CN104244437A - 一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，基站根据比例公平准则进行用户选择，其中在计算调度权重时，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将该参数和节点的剩余能量信息纳入调度权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，从而改善了能量效率，实现了中继用户的公平性，并延长了网络时间。本发明对目的用户和中继节点进行联合公平调度，通过将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将该参数和节点的剩余能量信息纳入调度权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，改善了参与数据协作的用户的调度公平性，并获得了网络生存时间、用户能量效率方面的性能提升。

Description

一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法。

背景技术

为了解决传统的点对点无线传输在系统容量、覆盖范围和对抗多径衰落等方面存在的局限，以及对多天线通信系统提供的空间分集进行实现并加以利用，协作通信(Cooperative communication)技术应运而生。采用该技术，多个单天线的移动终端相互协作形成虚拟天线阵列，从而获得通信性能改善。典型的中继协作方式包括放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和译码转发(Decode-and-Forward,DF)。

在实际的协作通信系统中，往往存在多个潜在的中继节点，如何合理地进行中继选择成为该领域研究的一个重要问题。中继选择策略的设计可以基于可达数据速率、节点功率/能量消耗、误码性能等。如Barus B等在“On the SEP ofcooperative diversity with opportunistic relaying”(IEEE Communications Letters,2008)中提出了机会式中继选择策略，以端到端传输速率最大化为准则选择中继节点；Altubaishi E S等在“A novel distributed fair relay selection strategy forcooperative wireless system”(IEEE International Conference on Communications,2012)中提出了基于AF提出一种分布式的中继选择策略，在中继节点平均功率相等并且中断概率约束的条件下实现低复杂度的中继选择；Li P Q等在“Transmit power minimization for outage-constrained relay selection overRayleigh-fading channels”(IEEE Communications Letters,2014)中提出了基于DF的中继选择策略在中断概率和能量约束条件下，以最小化系统发射功率为优化目标选择中继。

然而在实际通信中，参与其它用户数据协作的节点也可由终端用户担任，这些用户本身也有通信需求。上述文献以中继选择作为主要研究对象，未能在移动用户兼具通信终端和中继节点的复杂场景中研究用户与中继的联合调度。而且，在移动台作为中继的协作通信系统中，由于移动用户通常是能量受限的，因此移动用户在协作其它用户完成数据通信时，其自身业务的传输与总的能量消耗的比值，即能量效率也是一项重要的性能指标。对于能量有限的移动台而言，参与中继的节点消耗自身能量帮助其他用户传输数据，导致自身的能量效率降低，若没有合理的激励机制对其参与其它用户数据协作的行为进行鼓励，对中继用户是不公平的。在协作认知通信场景中已有一些文献研究关于中继的补偿问题，如根据次级用户为主用户数据传输提供的帮助，释放一部分时间、频率资源，将其作为回报授予次级用户使用。但是这些工作中未涉及多个源/目的节点与中继节点的匹配以及多用户间竞争关系的协调，也没有对中继/用户调度的公平性进行考虑。

针对现有协作通信研究中，在用户/中继联合选择、中继节点的补偿机制，以及公平调度等方面存在的不足，本发明设计一种基于动态中继激励的公平调度算法。通过将中继节点对其它用户的数据传输协助进行量化，并将该参数与节点的剩余能量信息一同纳入调度权重的计算，实现对中继节点调度机会的补偿。所提机制能够改善参与数据协作的用户的调度公平性，并获得网络生存时间、用户能量效率方面的性能提升。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，旨在解决用户/中继联合选择以及中继用户消耗自身能量协助其他用户传输而没有相应的补偿机制，从而造成中继用户不公平的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，该用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法

进一步，该用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法包括以下步骤：在任意一个传输时隙t；

步骤一：初始化已选用户集合为空集，候选用户集合为全体用户集合Ω＝{1,2,…,L},遍历每个用户MS_k；

步骤二：用户MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0，用户MS_k根据与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站；

步骤三：基站利用香农公式分别计算,向MS_k直接传输的可达速率以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率若基站向MS_k直接传输，否则，基站通过中继向MS_k传输；

步骤四：基站进行用户选择；

步骤五：用户调度完成后，基站通知目的用户，直接或者通过中继向目的用户传输数据；并更新各个用户k，k∈{1,…,L}的平均数据速率，用于计算下一个时隙中的用户调度权重，在下一个传输时隙(t+1)的用户调度阶段，重复执行步骤一～步骤五。

进一步，在步骤二中MS_k首先对h_k,0和h_k,l进行比较，仅将满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的信道信息h_k,l向BS反馈，MS_k也可将满足上述条件的信道信息转换为MS_l到MS_k的可达数据速率，并将该信息反馈给基站。

进一步，在步骤三中计算基站向MS_k直接传输的可达速率的公式为：

$R_k^D={\log }_2(1+\frac{P_T{\left|h_{k,0}\right|}^2}{N_0})---\left(1\right)$

基站通过中继MS_l向MS_k传输的可达速率公式为：

$R_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}=\frac{1}{2}\min \{R_l^D,R_{k,l}\}---\left(2\right)$

基站通过最佳中继向MS_k传输的可达速率公式为：

${\tilde{R}}_{k,l_k}^{\mathrm{\Δ}}=\underset{l\∈\mathrm{\Ω}\backslash \left\{k\right\}}{\max }{R}_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

进一步，步骤五中在更新用户的平均数据速率，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将参数和节点剩余能量信息引入调度权重的计算。

进一步，在步骤五中更新用户k的平均数据速率的公式为：

其中， ${\mathrm{\η}}_c=\min \{{\mathrm{\δ}}_c,\frac{E_k^r\left(t\right)}{E_k\left(0\right)}\}.$

进一步，对于目的用户取作为参与数据协助的用户平均速率的修正值。

进一步，该用于协作下行传输动态的中继激励公平调度的方法为：

步骤一：初始化已选空间子信道集合和候选空间子信道集合；

基站对下列参数进行初始化，初始化已选用户集合为空集，候选用户集合为全体用户集合Ω＝{1,2,…,L}，遍历每个用户，用户侧采用通过信道参数估计可获得信道矩阵信息，即基站或者中继在所发送的信号前端添加用户侧已知的训练序列，用户依据收到的信号与已知训练数据实现用户与基站或中继之间的信道状态信息矩阵h_k,0或h_k,l的估计；

步骤二：MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0，MS_k根据其与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站；

步骤三：基站根据公式(1)～(3)分别计算，基站向MS_k直接传输的可达速率以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率并比较和来确定MS_k的可达速率R_k，若基站向MS_k直接传输，否则，基站通过中继向MS_k传输；

$R_k^D={\log }_2(1+\frac{P_T{\left|h_{k,0}\right|}^2}{N_0})---\left(1\right)$

$R_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}=\frac{1}{2}\min \{R_l^D,R_{k,l}\}---\left(2\right)$

${\tilde{R}}_{k,l_k}^{\mathrm{\Δ}}=\underset{l\∈\mathrm{\Ω}\backslash \left\{k\right\}}{\max }{R}_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

其中，表示与MS_k匹配的最佳中继的标识；

步骤四：基站根据下列公式进行用户选择；

$k^{*}=\underset{k\∈\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\frac{R_k\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R}}_k\left(t\right)}---\left(4\right)$

其中k^*表示被选择的用户的标号，是到第t-1个时隙为止MS_k的平均数据速率；

步骤五：用户调度完成后，基站直接或者通过中继进行数据传输，各节点按照以下规则进行更新用于计算下一个传输时隙的用户调度权重；

其中，调度完成后，基站通知被选择用户并进行下行数据通信，在下一个传输时隙(t+1)的用户调度阶段，重复执行步骤一～步骤五。

本发明提供的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，基站根据比例公平准则进行用户选择，其中在计算调度权重时，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将该参数和节点的剩余能量信息一并纳入调度权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，从而改善其能量效率，实现中继用户的公平性。本发明较好的解决了用户/中继联合选择以及中继用户消耗自身能量协助其他用户传输而没有相应的补偿机制，造成中继用户的不公平的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的单小区协作下行通信系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的协作下行链路中继激励的公平调度方法实施例的具体算法流程图；

图4是本发明实施例提供的用户总数L＝10取不同信噪比时不同算法的系统速率仿真比较图；

图5是本发明实施例提供的L＝6，SNR＝5dB时不同算法的能量效率仿真比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法包括以下步骤：

S101：用户MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0；

S102：用户MS_k根据其与中继MS_l之间的信道状态，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算其速率R_k,l，并将该信息反馈给基站；

S103：基站根据其与用户信道状态信息计算用户到基站的直接传输速率，并根据中继到用户的信道信息计算经过最佳中继中转到达用户的可达速率

S104：然后通过比较直接可达速率与经最佳中继中转的可达速率，确定每个用户的可达速率；

S105：基站根据改进的比例公平准则进行用户调度，并更新用户平均速率。

本发明实施例的具体步骤：

如图3所示，以任意一个传输时隙t为例，本发明的具体步骤为：

步骤一：初始化已选空间子信道集合和候选空间子信道集合；

基站对下列参数进行初始化，初始化已选用户集合为空集，候选用户集合为用户全集Ω＝{1,2,…,L},，遍历每个用户MS_k(MS,mobile station)；

步骤二：MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0，MS_k根据其与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站；

步骤三：基站根据公式(1)～(3)分别计算其向MS_k直接传输的可达速率以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率并根据公式(4)比较直达链路的可达速率和经由最佳中继中转的速率来确定MS_k的可达速率R_k。若基站向MS_k直接传输，否则，基站通过中继向MS_k传输；

$R_k^D={\log }_2(1+\frac{P_T{\left|h_{k,0}\right|}^2}{N_0})---\left(1\right)$

$R_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}=\frac{1}{2}\min \{R_l^D,R_{k,l}\}---\left(2\right)$

${\tilde{R}}_{k,l_k}^{\mathrm{\Δ}}=\underset{l\∈\mathrm{\Ω}\backslash \left\{k\right\}}{\max }{R}_{k,l}^{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

$R_k=\max \{R_k^D,{\tilde{R}}_{k,l_k}^{\mathrm{\Δ}}\}---\left(4\right)$

其中，式(2)系数是由于中继节点工作在半双工模式，并且源节点向中继传输和中继向目的节点转发两个阶段的时长是相等的，公式(4)中表示与MS_k匹配的最佳中继的标识；

步骤四：基站根据下列公式进行用户选择；

$k^{*}=\underset{k\∈\mathrm{\Ω}}{\arg \max }\frac{R_k\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R}}_k\left(t\right)}---\left(5\right)$

其中k^*表示被选择的用户的标号，是到第t-1个时隙为止MS_k的平均数据速率；

步骤五：用户调度完成后，基站向目的用户直接或者通过中继进行数据传输。各节点按照以下规则进行更新用于计算下一个传输时隙的用户调度权重；

其中，取δ_c＝0.99，调度完成后，在下一个传输时隙(t+1)的用户调度阶段，重复执行步骤一～步骤五。

在步骤五中，η_c∈[0,1]称为激励因子，反映对移动用户参与数据协助的激励强度，η_c越小，激励强度越大，当η_c＝δ_c时，该修正值与中继用户协助的目的用户的平均数据速率修正值相等；由式(5)和(6)可以发现，中继用户的调度权重相比于未被调度、并且也未参与数据协作的用户有所增加，调度机会相应增大，即获得了一定报偿。

结合以下的具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图2所示，本发明的系统模型是单小区协作下行广播信道，系统中包括一个基站(Base station,BS)，L个移动台(Mobile station,MS)，均配置单天线，所有用户按照时分多址(Time division multiple access,TDMA)的方式对下行广播信道进行共享，即在一个传输时隙内BS仅向一个用户发送数据，假设所有的MS均可以作为中继节点帮助其它用户转发数据，并且一个中继最多服务一个用户。中继节点使用半双工通信，并采用译码转发(DF)的方式。将一个传输时隙(T_s)分为两个时长相等的阶段，在第一阶段，BS向中继发送数据x_k；在第二阶段，中继对接收的信号进行解码，然后向目的用户转发经过重新编码的数据满足表示求数学期望。基站的发射功率为P_T，中继用于数据转发的功率为P_R。

本发明的工作原理：

MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0。MS_k根据其与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站。基站根据获得的每个用户k信道状态信息h_k,0计算每个用户到基站的直接传输速率以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率然后通过比较与确定每个用户的可达速率R_k，基站根据比例公平准则进行用户选择，其中在计算调度权重时，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将该参数和节点的剩余能量信息纳入调度权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，从而改善其能量效率，实现中继用户的公平性，并延长了网络时间。

结合以下仿真实验对本发明实施例的使用效果做进一步的说明：

一、仿真条件：协作中继系统的P_T＝P_R＝P_C＝100mw，全部节点采用单天线配置，由于T_s的长度与实际应用有关，为了适应不同的通信系统，本发明将统计时间对时隙长度进行归一化处理；用户信道系数采用Jakes仿真模型产成，其中最大多普勒频移取6Hz，合成路径数N为514；

用户调度方法包括：1.轮询算法(Round Robin,RR),采用非中继协作传输，对每个用户轮询调度；2.非协作中继的公平调度算法(Non-cooperativeproportional fair scheduling,NCPFS)，不使用中继传输，按照比例公平调度准则选择用户；3.中继协作的速率最优算法(Cooperative rate-optimal scheduling,CROS)，移动用户参与数据协作，以系统速率最大化为目标进行用户调度；4.无中继激励的用户公平调度算法(Cooperative non-relay-stimulated fairnessscheduling,CNRSFS)，首先为每个用户匹配中继，然后按比例公平准则调度用户-中继对，该算法不考虑对参与数据协助的用户的补偿；5.动态中继激励的用户公平调度算法(Cooperative dynamic relay-stimulated fairness scheduling,CDRSFS)；

图4是本发明实施例提供的用户总数L＝10用户初始能量E_k(0)＝10³J，信噪比(SNR)不同时采用不同方法获得的系统速率示意图；

由图4可以发现，CROS以系统速率最大化为目标调度用户，能够得到最佳的速率性能，所提CDRSFS能获得次优的系统速率，这是由于该机制将中继用户协助其它用户的贡献以及节点剩余能量信息纳入调度权重的计算，以此实现中继用户的动态补偿，提高了其被调度机会，而作为中继的用户与基站的信道质量往往比较好，因此CDRSFS的系统平均速率较高，CNRSFS未对中继用户进行补偿，其速率性能劣于低于CDRSFS，NCPFS和RR均未使用中继，故系统速率明显低于采用中继的方法，并且，RR对移动用户轮询调度，速率性能最差。

图5是本发明实施例提供的用户数L＝10，SNR＝5dB时采用不同方法的网络生存时间示意图；

网络生存时间(Lifetime,LT)的定义为，当网络中出现第一个节点能量耗光或者小于传输信号所需的能量时，网络正常运行的总时间；

假设用户MS_k(k∈Ω)的初始能量为E_k(0)，第t个时隙传输信号前的剩余能量为在时隙t内MS_k所需(消耗的)能量为：

其中，P_R表示中继的发射功率，P_C表示终端进行数据传输期间电路消耗的平均功率，T_s为一个时隙的长度，当λ＝1时，目的用户直接从BS接收信号；当λ＝1/2时，用户经过中继接收来自BS的数据，在第t+1个时隙传输信号前，用户MS_k的剩余能量成为 $E_k^r(t+1)=E_k^r\left(t\right)-E_k^c\left(t\right);$

图5中，横坐标为系统中全体用户的初始化总能量，设置为P_RT_s的整数倍，纵坐标表示对T_s归一化的网络生存时间，等效于传输次数，由图可见，采用CROS信道质量好的用户以高概率被调度，能量损耗大，导致其网络生存时间最短。采用CDRSFS，通过对中继用户的动态补偿，信道质量好的节点会有更多的机会被调度为目的用户，避免了这些用户长时间作为中继为其它用户提供数据协助，降低了能量消耗，延长了网络生存时间，CDRSFS的网络生存时间优于CNRSFS。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，该用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法中，用户将其与基站的信道状态信息h_k,0反馈给基站，并对满足|h_k,l|＞|h_k,0|条件的用户与中继之间的信道状态信息h_k,l计算R_k,l，将其反馈给基站，基站根据得到的信息计算并比较每个用户的直接传输速率和经过最佳中继转发的可达速率，确定每个用户的可达速率以及是否需要中继，然后基站根据比例公平准则进行调度用户，其中在计算调度权重时，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将该参数和节点的剩余能量信息纳入调度权重的计算。 

2.如权利要求1所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，该用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法包括以下步骤：在任意一个传输时隙t； 

步骤一：初始化已选用户集合为空集，候选用户集合为全体用户集合Ω＝{1,2,…,L}，遍历每个用户MS_k； 

步骤二：用户MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0，用户MS_k根据与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站； 

步骤三：基站利用香农公式分别计算向用户MS_k直接传输的可达速率，以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率，若基站向MS_k直接传输，否则，基站通过中继向MS_k传输； 

步骤四：基站进行用户选择； 

步骤五：用户调度完成后，基站通知目的用户，直接或者通过中继向目的用户传输数据；并更新各个用户k，k∈{1,…,L}的平均数据速率，用于计 算下一个时隙中的用户调度权重，在下一个传输时隙(t+1)的用户调度阶段，重复执行步骤一～步骤五。 

3.如权利要求2所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，在步骤二中MS_k首先对h_k,0和h_k,l进行比较，仅将满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的信道信息h_k,l向BS反馈，MS_k也将满足上述条件的信道信息转换为MS_l到MS_k的可达数据速率，并将该信息反馈给基站。 

4.如权利要求2所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，在步骤三中计算基站向MS_k直接传输的可达速率的公式为： 

基站通过中继MS_l向MS_k传输的可达速率公式为： 

基站通过最佳中继向MS_k传输的可达速率公式为： 

。

5.如权利要求2所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，步骤五中在更新用户的平均数据速率，将中继节点对其他用户的数据协作进行量化，并将参数和节点剩余能量信息引入调度权重的计算。 

6.如权利要求2所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，在步骤五中更新用户k的平均数据速率的公式为： 

其中，

7.如权利要求2所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，对于目的用户取作为参与数据协助的用户平均速率的修正值。 

8.如权利要求1所述的用于协作下行传输的动态中继激励公平调度的方法，其特征在于，该用于协作下行传输动态的中继激励公平调度的方法为： 

步骤一：初始化已选空间子信道集合和候选空间子信道集合； 

基站对下列参数进行初始化，初始化已选用户集合为空集，候选用户集合为全体用户集合Ω＝{1,2,…,L}，遍历每个用户，用户侧通过信道参数估计可获得信道信息，即基站或者中继在所发送的信号前端添加用户侧已知的训练序列，用户依据收到的信号与已知训练数据实现用户与基站或中继之间的信道状态信息h_k,0或h_k,l的估计； 

步骤二：MS_k向基站反馈其与基站的信道状态信息h_k,0，MS_k根据其与中继MS_l(l∈Ω，l≠k)之间的信道状态h_k,l，对满足条件|h_k,l|＞|h_k,0|的MS_l计算R_k,l，并将该信息反馈给基站； 

步骤三：基站根据公式(1)～(3)分别计算，向MS_k直接传输的可达速率以及经过最佳中继中转到达用户MS_k的可达速率并比较和来确定MS_k的可达速率R_k，若基站向MS_k直接传输，否则，基站通过中继向MS_k传输； 

其中，表示与MS_k匹配的最佳中继的标识； 

步骤四：基站根据下列公式进行用户选择； 

其中k^*表示被选择的用户的标号，是到第t-1个时隙为止MS_k的平均数据速率； 

步骤五：用户调度完成后，基站直接或者通过中继向传输数据，各节点按照以下规则进行更新，用于计算下一个传输时隙的用户调度权重； 

其中，调度完成后，基站通知被选择用户并进行下行数据通信，在下一个传输时隙(t+1)的用户调度阶段，重复执行步骤一～步骤五。