CN111132189A - 一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信网络技术、智慧城市服务支撑领域，公开一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，包括以下步骤：步骤一：初始化后，通过探知通信环境与网络信息获得探知信息；步骤二：将步骤一所得到的独立子载波根据子载波分类准则进行子载波分类获得直传子载波集和转发子载波集；步骤三：判断步骤二所获得的直传子载波集和转发子载波集是否为空集，对于不同的情况采用不同的传输模式。本发明对于一对多载波交换节点，每次只需要根据简单的三个步骤，分配至多两个转发站，然后通过提升发射端的信号发射功率，即可达到最优系统的稳定性。

Description

一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略

技术领域

本发明涉及通信网络技术、智慧城市服务支撑技术领域，更具体地，涉及一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略。

背景技术

在现代通信系统中，随着接入用户数量和通信吞吐量的不断提升，基于正交频分复 用的多载波无线通信协议和框架日渐普遍，自4G网络的提出与实施以来，目前几乎所有的 面向用户的无线通信系统都是多载波通信系统。与此同时，随着通信网络的覆盖范围越来越 广，基于无线转发站的协同通信也逐渐被广泛采用作为辅助通信手段，用以提升无线通信网 络的整体性能。无线转发站为两个交换节点提供了一条两跳传输通路，在两个交换节点由于 种种原因无法直接通信或通信质量不佳时，可以通过无线转发站的协同功能，提供可靠的通 信服务，在一定情况下，还可以提升无线信号传输的能效，降低能耗，实现绿色通信。

然而，在多载波多转发站的无线通信系统中，如何合理配置转发站资源并不是一件 容易的事情。对于某一组交换节点，如果分配的转发站太少，则不足以满足其通信需求和服 务质量，但如果分配得太多，则会浪费数量有限的转发站资源，而且多转发站之间需要信令 协调，如需要时钟同步，才能有效协同，高效完成协同转发作业。因此如果分配的转发站过 多，其互相之间因为信令协调而造成的能量、通信资源的损耗也较大。传统上有两种不同的 多载波无线转发站资源优化配置策略。第一种方法为单转发站配置方法，比较简单，对于某 一对交换节点，只通过端到端信道信息分配给其一个转发站，该被分配的转发站负责转发加 载在该对节点的所有载波上的信息；第二种方法为多转发站分配方法，对某一对转发节点的 某一个载波，即分配一个特定的转发站来协助转发协同通信，这样一来，在假设所有载波都 需要被转发站协助转发，且转发站不被重复分配的情况下，有多少个载波，则可能会产生相 应数量的多个被分配的转发站。但实验证明，第一种单转发站配置方法所产生的系统性能远 低于现代通信系统的要求，而第二种多转发站配置方法则会产生过高的信令损耗，通信效率 不高。对于多载波无线协同通信系统，如何在转发站配置个数上找到一个平衡点，使得通信 系统的性能达到要求，又不会产生过高的信令损耗和系统复杂度，成为了一个重要难点和课 题。

发明内容

本发明针对在载波多转发站的无线通信系统中，多载波无线转发站配置方法出现的 配置后系统性能远低于现代通信要求、产生过高的信令损耗和系统复杂度的技术问题，提出 一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，对于一对多载波交换节点，每次只需要 根据简单的三个步骤，分配至多两个转发站，然后通过提升发射端的信号发射功率，即可达 到最优系统的稳定性。

为达到上述目的，提出一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，包括以 下步骤：

步骤一：初始化后，通过探知通信环境与网络信息获得探知信息；所述探知信息包括作为信源和信宿的一组交换节点、供该组交换节点使用的K个独立子载波和交换节点之间存在 的均匀分布的M个转发站节点；

步骤二：将步骤一所得到的独立子载波根据子载波分类准则进行子载波分类获得直传子 载波集K₁和转发子载波集K₂；所述直传子载波集K₁为能够不经由转发站且能实现与信宿通 信的独立子载波的集合；所述转发子载波集K₂为必须通过转发站节点转发后才能实现与信宿 通信的独立子载波的集合；

步骤三：判断步骤二所获得的直传子载波集K₁和转发子载波集K₂是否为空集；若直传子载波集K₁不是空集，转发子载波集K₂是空集，采用直接传输模式；若直传子载波集K₁是 空集，转发子载波集K₂不是空集，采用两跳转发传输模式；若直传子载波集K₁和转发子载 波集K₂都不为空集，采用混合传输模式；

所述子载波分类准则为

其 中，g(k)表示信源到信宿的直传信道对第k号子载波的信道冲击响应,|g(k)|²表示信源到信宿 的直传信道对第k号子载波的信道增益；

一个通信信道的通信服务质量，由其信道冲击响应的模值的平方来衡量，因此，信源到信宿的直传信道对第k号子载波的信道增益为|g(k)|²。对于一个经由转发站构成的两跳 转发信道来说，其端到端通信质量由两跳中较差的一跳信道决定，即存在瓶颈效应。

所述直接传输模式为：闲置所有转发站，将子载波打包成子载波块一次性通过直传 信道由信源发送到信宿，不经由转发站转发；

所述两跳转发传输模式为：将所有子载波通过对M个转发站经由两步优化配置方法进行 两跳转发通信；

所述混合传输模式为直传子载波集K₁的子载波通过端到端直传信道从信源直接传输给信 宿，不经由转发站转发；而转发子载波集K₂中的子载波通过对M个转发站两步优化配置方法 进行两跳转发通信。

特别的，所述两步优化配置方法包括以下步骤：

步骤(1)：将所有的M个转发站进行两两分组，其中M＞1,获得

个不重复的组合，其集合记为L，其中每个包含两个转发站组合的子集记为

其中 x_p,y_p∈{1,2,M..且x_p≠y_p；对于任意一个组合

对于某个须依靠转发站进行 两跳转发通信的子载波k，可以进行如下转发站选择：

其中，|t(m,k)|²＝min{|h₁(m,k)|²,|h₂(m,k)|²}为两跳转发信道的通信质量，h_i(m,k)为第i跳通过第m号转发站转发的第k号子载波的独立信道冲击响应，其中i∈{1,2}， m∈{1,2,...,M}，k∈{1,2,...,K}。

一个通信信道的通信服务质量，由其信道冲击响应的模值的平方来衡量，即第i跳通 过第m号转发站转发的第k号子载波的信道增益为|h_i(m,k)|²。对于一个经由转发站构成的 两跳转发信道来说，其端到端通信质量由两跳中较差的一跳信道决定，即存在瓶颈效应。数 学上，可以用端到端信道增益来表征一个经由转发站构成的两跳转发信道的通信服务质量为 |t(m,k)|²＝min{|h₁(m,k)|²,|h₂(m,k)|²}。

步骤(2)：依照

选出最优转发站的两两组合

其中，

由于通常一个多载波系统的端到端稳定性取决于最差载波，即存在短板效应，因此，我们考虑经由组合

转发的最差载波端到端信道增益为

步骤(3)：依照

对每个子载波进行逐个分配次优转发站m_opt(k)，其中k∈K₂。

通过本发明提出的三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，多载波多转发站 无线通信系统的稳定性可以得到增强，且系统复杂度由于分配转发站个数的减少而降低。

特别的，所述多载波无线转发站资源优化配置策略采用最差子载波中断概率来衡量系统 的稳定性：

其中m_opt(k)为经过优化配置后，分配给第k号子载波的转发站；s为中断判断阈值。

本发明的有益效果：

1.本发明优化步骤简单，计算复杂度低，适合工程实践应用。本发明为一种三步式的、简易 可行且效率较高的多载波无线转发站资源优化配置策略，考虑了直传和两跳信道，一般性强， 最大限度地利用了通信信道资源。

2.本发明应用的系统具备一般性，且效率更高。对子载波全集进行分类，对每个子载 波进行逐个分配次优转发站，一组交换节点最多被配置两个转发站，有效提高了转发站的利 用率，降低了能耗和系统因多转发站协调而造成的信令损耗。当信源发射功率较大时，系统 可以获得与多转发站协同通信方法相同的最优端到端通信稳定性和满分集增益。

本发明能用端到端信道增益来表征一个经由转发站构成的两跳转发信道的通信服务 质量，并能使用最差子载波的中断概率来衡量优化后的多载波多转发站两跳协同通信系统的 整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的多载波多转发无线通信系统框架图；

图2为本发明实施例的资源优化配置策略流程图；

图3为本发明实施例的实施效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更 易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1、图2所示，为本实施例一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略的 实施环境和流程：在多载波多转发站两跳协同通信系统中有一对交换节点，分别作为信源和 信宿，有4个转发站(M＝4)和8个载波(K＝8)。假设通过网络探知和信道估计，我们得到8个载波的直传信道增益如表1所示：

表1

	k＝1	k＝2	k＝3	k＝4	k＝5	k＝6	k＝7	k＝8
									|g(k)|^2	0.6638	0.6952	0.0042	0.1244	0.8625	1.3364	0.7877	0.1842

设中断判断阈值s＝0.5000，则第1、2、5、6、7号子载波可以经直传信道直接由信源 传输到信宿，不需要经过转发站的转发，而第3、4、8号子载波端到端直传信道增益不足以 使其通过直传信道到达信宿，需要转发站协助转发，经由两跳传输信道到达信宿。

由上可知，K₁＝{1,2,5,6,7}和K₂＝{3,4,8}。对于k∈K₂＝{3,4,8}，对于每一个转发站 m∈{1,2,3,4}我们检测到端到端两跳信道增益如表2所示：

表2

|t(m,k)|^2	m＝1	m＝2	m＝3	m＝4
					k＝3	0.0438	1.9527	0.2329	3.3323
k＝4	0.7228	0.8633	0.4140	0.1635
					k＝8	0.2228	0.0881	0.4220	0.0683

将转发站按照两两进行分组，得到

个分组：

第一分组：由第1、2号转发站构成，其中第1号转发站被分配给第8号子载波进行协同转发；第2号转发站被分配给第3、4号子载波进行协同转发。如表3所示，优化后的 最小端到端两跳信道增益|t(1,8)|²＝0.2228。

表3

|t(m,k)|^2	m＝1	m＝2
			k＝3	0.0438	1.9527
k＝4	0.7228	0.8633
			k＝8	0.2228	0.0881

第二分组：由第1、3号转发站构成，其中第1号转发站被分配给第4号子载波进行协同转发；第3号转发站被分配给第3、8号子载波进行协同转发。如表4所示，优化后的 最小端到端两跳信道增益|t(3,3)|²＝0.2329。

表4

第三分组：由第1、4号转发站构成，其中第1号转发站被分配给第4、8号子载波 进行协同转发；第2号转发站被分配给第3号子载波进行协同转发。如表5所示，优化后的 最小端到端两跳信道增益|t(1,8)|²＝0.2228。

表5

|t(m,k)|^2	m＝1	m＝4
			k＝3	0.0438	3.3323
k＝4	0.7228	0.1635
			k＝8	0.2228	0.0683

第四分组：由第2、3号转发站构成，其中第2号转发站被分配给第3、4号子载波 进行协同转发；第2号转发站被分配给第8号子载波进行协同转发。如表6所示，优化后的 最小端到端两跳信道增益|t(3,8)|²＝0.4220。

表6

|t(m,k)|^2	m＝2	m＝3
			k＝3	1.9527	0.2329
k＝4	0.8633	0.4140
			k＝8	0.0881	0.4220

第五分组：由第2、4号转发站构成，其中第2号转发站被分配给第4、8号子载波 进行协同转发；第4号转发站被分配给第3号子载波进行协同转发。如表7所示，优化后的 最小端到端两跳信道增益|t(2,8)|²＝0.0881。

表7

|t(m,k)|^2	m＝2	m＝4
			k＝3	1.9527	3.3323
k＝4	0.8633	0.1635
			k＝8	0.0881	0.0683

第六分组：由第3、4号转发站构成，其中第3号转发站被分配给第4、8号子载波 进 行协同转发；第4号转发站被分配给第3号子载波进行协同转发。如表8所示，优化后的 最小 端到端两跳信道增益|t(3,4)|2＝0.4140。

|t(m,k)|^2	m＝3	m＝4
			k＝3	0.2329	3.3323
k＝4	0.4140	0.1635
			k＝8	0.4220	0.0683

由于我们选择转发站分组的原则是使优化后的最小端到端两跳信道增益达到最大化， 因此很明显我们选择由第2、3号转发站构成的第四分组作为L_opt。在找到最优转发站组合 之后，我们需要对每个子载波进行逐个分配次优转发站。由于

|t(4,3)|²＝3.3323＞|t(3,3)|²＝0.2329，因此第4号转发站被分配第3号子载波进行两跳协同转发 通信；由于|t(3,4)|²＝0.4140＞|t(4,4)|²＝0.1635，因此第3号转发站被分配第4号子载波进行 两跳协同转发通信；由于|t(3,8)|²＝0.4220＞|t(4,8)|²＝0.0683，因此第3号转发站被分配第8 号子载波进行两跳协同转发通信；其余第1、2、5、6、7号子载波由端到端直传信道进行直 接传输，不经过转发站转发与协助。至此，多载波无线转发站资源优化配置任务完成。

如图3所示，显示了本发明实施例应用的系统端到端中断概率依发射功率的变化而 变化，并与在有5个转发站即M＝5而其他条件相同的情况进行对比。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范 围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本 发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：初始化后，通过探知通信环境与网络信息获得探知信息；所述探知信息包括作为信源和信宿的一组交换节点、供该组交换节点使用的K个独立子载波和交换节点之间存在的均匀分布的M个转发站节点；

步骤二：将步骤一所得到的独立子载波根据子载波分类准则进行子载波分类获得直传子载波集K₁和转发子载波集K₂；所述直传子载波集K₁为能够不经由转发站且能实现与信宿通信的独立子载波的集合；所述转发子载波集K₂为必须通过转发站节点转发后才能实现与信宿通信的独立子载波的集合；

步骤三：判断步骤二所获得的直传子载波集K₁和转发子载波集K₂是否为空集；若直传子载波集K₁不是空集，转发子载波集K₂是空集，采用直接传输模式；若直传子载波集K₁是空集，转发子载波集K₂不是空集，采用两跳转发传输模式；若直传子载波集K₁和转发子载波集K₂都不为空集，采用混合传输模式；

所述子载波分类准则为

其中，g(k)表示信源到信宿的直传信道对第k号子载波的信道冲击响应,|g(k)|²表示信源到信宿的直传信道对第k号子载波的信道增益；

所述直接传输模式为：闲置所有转发站，将子载波打包成子载波块一次性通过直传信道由信源发送到信宿，不经由转发站转发；

所述两跳转发传输模式为：将所有子载波通过对M个转发站经由两步优化配置方法进行两跳转发通信；

所述混合传输模式为直传子载波集K₁的子载波通过端到端直传信道从信源直接传输给信宿，不经由转发站转发；而转发子载波集K₂中的子载波通过对M个转发站两步优化配置方法进行两跳转发通信。

2.根据权利要求1所述的一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，其特征在于：所述两步优化配置方法包括以下步骤：

步骤(1)：将所有的M个转发站进行两两分组，其中M＞1,获得

个不重复的组合，其集合记为L，其中每个包含两个转发站组合的子集记为

其中x_p,y_p∈{1,2,...,M}且x_p≠y_p；对于任意一个组合

对于某个须依靠转发站进行两跳转发通信的子载波k，可以进行如下转发站选择：

其中，|t(m,k)|²＝min{|h₁(m,k)|²,|h₂(m,k)|²}为两跳转发信道的通信质量，h_i(m,k)为第i跳通过第m号转发站转发的第k号子载波的独立信道冲击响应，其中i∈{1,2}，m∈{1,2,...,M}，k∈{1,2,...,K}；

步骤(2)：依照

选出最优转发站的两两组合

其中，

步骤(3)：依照

对每个子载波进行逐个分配次优转发站m_opt(k)，其中k∈K₂。

3.根据权利要求1所述的一种三步式的多载波无线转发站资源优化配置策略，其特征在于：所述多载波无线转发站资源优化配置策略采用最差子载波中断概率来衡量系统的稳定性：

其中m_opt(k)为经过优化配置后，分配给第k号子载波的转发站；s为中断判断阈值。

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