CN105554817A - 一种负荷公平的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负荷公平的中继选择方法，所述方法包括：利用给出的节点功率负荷概率密度函数的闭式，计算每个候选中继节点功率负荷的概率密度函数；计算每个候选中继节点被选中时的系统中断概率，在保证系统中断概率P_o≤Γ_th(Γ_th为中断概率门限)的前提下选择功率负荷最小的候选中继节点进行数据中继。本发明从负荷平衡的角度出发，在保障中断性能的同时提升中继选择公平性，可以解决协作通信系统的负荷公平中继选择问题。

Description

一种负荷公平的中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线协作通信领域，具体涉及一种负荷公平的中继选择方法。

背景技术

中继选择的公平性是影响网络性能的关键因素，特别是当中继节点由电池供电时，如果中继传输如一般中继选择算法那样总是选择链路信噪比高的中继节点，会导致部分中继节点能量的快速消耗，降低网络生命周期，甚至导致覆盖盲区，影响整个网络的性能。另一方面，在移动网络中，负荷平衡是保证网络容量的必然要求，这也要求公平的中继选择。已有研究主要从等能耗角度研究中继选择的公平性，在链路自适应传输体制下研究负荷公平的中继选择方法，目前尚不多见。

发明内容

本发明首先给出了一种自适应功率分配的协作通信系统模型，继而从负荷平衡的角度出发，在保障中断性能的同时提升中继选择公平性，提供了一种负荷公平的中继选择方法。其中，获得中继节点功率负荷的概率密度函数是负荷公平中继选择方法的关键，利用本发明中给出的中继节点功率负荷概率密度函数的闭式，可以解决协作通信系统的负荷公平中继选择问题。

本发明给出的自适应功率分配的协作通信系统模型由一个源节点S、一个目的节点D和K个译码转发类型的候选中继节点组成，当某中继节点与进行中继选择的移动台之间链路的信噪比大于此链路的中断门限时，该中继节点可以确定为候选中继节点。不同于一般的协作通信系统模型的特征在于:(1)当移动台u需要进行中继选择时，从负荷平衡的角度考虑公平的中继选择方法；(2)若根据该中继选择方法选出候选中继节点i进行数据中继，则该中继节点对移动台u的发射功率为其中表示候选中继节点信道的平均功率限制，是第i个候选中继节点与移动台u(即目的节点)之间链路的中断门限，γ_2i,u表示第i个候选中继节点与移动台u之间链路的信噪比，当γ_2i,u低于时，该链路发生中断。

在本发明所给出的协作通信系统模型中，第i个候选中继节点的功率负荷定义为： ${\mathrm{\η}}_i={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}\frac{\stackrel{\‾}{P}(1/{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,l)}-1/{\mathrm{\γ}}_{2i,l})}{P_{max}},$

其中： 表示候选中继节点信道的平均功率限制，P_max表示候选中继节点的最大发射功率。N_i是第i个候选中继节点正在服务的移动台数目。是第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的中断门限，γ_2i,l表示第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的信噪比，当γ_2i,l低于时，该链路发生中断。

为了实现负荷公平的中继选择，本发明提供如下中继选择方法：保证系统中断概率P_o≤Γ_th(Γ_th为中断概率门限)的前提下选择功率负荷最小的候选中继节点进行数据中继。实现该方法需要获得候选中继节点功率负荷的概率密度函数，所述概率密度函数表达式为：

$\begin{array}{c}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)=\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\underset{\left(p_{i,1},\mathrm{...}{p}_{i,N_i},q_{i,1},\mathrm{...}{q}_{i,N_i}\right)\∈{\mathrm{\Ξ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{a}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}}{c}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}}\frac{{\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,1}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}}{2\sqrt{\mathrm{\π}{({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}})}^3}}\\ \×\exp \left\{-\frac{{\left({\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}\right)}^2}{4\left({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\right)}\right\}\end{array}.$

其中：i表示候选中继节点编号；Ξ_i为第i个候选中继节点的p_i,1、…、p_i,Ni、q_i,1、…、q_i,Ni的组合，p_i,l和q_i,l分别等于0或1且p_i,l+q_i,l＝1；l＝1、…、N_i，为一个候选中继节点正在服务的移动台的编号，N_i为第i个候选中继节点正在服务的移动台数目； 为第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的中断门限，由 ${\∫}_{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,l)}}^{+\mathrm{\∞}}(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,l)}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{2i,l}})\frac{1}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,l}}}{e}^{\frac{-{\mathrm{\γ}}_{2i,l}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,l}}}}{\mathrm{d\γ}}_{2i,l}=1$ 计算得到，γ_2i,l、分别为第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的信噪比和平均信噪比；系数a、b、c、d取值范围都是[-3,3]。

所述系统中断概率P_o的表达式为：

$P_o=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}\[\left(1-e^{-\frac{{\mathrm{\γ}}_o^{\left(2i,u\right)}}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}\right)\underset{j\≠i}{\overset{K}{\underset{j=1}{\mathrm{\Π}}}}{\∫}_0^{\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_j-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_j-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)}{\∫}_0^{\min \left\{{\mathrm{\η}}_j,\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_i-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_i-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)\right\}}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)f_{{\mathrm{\η}}_j}\left({\mathrm{\η}}_j\right){\mathrm{d\η}}_i{\mathrm{d\η}}_j\].$

其中：max{A,B}、min{A,B}分别表示取A和B中的最大值和最小值；K为候选中继节点的数目；j表示排除候选中继节点i的候选中继节点的编号；为第i个候选中继节点与进行中继选择的移动台u之间链路的中断门限，由 ${\∫}_{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,u)}}^{+\mathrm{\∞}}(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,u)}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}})\frac{1}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}{e}^{\frac{-{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}}{\mathrm{d\γ}}_{2i,u}=1$ 计算得到，γ_2i,u、分别为第i个候选中继节点与进行中继选择的移动台u之间链路的信噪比和平均信噪比。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明，具体的实施例以协作通信系统为例。协作通信系统由一个源节点S、一个目的节点D和K个译码转发类型的候选中继节点组成，选取与进行中继选择的移动台之间链路的信噪比大于该链路的中断门限的任意中继节点为候选中继节点。不失一般性，由于相距很远或被阻挡，目的节点接收不到来自源节点的信号，采用瑞利信道。当移动台u需要进行中继选择时，选出的中继节点对移动台u的发射功率为第i个候选中继节点的功率负荷为中继选择方法为保证系统中断概率P_o≤Γ_th的前提下选择功率负荷最小的候选中继节点进行数据中继。

根据以上所述，第i个候选中继节点的功率负荷为：

${\mathrm{\η}}_i=\underset{l=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\stackrel{\‾}{P}(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{\left(2i,l\right)}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{2i,l}})}{P_{\max }}=\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\underset{l=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{\left(2i,l\right)}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{2i,l}}\right);$

其中， $0\≤{\mathrm{\η}}_i\≤\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{max}}\left({\mathrm{\ϵ}}_i-max\left\{{\mathrm{\ϵ}}_i-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right).$ 令 ${\mathrm{\ϵ}}_i=\underset{l=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,l)}},{\mathrm{\χ}}_i={\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}1/{\mathrm{\γ}}_{2i,l};$ 由

${\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}={\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\χ}}_i,{\mathrm{\χ}}_i={\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},$ 于是η_j的概率密度函数为：

$f_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)=\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}{f}_{{\mathrm{\χ}}_i}({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}).$

其中为χ_i的概率密度函数，且有：

$\begin{array}{c}{f}_{{\mathrm{\χ}}_i}\left({\mathrm{\χ}}_i\right)=\underset{\left(p_{i,1},\mathrm{...}{p}_{i,N_i},q_{i,1},\mathrm{...}{q}_{i,N_i}\right)\∈{\mathrm{\Ξ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{a}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}}{c}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}}\frac{{\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,1}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}}{2\sqrt{{\mathrm{\π\χ}}_i^3}}\\ \×\exp \left\{-\frac{{\left({\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}\right)}^2}{4{\mathrm{\χ}}_i}\right\}\end{array},$

其中，优选取值：a＝1.727，b＝0.8815，c＝-0.7186，d＝1.858；Ξ_i为第i个候选中继节点的p_i,1、…、q_i,1、…、的组合，p_i,l和q_i,l分别等于0或1且p_i,l+q_i,l＝1；于是：

$\begin{array}{c}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)=\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}{f}_{{\mathrm{\χ}}_i}\left({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\right)\\ =\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\underset{\left(p_{i,1},\mathrm{...}{p}_{i,N_i},q_{i,1},\mathrm{...}{q}_{i,N_i}\right)\∈{\mathrm{\Ξ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{a}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}}{c}^{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}}\frac{{\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,1}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}}{2\sqrt{\mathrm{\π}{({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}})}^3}}\\ \×\exp \left\{-\frac{{\left({\mathrm{b\Σ}}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}{v}_{i,l}+{\mathrm{d\Σ}}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}\right)}^2}{4\left({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\right)}\right\}\end{array}.$

由于k＝i,j，系统中断概率可以表示为：

$P_o=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}\[\left(1-e^{-\frac{{\mathrm{\γ}}_o^{\left(2i,u\right)}}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}\right)\underset{j\≠i}{\overset{K}{\underset{j=1}{\mathrm{\Π}}}}{\∫}_0^{\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_j-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_j-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)}{\∫}_0^{\min \left\{{\mathrm{\η}}_j,\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_i-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_i-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)\right\}}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)f_{{\mathrm{\η}}_j}\left({\mathrm{\η}}_j\right){\mathrm{d\η}}_i{\mathrm{d\η}}_j\].$

根据以上公式，我们计算得到每个候选中继节点被选中时的系统中断概率，在满足系统中断概率P_o≤Γ_th的前提下选取功率负荷最小的候选中继节点进行数据转发。

Claims (4)

1.一种负荷公平的中继选择方法，所述方法包括：

计算每个候选中继节点功率负荷的概率密度函数；

计算每个候选中继节点被选中时的系统中断概率，在保证系统中断概率P_o≤Γ_th的前提下选择功率负荷最小的候选中继节点进行数据中继；

所述概率密度函数的表达式为：

$\begin{array}{c}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)=\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\underset{\left(p_{i,1},...p_{i,N_i},q_{i,1},...q_{i,N_i}\right)\∈{\mathrm{\Ξ}}_i}{\Σ}{a}^{{\Σ}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}}{c}^{{\Σ}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}}\frac{b{\Σ}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}{v}_{i,l}+d{\Σ}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}}{2\sqrt{\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\right)}^3}}\\ \×\exp \left\{-\frac{{\left(b{\Σ}_{l=1}^{N_i}{p}_{i,l}{v}_{i,l}+d{\Σ}_{l=1}^{N_i}{q}_{i,l}{v}_{i,l}\right)}^2}{4\left({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\η}}_i\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}}\right)}\right\};\end{array}$

所述系统中断概率表达式为：

$P_o=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}\[\left(1-e^{-\frac{{\mathrm{\γ}}_o^{\left(2i,u\right)}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}}\right)\underset{j\≠i}{\overset{K}{\underset{j=1}{\mathrm{\Π}}}}{\∫}_0^{\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_j-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_j-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)}{\∫}_0^{\min \left\{{\mathrm{\η}}_j,\frac{\stackrel{\‾}{P}}{P_{\max }}\left({\mathrm{\ϵ}}_i-\max \left\{{\mathrm{\ϵ}}_i-\frac{P_{\max }}{\stackrel{\‾}{P}},0\right\}\right)\right\}}{f}_{{\mathrm{\η}}_i}\left({\mathrm{\η}}_i\right)f_{{\mathrm{\η}}_j}\left({\mathrm{\η}}_j\right){\mathrm{d\η}}_i{\mathrm{d\η}}_j\];$

其中：max{}、min{}分别表示取其中元素的最大值和最小值；Γ_th为中断概率门限；K为候选中继节点的数目；i表示候选中继节点编号；j表示排除候选中继节点i的候选中继节点编号；η_i为第i个候选中继节点的功率负荷；P_max为候选中继节点的最大发射功率；为候选中继节点信道的平均功率限制；Ξ_i为第i个候选中继节点的的组合，p_i,l和q_i,l分别等于0或1且p_i,l+q_i,l＝1；l＝1、…、N_i，为一个候选中继节点正在服务的移动台的编号，N_i为第i个候选中继节点正在服务的移动台数目；系数a、b、c、d的取值范围都是[-3,3]； 为第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的中断门限，由计算得到，分别为第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的信噪比和平均信噪比；u是进行中继选择的移动台编号；为第i个候选中继节点与移动台u之间链路的中断门限，由 ${\∫}_{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,u)}}^{+\mathrm{\∞}}\left(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,u)}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}\right)\frac{1}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}{e}^{\frac{-{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_{2i,u}}}}{\mathrm{d\γ}}_{2i,u}=1$ 计算得到，分别为第i个候选中继节点与移动台u之间链路的信噪比和平均信噪比。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第i个候选中继节点的功率负荷η_i由下式表达：

${\mathrm{\η}}_i={\Σ}_{l=1}^{N_i}\frac{\stackrel{\‾}{P}(1/{\mathrm{\γ}}_o^{(2i,l)}-1/{\mathrm{\γ}}_{2i,l})}{P_{\max }};$

其中： 是第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的中断门限；γ_2i,l表示第i个候选中继节点与该候选中继节点正在服务的第l个移动台之间链路的信噪比。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：当选出第i个候选中继节点对数据进行中继时，该候选中继节点对移动台u的发射功率为其中：表示候选中继节点信道的平均功率限制；是第i个候选中继节点与移动台u之间链路的中断门限；γ_2i,u表示第i个候选中继节点与移动台u之间链路的信噪比。

4.根据权利要求3所述的方法，其中的：a＝1.727；b＝0.8815；c＝-0.7186；d＝1.858。