CN103354651A - 一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法 - Google Patents

一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，并结合分布式空时编码。多源多中继协作网络中存在两个节点簇的选择，采用分布式两步节点选择方案，先根据轮询分组方案将中继节点轮询的以K个中继为一组分成一个个中继子集；中继节点再反向调度最优的源节点用户子集，在调度过程中再依据轮询调度算法保证所有用户的公平性。通过匹配选择来实现基于负载均衡和用户公平性的节点选择过程，之后在选择好的中继节点上引入分布式空时编码。本发明在中继选择分组上，不需要额外的信令开销，因而实现起来简单，保证了中继的负载均衡，又可以保证用户的传输公平性，具有实用性，引入分布式空时编码之后，提高了频谱利用率，提高了系统的性能。

Description

一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法
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节点选择与用户调度方法，具体是一种多源多中继协作网络中基于轮询分组调度的节点选择与用户调度方案，并在中继端引入分布式空时编码技术。
背景技术
在无线通信中，分集技术是消除由随机衰落引起的信道干扰最为有效的一种方法。协作通信作为一种很有前途的方案以分布式的方式达到协作分集。目前已经提出了很多种协作方式，包括放大转发（AF, Amplify-Forward），译码转发（DF, Decode-Forward）方案等。考虑到在实际应用中，多个源节点用户同时需要进行信号传输的情况更为常见，比如蜂窝移动网络中的多用户协作结构和无线传感器网络中的分族结构等，故出现了针对多个源节点用户的协作通信系统的研究。因此如何对系统中存在的节点进行合适的调度传输是一个值得研究的问题。在实际的应用中，在一个拥有多个源节点用户和多个中继节点的网络中。如何协调这些节点相互协作，哪些中继参与哪些用户的协作即节点的调度问题是值得深入研究的问题。而在大多数资源分配和调度算法中，主要研究如何提高端到端的系统性能，在大多数研究中每次均选择信道状况最好的用户，在中继选择的时候也都是选择具有最好信道状况的中继。而在实际情况中，有些节点可能长期处于深度的衰落中，这样就导致信道状况不好的用户长期得不到服务。但在多用户协作系统中必须要兼顾对源节点用户服务质量和公平性的保证。在实际的通信过程中，若每次所有中继节点均参与协作过程，将无法合理利用系统资源，造成系统能量的浪费，所以对那些节点简单和有许多制约因素的实际网络进行中继选择是很有必要的。中继选择即从中继集合中按照一定的规则选择出一个或者多个中继节点进行工作。若每次都选择信道状况好的中继节点进行协助通信，考虑到实际情况中由于各个中继节点的处理能力或者是总容量总能量等受限的问题，会造成中继节点负载不均衡。所以，如何权衡用户公平性、中继节点的负载均衡问题和系统性能是我们待解决的问题。现有技术1中“Round-Robin Relaying with Diversity in Cooperative Communications” IEEE Global Telecommunications Conference: IEEE.2009:1-5，提出了一种解决方法。但是该方法效果并不好。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，包括如下步骤：
（1）初始化，                                                =1，源节点用户集合
Figure 106054DEST_PATH_IMAGE002
，被选择的用户集合
Figure 333904DEST_PATH_IMAGE003
；
（2）设定中继节点所组成的集合为V，每个时隙选择K个中继节点同时传输信息，即从
Figure 276452DEST_PATH_IMAGE004
个中继节点中选择不同的
Figure 589753DEST_PATH_IMAGE005
个用户组成中继节点调度组集合
Figure 10370DEST_PATH_IMAGE006
，的选取是按照轮循的方式进行选择分组的，设定为集合
Figure 396986DEST_PATH_IMAGE008
中的索引号，即当
Figure 621294DEST_PATH_IMAGE001
=1时，所选中的中继组为
Figure 558157DEST_PATH_IMAGE008
中的第1组，依次类推，设定
Figure 842508DEST_PATH_IMAGE009
,
Figure 255035DEST_PATH_IMAGE010
,为源节点
Figure 2013102953178100002DEST_PATH_IMAGE011
经过第组中继节点传输后在目的端所能达到的信噪比之和：
为从源节点用户
Figure 405022DEST_PATH_IMAGE014
到中继节点
Figure 304844DEST_PATH_IMAGE015
的信道参数，
Figure 746321DEST_PATH_IMAGE016
为中继节点
Figure 47990DEST_PATH_IMAGE015
到目的节点的信道参数；
Figure 671049DEST_PATH_IMAGE018
代表每个中继节点的发射功率，
Figure 40850DEST_PATH_IMAGE019
代表每个源节点的发射功率；为噪声方差；
从源节点用户集合
Figure 603867DEST_PATH_IMAGE021
中选取第1个源节点用户
Figure 212703DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 386195DEST_PATH_IMAGE022
满足
Figure 272243DEST_PATH_IMAGE023
 ，
Figure 240199DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 336331DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 923301DEST_PATH_IMAGE026
=1；
（3）选择第
Figure 788489DEST_PATH_IMAGE027
个源节点用户
Figure 927346DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 386140DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 635856DEST_PATH_IMAGE030
，，
Figure 806255DEST_PATH_IMAGE031
；
（4）重复步骤（2）到步骤（3）直到
Figure 876979DEST_PATH_IMAGE032
或者
Figure 930385DEST_PATH_IMAGE033
，一次轮询结束，
Figure 645532DEST_PATH_IMAGE034
；
（5）重复步骤（2）到步骤（4）直到
Figure 126191DEST_PATH_IMAGE033
，全部用户轮询完毕。
进一步的，还包括如下步骤：通过上述节点选择和用户调度之后，在所选择的中继节点和用户中引入分布式空时码。
进一步的，当=1，=2，
Figure 845383DEST_PATH_IMAGE036
时，即选取的中继为
Figure 496944DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 417627DEST_PATH_IMAGE038
，调度的用户为
Figure 812836DEST_PATH_IMAGE022
和。所调度的用户以TDMA的方式将功率归一化的信号发送给中继，则中继端接收信号，由得到
Figure 325037DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 592070DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 790970DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 46199DEST_PATH_IMAGE043
，经过空时编码得到目的端接收信号
   
进行转换之后得到
Figure 59471DEST_PATH_IMAGE045
  
经过最大似然译码得到
Figure 671849DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 195234DEST_PATH_IMAGE039
的估计值
       
Figure 625079DEST_PATH_IMAGE046
       
Figure 476491DEST_PATH_IMAGE047
。
进一步的，当
Figure 17194DEST_PATH_IMAGE001
=1，
Figure 660665DEST_PATH_IMAGE005
=4，
Figure 871197DEST_PATH_IMAGE048
时，利用准正交空时码码字,来构建分布式准正交空时码，经过编码得到目的端接收信号为：
Figure 475485DEST_PATH_IMAGE049
，
 进行转换之后得到
Figure 554300DEST_PATH_IMAGE050
采用成对译码得到：
Figure 52277DEST_PATH_IMAGE051
同理，可得
Figure 433711DEST_PATH_IMAGE052
。
本发明针对多源多中继协作系统中，如何保证中继节点的负载均衡和用户传输的公平性有改善系统性能的问题，提出了一种基于轮询分组调度算法的节点选择方案，并在中继节点处引入分布式空时编码，采用分步节点选择，基于公平的轮询分组调度算法，来达到中继间的负载均衡和用户传输的公平性，基于轮询分组的中继节点选择，不需要额外的信令开销，保证中继节点的负载均衡，引入分布式空时码之后，提高频谱利用率和性能。
附图说明
图1是多源多中继协作系统框图；
图2是按照本发明的方法的实施框图；
图3是采用QPSK调制方式时，本发明的方法与现有技术1的BER性能比较；
图4是采用BPSK调制方式时，本发明的方法与现有技术1的BER性能比较；
图5是源节点用户的公平性仿真图。
具体实施方式
下面主要结合附图对本发明的具体实施进行详细的描述。
中继端采用AF 方案，基于轮询分组调度的负载均衡的中继分组方案为：定义系统中中继节点所组成的集合为V，每个时隙选择K个中继节点同时传输信息，即从
Figure 649929DEST_PATH_IMAGE004
个中继节点中选择不同的
Figure 532434DEST_PATH_IMAGE005
个用户组成中继节点调度组集合
Figure 760284DEST_PATH_IMAGE006
。
Figure 702832DEST_PATH_IMAGE007
的选取是按照轮循的方式进行选择分组的。设定
Figure 16133DEST_PATH_IMAGE001
为集合
Figure 436750DEST_PATH_IMAGE008
中的索引号，即当=1时，所选中的中继组为
Figure 632556DEST_PATH_IMAGE008
中的第1组，依次类推。设定
Figure 557787DEST_PATH_IMAGE009
,
Figure 782095DEST_PATH_IMAGE010
,为源节点
Figure 984537DEST_PATH_IMAGE011
经过第组中继节点传输后在目的端所能达到的信噪比之和
   
Figure 319201DEST_PATH_IMAGE013
为从源节点用户
Figure 500783DEST_PATH_IMAGE014
到中继节点
Figure 956035DEST_PATH_IMAGE015
的信道参数，
Figure 731225DEST_PATH_IMAGE016
为中继节点
Figure 297335DEST_PATH_IMAGE015
到目的节点
Figure 333424DEST_PATH_IMAGE017
的信道参数；
Figure 834944DEST_PATH_IMAGE018
代表每个中继节点的发射功率，代表每个源节点的发射功率；
Figure 326285DEST_PATH_IMAGE020
为噪声方差；
每一个中继传输时隙，进行用户选择与调度使用户在目的端接收信噪比最大。但是这样一来资源仅仅分配给了信道状况好的用户，那些信道状况差的长期处于边缘的用户可能长期得不到服务，为了使系统保证公平性，使算法更有实用意义，本发明提出了一种结合多用户分集的轮询分组调度方案。总的来说，轮询算法在不同的时隙中轮询的选择用户，在每个时隙中递归的按照上述的用户调度准则来选择用户子集。具体来说，即先根据上述的用户调度规则来获得第一个用户子集。然后对第一个时隙选择后剩下的用户，用相同的过程选择出第二个用户子集。轮询此过程，直到所有用户全部被选择过。这样一来所有的源节点用户都有平等的接入信道的机会，从而用户的公平性得到保证。综上所述，具体的节点选择和用户调度的算法可归纳如下：
（1）       初始化，
Figure 357826DEST_PATH_IMAGE001
=1，源节点用户集合
Figure 154881DEST_PATH_IMAGE002
，被选择的用户集合。
（2）       定义
Figure 812575DEST_PATH_IMAGE054
从源节点用户集合
Figure 823257DEST_PATH_IMAGE021
中选取第1个源节点用户
Figure 791213DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 762711DEST_PATH_IMAGE022
满足
Figure 208736DEST_PATH_IMAGE023
 ，
Figure 339503DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 353726DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 937154DEST_PATH_IMAGE026
=1。
（3）       选择第
Figure 186870DEST_PATH_IMAGE027
个源节点用户
Figure 47510DEST_PATH_IMAGE028
。，
Figure 427993DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 356766DEST_PATH_IMAGE025
，。
（4）       重复步骤2到步骤3直到，K为每次选择的中继节点的个数，或者
Figure 845013DEST_PATH_IMAGE033
，一次轮询结束。
Figure 702110DEST_PATH_IMAGE034
。
（5）       重复步骤2到步骤4直到
Figure 271763DEST_PATH_IMAGE033
，全部用户轮询完毕。
最后， 通过上述节点选择和用户调度之后，在所选择的中继节点和用户中引入分布式空时码。
如图1和2所示，以下面的实施例为例：有N个源节点用户，M个中继节点和1个目的节点。每个节点都配备单天线。设定从源节点用户
Figure 923324DEST_PATH_IMAGE014
到中继节点的信道参数为
Figure 239216DEST_PATH_IMAGE013
，中继节点
Figure 788009DEST_PATH_IMAGE015
到目的节点的信道参数为
Figure 18450DEST_PATH_IMAGE016
，设定目的节点已知所有的信道状态信息。源节点和中继端有独立的功率控制，即第
Figure 951771DEST_PATH_IMAGE011
个源节点和第
Figure 620650DEST_PATH_IMAGE055
个中继节点能消耗的功率最大值均为
Figure 879593DEST_PATH_IMAGE056
；中继端采用AF 方案。基于轮询分组调度的负载均衡的中继分组方案为：定义系统中中继节点所组成的集合为V,每个时隙选择K个中继节点同时传输信息，即从
Figure 243709DEST_PATH_IMAGE004
个中继节点中选择不同的
Figure 246300DEST_PATH_IMAGE005
个用户组成中继节点调度组集合
Figure 645052DEST_PATH_IMAGE006
。
Figure 809317DEST_PATH_IMAGE007
的选取是按照轮循的方式进行选择分组的。例如6个中继节点，
Figure 50942DEST_PATH_IMAGE005
取2和4的情况下，
Figure 467011DEST_PATH_IMAGE008
集合分别为
Figure 844903DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 445649DEST_PATH_IMAGE058
。定义
Figure 784357DEST_PATH_IMAGE001
为集合
Figure 128751DEST_PATH_IMAGE008
中的索引号，即当=1时，所选中的中继组为
Figure 8162DEST_PATH_IMAGE008
中的第1组，依次类推。源节点经过第组中继节点传输后在目的端所能达到的信噪比之和
Figure DEST_PATH_IMAGE059
。当参与转发的中继节点和调度好相应的用户之后，引入分布式空时编码。
以=1，
Figure 11705DEST_PATH_IMAGE005
=2，
Figure 325005DEST_PATH_IMAGE036
为例，即选取的中继为
Figure 11202DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 218192DEST_PATH_IMAGE038
，调度的用户为
Figure 207008DEST_PATH_IMAGE022
和。所调度的用户以TDMA的方式将功率归一化的信号发送给中继。则中继端接收信号，由得到
Figure 356546DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 683623DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 843340DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 990287DEST_PATH_IMAGE043
，经过空时编码得到目的端接收信号
Figure 729590DEST_PATH_IMAGE060
   
进行转换之后得到
Figure DEST_PATH_IMAGE061
  
经过最大似然译码得到
Figure 911172DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 241791DEST_PATH_IMAGE039
的估计值
       
Figure 141614DEST_PATH_IMAGE062
       
Figure 707724DEST_PATH_IMAGE063
以
Figure 619179DEST_PATH_IMAGE001
=1，=4，为例，利用准正交空时码码字,来构建分布式准正交空时码，经过编码得到目的端接收信号为：
Figure 612040DEST_PATH_IMAGE064
，
 进行转换之后得到
采用成对译码得到：
同理可得
Figure 49472DEST_PATH_IMAGE052
。

Claims (4)

1.一种多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，包括如下步骤：
（1）初始化，                                                =1，源节点用户集合
Figure 3467DEST_PATH_IMAGE002
，被选择的用户集合
Figure 846789DEST_PATH_IMAGE003
；
（2）设定中继节点所组成的集合为V，每个时隙选择K个中继节点同时传输信息，即从个中继节点中选择不同的
Figure 529891DEST_PATH_IMAGE005
个用户组成中继节点调度组集合
Figure 660658DEST_PATH_IMAGE006
，的选取是按照轮循的方式进行选择分组的，设定
Figure 992731DEST_PATH_IMAGE001
为集合
Figure 383392DEST_PATH_IMAGE008
中的索引号，即当=1时，所选中的中继组为
Figure 678424DEST_PATH_IMAGE008
中的第1组，依次类推，设定
Figure 483569DEST_PATH_IMAGE009
,,为源节点
Figure 2013102953178100001DEST_PATH_IMAGE011
经过第组中继节点传输后在目的端所能达到的信噪比之和：
Figure 444085DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2013102953178100001DEST_PATH_IMAGE013
为从源节点用户
Figure 2106DEST_PATH_IMAGE014
到中继节点
Figure 468990DEST_PATH_IMAGE015
的信道参数，
Figure 428856DEST_PATH_IMAGE016
为中继节点
Figure 80417DEST_PATH_IMAGE015
到目的节点
Figure 860154DEST_PATH_IMAGE017
的信道参数；
Figure 130730DEST_PATH_IMAGE018
代表每个中继节点的发射功率，
Figure 945102DEST_PATH_IMAGE019
代表每个源节点的发射功率；
Figure 767565DEST_PATH_IMAGE020
为噪声方差；
从源节点用户集合
Figure 909964DEST_PATH_IMAGE021
中选取第1个源节点用户
Figure 108864DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 777743DEST_PATH_IMAGE022
满足 ，，
Figure 403394DEST_PATH_IMAGE025
，=1；
（3）选择第个源节点用户
Figure 208036DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 748738DEST_PATH_IMAGE029
，，
Figure 602742DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 66084DEST_PATH_IMAGE031
；
（4）重复步骤（2）到步骤（3）直到或者
Figure 518242DEST_PATH_IMAGE033
，一次轮询结束，
Figure 289889DEST_PATH_IMAGE034
；
（5）重复步骤（2）到步骤（4）直到
Figure 115894DEST_PATH_IMAGE033
，全部用户轮询完毕。
2.如权利要求1所述的多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，其特征在于：还包括如下步骤：通过上述节点选择和用户调度之后，在所选择的中继节点和用户中引入分布式空时码。
3.如权利要求1所述的多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，其特征在于：当
Figure 998399DEST_PATH_IMAGE035
=1，
Figure 350883DEST_PATH_IMAGE005
=2，
Figure 293431DEST_PATH_IMAGE036
时，即选取的中继为
Figure 606732DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 292928DEST_PATH_IMAGE038
，调度的用户为
Figure 499919DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 488735DEST_PATH_IMAGE039
；
所调度的用户以TDMA的方式将功率归一化的信号发送给中继，则中继端接收信号，由得到
Figure 413965DEST_PATH_IMAGE040
，，，
Figure 859487DEST_PATH_IMAGE043
，经过空时编码得到目的端接收信号
Figure 272014DEST_PATH_IMAGE044
   
进行转换之后得到
Figure 175379DEST_PATH_IMAGE045
  
经过最大似然译码得到
Figure 356962DEST_PATH_IMAGE022
和的估计值
              
Figure 887934DEST_PATH_IMAGE047
。
4.如权利要求1所述的多源多中继协作网络中轮询分组调度方法，其特征在于：当
Figure 189603DEST_PATH_IMAGE001
=1，
Figure 815756DEST_PATH_IMAGE005
=4，
Figure 812662DEST_PATH_IMAGE048
时，利用准正交空时码码字,来构建分布式准正交空时码，经过编码得到目的端接收信号为：
Figure 182463DEST_PATH_IMAGE049
，
 进行转换之后得到
Figure 338638DEST_PATH_IMAGE050
采用成对译码得到：
Figure 11059DEST_PATH_IMAGE051
同理，可得
Figure 619895DEST_PATH_IMAGE052
。
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