CN105050196B - 基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法，包括多个需要发送信息的用户以及多个需要接收信息的用户，两者之间通过单个具有缓存功能的全双工中继来实现信息传递，从而使全双工中继高效协助多用户之间的通信，提高系统吞吐量；多对相互通信的用户工作于半双工模式下，通过将发送信息发送到全双工中继处被接收并按照一定的算法缓存下来，中继根据信道测量的结果，按照给定的调度算法转发缓存里的信息，并为下一时隙接收和转发信息初始化状态信息，每个时隙重复上述步骤，从而保证基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统高效运行，实现吞吐量的最大化。

Description

基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法
技术领域
本发明涉及领域通信领域，具体是一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法。
背景技术
随着用户速率和业务量需求的飞速增长，无线通信系统所需的带宽不断增大，对频谱资源的需求迅速增加，而且下一代无线通信技术5G网络定位于速度更快，容量更大的无线网络。数据传输速率和容量的提升，面临着频谱资源紧缺和频谱利用效率提升的瓶颈，突破瓶颈限制的关键在于引入新型的空口技术。现有的无线通信系统中使用的资源复用技术包括时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)，频分复用(FDM，FrequencyDivision Multiplexing)，例如已投入商业运营的4G蜂窝网络的两种主流制式，TDD-LTE和FDD-LTE的上下行复用方式分别是时分和频分方式。传统的无线通信理论认为无线通信设备的收发机射频端在同一个时隙同一个频段内只能进行发射信号或接收信号的一种工作模式，设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作是不可能的。随着微电子工艺和数字信号处理技术在无线射频领域的快速发展和进步，新型空口技术已将同时同频全双工技术(Co-time Co-frequency Full Duplex,CCFD)作为新的解决频谱资源匮乏的新技术。
全双工(Full duplex，FD)技术在协作通信系统的应用已成为学术研究的热点问题，随着移动互联网的蓬勃发展，无线流量将会在未来的通信网络中猛增，全双工中继模型已有大量文献进行了建模和性能分析，包括全双工单向中继系统，全双工双向中继系统等。许多应用场景比如移动用户通过蜂窝基站或中继与另一个移动用户通信，无线局域网(WLAN)中无线上网终端通过无线接入点AP(Access Point)接入互联网实现与业务服务器或其他接入互联网的终端，基于缓存的全双工中继系统中，对多用户对进行选择的场景将会在下一代无线蜂窝系统和WIFI系统中得到越来越广泛的应用。
目前关于全双工中继的应用中，仅考虑了中继采用放大-转发(Amplify-Forward，AF)或者解码-转发(Decode-Forward，DF)方式处理收到的信号，这种简单的信息处理方式适用于单用户对之间进行信息的交互。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法，基于缓存的全双工中继的协作通信模型中引入多用户对通信，利用解码-转发模式进行相关内容缓存和发送，灵活高效，复杂度低。本发明不仅提出了基于全双工中继缓存的多用户通信系统模型，并给出了一种低复杂度的通信调度方法，使得系统的吞吐量最大化。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统，包括多个需要发送信息的用户以及多个需要接收信息的用户，两者之间通过单个具有缓存功能的全双工中继来实现信息传递，从而使全双工中继高效协助多用户之间的通信，提高系统吞吐量。
多对相互通信的用户工作于半双工模式下，通过将发送信息发送到全双工中继处被接收并按照一定的算法缓存下来，中继根据信道测量的结果，按照给定的调度算法转发缓存里的信息，并为下一时隙接收和转发信息初始化状态信息，每个时隙重复上述步骤，从而保证基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统高效运行，实现吞吐量的最大化。
一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法，用于对上述的系统进行通信调度，所述方法包括：中继采用解码-转发模式，进行信道的估计测量，得出接入用户到中继节点和中继节点到信号接收终端间的信道系数hiR和hRj，其中i,j＝1,2,3..N，然后根据计算|hiR|2和|hRj|2，并分别进行排序，确定接入用户的标号l和中继转发信息的用户的标号r，中继进行信息的接收和发送。
根据导频信号和同步信号，进行信道的估计测量，得出接入用户到中继节点和中继节点到信号接收终端间的信道系数hiR和hRj的方法。
所述信道系数hiR和hRj的概率分布均服从复高斯分布。
对所述|hiR|2和|hRj|2按照从大到小的顺序依次排序为|hp|2和|hq|2，其中：p＝1,2,3...N,q＝1,2,3...N。
所述确定接入用户的标号l的具体方法是：
中继检测缓存Buffer状况并标记,分为三种情况，某个Buffer为空，已满或者不空且未满；
若所有的Buffer为空，则将K个Buffer分配给|hp|2(p＝1,2,3...N)中前K个对应的用户；否则，依次按|hp|2所对应的用户进行选择；
若最大值对应的Buffer为空或未满，则此用户被选为接入用户进行信息缓存；若|hp|2中最大值对应的Buffer已满，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；
重复上述操作，直到确定接入用户的标号l。
所述确定中继转发信息的用户的标号r的具体方法是：
依次按|hq|2所对应的用户进行选择，若最大值对应的Buffer不为空，则此用户被选为中继转发信息的用户进行相应缓存内容的发送；
若|hp|2中最大值对应的Buffer为空，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；
重复上述操作，直到确定中继转发信息的用户的标号r。
不同于传统的只有一个缓存的技术方案，本发明中继节点具有多个有限存储空间的缓存队列，在缓存用户节点发送过来的信息时具有不同的缓存状态，并综合缓存状态和信道状况选择相应的接收用户和发送用户，从而建立基于中继的无线通信链路，实现全双工中继同频同时收发信息的功能，充分利用全双工模式的优势。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明首先合理地解决了全双工中继系统中对用户对通信的调度问题，提升了单位能量所能传输的比特数。
2、本发明首先引入了全双工的中继缓存模型，并进行了缓存接收信息和发送缓存已有内容的策略。
3、本发明的提供的对用户对通信的调度方案和缓存策略方便快捷，而且考虑全面，有效地提高了整个中继系统的服务质量和系统总的吞吐率。
4、本发明首先建立了全双工缓存中继协作通信机制，与传统中继模型相比具有较大的灵活性，增大了系统吞吐量。
5、本发明首先将多用户对引入带缓存的中继通信场景中，通过信道测量等已知信息建立以总吞吐量最大为目标的多用户缓存策略。
附图说明
图1为本发明装置结构组成示意图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的描述。
图1所示，本发明提供的基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统，包括多个需要相互通信的用户对和具有缓存功能的全双工中继，而且缓存具有有限的存储空间。
结合图2所示，对本发明基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法做具体的说明。
全双工工作模式下的中继系统中的交互信息的用户节点和中继节点在时刻t的接收信号表达式分别为：
Y2(t)＝h12X1(t)+k2X2(t)+w2
Y3(t)＝h23X2(t)+k3X3(t)+w3
其中Y2(t)，Y3(t)分别为中继节点和右边节点的接收信号；X1(t)，X2(t)，分别为左边用户节点和中继节点的发送信号；hij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)表示节点i到节点j之间的无线信道系数，且其概率分布服从复高斯分布，即：hij～CN(0,σij)；wi(i＝1,2,3)表示节点i处的高斯噪声，它们也都服从复高斯分布wi～CN(0,N0)，其方差同为N0。
在具有缓存功能的中继系统中，在同一频段上每一个时隙只能有一个用户接入，即受到一个用户发送过来的信号，由于中继工作于全双工模式下，在同一时刻还能转发已收到的信号，建立两个用户间的无线通信链路。在此场景中，假设有N对用户需要通过中继相互通信，而中继的缓存Buffer只有K个，且K<N，如何选择哪个用户接入和发送哪个Buffer里的数据以使系统的总的数据速率最大化。
图2所示，本发明所提供的方法，首先建立基于全双工中继的多用户对通信系统，中继采用解码-转发(Decode-Forward)模式，然后进行信道的估计测量，得出接入用户到中继节点和中继节点到信号接收终端间的信道系数hiR和hRj(i,j＝1,2,3...N)，然后根据计算|hiR|2和|hRj|2，并分别进行排序。确定接入用户的标号l和中继转发信息的用户的标号r，中继进行信息的接收和发送。
本发明一实施例如下：
1)根据信道测量得到左侧发送信息的各个用户和中继间的信道系数hiR(i＝1,2,3...N)，以及中继到接收信息的各个用户间的信道系数hRj(j＝1,2,3...N)；
2)计算|hiR|2和|hRj|2(i,j＝1,2,3...N)，并按照从大到小的顺序分别对|hiR|2和|hRj|2依次排序为|hp|2(p＝1,2,3...N)和|hq|2(q＝1,2,3...N)；
3)中继检测缓存Buffer状况并标记,分为三种情况，某个Buffer为空，已满或者不空且未满。
4)若所有的Buffer为空，则将K个Buffer分配给|hp|2(p＝1,2,3...N)中前K个对应的用户；否则，依次按|hp|2所对应的用户进行选择，若最大值对应的Buffer为空或未满，则此用户被选为接入用户进行信息缓存；若|hp|2中最大值对应的Buffer已满，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；重复上述操作，直到确定接入用户的标号l；
5)依次按|hq|2所对应的用户进行选择，若最大值对应的Buffer不为空，则此用户被选为中继转发信息的用户进行相应缓存内容的发送；若|hp|2中最大值对应的Buffer为空，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；重复上述操作，直到确定中继转发信息的用户的标号r；
6)上述步骤已选出接入用户的标号l和中继转发信息的用户的标号r，中继进行信息的接收和发送。
7)在发送和接收周期中循环重复上述步骤，可确保系统的吞吐量最大化。
上述实施例仅用于说明本发明技术方案，但其并不是用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法，其特征在于，包括多个需要发送信息的用户以及多个需要接收信息的用户，两者之间通过单个具有缓存功能的全双工中继来实现信息传递，从而使全双工中继高效协助多用户之间的通信，提高系统吞吐量；
缓存算法和调度算法包括如下：
中继采用解码-转发模式，进行信道的估计测量，得出接入用户到中继节点和中继节点到信号接收终端间的信道系数hiR和hRj，然后计算|hiR|2和|hRj|2，对|hiR|2和|hRj|2按照从大到小的顺序依次排序为|hp|2和|hq|2，p＝1,2,3...N,q＝1,2,3...N，确定接入用户的标号l和中继转发信息的用户的标号r，中继进行信息的接收和发送,i,j＝1,2,3...N，N为需要通过中继相互通信的用户对数，其中，确定接入用户的标号l的具体方法是：
中继检测缓存Buffer状况并标记,分为三种情况，某个Buffer为空，已满或者不空且未满；
若所有的Buffer为空，则将K个Buffer分配给|hp|2(p＝1,2,3...N)中前K个对应的用户；否则，依次按|hp|2所对应的用户进行选择；
若最大值对应的Buffer为空或未满，则此用户被选为接入用户进行信息缓存；若|hp|2中最大值对应的Buffer已满，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；
重复上述操作，直到确定接入用户的标号l；
所述确定中继转发信息的用户的标号r的具体方法是：
依次按|hq|2所对应的用户进行选择，若最大值对应的Buffer不为空，则此用户被选为中继转发信息的用户进行相应缓存内容的发送；
若|hp|2中最大值对应的Buffer为空，则从第二大的值所对应的用户进行选择判断；
重复上述操作，直到确定中继转发信息的用户的标号r。
2.根据权利要求1所述的基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法，其特征在于，多对相互通信的用户工作于半双工模式下，通过将发送信息发送到全双工中继处被接收并按照所述缓存算法缓存下来，中继根据信道测量的结果，按照所述调度算法转发缓存里的信息，并为下一时隙接收和转发信息进行初始化状态信息。
3.根据权利要求1所述的基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法，其特征在于，根据导频信号和同步信号，进行信道的估计测量，得出接入用户到中继节点和中继节点到信号接收终端间的信道系数hiR和hRj的方法。
4.根据权利要求1所述的基于全双工中继缓存的多用户通信调度方法，其特征在于，所述信道系数hiR和hRj的概率分布均服从复高斯分布。
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