CN108513265A - 基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，原无线组播中由于各个节点信道状态的不均匀性和波动性，导致各个节点接收的信息不一样，对于短期内处于较差链路环境的用户无法保证其公平性，同时覆盖盲区中节点往往无法正确接收数据，得不到有效地反馈处理。基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法可综合考虑地理位置与信道状态，利用一定的反馈信息，在需要协同时选择合适的正确接收用户充当中继进行重传。该方法首先让基站接入点以一定速率广播数据包，而后被选定的中继同时协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。该方法可以提高协同传输的有效性，最大化地利用无线资源，达到在不消耗额外功率的前提下，降低组播的中断概率，从而有效缓解无线组播中节点信道状态的不均匀性和波动性。

Description

基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及利用无线资源管理技术提高无线组播的网络性能。

背景技术

无线组播技术是一种在无线环境下用于一对多数据传输的高效机制，组播形式是点到多点的数据服务，单一的数据被多个用户共同接收，在电视节目、现场赛事转播等直播类业务具有广泛应用。但目前的组播技术由于各个节点信道状态的不均匀性和波动性，导致各个节点接收的信息不一样，因此组播技术需要首先考虑节点信息公平性，其次为多用户，最后考虑覆盖范围及盲区。如由于各节点信道信息不同，不能保证每个用户都能正确接收数据，而现在的组播技术大多采用最低链路速率发送数据，此时组播的吞吐量就受到最差链路节点的限制。再者面向用户多，现有的组播技术大多不采用回馈重传机制，一旦出现链路中断，数据丢失后不再重传，这样对于短期内处于较差链路环境的用户无法保证其公平性。同时，紧靠组播源发送数据，覆盖范围有限且存在覆盖盲区，这样导致节点往往无法正确接收数据，得不到有效地反馈处理。

发明内容

本发明的目的是，通过节点之间的协同传输，使节点共享彼此的无线资源，最大化地利用无线资源，可获得空间分集增益，对抗信道衰落，同时能均衡节点处理能力和网络负载，综合考虑地理位置和信道状态信息，采用机会协同的方式，来节约功率消耗，达到不消耗额外功率的前提下，降低组播的中断概率，提高组播的性能，从而有效缓解无线组播中节点信道状态的不均匀性和波动性。

为了解决上述发明目的，本发明采用的策略包括：将组播分为两个阶段，第一阶段，基站接入点以一定速率广播数据包；第二阶段，被选定的中继同时协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。

考虑在如图1所示的机会协同组播模型中，半径为R的圆形区域内单个无线网络基站或者接入点位于圆心位置，M个用户均匀分布在此圆形区域内。网络内无固定中继，而且如果需要，用户节点可以充当半双工模式的中继使用。在基站/接入点广播数据包后，M个用户被分为两组，正确译码的用户组C_s和剩余的用户组C_us，下标“s”和“us”分别表示“译码成功”和“译码失败”的意思。这样用户组C_us中的用户需要请求附近中继协助重传数据。

用户组C_us中的一用户j未能在第一阶段正确接收数据，在下行数据链路上向其半径r周边区域广播一个请求协同的信号(RTBC)。覆盖半径可以通过信号的发送功率P_TX来控制。表达式(1)和(2)给出了覆盖半径控制的详细描述，其中PL(d₀)表示近距离d₀以内的衰落，k为路径损耗指数。为保证RTBC包的正确传输，我们假设距离r以内的C_us组内用户轮流发送请求包。

当用户组C_s中的一用户i接收到来自用户组C_us中的用户j的RTBC请求包时，用户i获得链路ij的信道增益h_i,j。如果链路增益h_i,j超过我们预先规定的门限值T_h，则用户i同意用户j的协同请求，参与协同传输。

既然中继获得了自身与需要协同用户间链路的增益，我们可以通过控制中继的发送功率来确保接收用户正确译码。这里我们假设当接收端的信噪比高于门限值γ₀时，用户可以正确接收数据，错误概率可以忽略不计。用户i在接收到来自中继j的转发数据时，其接收信噪比为γ_ij＝P_rjd_ij ^-ηh_ij ²/N₀，P_rj是中继j的信号发送功率，d_ij表示用户i与中继j之间的距离，N₀为高斯白噪声的功率，η是路径损耗指数。因此，设定中继j上的发送功率为γ₀N₀d_ij ^η/h_ij ²。

表1不同情况下的中继发送功率设置

用户组C_s中的用户可能在回馈阶段先后接收到多个协同请求数据包，也有可能检测到信号冲突。这种情况显示该用户对于其他组播用户的重要性，也就是说他的协同传输可以同时支持多个未正确译码用户，协同效率很高，显然这种用户必须参与协同传输。表1给出了四种情况下的中继发送功率设置。如果只接收到一个协同请求数据包，中继发送功率设为γ₀N₀d_ij ^η/h_ij ²。而当K个请求包到达时，发送功率得能满足信道增益最低的用户。第三种情况，检测到冲突，功率设置为满足覆盖范围r以内的最大功率p_rmax。

以下分析了机会协同组播策略的中断概率和功率消耗的性能，从而给出了最优的功率分配策略。

1.中断概率

第一阶段，基站/接入点以单位功率广播信号x给所有用户。坐标为(r_i,θ_i)的用户i，其接收信号可表示为

P_BS表示第一阶段基站/接入点的发送功率，h_i为用户i与基站间的链路增益，d_i表示两者间的距离，n_i是高斯白噪声，η同样是指路径损耗指数。这里上标“ocm,1”表示“机会协同组播策略的第一阶段”。计算可得用户i的接收信噪比

该接收信噪比是一个服从指数分布的随机变量，概率密度函数为

因此，坐标为(r_i,θ_i)的用户，输入x与输出y_i ^ocm,1间的最大互信息，即信道容量为

其中，归一化因子1/2是表示协同传输采用两个时隙传输一份数据，降低了信道速率。给定用户的坐标(r_i,θ_i)和业务速率的门限值T_R，用户i第一阶段的中断概率为

其中

假定，所有的信道增益{h_i}独立同分布，第一阶段中，正确译码用户组和译码失败的用户组C_us＝{i₁,i₂,···,i_M}\C_s出现的概率为

由于用户都是均匀分布在半径为R的圆形区域内，用户出现在一个半径为r的小圆形区域的概率可表示为

下标“L,r”表示位于半径为r的圆形区域内。因此，给定(r_i,θ_i)，其他用户位于用户i的请求包覆盖范围内的概率为

第一阶段未能正确译码的用户i_j∈C_us，给定(r_i,θ_i)，C_s和第二阶段的接收信噪比为

其中，表示中继i_k上的发送功率。因此，第一阶段与第二阶段的合并信噪比可表示为

可得两阶段的最大互信息

这样，给定(r_i,θ_i)，C_s和用户i_j的条件中断概率为

接下来，给定用户坐标(r_i,θ_i)，我们推导其在所有可能的译码结果(C_s,C_us)和所有可能的分布情况(L_i,in,L_i,out)条件中断概率，详细的过程在式(15)给出。

其中，和分别在(14)(8)和(10)给出。上标“ocm′”表示机会协同组播的条件中断概率。p₁是指一个第一阶段正确译码的用户存在于区域中的概率，已在式(16)给出。当半径r_i≤r时，可近似认为任一用户出现的概率为r²/R²。

因此，基于式(15)的条件中断概率，系统的平均中断概率为

2.功率消耗

机会协同组播机制中，功率消耗由第一阶段基站的发送功率和第二阶段中继协同的功耗两部分组成。两阶段的平均功率消耗可写为P_BS+E[P_rtotal]，其中，E[P_rtotal]表示第二阶段中继的平均传输功率。由于信道独立同分布，可得

其中为第n个中继上的传输功率，注意n也是一个随机变量。

首先我们求在所有可能的距离d_ij和所有的信道增益h_ij上的平均值，基于均匀分布和独立同分布的信道增益，可得

其中式中第二个等号是由于距离d_ij与信道增益h_ij是两个相互独立的随机变量。

接下来给出参与协同的中继数目的平均值

为了分析方便，这里只给出了中继数目的近似平均值，认为对于一个处于译码错误组的用户只需要一个用户来协同传输。其实只要门限值取的合适，基本可以保证一个用户一个协同点，而这样的策略正是我们期待的最完美的机会协同机制。

因此，机会协同组播机制的平均功率消耗为

3.功率分配

上述分析了机会协同组播方法的功率消耗，为了公平的与一般的组播策略对比，我们要求平均功率消耗相同，即要求P_BS+E(P_rtotal)＝2P。而合理的功率分配，也能有效地降低系统的中断概率。

给定功耗限制P_BS+E(P_rtotal)＝2P，然后寻找使中断概率最小的最优的功率消耗比例α(r,T_h)＝P_BS/2P。可以看出α(r,T_h)是协同半径r与信道增益门限值T_h的函数。

而由式(21)可知

我们知道当x趋向于零的时候，泰勒级数展开式可近似写为exp(x)≈1+x。式(22)可近似为

当给定协同半径r、信道增益门限值T_h和功率限制2P，我们的目标是寻找到最优的基站功耗P_BS使得中断概率最小。如果P_BS太小，意味着第一阶段会有很多用户译码错误，所需中继数目就会太多；如果P_BS太大，总的功耗会超出功率限制2P。

我们给出一种迭代算法，寻找最优的基站功耗，下表是迭代算法求取该值的具体步骤。

表2迭代求取算法

附图说明

图1基于地理位置和信道状态的机会协同组播系统模型

图2系统的平均功率随功率分配比例α＝P_BS/(2P)的变化

图3平均中断概率性能对比Ⅰ

图4平均中断概率性能对比Ⅱ

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步的说明。

采用蒙特卡罗仿真，可计算出系统在不同功率分配下的功率消耗，并给出了功耗与功率限制值的对比情况。设定圆形区域的半径为R＝100，路径损耗指数η＝2.8，中断速率门限T_R＝4。M＝300个用户均与分布在圆形区域内，协同半径设定为r＝20，参与协同的信道增益门限为T_h ²＝0.49。我们考虑三种发送信噪比情况：P/N₀＝80dB，P/N₀＝85dB，和P/N₀＝90dB。设定功率分配比例从0.75到1变化。为了比较方便，用三种情况对应的总功率限制2P来分别归一化所有功率消耗值。

图2为系统的平均功率随功率分配比例α＝P_BS/(2P)的变化。从图2中可以看出，系统的平均功率消耗随着功率分配比例的提升迅速提高，这是由于在我们的模型中，综合考虑了距离的衰落影响，中继上的功耗相对于基站上的传输功率而言非常小。协同半径限定在r＝20而且协同信道增益门限T_h ²＝0.49内的中继节点具有非常好的信道环境，这样中继的功耗其实是很有限的。但是当随着功率分配比例的上升，总的功率消耗超出了功耗限制。如P/N₀＝80dB情况下当α＞0.78时。因此，α＝0.78为P/N₀＝80dB情况下的最优功率消耗比例。相应的α＝0.96和α≈1分别为P/N₀＝85dB与P/N₀＝90dB情况下的最优功耗。这里α≈1的原因是在高信噪比条件下，需要协同的用户较少，中继上的功率消耗相对于基站而言可忽略不计。

图3为采用50000次蒙特卡罗仿真后给出的中断概率统计性能对比Ⅰ，参数设置为R＝100,r＝20,η＝2.8,T_R＝4,M＝200,T_h ²＝0.25。可发现在功耗限制相同的条件下，机会协同组播策略的中断概率性能相比于直接组播策略有了较大的提升。

图4为采用50000次蒙特卡罗仿真后给出的中断概率统计性能对比Ⅱ，参数设置为R＝100,r＝20,η＝2.8,T_R＝4,M＝300,T_h ²＝0.49。从图中可以看出，当用户数增加时，中断概率性能又有了一定得提高，这是由于用户数的增加，提供了更多的机会选择更好的中继节点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征是无线网络中基站/接入点以一定速率广播数据包后，通过地理位置与信道信息来选择合适的用户中继节点，通过限定请求协同的信号的发送功率来保证在仅在周围一定区域内被选定的中继节点进行协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。

2.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，确定请求协同的信号发送功率P_TX的具体过程为：

在半径为R的圆形区域内，单个无线网络基站或者接入点位于圆心位置，M个用户均匀分布在此圆形区域内。网络内无固定中继，而且如果需要，用户节点可以充当半双工模式的中继使用。在基站/接入点广播数据包后，M个用户被分为两组，正确译码的用户组C_s和剩余的用户组C_us，下标“s”和“us”分别表示“译码成功”和“译码失败”的意思。这样用户组C_us中的用户需要请求附近中继协助重传数据。用户组C_us中的一用户j未能在第一阶段正确接收数据，在下行数据链路上向其半径r周边区域广播一个请求协同的信号(RTBC)。控制覆盖半径的发送功率P_TX为

P_TX(dB)＝P_RX(dB)+PL

＝P_RX(dB)+PL(d₀)+10klog(r/d₀)

3.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，所述选取进行协同重传数据的中继节点的具体步骤如下：

当用户组C_s中的一用户i接收到来自用户组C_us中的用户j的RTBC请求包时，用户i获得链路ij的信道增益h_i,j。如果链路增益h_i,j超过我们预先规定的门限值T_h，则用户i同意用户j的协同请求，参与协同传输。C_us组中的三个用户{i₁,i₂,i₃}通过发送协同请求数据包，在区域内选定中继。用户处于用户i₂的覆盖范围内，计算出他们之间的信道增益，经判断大于预先设定的门限值T_h，决定作为中继为用户i₂协同传输数据。用户也同样接收用户i₂的协同请求。同理，用户用户分别为用户i₁和i₃重传数据。

4.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，设定中继节点的发送功率的具体做法如下：

既然中继获得了自身与需要协同用户间链路的增益，我们可以通过控制中继的发送功率来确保接收用户正确译码。这里我们假设当接收端的信噪比高于门限值γ₀时，用户可以正确接收数据，错误概率可以忽略不计。用户i在接收到来自中继j的转发数据时，其接收信噪比为γ_ij＝P_rjd_ij ^-ηh_ij ²/N₀，是中继j的信号发送功率，d_ij表示用户i与中继j之间的距离，N₀为高斯白噪声的功率，η是路径损耗指数。因此，设定中继j上的发送功率为γ₀N₀d_ij ^η/h_ij ²。

表1不同情况下的中继发送功率设置

用户组C_s中的用户可能在回馈阶段先后接收到多个协同请求数据包，也有可能检测到信号冲突。这种情况显示该用户对于其他组播用户的重要性，也就是说他的协同传输可以同时支持多个未正确译码用户，协同效率很高，显然这种用户必须参与协同传输。表1给出了四种情况下的中继发送功率设置。如果只接收到一个协同请求数据包，中继发送功率设为γ₀N₀d_ij ^η/h_ij ²。而当K个请求包到达时，发送功率得能满足信道增益最低的用户。第三种情况，检测到冲突，功率设置为p_rmax，p_rmax为满足覆盖范围r以内的最大功率。

5.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，确定系统中断概率最小时的最优的基站功耗具体过程如下：

功率消耗由第一阶段基站的发送功率和第二阶段中继协同的功耗两部分组成，则两阶段的平均功率消耗可写为P_BS+E[P_rtotal]，其中P_BS为第一阶段基站/接入点的发送功率，E[P_rtotal]为第二阶段中继的平均传输功率。为了一般的组播策略对比，假设平均功率消耗相同，即P_BS+E(P_rtotal)＝2P，其中2P为功耗限制。合理的功率分配，可有效地降低系统的中断概率。

给定功耗限制2P，寻找使中断概率最小的最优的功率消耗比例α(r,T_h)＝P_BS/2P，其中α(r,T_h)是协同半径r与信道增益门限值T_h的函数。则平均传输功率E[P_rtotal]为

我们知道当x趋向于零的时候，泰勒级数展开式可近似写为exp(x)≈1+x。于是，

当给定协同半径r、信道增益门限值T_h和功耗限制2P，寻找到最优的基站功耗P_BS使得中断概率最小。若P_BS太小，意味着第一阶段会有很多用户译码错误，所需中继数目就会太多；若P_BS太大，总的功耗会超出功耗限制2P。通过以下表2可寻找最优的基站功耗P_BS。

表2迭代求取算法