CN104822170B - 一种基于节点类型的协作中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于节点类型的协作中继选择方法，其首先根据协作通信系统中各中继节点的供电来源，将协作通信系统分为三种情形，即协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点、协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点或协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点；然后根据不同的情况选择，采用不同的公式来选择中继节点来对数据进行中继转发。本发明的中继选择基于中继设备的能量消耗，形成了与功率受限下的最优功率分配结合的中继选择方法，被选择的中继节点可以最大限度地提升传输速率，同时不浪费系统能耗，另外，本发明还兼顾了信号质量和中继节点功耗，有利于降低全网的干扰水平，提升系统容量。

Description

一种基于节点类型的协作中继选择方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于节点类型的协作中继选择方法。

背景技术

在蜂窝移动网络中，通过在接收端和发射端放置多天线的点对点链路，可以获得空间分集来提高数据的传输速率，并且不会造成带宽和功率的浪费，但是在应用中受到各种现实因素的限制，因而在实际系统中并不一定适用。在协作通信中，利用网内多个用户天线组成分布式系统，将MIMO技术应用到多天线受限的移动终端上，能获得空间分集增益。有关的研究已经产出一些成果或正在进行中，需要指出的是，目前的研究偏重于如何选择中继来提高信道容量、减小端到端传输时延、降低数据传输能耗和接收误比特率，而忽视了现实应用中的一些问题，如中继选择的公平性问题，包括能量消耗的公平性、资源分配的公平性等。具体体现为：

(1)现有研究一般选择信道条件良好的中继链路参与协作通信，因此信道条件良好的中继链路被选择的频率更高，当中继设备为电池供电的用户设备时，中继导致能量的快速消耗，对用户来说是难以承受的，如果用户本身从协作中不能获得收益，就会严重损害用户体验；

(2)中继的非公平选择将导致中继设备负荷的不平衡，高负荷中继的呼叫阻塞概率或者数据端到端时延增大，增大了系统资源调度的难度和系统复杂度；

(3)有效的移动台关联和负荷平衡对于获得高的系统容量至关重要，中继负荷不平衡将对获得高的系统容量带来不利影响。

发明内容

本发明所要解决的是现有协作中继选择方法忽视中继选择的公平性问题，提供一种基于节点类型的协作中继选择方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于节点类型的协作中继选择方法，包括如下步骤：

步骤1，根据协作通信系统中各中继节点的供电来源，将协作通信系统分为三种情形，即协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点、协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点或协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点；

步骤2，根据协作通信系统的情形，确定对应的中继选择方式，即

情形1，当协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点时，用户μ根据公式(1)选择中继节点k₁对数据进行中继转发；即

式中，α₁为移动中继意愿因子；Θ₁为电池供电的中继节点集合；为用户μ在中继节点i链路上的信噪比；为用户μ在中继节点i链路上的中断门限；

情形2，当协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点时，用户μ根据式(2)选择中继节点k₂对数据进行中继转发；即

式中，α₂为固定中继意愿因子；Θ₂为电网供电的中继节点集合；N_j为中继节点j的用户集合的用户数；μ_j为中继节点j的用户集合中用户的用户编号，不同用户的源节点可以不同，目的节点也可以不同；为用户μ_j在中继节点j链路上的信噪比；为用户μ_j在中继节点j链路上的中断门限；用户μ_j满足为用户μ在中继节点j链路上的信噪比；

情形3，当协作通信系统中同时存在电网和电池供电的中继节点时，用户μ选择和中的较大值对应的中继节点对数据进行中继转发；即

当时，则用户μ根据式(1)选择中继节点k₁来对数据进行中继转发；

当时，则用户μ根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发；

当时，则用户μ根据式(1)选择中继节点k₁或根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发；

上述k₁、k₂分别由式(1)和式(2)确定；α₁为移动中继意愿因子；为用户μ在中继节点k₁链路上的信噪比；为用户μ在中继节点k₁链路上的中断门限；α₂为固定中继意愿因子；为中继节点k₂的用户集合中用户的用户编号；为中继节点k₂的用户集合的用户数；为用户在中继节点k₂链路上的信噪比；为用户在中继节点k₂链路上的中断门限；为用户μ在中继节点k₂链路上的信噪比。

上述方案中，移动中继意愿因子α₁的取值范围是α₁≥0；固定中继意愿因子α₂的取值范围是α₂≥0；

上述方案中，中继节点链路由源节点到中继节点链路与中继节点到目的节点链路构成。

上述方案中，Θ₁为满足的电池供电的中继节点集合；Θ₂为满足的电网供电的中继节点集合；

上述方案中，用户μ在中继节点i链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点i链路、中继节点i到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户μ在中继节点j链路上的信噪比其中 分别为源节点到中继节点j链路、中继节点j到目的节点链路的用户μ的信噪比；用户μ_j在中继节点j链路上的信噪比其中 分别为源节点到中继节点j链路、中继节点j到目的节点链路的用户μ_j的信噪比；

同理，用户μ在中继节点k₁链路上的信噪比其中 分别为源节点到中继节点k₁链路、中继节点k₁到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户μ在中继节点k₂链路上的信噪比其中 分别为源节点到中继节点k₂链路、中继节点k₂到目的节点链路的用户μ的信噪比；用户在中继节点k₂链路上的信噪比其中 分别为源节点到中继节点k₂链路、中继节点k₂到目的节点链路的用户的信噪比。

上述方案中，若协作通信系统采用接收合并通信方式，则源节点到中继节点i链路的用户μ的信噪比中继节点i到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点j链路的用户μ的信噪比中继节点j到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点j链路的用户μ_j的信噪比中继节点j到目的节点链路的用户μ_j的信噪比源节点到中继节点k₁链路的用户μ的信噪比中继节点k₁到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点k₂链路的用户μ的信噪比中继节点k₂到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点k₂链路的用户的信噪比以及中继节点k₂到目的节点链路的用户的信噪比分别为合并后的信噪比值。

上述方案中，用户μ在中继节点i链路上的中断门限 分别由式(3)和式(4)确定，即

式中，分别为用户μ在源节点到中继节点i链路上和中继节点i到目的节点链路上的中断门限；分别为用户μ在源节点到中继节点i链路和中继节点i到目的节点链路的衰落信道下和的概率密度函数；

用户μ_j在中继节点j链路上的中断门限 分别由式(5)和式(6)确定，即

式中，分别为用户μ_j在源节点到中继节点j链路和中继节点j到目的节点链路上的中断门限；分别为用户μ_j在源节点到中继节点j链路和中继节点j到目的节点链路的衰落信道下的概率密度函数。

上述方案中，当时，则用户μ根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发。

未做限定修饰的情况下，本发明中的“信噪比”指的是“即时信噪比”。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)根据中继设备的供电来源对中继节点进行合理分类，设计不同场景下的中继选择方法，具有很好的针对性和应用价值；

(2)中继选择基于中继设备的能量消耗，形成了与功率受限下的最优功率分配结合的中继选择方法，被选择的中继节点可以最大限度地提升传输速率，同时不浪费系统能耗，是一种绿色通信方法；

(3)本发明方法兼顾了信号质量和中继设备功耗，有利于降低全网的干扰水平，提升系统容量。

具体实施方式

一种基于节点类型的协作中继选择方法，其应用环境是由源节点、中继节点和目的节点构成的协作通信系统，本方法根据设备供电来源的不同将中继节点的类型区分为采用电池供电的中继节点和电网供电的中继节点，即：(1)协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点；(2)协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点；(3)协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点。与之对应的中继选择方法也包括三种情形，分别如下所示：

情形1：协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点时的中继选择。

当协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点时，用户μ根据公式(1)选择中继节点k₁对数据进行中继转发。即：

式中，α₁为移动中继意愿因子，α₁≥0；表示获取当i分别为集合B中的每一元素时A_i中的最大值对应的i的运算；Θ₁为满足的电池供电的中继节点集合，为用户μ在中继节点i链路(由源节点到中继节点i链路与中继节点i到目的节点链路构成)上的信噪比，Min{A,B}表示取A和B中的最小值的运算，分别为源节点到中继节点i链路、中继节点i到目的节点链路的用户μ的信号的信噪比，如果采用了接收合并技术，则为合并后的信噪比值；为用户μ在中继节点i链路上的中断门限，当低于该中断门限时，设备停止传输用户μ的数据，分别由 确定。分别为用户μ在源节点到中继节点i链路和中继节点i到目的节点链路的衰落信道下和的概率密度函数，不同信道类型和参数有不同的表达式，有研究成果可供利用。

情形2：协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点时的中继选择。

当协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点时，用户μ根据式(2)选择中继节点k₂对数据进行中继转发。即：

式中，α₂为固定中继意愿因子，α₂≥0；Θ₂为满足的电网供电的中继节点集合；N_j为中继节点j的用户集合Φ_j的用户数，Φ_j为中继节点j的用户(可以包括用户μ，也可以不包括用户μ)集合，μ_j为Φ_j中用户的用户编号，用户μ_j满足为用户μ_j在中继节点j链路(由源节点到中继节点j链路与中继节点j到目的节点链路构成，需要指出的是，不同用户的源节点可以不同，目的节点也可以不同)上的信噪比， 分别为源节点到中继节点j链路、中继节点j到目的节点链路的用户μ_j的信号的信噪比，如果采用了接收合并技术，则为合并后的信噪比值；为用户μ_j在中继节点j链路上的中断门限，当低于该用户的中断门限时，设备停止传输用户μ_j的数据，分别由和确定。分别为用户μ_j在源节点到中继节点j链路和中继节点j到目的节点链路的衰落信道下的概率密度函数，不同信道类型和参数有不同的表达式，有研究成果可供利用。为用户μ在中继节点j链路上的信噪比。

情形3：协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点时的中继选择。

当协作通信系统中同时存在电网和电池供电的中继节点时，用户μ选择和中的较大值对应的中继节点对数据进行中继转发，当两者相等时，用户μ可以选择中继节点k₁或k₂进行转发，但在本发明优选实施例中，优选电网供电方式的中继节点k₂对数据进行中继转发。k₁、k₂分别由情形1和情形2中的中继选择方法确定。即：

当时，则用户μ根据式(1)选择中继节点k₁来对数据进行中继转发；

当时，则用户μ根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发。

下面给出实施例用以说明本发明的应用效果。

实施例1：协作通信系统由1个源节点、3个电池供电的中继节点和1个目的节点构成，用中继节点1、中继节点2以及中继节点3区分不同中继。协作分为两个时隙，第一个时隙中源节点广播数据，第二时隙中被选择的中继节点转发数据到目的节点。

采用瑞利衰落信道，运用信道估计的手段测量计算用户μ在各源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的即时信噪比，从而获得用户μ在各源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的平均信噪比由公式求解得到

设置α₁＝1，由信道估计得到中继选择时刻有于是，Θ₁＝{1,2,3}，根据式(1)：求解得到k₁＝2，即应选择中继节点2进行数据转发。

实施例2：协作通信系统由1个源节点、3个电网供电的中继节点和1个目的节点构成，用中继节点4、中继节点5以及中继节点6区分不同中继。协作分为两个时隙，第一个时隙中源节点广播数据，第二时隙中被选择的中继节点转发数据到目的节点。

采用瑞利衰落信道，运用信道估计的手段测量计算得到各中继节点的用户(包括用户μ)在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的即时信噪比，从而获得各中继节点的用户(包括用户μ)在源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的平均信噪比均为10¹ _. ⁵。由公式求解得到l∈Φ_j。

设置α₂＝1，从系统获得各中继节点的用户数分别为：N₄＝2，N₅＝3，N₆＝4，由信道估计得到中继选择时刻有

于是，Θ₂＝{4,5,6}，根据式(2)：求解得到k₂＝4，即应选择中继节点4进行数据转发。

实施例3：协作通信系统由1个源节点、3个电池供电的中继节点、3个电网供电的中继节点和1个目的节点构成，用中继节点1、中继节点2、中继节点3、中继节点4、中继节点5以及中继节点6区分不同中继。协作分为两个时隙，第一个时隙中源节点广播数据，第二时隙中被选择的中继节点转发数据到目的节点。

采用瑞利衰落信道，相应用户、节点和链路的参数设置和数据同实施例1和实施例2，根据式(1)和式(2)分别得到k₁＝2和k₂＝4，由于大于于是选择中继节点2进行数据转发。

本发明从中继设备能量消耗的角度出发，探讨基于节点类型的协作中继选择问题，具有重要的科学意义和应用价值。

Claims (8)

1.一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，根据协作通信系统中各中继节点的供电来源，将协作通信系统分为三种情形，即协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点、协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点或协作通信系统中同时存在电池和电网供电的中继节点；

步骤2，根据协作通信系统的情形，确定对应的中继选择方式，即

情形1，当协作通信系统中仅存在电池供电的中继节点时，用户μ根据公式(1)选择中继节点k₁对数据进行中继转发；即

式中，α₁为移动中继意愿因子；Θ₁为电池供电的中继节点集合；为用户μ在中继节点i链路上的信噪比；为用户μ在中继节点i链路上的中断门限；

情形2，当协作通信系统中仅存在电网供电的中继节点时，用户μ根据式(2)选择中继节点k₂对数据进行中继转发；即

式中，α₂为固定中继意愿因子；Θ₂为电网供电的中继节点集合；N_j为中继节点j的用户集合的用户数；μ_j为中继节点j的用户集合中用户的用户编号；为用户μ_j在中继节点j链路上的信噪比，为用户μ_j在中继节点j链路上的中断门限，用户μ_j满足 为用户μ在中继节点j链路上的信噪比；

情形3，当协作通信系统中同时存在电网和电池供电的中继节点时，用户μ选择和中的较大值对应的中继节点对数据进行中继转发；即

当时，则用户μ根据式(1)选择中继节点k₁来对数据进行中继转发；

当时，则用户μ根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发；

当时，则用户μ根据式(1)选择中继节点k₁或根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发；

上述k₁、k₂分别由式(1)和式(2)确定；α₁为移动中继意愿因子；为用户μ在中继节点k₁链路上的信噪比；为用户μ在中继节点k₁链路上的中断门限；α₂为固定中继意愿因子；为中继节点k₂的用户集合中用户的用户编号；为中继节点k₂的用户集合的用户数；为用户在中继节点k₂链路上的信噪比；为用户在中继节点k₂链路上的中断门限；为用户μ在中继节点k₂链路上的信噪比。

2.根据权利要求1所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

移动中继意愿因子α₁的取值范围是α₁≥0；固定中继意愿因子α₂的取值范围是α₂≥0。

3.根据权利要求1所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

中继节点链路由源节点到中继节点链路与中继节点到目的节点链路构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

Θ₁为满足的电池供电的中继节点集合；Θ₂为满足的电网供电的中继节点集合；其中为用户μ在中继节点j链路上的中断门限。

5.根据权利要求1所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

用户μ在中继节点i链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点i链路、中继节点i到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户μ在中继节点j链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点j链路、中继节点j到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户μ_j在中继节点j链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点j链路、中继节点j到目的节点链路的用户μ_j的信噪比；

同理，用户μ在中继节点k₁链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点k₁链路、中继节点k₁到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户μ在中继节点k₂链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点k₂链路、中继节点k₂到目的节点链路的用户μ的信噪比；

同理，用户在中继节点k₂链路上的信噪比其中分别为源节点到中继节点k₂链路、中继节点k₂到目的节点链路的用户的信噪比。

6.根据权利要求5所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

若协作通信系统采用接收合并通信方式，则源节点到中继节点i链路的用户μ的信噪比中继节点i到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点j链路的用户μ的信噪比中继节点j到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点j链路的用户μ_j的信噪比中继节点j到目的节点链路的用户μ_j的信噪比源节点到中继节点k₁链路的用户μ的信噪比中继节点k₁到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点k₂链路的用户μ的信噪比中继节点k₂到目的节点链路的用户μ的信噪比源节点到中继节点k₂链路的用户的信噪比以及中继节点k₂到目的节点链路的用户的信噪比分别为合并后的信噪比值。

7.根据权利要求1或4所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

用户μ在中继节点i链路上的中断门限其中 分别由式(3)和式(4)确定，即

式中，分别为用户μ在源节点到中继节点i链路上和中继节点i到目的节点链路上的中断门限；分别为用户μ在源节点到中继节点i链路和中继节点i到目的节点链路的衰落信道下和的概率密度函数；

用户μ_j在中继节点j链路上的中断门限其中分别由式(5)和式(6)确定，即

式中，分别为用户μ_j在源节点到中继节点j链路和中继节点j到目的节点链路上的中断门限；分别为用户μ_j在源节点到中继节点j链路和中继节点j到目的节点链路的衰落信道下 的概率密度函数。

8.根据权利要求1所述的一种基于节点类型的协作中继选择方法，其特征是，

当时，则用户μ根据式(2)选择中继节点k₂来对数据进行中继转发。