在蜂窝无线通信系统中确定多个发射功率的方法
技术领域
本发明涉及一种在蜂窝无线通信系统中确定多个发射功率的方法。进一步地,本发明还涉及一种通信设备、计算机程序和其中的计算机程序产品。
背景技术
长期演进(LTE)是众所周知的手机和数据终端进行高速数据蜂窝无线通信的通信标准。LTE基于GSM/EDGE与UMTS/HSPA网络技术,通过使用一个不同的无线接口和核心网改进增加了容量与速度。
LTE标准是由3GPP(第三代合作伙伴计划)研发且在其第8版文件系列中详细说明,第9版中也描述了少量改进。高级LTE—LTE第10版旨在以经济的方式提供更高的比特率,同时,完全满足ITU对高级IMT(也称4G)的要求。
如图1所示,LTE的高级网络架构由以下三个主要部件构成:用户设备(UE)、演进型通用陆地无线接入网(E-UTRAN)、演进型分组核心网(EPC),其中,EPC是所述核心网:
·归属用户服务器(HSS)部件从UMTS和GSM继承,是包含所有网络运营商用户信息的中心数据库。
·分组数据网络(PDN)网关(P-GW)使用SGi接口与外面世界,即分组数据网络PDN通信。每个分组数据网络由一个接入点名称(APN)识别。所述PDN网关与UMTS和GSM中的GPRS支撑节点(GGSN)和GPRS业务支撑节点(SGSN)的角色相同。
·服务网关(S-GW)充当路由器在基站和PDN网关之间转发数据。
·移动性管理实体(MME)通过信令消息以及归属用户服务器(HSS)来控制移动设备的高级运行。
·策略控制和计费规则功能(PCRF)是没有在图1中示出的部件,负责策略控制决策以及控制位于P-GW中的策略和计费执行功能(PCEF)的基于流的计费功能。
每个eNB(即基站)通过所谓的S1接口与EPC连接,所述eNB也可以通过X2接口连接到附近的基站,主要用于切换时的信号发送和包转发。服务网关和PDN网关之间的接口称为S5/S8。有两种略微不同的实现方式,即如果两个设备在相同网络中用S5,如果两个设备在不同网络中用S8。
进一步地,高级LTE网络中也考虑将中继用作工具来如改善高数据速率覆盖、组移动性、临时网络部署、小区边缘吞吐量和/或在新区域中提供覆盖。
这类系统中的中继节点(RN)通过所谓的与网络控制节点如基站相关联的施主小区与无线接入网络进行无线连接。支持中继节点的架构如图2所示。该中继节点终止S1、X2和Un接口。中继技术主要用于增加小区覆盖和小区边缘的用户吞吐量,在这种意义上,RN可以将一个差信道替换为两个好信道,以提高小区边缘用户和基站之间信道的质量。
然而,与没有中继节点的传统无线蜂窝网络相比,中继网络消耗更多能量,在这种意义上,中继节点通常比UE使用更多的能量进行操作。网络容量和覆盖的增加大部分来自于中继节点额外的能量消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方案,以减少或解决现有技术方案的缺点和问题。
本发明另一目的在于提供一种在蜂窝中继网络中高效节能传输的方案。
根据本发明第一方面,上述目标通过一种在蜂窝无线通信系统中确定多个发射功率的方法实现,所述通信系统包括:至少一个网络控制节点、M个相邻中继节点j=1,2,…,M和N个用户节点i=1,2,…,N;所述M个中继节点服务于所述N个用户节点,所述网络控制节点通过充当所述M个中继节点的施主网络控制节点,与所述M个中继节点合作;所述方法包括如下步骤:
通过将表示所述N个用户节点的信道容量总和与所述N个用户节点和所述M个中继节点的发射功率总和的比率的效用函数最大化,同时计算每个用户节点和每个中继节点的发射功率,其中是用户节点i的发射功率,是中继节点j的发射功率。
上述方法的不同实施例在附属权利要求中定义。
此外,本方法可以包含在计算机程序中,当通过处理方法运行时,可使所述处理方法执行本方法。一种计算机程序产品可以包括所述计算机程序和计算机可读介质。
根据本发明第二方面,上述目标通过一种用于在蜂窝无线通信系统中进行通信的通信设备实现,所述通信系统包括:至少一个网络控制节点、M个相邻中继节点j=1,2,…,M和N个用户节点i=1,2,…,N;所述M个中继节点服务于所述N个用户节点,所述网络控制节点通过充当所述M个中继节点的施主网络控制节点,与所述M个中继节点合作;所述通信设备包括:
计算单元,用于通过将表示所述N个用户节点的信道容量总和与所述N个用户节点和所述M个中继节点的发射功率总和的比率的效用函数最大化,同时计算每个用户节点和每个中继节点的发射功率,其中是用户节点i的发射功率,是中继节点j的发射功率。
所述通信设备可以根据本方法的不同实施例而作出必要的修改。
本发明提供在蜂窝中继网络中计算用户节点和中继节点的发射功率的算法,所述蜂窝中继网络通过新的效用函数来考虑所提到网络中的能效,即,信道容量对发射功率。因此,通过将表示用以获得发射功率的效能的效用函数最大化,提供发射功率高效算法。从而,在没有容量丢失情况下,提高中继网络的能效。
此外,也为用户节点及其关联的中继节点和施主网络控制节点提供了合作中继方案,进一步提供相对于现有技术的优势。
以下将对本发明的更多应用和优势进行清晰具体的描述。
附图说明
附图意在阐明和阐释本发明的各项实施例,其中:
图1示出了LTE系统架构的概览图;
图2示出了支持中继节点(RN)的E-UTRAN架构的概览图;
图3示出了传统蜂窝网络(左图)和本发明的中继网络I(右图)的布局;
图4示出了传统蜂窝网络(左图)和本发明的中继网络II(右图)的布局;
图5示出了本发明实施例的合作中继方案中的不同无线信道和发送/接收流;
图6是示出本发明合作方案实施例的流程图。
具体实施方式
本发明考虑并解决如何在蜂窝中继网络中实现能量消耗和容量之间的平衡,即定义为容量除以其中的总能量消耗的容量效率。本发明提供新的方案,通过控制移动节点和中继节点的发射功率,在没有容量丢失的情况下提高中继网络的能效。更精确地说,此处定义的能效不必是发明人以前所知的知识。
通过解出本发明的具体效用函数,分别决定用户节点(UN)和中继节点(RN)的发射功率。通常情况下,本方法包括如下步骤:通过将表示所述N个UN的信道容量总和与所述N个UN和M个RN的发射功率总和的比率的效用函数最大化,同时计算每个UN(例如,移动台,如UE)和每个RN的发射功率,其中是UN i的发射功率,是RN j的发射功率。相应的,所述UN和RN在上行链路中发送通信信号以及所述计算出的各自的发射功率。
本效用函数构造为最大化所述容量与总效能的比率,但是是有限制的,即根据实施例,每个UN的信道容量都超过给定的信道容量阈值θC。根据本发明另一实施例,所述效用函数对UN和RN各自的发射功率都有限制,因此所述效用函数可以表示为:
s.t. Ci≥θC;
其中,θC是最小容量阈值,分别是UN和RN的最小和最大发射功率的预设阈值,是UN i的信号发射功率,是RN j的信号发射功率,N是UN的个数,M是RN的个数,Ci是UN i的容量。
所述信道容量阈值θC可以是固定的(即静止的)或者是随时间变化并取决于一个或多个其他参数。根据一个实施例,上述参数可以,如涉及UN的分布,或网络控制节点(NCN)为所述UN和所述NCN间的直接通信而设置的容量阈值。
本计算发射功率的方法可以在蜂窝系统的任何合适的NCN中执行。根据优选实施例,该计算在所述NCN中执行,随后通过适合的信道发送给所述UN和RN。因此,UN和RN的发射功率可以当作快或慢功率控制环路中的功率控制来执行。合适的网络控制节点是一些蜂窝系统中使用的基站节点。因此,根据本发明另一实施例,所述蜂窝系统可以是3GPP通信系统,所述基站可以是eNB,所述UN可以是UE。
根据本发明的又一实施例,所述RN在解码和转发(DF)模式中运行。在DF模式中,在将所述接收到的信号转发至施主网络控制节点进行进一步处理之前,中继节点将从其服务的用户节点接收到的信号解码并重新编码。
根据本发明实施例,本发明也提供了合作中继方案。结合图5,本中继方案涉及3条链路,即,直连链路、接入链路和回程链路。所述直连链路是所述UN和所述NCN之间的链路;所述接入链路是指所述UN和所述RN之间的链路;而所述回程链路是所述RN和所述施主NCN之间的链路。
根据本实施例,本发明的所述合作中继方案作用于蜂窝系统的上行链路,进一步地,RN在上文已解释过的众所周知的解码和转发模式中运行。此外,此设置中的合作中继方案涉及第一相邻RN(RN1)和第二相邻RN(RN2),所述第一中继节点RN1和第二中继节点RN2分别服务的第一UN(UN1)和第二UN(UN2),以及施主NCN。然而,应注意的是,本方法可以容易地扩展到在放大和转发(AF)模式中运行的RN。不同之处在于在AF模式中,所述RN根据阿拉莫提方案在回程链路的物理层中转发信号,因此,与下文描述的方法相比,容量的计算会有一点不同。
本实施例提供的一般合作方法包括:
·UN1和UN2在第一时隙t1分别发送通信信号s1和s2;
·RN1、RN2和NCN接收信号s1和s2;
·RN1和RN2在第二时隙t2转发s1和s2至所述NCN;
·NCN从RN1和RN2接收s1和s2;
·基于从所述RN和所述UN接收的信号,所述NCN分别计算UN1和UN2的信道容量Ci。
本实施例还可以进一步修改,使得从RN1和RN2到NCN的转发按照阿拉莫提方案进行,这就意味着所述方法还包括:
·RN1和RN2在第三时隙t3分别转发/发送和(其中,*表示复共轭)至NCN。
·NCN从RN1和RN2接收和
·所述NCN合并所有接收到的所述信号s1和s2的表征。
因此,所述NCN合并所有接收到的信号s1和s2的表征并计算用在上述提到的效用函数中的UN1和UN2的信道容量。所述信号的发送方案在如表1所示的空间和时间上实现。
表1:信号发送方案
说明:T:符号持续期;S:发送信号;R:接收信号;和接入链路上接收的信号;rd:直连链路上接收的信号;和回程链路上接收的信号。
根据本发明又一实施例,如果所述UN中一个没有通信信号要在上行链路中发送,所述合作中继方案回归到简单中继方案或直接发送方案。在简单中继方案中,所述UN发送的用于网络控制节点的信号由所述RN转发,在直接发送方案中,所述UN不用中间中继,直接发送上行信号至所述NCN。图6为上述提到本发明实施例的流程图,其中N表示否,Y表示是。
如上所述,在本合作中继方案中,由所述NCN计算所述UN的信道容量。为了下文描述的方便,发送器和接收器之间的信道如图5所示。进一步地,假设发送器和接收器之间的所有无线信道都以准静止瑞利平衰落信道为模型,且衰落跨两个连续符号不变,如,对于 其中T是符号持续期。对于UN是固定的或缓慢移动的场景,这些假设都是合理的。该系统模型考虑了加性高斯白噪声(AWGN)。在不丢失普遍性的情况下,假设采用BPSK调试,使得初始比特为bi∈{0,1},i=1,2,调制的符号则为si=BPSK(bi)∈{+1,-1}。
1)直接和接入链路传输
UN1和UN2分别发送s1和s2到RN1、RN2和NCN,所接收的信号如下给出:
其中,和、是UN1和UN2的信号发射功率,nd是热噪声,和Id是来自整个网络中其他UN的干扰,所述热噪声和干扰假设为本发明接收器的高斯噪声。
在RN1和RN2接收的信号和可以估算为:
其中,是的复共轭。等效噪声的功率可以表示如下:
所述接入链路的b1和b2的对应误比特率(BER)可能性用如下公式表示:
其中,erfc(x)是互补误差公式,定义为:
2)回程链路传输
RN1和RN2分别转发/发送从UN1和UN2接收的信号s1和s2至基于阿拉莫提方案的NCN。如果s1和s2在RN1和RN2上正确解调解码,RN1和RN2重新编码且重新调制s1和s2,然后在时隙t2和t3根据表I中的方案转发所述信号至NCN。在NCN接收的信号给出如下:
其中是RN1和RN2信号发射功率,是热噪声,和是来自中继网络中其他RN的干扰。和如下定义:
3)直连和回程链路组合:
所述NCN通过最大比合并(MRC)将从UN1和UN2接收的信号和从RN1和RN2转发的信号合并。和如下定义衍生:
与选择1)类似,等效噪声的功率可以表示如下:
通过NCN上的合并,b1和b2的对应BER可能性可以用公式表示为:
因此,通过合作中继,b1和b2的BER可能性给出如下:
UN i的平均BER可以用公式表示为:
其中pf(b1)是原始比特b1的发送可能性。
假设实数符合下面的等式:
因此,sj(j=1,2)发射时的UN i的容量可以使用信息论中的香农公式计算,如下:
从而,根据本发明,UN i的容量,即Ci可以用于上述效用函数中来计算发射功率。因此,所述UN和RN的发射功率能够以定期间隔更新。
中继网络架构
此外,现有技术广泛使用传统六边形蜂窝网络架构。在这样的网络架构的每个六边形小区中,配有3个定向天线(两个相邻天线之间的角是120°)的NCN(如,基站)位于所述六边形宏小区的中心。
本发明的当前中继网络通过在所述宏蜂窝网络中部署RN来构建。中继节点在小区覆盖内均匀地部署在施主NCN(如,BS)的周围,使得更多UN(如,UE)可以从通过中继带来容量提升增益中收益。在传统蜂窝网络中,信号衰减是最大的障碍之一。信号质量随着两个通信端之间距离的增大而恶化。在网络中部署RN可以缩短BS和UE之间的通信距离,从而增加容量,尤其是对于小区边缘的UE来说。因此,本中继网络增加了覆盖范围和容量。
根据本发明一实施例,在第一中继网络架构中,所介绍的RN部署在每个宏小区边缘,且宏蜂窝网络中的每个宏小区划分为两个区域,即:如图3所示的中心区域和边缘区域。所述中心区域由在基线模型中充当宏NCN(如,BS)角色的中心NCN覆盖。所述中心区域又通过上文提到的中心NCN的定向天线进一步分为3部分。边缘区域位于每个基本规则的六边形小区的边缘,其中所述边缘区域划分为6个小六边形小区,每个中继小区都有一个RN。所述6个RN转发上行信号至中继小区中的UN,从而与位于中心的NCN合作。所述合作由NCN进行协调,所述NCN是其关联RN的施主NCN。
根据本发明另一实施例,在第二中继网络架构中,中心区域由在基线模型中充当宏NCN(如,BS)角色的中心NCN覆盖。所述中心区域通过位于中心的NCN的定向天线进一步分为3部分。边缘区域位于每个基本规则的六边形小区的边缘,其中所述边缘区域划分为12个小六边形小区,每个中继小区都有一个RN。所述12个小中继小区分为两组,每组以同一颜色表示,分散的同一颜色的六个小区由同一中心BS控制。中间区域的6个小的小区由6个RN覆盖。每个中心小区都有一个RN。
另外,本领域的技术人员应理解,根据本发明的任意方法也可以在具有编码方式的计算机程序中实现,当通过处理方式运行时,可使所述处理方式执行方法步骤。计算机程序包括在计算机程序产品的计算机可读介质之中。计算机可读介质可以基本包括任意存储器,比如ROM(只读存储器),PROM(可编程只读存储器),EPROM(可擦除可编程只读存储器),闪存,EEPROM(电可擦可编程只读存储器)以及硬盘驱动器。
本发明还涉及一种通信设备。优选地,本通信设备是网络控制节点,更优选地,是基站设备,比如LTE系统中的eNB。
技术人员实现所述通信设备包括函数、方法、单元、元素等形式的通信能力,用以根据本发明执行所述方法,这表示设备可以根据本发明的方法作出必要的修改。这些方法、单元、元素、函数的例子为:适合于排列在一起的接收器、发送器、处理器、编码器、解码器、映射单元、倍增器、交织器、解交织器、调制器、解调器、输入、输出、天线、放大器、DSP等。此外,所述通信设备还包括计算单元,用于通过将本效用函数最大化以同时计算每个用户节点和每个中继节点的发射功率。所述计算单元可以是处理器的软件应用或者是硬件实现方式。
特别地,所述通信设备的处理器可包括例如一个或多个中央处理器(CPU)、处理单元、处理器、专用集成电路(ASIC)、微处理器或其他可解释或执行指令的处理逻辑的实例。“处理器”的表达可以表示一个处理线路,包括多个处理电路,例如上述提到的任一、一些或所有的处理电路。所述处理电路还可执行输入、输出和包括数据缓冲的数据处理的数据处理功能和设备控制功能,例如,呼叫处理控制、用户界面控制等。
最后,应了解,本发明并不局限于上述实施例,而是同时涉及且并入所附独立权利要求书的范围内的所有实施例。