CN103716816A - 基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法。通过计算用户所处位置、用户信噪比、衰落因子、小区内用户间干扰以及与之对应的能效性来确定其是否作为协作用户。本发明是在网络中存在多个备选协作用户的情况下，以空闲用户到备选协作用户之间的端到端干扰因子小于门限阈值，以及源用户在选择协作用户过程中能效性最大为目标，确定最终的协作用户。本发明克服了传统协作用户选择方法因忽视系统能效性和干扰因素影响引起的能源过度消耗、小区系统负载较大等问题。仿真实验表明，本发明提出的基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法在提高系统优能效性和抗干扰方面具有一定的优势。

Description

基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法

技术领域

本发明涉及一种在绿色协作通信中源用户基于小区中协作用户间的能效性以及备选协作用户间干扰因子影响的协作用户选择的方法，属于无线通信中LTE上行协作通信中继选择研究的相关领域。

背景技术

随着用户对高速移动通信的需求，第三代合作伙伴计划于2004年启动LTE（Long TermEvolution）的研究项目。LTE系统以提高数据速率、减小传输延时、提高系统频谱效率、降低运营成本等为设计目标。与此同时，随着互联网和无线通信的普及，信息与通信技术产业已经成为能源消耗和温室气体排放的主要产业之一。下一代信息通信技术可在节能减排、绿色环保等方面做出领先性的贡献。绿色无线通信的提出旨在减小能源消耗，降低电磁辐射，提高资源利用率，使资源消耗和环境影响最小，从而达到降低生态环境负担，确保可持续发展以及人与自然和谐发展的目的。降低能耗不仅仅是要保护环境，还要通过节省运营成本从而带来巨大的经济效益。另外，绿色无线通信技术不仅有助于降低通信产业的碳排放及能量消耗，还有助于引领其它行业低碳经济发展。

为了改善系统信道传输性能、提高小区链路传输可靠性，可以在通信系统中加入多用户分集协作系统。协作通信作为未来无线通信提高频谱效率的关键技术之一，近年来受到广泛关注。用户可以根据小区内用户的发射功率、用户所处的位置、用户所处信道的衰落因子以及信道的信噪比等信道状态信息来选择合适的协作用户。从选择协作用户的依据来看，可以根据用户的位置、用户之间以及用户到基站的信道状态等进行分类。其中，根据信道状态选择分类是目前研究的主要方向。因为目前大多数系统并不支持获取用户的准确位置信息，而且位置信息也并不等同于信道质量的好坏，而根据用户的信道状态信息选择还可以分为根据瞬时信道信息选择和根据平均信道信息选择两种，前者适合于突发的数据传输，后者适合于连续的数据传输。

通常协作用户的选择方法主要分为分散式和集中式两种，前者只是针对单个用户的通信质量达到最优，而后者可以进行整个基站的统一分配，从而达到整体最优化。但无论哪种选择方法，均未结合小区内备选协作用户对参与协作用户存在干扰等因素以及考虑系统能效性等角度来研究协作用户选择的问题。

2008年，张鸿涛的北京邮电大学博士毕业论文《无线网络多用户协作传输关键技术研究》中提出了协作通信的中继策略的自适应选择方法，对协作通信方式有了较为深刻的介绍，但文献并未讨论在协作用户的选择过程中，考虑备选空闲用户对参与协作用户干扰影响以及系统在协作过程中的能效性等内容。这导致所选取的协作用户性能也许为最优，但小区内基站与用户间的能效利用率并不是最高，从而导致能源过度消耗，小区系统负载较大等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的协作用户选择过程中，忽视系统能效性和干扰因素影响的问题，本发明提出一种基于能效性和协作用户干扰因子的绿色通信协作用户最优选择方法，在网络中存在多个备选协作用户的情况下，以空闲用户到备选协作用户之间的端到端干扰因子小于门限阈值，以及源用户在选择协作用户过程中能效性最大为目标，构建LTE上行平台协作通信环境，完成协作用户的选择。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：以小区内协作用户选择过程中的能源利用效率以及空闲用户对备选协作用户的干扰因子为参数指标来确定协作用户。通过计算用户所处位置、用户信噪比、衰落因子、小区内用户间干扰以及与之对应的能效性来确定其是否作为协作用户，从而有效降低小区内系统的能源消耗和系统开销，提高系统能效性和选取协作用户最优性，提升系统性能。

本发明的小区模型示意图如图2所示。为理解方便，下面对本发明中涉及到的几个概念进行说明：

源用户：指一个小区内需要向基站发送信息的用户。源用户可以是小区内任意一个用户，但一次通信过程中只有一个源用户；

备选协作用户：指在协作通信过程中，有可能成为源用户协作用户的用户。除了源用户，任何一个用户都可以是备选协作用户；

空闲用户：指一个小区内除源用户、备选协作用户以外的其它用户。相对于某个备选协作用户而言，除了源用户和这个备选协作用户外都是空闲用户。

基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化：根据实际情况和要求设定各备选用户到源用户的干扰因子门限阈值。

步骤2，计算小区内各备选协作用户的干扰因子。

备选协作用户的干扰因子等于该备选协作用户消耗单位功率时，收到空闲用户发送的干扰信号数据量。

步骤2.1，计算备选协作用户收到空闲用户发送的干扰信号的数据量。

假设小区内共有N个用户，第i个为源用户，i＝1,2,…,N。

（1）计算备选协作用户n接收源用户i发送的功率P_rn：

$P_{\mathrm{rn}}=P_i\×{\left(\frac{l_n}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，P_i为源用户i的发射功率，l_n为源用户i到备选协作用户n的距离，H_n为备选协作用户n的天线高度，1≤n≤N，且n≠i，α为路径衰落因子。

（2）计算空闲用户m到备选协作用户n的路径损耗h_m,n：

$h_{m,n}={\left(\frac{d_m}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，d_m表示空闲用户m到备选协作用户n的距离，1≤m≤N，且m≠n，m≠i。

（3）计算干扰信号数据量C_h(n)：

$C_{h\left(n\right)}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{P_{\mathrm{rn}}}{n_0+h_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}})$

式中，B为信道带宽，n₀为信道的白噪声功率，h(n)为备选协作用户n在考虑干扰因子情况时与其它空闲用户构成的传输对。

步骤2.2，计算备选协作用户功率消耗之和P_h(n)：

$P_{h\left(n\right)}=\underset{m=1,m\≠n,i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}+n_0$

步骤2.3，计算备选协作用户的干扰因子I_n：

$I_n=\frac{C_{h\left(n\right)}}{P_{h\left(n\right)}}=\frac{\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{P_{\mathrm{rn}}}{n_0+h_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}})}{\underset{m=1,m\≠n,i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}+n_0}.$

步骤3，根据步骤2求得的各个备选协作用户的干扰因子，在小区内选择K个干扰因子小于等于干扰因子门限阈值的备选协作用户构成备选协作用户集合U＝{U_n}，n=1,2,…,K，1<K<N。

步骤4，计算备选协作用户集合U中各备选协作用户的能效性。

备选协作用户的能效性等于源用户和备选协作用户消耗单位功率时，该备选协作用户收到源用户发送的信息传输数据量。

步骤4.1，计算备选协作用户收到源用户发送的信息传输数据量。

（1）计算协作传输过程中第一个时隙内源用户i发送信息到备选协作用户n和基站D的信息传输数据量C_SRn：

$C_{\mathrm{SRn}}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{1.5{\mathrm{\&lambda;}}_{1n}{\mathrm{\&sigma;}}^{*}}{0.2-{\mathrm{\&sigma;}}^{*}})$

式中，λ_1n为源用户i到备选协作用户n的信噪比，σ^*表示系统中断概率，表达式为：

σ^*(P_dn)²-(k_1n+k_2n)P_dn+k_1nk_2n＝0

$k_{1n}=\frac{N_0}{{\left(\frac{l_n}{H_n}\right)}^{-a}},k_{2n}=\frac{N_0}{{\left(\frac{x_n}{H_n}\right)}^{-a}}$

$P_{\mathrm{dn}}=P_{\mathrm{rn}}\&times;{\left(\frac{x_n}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，N₀为系统噪声，P_dn为基站D收到的备选协作用户n发送的功率，k_1n、k_2n分别为系统设置参数，x_n为备选协作用户n到基站D的距离，H_n为备选协作用户n的天线高度。

（2）计算协作传输过程中第二个时隙内备选协作用户n发送信息到基站D的信息传输数据量C_RDn：

$C_{\mathrm{RDn}}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{1.5{\mathrm{\&lambda;}}_{2n}{\mathrm{\&sigma;}}^{*}}{0.2-{\mathrm{\&sigma;}}^{*}})$

式中，λ_2n为源用户i到备选协作用户n的信噪比。

（3）计算信息传输数据量C_g(n)：

$C_{g\left(n\right)}=\frac{1}{2}\min \{C_{\mathrm{SRn}},C_{\mathrm{RDn}}\}$

式中，g(n)为备选协作用户n考虑能效性情况时与源用户i构成的传输对。

步骤4.2，计算协作通信过程中源用户和备选协作用户的功率消耗。

（1）计算第一时隙消耗功率P_slot1n：

P_slot1n＝2P_i+P_rn+P_dn

（2）计算第二时隙消耗功率P_slot2n：

P_slot2n＝P_rn+P_dn

（3）计算协作通信过程中的功率消耗P_g(_n)：

P_g(n)＝P_slot1n+P_slot2n=2P_i+2P_rn+2P_dn

步骤4.3，计算能效性E_n：

$E_n=\frac{C_{g\left(n\right)}}{P_{g\left(n\right)}}=\frac{\frac{1}{2}\min \{C_{\mathrm{SRn}},C_{\mathrm{RDn}}\}}{{2P}_i+2P_{\mathrm{rn}}+2P_{\mathrm{dn}}}.$

步骤5，选取能效性E_n为目标函数，根据步骤4的计算结果求能效性最大的备选协作用户。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明是在网络中存在多个备选协作用户的情况下，以空闲用户到备选协作用户之间的端到端干扰因子小于门限阈值，以及源用户在选择协作用户过程中能效性最大为目标，确定最终的协作用户。本发明克服了传统协作用户选择方法因忽视系统能效性和干扰因素影响引起的能源过度消耗、小区系统负载较大等问题。仿真实验表明，所提出的基于干扰因子和能效性的绿色协作用户选择方法在提高系统优能效性和抗干扰方面具有一定的优势。

附图说明

图1为本发明所涉及方法的流程图；

图2为本发明的小区模型示意图；

图3为某个备选协作用户处于不同位置时对应不同衰落因子的能效性曲线，图中：

表示衰落因子取值为3.0，表示衰落因子取值为5.0，

表示衰落因子取值为7.0；

图4为某个备选协作用户处于不同位置时对应不同衰落因子的干扰因子曲线，图中：

表示衰落因子取值为3.0，

表示衰落因子取值为5.0，

表示衰落因子取值为7.0；

图5为不同信噪比条件下本发明所述方法与现有技术方法的误码率对比图，图中：

对应本发明方所述方法，

对应协作通信的中继策略的自适应选择方法。

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。

本发明所述方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化：设定各备选用户到源用户的干扰因子门限阈值。

步骤2，计算小区内各备选协作用户的干扰因子。

步骤3，在小区内选择K个干扰因子小于等于干扰因子门限阈值的备选协作用户构成备选协作用户集合U＝{U₁,U₂,...,U_K}。

步骤4，计算备选协作用户集合U中各备选协作用户的能效性。

步骤5，选取能效性E_n为目标函数，根据步骤4求能效性最大的协作用户。

下面给出在PC机上利用Matlab语言仿真实现本发明的一个实例。

图3为某个备选协作用户处于不同位置时对应不同衰落因子的能效性曲线。由图3可知，本发明所述方法在不同衰落因子条件下，系统能效性均随着源用户与备选协作用户的距离增大而减小。在衰落因子为3.0时，当源用户与备选协作用户的距离为2.5km时，能效性约为0.095；当距离为4km时，能效性约为0.05。在源用户与备选协作用户的距离为4km时，当衰落因子为3.0时，能效性约为0.05；当衰落因子为5.0时，能效性约为0.042；当衰落因子为7.0时，能效性约为0.032。可以得出，能效性与待选协作用户所处位置以及衰落因子的选取有关，能效性随着衰落因子的增大而降低，同时，能效性随着源用户与备选协作用户的距离增大而减小。

图4为某个备选协作用户处于不同位置时对应不同衰落因子的干扰因子曲线。由图4可知，在协作传输过程中，由于考虑的备选协作用户受到小区内其它空闲用户的干扰，因此，待选协作用户的干扰因子也是考虑其是否作为源用户的协作用户的参数指标。在衰落因子为3.0时，当备选协作用户与源用户的距离为2.5km时，干扰因子约为1.15×10^-3；当距离为4km时，干扰因子约为1.10×10^-3。在备选协作用户与源用户的距离为4km时，当衰落因子为3.0时，干扰因子约为1.10×10^-3；当衰落因子为5.0时，干扰因子约为1.38×10^-3；当衰落因子为7.0时，干扰因子约为1.82×10^-3。可以得出，当衰落因子较高时，干扰因子的取值变化较为缓和，当衰落因子较低的条件下，干扰因子的取值受到影响较大。除此之外，备选协作用户所处的位置也与干扰因子取值有密切联系。因此，干扰因子的取值与协作用户的选择有密切的联系，干扰因子随着衰落因子的增大而增大，同时，干扰因子随着备选协作用户和空闲用户的距离增大而减小。

为了与现有技术进行比较，同时对协作通信的中继策略的自适应选择方法进行了仿真实验。图5是不同信噪比条件下本发明所述方法与现有技术方法的误码率对比图。由图5可知，当信噪比为10dB时，本发明所述方案的误码率约为1×10^-4，而协作通信的中继策略的自适应选择方法的误码率约为8×10^-3。本发明所述方法的误码率明显低于协作通信的中继策略的自适应选择方法，进一步证明了本发明协作用户具有很好的抗干扰能力。

Claims (3)

1.一种基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，系统初始化：根据实际情况和要求设定各备选用户到源用户的干扰因子门限阈值；

步骤2，计算小区内各备选协作用户的干扰因子；

备选协作用户的干扰因子等于该备选协作用户消耗单位功率时，收到空闲用户发送的干扰信号数据量；

步骤3，根据步骤2求得的各个备选协作用户的干扰因子，在小区内选择K个干扰因子小于等于干扰因子门限阈值的备选协作用户构成备选协作用户集合U＝{U_n}，n=1,2,…,K，1<K<N；

步骤4，计算备选协作用户集合U中各备选协作用户的能效性；

备选协作用户的能效性等于源用户和备选协作用户消耗单位功率时，该备选协作用户收到源用户发送的信息传输数据量；

步骤5，选取能效性E_n为目标函数，根据步骤4的计算结果求能效性最大的备选协作用户。

2.根据权利要求1所述的一种基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法，其特征在于，步骤2所述计算小区内各备选协作用户干扰因子的方法包括以下步骤：

（1）计算备选协作用户收到空闲用户发送的干扰信号的数据量；

假设小区内共有N个用户，第i个为源用户，i＝1,2,…,N；

首先，计算备选协作用户n接收源用户i发送的功率P_rn：

$P_{\mathrm{rn}}=P_i\&times;{\left(\frac{l_n}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，P_i为源用户i的发射功率，l_n为源用户i到备选协作用户n的距离，H_n为备选协作用户n的天线高度，1≤n≤N，且n≠i，α为路径衰落因子；

然后，计算空闲用户m到备选协作用户n的路径损耗h_m,n：

$h_{m,n}={\left(\frac{d_m}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，d_m表示空闲用户m到备选协作用户n的距离，1≤m≤N，且m≠n，m≠i；

最后，计算干扰信号数据量C_h(n)：

$C_{h\left(n\right)}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{P_{\mathrm{rn}}}{n_0+h_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}})$

式中，B为信道带宽，n₀为信道的白噪声功率，h(n)为备选协作用户n在考虑干扰因子情况时与其它空闲用户构成的传输对；

（2）计算备选协作用户功率消耗之和P_h(n)：

$P_{h\left(n\right)}=\underset{m=1,m\&NotEqual;n,i}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}+n_0$

（3）计算备选协作用户的干扰因子I_n：

$I_n=\frac{C_{h\left(n\right)}}{P_{h\left(n\right)}}=\frac{\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{P_{\mathrm{rn}}}{n_0+h_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}})}{\underset{m=1,m\&NotEqual;n,i}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{m,n}^2{P}_{\mathrm{rn}}+n_0}.$

3.根据权利要求1所述的一种基于能效性和干扰因子的绿色通信协作用户选择方法，其特征在于，步骤4所述计算备选协作用户集合U中各备选协作用户的能效性的方法包括以下步骤：

（1）计算备选协作用户收到源用户发送的信息传输数据量；

首先，计算协作传输过程中第一个时隙内源用户i发送信息到备选协作用户n和基站D的信息传输数据量C_SRn：

$C_{\mathrm{SRn}}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{1.5{\mathrm{\&lambda;}}_{1n}{\mathrm{\&sigma;}}^{*}}{0.2-{\mathrm{\&sigma;}}^{*}})$

式中，λ_1n为源用户i到备选协作用户n的信噪比，σ^*表示系统中断概率，表达式为：

σ^*(P_dn)²-(k_1n+k_2n)P_dn+k_1nk_2n＝0

$k_{1n}=\frac{N_0}{{\left(\frac{l_n}{H_n}\right)}^{-a}},k_{2n}=\frac{N_0}{{\left(\frac{x_n}{H_n}\right)}^{-a}}$

$P_{\mathrm{dn}}=P_{\mathrm{rn}}\&times;{\left(\frac{x_n}{H_n}\right)}^{-a}$

式中，N₀为系统噪声，P_dn为基站D收到的备选协作用户n发送的功率，k_1n、k_2n分别为系统设置参数，x_n为备选协作用户n到基站D的距离，H_n为备选协作用户n的天线高度；

然后，计算协作传输过程中第二个时隙内备选协作用户n发送信息到基站D的信息传输数据量C_RDn：

$C_{\mathrm{RDn}}=\mathrm{B\; lo}{g}_2(1+\frac{1.5{\mathrm{\&lambda;}}_{2n}{\mathrm{\&sigma;}}^{*}}{0.2-{\mathrm{\&sigma;}}^{*}})$

式中，λ_2n为源用户i到备选协作用户n的信噪比；

最后，计算信息传输数据量C_g(n)：

$C_{g\left(n\right)}=\frac{1}{2}\min \{C_{\mathrm{SRn}},C_{\mathrm{RDn}}\}$

式中，g(n)为备选协作用户n考虑能效性情况时与源用户i构成的传输对；

（2）计算协作通信过程中源用户和备选协作用户的功率消耗；

计算第一时隙消耗功率P_slot1n：

P_slot1n＝2P_i+P_rn+P_dn

计算第二时隙消耗功率P_slot2n：

P_slot2n＝P_rn+P_dn

计算协作通信过程中的功率消耗P_g(n)：

P_g(n)＝P_slot1n+P_slot2n=2P_i+2P_rn+2P_dn

（3）计算能效性E_n：

$E_n=\frac{C_{g\left(n\right)}}{P_{g\left(n\right)}}=\frac{\frac{1}{2}\min \{C_{\mathrm{SRn}},C_{\mathrm{RDn}}\}}{{2P}_i+2P_{\mathrm{rn}}+2P_{\mathrm{dn}}}.$

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