CN103647733A

CN103647733A - 蜂窝小区下行链路中基于中断概率的中继节点数选择算法

Info

Publication number: CN103647733A
Application number: CN201310648254.XA
Authority: CN
Inventors: 徐晓声; 郭坤祺; 哈成涛; 王志鹏
Original assignee: ZHENJIANG KUN QUAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHENJIANG KUN QUAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明提出了一种蜂窝小区下行链路中基于中断概率的多用户最优中继节点个数的选择算法，涉及中继节点的选择方法，用以解决具有多用户、多中继移动蜂窝网络所面临的中继节点分配问题。通过最小化中断概率，实现中继节点的最优配置，在最大限度的满足用户业务接入质量的同时，使中继节点个数最小化。本发明能够实现基于两跳中继的蜂窝小区下行链路中继节点个数最优化，使频谱使用方式和功率控制使用得到联合最优化。该发明能够在保证下行链路用户业务的同时，所使用的中继节点个数达到最小化，从而能有效地降低布网成本。因此，本发明能够以最少的中继节点数获得较大的传输容量，实现了基于两跳中继的蜂窝小区下行链路用户业务的有效区域覆盖。

Description

蜂窝小区下行链路中基于中断概率的中继节点数选择算法

技术领域

本发明涉及移动蜂窝通信中多用户多中继的中继节点的选择方法，以及功率分配方法，具体到中继技术。

背景技术

未来无线移动通信的主要发展目标是高速率、高带宽、高频谱利用率、可提供多种新型业务。虽然目前已有的移动通信网络在不断发展，但仍存在系统容量小，频谱利用率不高，抗干扰能力较差，链路时延较大，不适合传输高速数据和多媒体业务的缺点。

近年来，在传统移动蜂窝网络中引入Relay技术，并与其他先进技术进行结合，将大大地提升系统性能。在未来无线蜂窝网络通信系统中引入Relay技术，不仅可以改善小区边缘用户的通信质量、提高系统容量，消除盲点，扩大小区覆盖范围，还可降低网络运营成本和投资风险，有利于3G网络向4G网络的平滑过渡。

早期关于MIMO中继辅助通信的研究大多局限在点到点单中继情况的简单模型，而实际的移动蜂窝网络通信一个基站需要同时和多个移动台进行通信，点到多点的多用户单中继辅助通信也就应运而生。在中继辅助通信系统中，信号可以通过不同的中继节点到达移动台，因此通过中继站之间的协作传输，可以达到宏分集的效果。同时，信息论研究表明，当有多个中继辅助网络通信系统时，若中继和移动终端都已知信道的信息，则系统的容量与中继的个数呈对数增长的关系。

发明内容

为解决多用户多中继的中继选择问题，提高系统容量，降低中断概率，现提出一种蜂窝小区下行链路中基于中断概率的多用户多中继最优中继节点个数的选择方法。

为实现上述目的本发明提出一种蜂窝小区下行链路中基于中断概率的多用户多中继最优中继节点个数的选择方法，包括：

步骤一、基站和用户分别向所有中继发送导频信号。这2个导频信号正交，可保证中继无干扰地获得从基站到中继、用户到中继的信道状态信息；

步骤二、假设所有的中继节点为集合C，根据上述导频信号的信道状态估计，和信道增益门限进行比较。从中选出信道质量增益大于门限值的中继作为候选中继，假设候选中继集合为

,并且

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE004

；

步骤三、初始化系统容量

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE006

，并计算

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE008

；

步骤四、初始化

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE010

;

步骤五、令m=m--,如果

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE012

,跳到步骤十；

步骤六、比较

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE014

和；若

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE018

，跳到步骤五，否则执行下一步；

步骤七、比较和；若，跳到步骤五，否则执行下一步；

步骤八、计算候选中继的中断概率，和给定的中断概率指标进行比较。若候选中继的中断概率小于中断概率指标，跳到步骤五；

步骤九、将所有符合条件的中继个数进行中断概率的计算，从中计算出最优中继的个数，使中断概率最小。

步骤十、在中继选择的过程中，若

，找不到符合条件的中继，则中继选择结束；若用户与基站之间的信道质量连续一段时间内超过门限值，则用户和基站直接通信。

步骤十一、对用户和中继进行功率分配。

有益效果

本发明提高了系统容量，降低中断概率，由于采用门限比较法减少了功率消耗，对信道估计的次数减少。同时提高了资源的利用率，降低成本。

附图说明

图1为蜂窝小区下行链路多用户多中继系统模型；

图2为用户数一定的情况下系统容量随中继数变化的仿真测试图；

图3为用户数变化时系统容量的仿真测试图；

图4为系统容量随中继数、信噪比变化的仿真测试图；

图5为中断概率随用户数变化的仿真测试图。

图6为中继数目变化时中断概率的仿真测试图

具体实施方式

本发明提出的蜂窝小区下行链路中基于中断概率的多用户多中继最优中继节点个数的选择方法和功率分配问题，结合附图和实施过程详细说明如下。

如图1所示，本发明蜂窝小区下行链路多用户多中继的系统模型，具体的选择最优中继节点个数和功率分配方法包括以下步骤：

假设蜂窝小区内有用户K个，中继L个；

本发明传输信道采用两个时隙的正交信道；

在第一个时隙，基站将信号发送给中继节点和用户。用户k接收到的信号可以表示为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE024

；

中继m接收到的信号可表示为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE026

；

第二时隙，中继m将接收的信号放大发送给用户k，用户k接收的信号为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE028

；

若多个中继给用户k发送信号，则用户k的接收信号为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE030

其中

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE032

其中

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE034

和分别表示基站与中继的发射功率，

和

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE040

分别是基站和中继m的发射信号，

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE042

、

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE044

与分别表示基站与中继之间以及中继与用户和基站与用户之间的信道衰落系数，他们都是相互独立的零均值循环对称复高斯随机变量，信道慢衰落。

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE048

、

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE050

和

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE052

是独立的零均值加性高斯白噪声，方差均为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE054

。且

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE056

,

与所有接收信噪比和发送信噪比均成正比例关系，所以

可看成是平均信噪比大小。

步骤二、假设所有的中继节点为集合C，根据上述导频信号的信道状态估计，和信道增益门限进行比较。从中选出信道质量增益大于门限值的中继作为候选中继，假设候选中继集合为Θ,并且

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE060

；

基站直接发送到用户的信噪比为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE062

基站到中继的信噪比为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE064

中继到用户的信噪比为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE066

最后用户接收到的信噪比为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE070

步骤三、初始化系统容量

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE072

，并计算；

用户最后接收到的容量是；

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE076

；

若

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE078

,跳到步骤十；

步骤四、初始化

;

步骤五、令m=m--,如果

,跳到步骤十；

步骤六、比较

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE080

和；若，跳到步骤五，否则执行下一步；

步骤七、比较

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE084

和

；若

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE086

，跳到步骤五，否则执行下一步；

系统中断概率可表示为

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE088

步骤十、在中继选择的过程中，若

对用户和中继进行功率分配。

基于中断概率进行功率分配，使系统中断概率最小。

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE090

Subject to：

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE092

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE094

,

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE096

，

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE098

求

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE100

的最优解是一个凸优化问题，可通过构造拉格朗日方程求解。

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE102

分别对

和

求偏导并令其为0, 可得到最优分配功率, 与通常的注水分配方法一致, 利用迭代方式进行。

性能分析

系统模型如图1所示，仿真中, 将基站到用户间的距离归一化为1, 设基站位于蜂窝小区位置的原点处, 在半径为1的蜂窝小区内，基站BS位于圆心，K个用户随机分布在圆上，M个中继节点RS均匀分布在以BS为圆心，半径为1/2的圆上。

图2所示，用户数k=2 从该图中可以看出，系统容量随着中继节点的增多而增大，当中继数目较少时，系统容量增大较快；然而当中继数

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE104

时，增加中继节点带来的性能增益逐渐减小；即当时，性能的提高并不与中继节点的个数成正比，也就是说，当中继数目较多时，消耗的总功率增大，但系统容量增加缓慢，并趋于平缓。无限的增加中继的数目并不能无限的提高系统容量。因此，适当选择中继的数量可以提升系统的性能。

图3可知，当中继m=2,

Figure 201310648254X100002DEST_PATH_IMAGE108

时，随着用户数的增加，平均功率分配的性能会逐渐下降，总速率随着用户数的增加而增加，但是，总数率也不是随着用户数的增加成正比的增加。当用户数远大于中继数时，容量曲线斜率越来越小，也就是说，性能增益越来越小。

图4得到，当用户数k=2时，在不同信噪比情况下，系统容量随中继数目的增多而增大。当中继数目较少时，系统容量增大较快；当中继数目较多时，系统容量增加缓慢，并趋于平缓。

如图5所示，当m=1时，在不同信噪比情况下，中断概率随用户数目的增多而变化的情况。当信噪比较低时，系统中断概率随用户数目的增多而快速下降。当信噪比较高时，系统中断概率随用户数目的增多而下降缓慢。在相同信噪比情况下，用户数目越多，中断概率越小。

图6可知，用户数k=10，信噪比一定的情况下，通过仿真结果可知当中继数

时，中断概率急剧下降，趋于零；当

时，曲线趋于平缓，通过仿真数字结果可得：当m=9时，中断概率最小；当

时，中断概率开始增大。由此可知，放置中继数目并不是越多越好，一定范围内中继节点数量越多，链路中断概率越小，系统性能越好。适当选择放置中继数目，可以提高系统中断性能。

随着信噪比的提升，中断概率降低，当系统信噪比较低时，单中继协作系统所受到的干扰远小于多中继协作系统，因此其中断概率自然比多中继的小，而随着信噪比的增加，多中继的优势就逐渐体现出来了。

论文研究的最优用户（中继）选择技术中，中继节点和接收节点都需要反馈，论文忽略了反馈所占有的频率、时隙资源及其对系统整体性能的影响。另外，论文的研究是建立在各用户、各中继节点发射功率相等，时分半双工两个阶段时间间隔等长的基础上的，结合节点实际位置、网络实际拓扑结构的功率资源和时隙资源的动态最优分配问题还需要进一步研究。