularWirelessNetworks[M].CambridgeUniversitypress,2010,pp300-323.）。Nokleby和Aazhang采用博弈理论模型证明用户间协作可以在不同的信道条件下提高两用户传输的能量效率（M.NoklebyandB.Aazhang,“UsercooperationforEnergy-EfficientCellularCommunications,”IEEEInternationalConferenceonCommunications,pp.15,May2010）。

公开号为CN201210215715.X，名称为“一种基于能效的用户间协作多播方法”的发明专利提出了利用已估计的中继用户到剩余信道条件差的用户间的信道状态信息，对每个中继进行合理功率分配，再利用选择的中继给剩余信道条件差的用户进行多播。该专利具有一定的优点，但其未考虑协作通信系统在整个通信过程中的能效问题，另外中继的选择策略也没有考虑链路能效，仅仅是从发送端到中继节点间简单的选择信道条件较好的中继。

发明内容

根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种适用性强、能量利用效率更高的基于能效准则的协作多中继选择与功率分配的方法，在保证用户需求的同时，提高系统的能量利用效率。

本发明的技术方案如下：

一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，通过以下通信系统来实现，该系统包括1个发送基站（信源节点）、多个中继节点和1个目的节点，发送基站先进行信道估计，比较各个中继节点参与情况下中继链路的能量效率与直传链路的能量效率，如果中继链路的能量效率都低于直传链路的能量效率，则采用直传链路进行数据传输；如果中继节点参与情况下的中继链路能量效率大于直传链路的能量效率，则将所有能量效率大于直传链路能量效率的中继节点放入一个集合中，发送基站根据其可用功率和用户的请求速率确定参与中继的最小节点数目，根据能效准则确定最优中继数目，使最优中继数目大于最小中继数目以满足通信的服务质量要求，然后对各中继节点的功率进行分配，使系统的能效达到最优，发送基站通过无线信道向中继节点广播信号，被选择的中继节点对接收信号进行译码并通过循环冗余检验判断是否正确译码，译码正确的中继节点将接收到得信号通过其天线将信号发送至目的节点；最后，目的节点对接收的来自于发送基站的直传链路和中继节点的中继传输信号（在中继参与的情况下）进行最大比合并，并通过最大似然方式译码，该方法的具体步骤如下：

A.发送基站向中继节点以及目的节点发送训练序列簇，通过反馈的训练序列信息来表征发送基站到中继节点、发送基站到目的节点以及中继节点到目的节点的信道信息状态，用来进行信道估计；

B.发送基站计算在中继方式下各节点的能量效率与直传链路的能量效率，直传链路的计算方式为，中继链路能效计算方式为，其中C _SD 为直传链路的信道容量，P _SD 为直传链路所消耗的能量，η ₀ 表示直传链路的能量效率，C _m 为通过第m个中继节点对应链路的信道容量，P _m 为通过第m个中继节点的中继链路的消耗能量，表示中继链路的能量效率；

C.比较步骤B中不同链路的能量效率，如果存在中继节点能量效率高于直传链路则直接转到步骤D，否则转到步骤G；

D.采用两跳的中继链路方式进行传输，将所有大于直传链路能量效率的中继节点放到一个集合中；

E.发送基站根据用户的请求速率和信道情况，在中继功率受限的情况下，确定保证传输链路不中断时所需的参与中继的最少节点数目，如果参与中继节点数目为0，则表示中继方式无法满足用户需求，传输中断，跳到步骤J，否则转到步骤F；

F.按照最大化系统的能量效率确定参与中继的各个中继节点的发送功率，其中R为用户请求速率，P _e 为系统中断概率，P ₀为发送端的发送功率，P _i 为第i个参与中继的中继节点发送功率，n为参与中继的中继节点数目，为系统的能量效率，转到步骤H；

G.采用直传的链路进行数据传输，所有的中继节点进行退避；

H.根据上述确定的通信链路，发送基站开始发送信息，如果采用直接链路传输，则发送基站连续发送信息；如果使用中继节点集进行协作信息传输，则采用两跳的方式进行，发送基站通过广播信道向被选择的中继节点广播信息，译码正确的中继节点再通过多址信道向目的终端传输数据信息；

I.设定固定计时器时间为τ，判断发送基站和中继节点是否已到更新控制信息的时间，如果已经到达，则转入步骤A，否则转入步骤J；

J.当信息发送结束时，该时刻通信完毕，等待下一时刻的发送。

上述步骤E中确定保证传输链路不中断时所需的参与中继的最少节点数目，具体方法如下：

（1）若在步骤B中得到能量效率大于直传链路的中继节点数目为N ₁，根据能效的高低将中继节点依次编号为n=1,2,…,N ₁，设定初始参与中继的节点数目n=0；

（2）比较用户请求速率R _q 与能效最高链路的编号为1的中继节点全功率传输时的传输速率R _p1 ，如果R _q <R _p1 ,则令n=1，跳到步骤（6），否则转入步骤（3）；

（3）若参与中继的次优节点标号i<N ₁，参与中继的节点数目n=n+1，否则转到步骤（5）；

（4）设次优节点i参与中继情况下的最高传输速率为R _pi ，比较用户请求速率R _q 与次优节点i参与协作情况下系统所能满足的最高传输速率，若，跳到步骤（6），否则转入步骤（3）；

（5）中继方式无法满足用户需求，传输中断，令n=0；

（6）确定参与中继的节点数目为n。

本发明中继方法的优点如下：

1.本发明在协作通信系统的整个传输过程中对系统能效进行设计，在满足用户QoS的基础上，以提高系统的能量利用效率为目标，确定中继选择和功率分配策略。

2.在中继选择和功率分配中依据能效策略，以满足用户需求为目标，避免了已有研究中以系统性能提高为目标造成的不必要的能量浪费或损失。在可用功率增加的情况下，可以在保证用户需求的同时，使系统保持较高的能效水平。

3.本发明中继节点之间无需互相通信，从而减少了系统开销，在一定程度上降低了系统功耗和复杂度。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；其中1是发送基站（信源节点）；2是中继节点（依据能效选择的中继节点集）；3是目的节点。

图2是本发明中协作中继方法的流程框图；其中A-J为其各个步骤。

图3是本发明中协作中继方法步骤E中确定中继数目方法的流程框图；其中(1)-(6)为其各个步骤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，通过以下通信系统来实现，该系统包括1个发送基站1（信源节点）、多个中继节点2和1个目的节点3，发送基站1先进行信道估计，比较各个中继节点2参与情况下中继链路的能量效率与直传链路的能量效率，如果中继链路的能量效率都低于直传链路的能量效率，则采用直传链路进行数据传输；如果中继节点2参与情况下的中继链路能量效率大于直传链路的能量效率，则将所有能量效率大于直传链路能量效率的中继节点2放入一个集合中，发送基站1根据其可用功率和用户的请求速率确定参与中继的最小节点数目，根据能效准则确定最优中继数目，使最优中继数目大于最小中继数目以满足通信的服务质量要求，然后对各中继节点2的功率进行分配，使系统的能效达到最优，发送基站1通过无线信道向中继节点广播信号，被选择的中继节点2对接收信号进行译码并通过循环冗余检验判断是否正确译码，译码正确的中继节点2将接收到得信号通过其天线将信号发送至目的节点3；最后，目的节点3对接收的来自于发送基站1的直传链路和中继节点2的中继传输信号（在中继参与的情况下）进行最大比合并，并通过最大似然方式译码，该方法的具体步骤如下：

A.发送基站向中继节点以及目的节点发送训练序列簇，通过反馈的训练序列信息来表征发送基站到中继节点、发送基站到目的节点以及中继节点到目的节点的信道信息状态，用来进行信道估计；

B.发送基站计算在中继方式下各节点的能量效率与直传链路的能量效率，直传链路的计算方式为，中继链路能效计算方式为，其中C _SD 为直传链路的信道容量，P _SD 为直传链路所消耗的能量，η ₀ 表示直传链路的能量效率，C _m 为通过第m个中继节点对应链路的信道容量，P _m 为通过第m个中继节点的中继链路的消耗能量，表示中继链路的能量效率；

C.比较步骤B中不同链路的能量效率，如果存在中继节点能量效率高于直传链路则直接转到步骤D，否则转到步骤G；

D.采用两跳的中继链路方式进行传输，将所有大于直传链路能量效率的中继节点放到一个集合中；

E.发送基站根据用户的请求速率和信道情况，在中继功率受限的情况下，确定保证传输链路不中断时所需的参与中继的最少节点数目，如果参与中继节点数目为0，则表示中继方式无法满足用户需求，传输中断，跳到步骤J，否则转到步骤F；

F.按照最大化系统的能量效率确定参与中继的各个中继节点的发送功率，其中R为用户请求速率，P _e 为系统中断概率，P ₀为发送端的发送功率，P _i 为第i个参与中继的中继节点发送功率，n为参与中继的中继节点数目，为系统的能量效率，转到步骤H；

G.采用直传的链路进行数据传输，所有的中继节点进行退避；

H.根据上述确定的通信链路，发送基站开始发送信息，如果采用直接链路传输，则发送基站连续发送信息；如果使用中继节点集进行协作信息传输，则采用两跳的方式进行，发送基站通过广播信道向被选择的中继节点广播信息，译码正确的中继节点再通过多址信道向目的终端传输数据信息；

I.设定固定计时器时间为τ，判断发送基站和中继节点是否已到更新控制信息的时间，如果已经到达，则转入步骤A，否则转入步骤J；

J.当信息发送结束时，该时刻通信完毕，等待下一时刻的发送。

上述步骤E中确定保证传输链路不中断时所需的参与中继的最少节点数目，具体方法如下：

（1）若在步骤B中得到能量效率大于直传链路的中继节点数目为N ₁，根据能效的高低将中继节点依次编号为n=1,2,…,N ₁，设定初始参与中继的节点数目n=0；

（2）比较用户请求速率R _q 与能效最高链路的编号为1的中继节点全功率传输时的传输速率R _p1 ，如果R _q <R _p1 ,则令n=1，跳到步骤（6），否则转入步骤（3）；

（3）若参与中继的次优节点标号i<N ₁，参与中继的节点数目n=n+1，否则转到步骤（5）；

（4）设次优节点i参与中继情况下的最高传输速率为R _pi ，比较用户请求速率R _q 与次优节点i参与协作情况下系统所能满足的最高传输速率，若，跳到步骤（6），否则转入步骤（3）；

（5）中继方式无法满足用户需求，传输中断，令n=0；

（6）确定参与中继的节点数目为n。

Claims (2)

1.一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，通过以下通信系统来实现，该系统包括1个发送基站、多个中继节点和1个目的节点，发送基站先进行信道估计，比较各个中继节点参与情况下中继链路的能量效率与直传链路的能量效率，如果中继链路的能量效率都低于直传链路的能量效率，则采用直传链路进行数据传输；如果中继节点参与情况下的中继链路能量效率大于直传链路的能量效率，则将所有能量效率大于直传链路能量效率的中继节点放入一个集合中，发送基站根据其可用功率和用户的请求速率确定参与中继的最小节点数目，根据能效准则确定最优中继数目，使最优中继数目大于最小中继数目以满足通信的服务质量要求，然后对各中继节点的功率进行分配，使系统的能效达到最优，发送基站通过无线信道向中继节点广播信号，被选择的中继节点对接收信号进行译码并通过循环冗余检验判断是否正确译码，译码正确的中继节点将接收到得信号通过其天线将信号发送至目的节点；最后，目的节点对接收的来自于发送基站的直传链路和中继节点的中继传输信号在中继参与的情况下进行最大比合并，并通过最大似然方式译码，该方法的具体步骤如下：

A.发送基站向中继节点以及目的节点发送训练序列簇，通过反馈的训练序列信息来表征发送基站到中继节点、发送基站到目的节点以及中继节点到目的节点的信道信息状态，用来进行信道估计；

B.发送基站计算在中继方式下各节点的能量效率与直传链路的能量效率，直传链路的计算方式为中继链路能效计算方式为其中C_SD为直传链路的信道容量，P_SD为直传链路所消耗的能量，η₀表示直传链路的能量效率，C_m为通过第m个中继节点对应链路的信道容量，P_m为通过第m个中继节点的中继链路的消耗能量，η_m表示中继链路的能量效率；

C.比较步骤B中不同链路的能量效率，如果存在中继节点能量效率高于直传链路则直接转到步骤D，否则转到步骤G；

D.采用两跳的中继链路方式进行传输，将所有大于直传链路能量效率的中继节点放到一个集合中；

E.发送基站根据用户的请求速率和信道情况，在中继功率受限的情况下，确定保证传输链路不中断时所需的参与中继的最少节点数目，如果参与中继节点数目为0，则表示中继方式无法满足用户需求，传输中断，跳到步骤J，否则转到步骤F；

F.按照最大化系统的能量效率确定参与中继的各个中继节点的发送功率，其中R为用户请求速率，P_e为系统中断概率，P₀为发送端的发送功率，P_i为第i个参与中继的中继节点发送功率，n为参与中继的中继节点数目，η₁为系统的能量效率，转到步骤H；

G.采用直传的链路进行数据传输，所有的中继节点进行退避；

H.根据上述确定的通信链路，发送基站开始发送信息，如果采用直接链路传输，则发送基站连续发送信息；如果使用中继节点集进行协作信息传输，则采用两跳的方式进行，发送基站通过广播信道向被选择的中继节点广播信息，译码正确的中继节点再通过多址信道向目的终端传输数据信息；

I.设定固定计时器时间为τ，判断发送基站和中继节点是否已到更新控制信息的时间，如果已经到达，则转入步骤A，否则转入步骤J；

J.当信息发送结束时，通信完毕，等待下一时刻的发送。

2.如权利要求1所述的一种基于能效准则的协作多中继选择与功率分配方法，步骤E中确定链路不中断情况下参与中继的节点数目，具体方法如下：

(1)若在步骤B中得到能量效率大于直传链路的中继节点数目为N₁，根据能效的高低将中继节点依次编号为i＝1,2,…,N₁，设定初始参与中继的节点数目n＝0，i＝0；

(2)比较用户请求速率R_q与能效最高链路的编号为1的中继节点全功率传输时的传输速率R_p1，如果R_q<R_p1,则令n＝1，跳到步骤(6)，否则转入步骤(3)；

(3)若参与中继的次优节点标号i<N₁,参与中继的节点数目n＝n+1，否则转到步骤(5)；

(4)设次优节点i参与中继情况下的最高传输速率为R_pi，比较用户请求速率R_q与次优节点i参与协作情况下系统所能满足的最高传输速率若跳到步骤(6)，否则转入步骤(3)；

(5)中继方式无法满足用户需求，传输中断，令n＝0；

(6)确定参与中继的节点数目为n。