CN1333615C

CN1333615C - 一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法

Info

Publication number: CN1333615C
Application number: CNB2004100586067A
Authority: CN
Inventors: 张平; 张静美; 王莹; 邵春菊
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: CN1589053A

Abstract

本发明公开了一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法，包括步骤：根据网络规划的要求，在所述蜂窝系统中设置多个中继站；对这些中继站的工作参数进行初始化，并且获得基站到每个中继站的路径信息；根据用户信息并结合中继站的工作参数，测量基站到每个中继站以及每个中继站到各个用户的路径损耗；利用所测量的路径损耗，对于每个用户选择使其两跳路径损耗之和为最小的中继站作为其服务中继站；检测所述用户以两跳路径损耗之和为最小的中继站作为其服务中继站时其通信链路的多小区系统干扰；基于所选择的服务中继站以及所检测到的多小区系统干扰，利用自适应功率分配方法来设定信号发送端和所选择的服务中继站的功率。

Description

一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种适用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法。

背景技术

未来无线通信系统将致力于发展更高速率、更大动态范围的多种业务，同时扩大网络覆盖面积、提高频谱效率并加大系统的鲁棒性。在蜂窝网络非中继系统中，功率分配仅在信号发送端完成，通过对信道信息的检测，可完成信源端发射功率的自适应调整，满足不同用户的服务质量(QoS)指标。由于蜂窝网络非中继系统的通信直接建立于基站(BS)和用户之间，不存在中继站(RS)选择的问题，相应地也就无须在信号发送端和转发RS之间进行自适应的功率分配。

在现有无线蜂窝网络中使用“中继”策略，利用RS的接力传输，可以克服无线信道的衰落特性，引入分集增益，提高无线网络的覆盖和容量，同时更好地保证不同种类业务的QoS，增强无线系统的各项性能。在两跳蜂窝中继系统中，由于RS的引入，一方面需要在一定数量的RS中选择合适的服务RS支持BS与用户之间的通信；另一方面由于发射功率的限制以及用户QoS的需求，网络还要根据当前系统的衰落及干扰信息自适应地在信号发送端和RS之间调整功率分配比例。这样，中继站的选择以及自适应功率分配问题就成为中继系统中重要的研究内容。

选择服务RS可以基于路径损耗(PL)，也可以基于信干比(SIR)。基于SIR的RS选择算法能在同样的功率条件下，为用户提供更好的通信质量，但是由于网络干扰的时变性以及该算法对发射功率分配结果的依赖性，其算法复杂度较高，而且需要网络信令的大量交互，会加重网络负荷。

对于功率分配算法，一般分为自适应功率分配(OPA)和平均功率分配(UPA)。采用UPA算法时，信号发送端和服务RS的发射功率相等。UPA算法虽然相对简单，但是由于算法本身没有考虑用户在网络中的各异性，缺乏对系统的自适应性，因而极大地降低了系统资源的利用率。

另外，由于中继站选择以及功率分配算法一般是独立研究的，因此算法之间没有考虑相互的协调和优化。针对不同的中继站选择策略和功率分配算法，可以对其组合进行联合研究，在优化系统性能的同时，尽可能地降低设计成本，获得理想的性能代价比。从理论分析的角度来看，基于SIR的自适应功率分配(SIR_OPA)可获得最大化的瞬时信道容量，但是由于其在RS的选择过程中引入大量的功率分配计算，大大增加了运算的复杂度，加重了网络信令负荷，因而可实现性较低。而其他算法，如基于PL的平均功率分配算法(PL_UPA)和基于SIR的平均功率分配算法(SIR_UPA)，由于均分功率，不能自适应的满足用户的业务需求，因而系统资源利用率较低。

因此，设计一种新的中继站选择和自适应功率分配的方法，尽可能合理、有效的利用有限的系统资源，优化系统配置，提高传输速率、通信质量和网络容量，成为两跳蜂窝中继系统需要面对的一个基本问题。

发明内容

针对网络发展的需求和现有技术中存在的问题，本发明提出了一种适用于两跳蜂窝中继系统的中继站选择和自适应功率分配的方法，在保证传输质量的同时获得了较高的传输速率，提高了资源利用率，并且极大的降低了算法复杂度和网络信令负荷，性能代价比高，具有较强的实用性。

根据本发明，提供了一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法，包括步骤：

(1)根据网络规划的要求，在所述蜂窝系统中设置多个中继站；

(2)对这些中继站的工作参数进行初始化，并且获得基站到每个中继站的路径信息；

(3)根据用户信息并结合中继站的工作参数，测量基站到每个中继站以及每个中继站到各个用户的路径损耗；

(4)利用所测量的路径损耗，对于每个用户选择使其两跳路径损耗之和为最小的中继站作为其服务中继站；

(5)检测所述用户以两跳路径损耗之和为最小的中继站作为其服务中继站时其通信链路的多小区系统干扰；

(6)基于所选择的服务中继站以及所检测到的多小区系统干扰，利用自适应功率分配方法来设定信号发送端和所选择的服务中继站的功率。

在本发明中，通过联合以路径损耗为依据的中继站选择策略和对应于不同RS类型的自适应功率分配方案，不仅得到较高的系统容量，提高了传输质量，而且极大的降低了算法的实现复杂度和网络信令负荷，同时通过采用自适应功率分配，使有限的无线资源得到了有效的利用。

附图说明

下面参照附图并结合实施例来进一步描述本发明。其中：

图1示出了实现本发明的中继站选择和自适应功率分配方法的方框图；

图2示出了根据本发明的联合中继站选择和自适应功率分配算法(PL_OPA)和其他三种相关算法(SIR_OPA，SIR_UPA，PL_UPA)随系统中RRS数目变化的信道容量性能曲线；

图3示出了根据本发明的联合中继站选择和自适应功率分配算法(PL_OPA)和其他三种相关算法(SIR_OPA，SIR_UPA，PL_UPA)随系统中NRRS数目变化的信道容量性能曲线。

具体实施方式

下面结合图1来描述本发明的中继站选择和自适应功率分配方法。

第一步，根据网络规划的要求，在蜂窝系统中以基站为主控中心，在其服务区中设置N个中继站(RS)，这些中继站位于所述基站的周围，并且本小区的中继站服务于连接到本小区的用户。

根据中继站对于接收信号的处理方式不同，分为再生中继站(RRS)和非再生中继站(NRRS)，其中RRS对于所接收信号进行解码重构后再进行转发，NRRS对于所接收信号放大后再进行转发。

第二步，统计这些RS的位置、工作方式、功率限制等基本信息，并将这些RS的初始化参数传送至网络控制中心，由网络控制中心为其设置信息列表，通过该表可以获得BS到每个RS的路径信息。

第三步，获得当前需要服务的M个用户的相关信息U＝{U_m，1≤m≤M}，包括用户位置，业务需求，功率条件等，在对照RS的参数后，测量BS到每个RS，以及每个RS到各用户的路径损耗值。这样，系统需要为M个用户建立通信服务，每个用户对应于N个路径损耗信息L＝{L_mn，1≤m≤M，1≤n≤N}，这里，L_mn是第m个用户通过第n个RS与本小区基站相连时的两跳路径损耗之和。

此外，所测得的路径损耗值除了信号在自由空间的传播损耗外，还考虑了包括天线增益、多径衰落以及阴影衰落等无线传播过程中存在的各种对信号有所影响的因素。

第四步，利用路径损耗测量结果，对第m个用户，选择使其两跳路径损耗之和最小的RS，

n_{m}^{PL} = \arg \min_{al \ln &Element; N} (L_{mn})),

作为其服务RS，即n_m ^PL是依据最小路径损耗选出的第m个用户的服务RS。这里仅以第m个用户为例，但其他所有用户均采用相同的处理方式。

第五步，在RS选择结果的基础上，检测第m个用户以n_m ^PL为服务RS时两跳链路的多小区系统干扰。其中第一跳干扰来自其他小区的同信道信号发送端对n_m ^PL的干扰，第二跳干扰来自其他小区的同信道RS对支持第m个用户的信号接收端的干扰；如果该信号接收端还处理直接来自该用户信号发送端的信号，那么除了上述两跳链路外，干扰测量还包括来自其他小区相应的同信道信号发送端对第m个用户的信号接收端的直传路径的干扰。

第六步，获取上述系统干扰信息后，针对n_m ^PL的类型，即是RRS或是NRRS，对第m个用户的通信链路进行以信道容量为优化准则的自适应功率分配，完成包括信号发送端和RS的功率设定。

如果是RRS，以信道容量作为优化函数，则功率分配结果为：

\{\begin{matrix} P_{1} = P_{0} \cdot \frac{a_{2}}{a_{1} + a_{2} - a_{0}} \\ P_{2} = P_{0} \cdot \frac{a_{1} - a_{0}}{a_{1} + a_{2} - a_{0}} \end{matrix};

a₁＞a₀ and a₂＞a₀

其中

a_{i} = \frac{L_{i}}{σ_{i}^{2} + I_{i}} > 0, (i = 0,1,2),

L_i是第i跳的路径损耗，σ_i ²是第i跳的噪声功率，I_i是第i跳受到的干扰。这里，第一跳指信号发送端到RS，第二跳指RS到信号接收端，BS与用户间的直接通信链路用第0跳表示。完成功率分配后，信号发送端的功率设定为P₁，服务RS的功率设定为P₂，二者满足功率限制P₁+P₂＝P₀，P₀由信号发送端和服务RS的发射功率限制决定。

如果是NRRS，同样以信道容量作为优化函数，则功率分配结果为：

\{\begin{matrix} P_{1} = \frac{a_{1} a_{2} P_{0} + a_{2} a_{0} P_{0} + a_{0}}{a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} + \sqrt{\frac{a_{1} P_{0} + 1}{a_{2} P_{0} + 1} \cdot a_{1} \cdot a_{2} \cdot (a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0})}} \\ P_{2} = \frac{a_{1} a_{2} P_{0} - a_{1} a_{0} P_{0} - a_{0}}{a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} + \sqrt{\frac{a_{2} P_{0} + 1}{a_{1} P_{0} + 1} \cdot a_{1} \cdot a_{2} \cdot (a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0})}} \end{matrix}

其中

\{\begin{matrix} a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} > 0 \\ a_{1} a_{2} P_{0} - a_{1} a_{0} P_{0} - a_{0} > 0 \end{matrix} .

这里，各参数的含义及测量均与RRS的情况一致，P₀也同样根据网络设计需要来设定。

以上功率分配结果有一定的限制条件，对于RRS是a₁＞a₀ and a₂＞a₀，对于NRRS是

\{\begin{matrix} a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} > 0 \\ a_{1} a_{2} P_{0} - a_{1} a_{0} P_{0} - a_{0} > 0 \end{matrix} .

这是由RS本身的中继转发触发条件引起的。如果该条件不满足，那么将采用直接传输，即BS与用户之间直接通信，因为此时用户的直传链路质量足可以保证其业务的QoS。

图2示出了本发明的联合方案PL_OPA和理论最优化算法SIR_OPA，以及其他两种相关算法SIR_UPA和PL_UPA随系统中RRS数目变化的信道容量性能曲线，该仿真基于TDMA蜂窝系统。这里的信道容量指单位带宽、单位时间传输的信息量(单位：bps/Hz)，即频谱效率。如果系统传输带宽为B，根据香农容量公式C/B＝log₂(1+SIR)，可以得到第m个用户相应的信道容量C/B，该容量是在中继路由选定后的最大化信道容量。

以第m个用户为例，根据功率分配结果统计出该用户的SIR值，便可得到相应的信道容量。当该用户的信号接收端既处理来自服务RS的信号，又处理直接来自信号发送端的信号时，对应于RRS的服务RS，用户的SIR为：

{SIR}_{m}^{RRS} = a_{0} P_{1} + a_{2} P_{2} = \frac{a_{1} a_{2} P_{0}}{a_{1} + a_{2} - a_{0}} .

若服务RS是NRRS，则用户的SIR为：

{SIR}_{m}^{NRRS} = \frac{a_{1} a_{2} P_{1} P_{2}}{a_{1} P_{1} + a_{2} P_{2} + 1} + a_{0} P_{1}

= {[\frac{a_{1} a_{2} P_{0} + a_{2} a_{0} P_{0} + a_{0}}{\sqrt{a_{1} a_{2} (a_{1} P_{0} + 1)} + \sqrt{(a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0}) (a_{2} P_{0} + 1)}}]}^{2} .

从图2可以看出，虽然系统中RS个数不断变化，但本发明的联合方案PL_OPA在性能上始终优于SIR_UPA和PL_UPA算法，接近理论最优算法SIR_OPA。图3给出了当RS为NRRS时的情况，此时可以看出本发明的联合方案PL_OPA在性能上仍然仅次于理论最优算法SIR_OPA。

表1示出了根据本发明的联合中继站选择和自适应功率分配算法(PL_OPA)和其他三种相关算法(SIR_OPA，SIR_UPA，PL_UPA)的信令交互量和算法复杂度统计对比。衡量一个算法的优越性，应该从其性能代价比上进行评估。因此，在信道容量的基础上，还采用信令交互量(需要测量并反馈信道信息的链路数)和算法复杂度(计算功率分配的次数)作为性能指标。

表1

算法	PL_OPA	SIR_OPA	SIR_UPA	PL_UPA
算法	PL_OPA	SIR_OPA	SIR_UPA	PL_UPA	信令交互量	N+2	N×2+1	N×2+1	N+2
算法复杂度	1	N	N	1	信令交互量	N+2	N×2+1	N×2+1	N+2

在表1中，N为系统中RS的个数。信令交互量以需要测量并反馈信道信息的链路数为评估标准，算法复杂度以计算功率分配的次数为评估标准。

对于本发明联合方案PL_OPA，由于网络控制中心有各个RS的信息，而本发明方案在进行RS选择时只需要路径损耗信息，不需要干扰统计，因此在进行RS选择时，需要测量并反馈给系统的是用户与N个RS间的信道信息；选定服务RS后，为实现功率分配，还需要统计用户与BS之间，以及该用户的两跳干扰信息，其中用户与服务RS之间的链路只需反馈一次。所以本发明联合方案的信令交互量为N+2。而对于理论最优算法SIR_OPA，因为其RS选择基于SIR，所以算法实现依赖于用户与所有RS链路，以及所有RS与BS链路的干扰测量统计，因此信令交互量为N×2+1，其中“1”是指用户与BS间的链路信息。类似的，可以得到其他两种算法SIR_UPA和PL_UPA的信令交互量，如表1所示。

从算法复杂度来看，主要是采用自适应功率分配计算的次数。对于本发明的联合方案来说，因为功率分配是在RS选择结果的基础上完成，所以仅需要一次自适应功率分配计算即可完成。对于理论最优算法SIR_OPA，其RS选择之前需要对N个RS进行模拟的功率分配计算，然后才能选取提供最高SIR的RS作为服务RS，因此其算法复杂度为N。同样的，表1还列出了其他两种算法的复杂度统计。比较表1列出的数据，结合上述分析可知，SIR_OPA的性能优势依赖于大量的信令交互和复杂计算，而本发明的联合方案极大的降低了网络信令交互量和优化算法的复杂度，便于实现。

需要指出的是，虽然仿真针对的是TDMA系统，但是由于本发明联合方案采用的算法及公式本身具有一定的普遍性，因此当应用于其他工作方式下的蜂窝系统时，仍能体现本发明方案的优越性。

综合图表可见，本发明的联合方案PL_OPA不仅使系统获得了较高的信道容量(接近理论最优算法SIR_OPA)，提高了传输质量，而且极大的降低了算法的实现复杂度和网络信令负荷，同时通过采用自适应功率分配，使有限的无线资源得到了有效的利用。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员通过参考说明书实施例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，而不会背离本发明的精神和范围。因此这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于两跳蜂窝系统的中继选择和功率分配方法，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(1)中所设置的中继站以基站为主控中心，位于所述基站的周围，并且本小区的中继站服务于连接到本小区的用户。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述中继站包括再生中继站和非再生中继站，其中所述再生中继站对于所接收信号进行解码重构后再进行转发，所述非再生中继站对于所接收信号放大后再进行转发。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述中继站的工作参数包括中继站的位置、工作方式、功率限制，并且步骤(2)还包括将中继站的初始化参数传送至网络控制中心的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(5)所检测到的多小区系统干扰包括第一跳干扰以及第二跳干扰，所述第一跳干扰来自其他小区的同信道信号发送端对所选择的服务中继站的干扰，所述第二跳干扰来自其他小区的同信道中继站对支持所述用户的信号接收端的干扰。

6.根据权利要求1所述的方法，其中如果信号接收端还处理直接来自所述用户的信号发送端的信号，那么在步骤(5)中所测量的多小区系统干扰还包括来自其他小区相应的同信道信号发送端对所述用户的信号接收端的直传路径的干扰。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(6)中，当所选择的服务中继站为再生中继站时，通过以下公式设定信号发送端的功率P₁和所选择的服务中继站的功率P₂：

\{\begin{matrix} P_{1} = P_{0} \cdot \frac{a_{2}}{a_{1} + a_{2} - a_{0}} \\ P_{2} = P_{0} \cdot \frac{a_{1} - a_{0}}{a_{1} + a_{2} - a_{0}} \end{matrix}; a_{1} > a_{0} and a_{2} > a_{0}

其中

a_{i} = \frac{L_{i}}{σ_{i}^{2} + I_{i}} > 0 (i = 0,1,2),

L_i是第i跳的路径损耗，σ_i ²是第i跳的噪声功率，I_i是第i跳受到的干扰，“i＝0”表示用户信号发送端与信号接收端之间的通信路径，

而且满足功率限制P₁+P₂＝P₀，P₀由信号发送端和服务中继站的发射功率限制决定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(6)中，当所选择的服务中继站为非再生中继站时，通过以下公式设定信号发送端的功率P₁和所选择的服务中继站的功率P₂：

\{\begin{matrix} P_{1} = \frac{a_{1} a_{2} P_{0} + a_{2} a_{0} P_{0} + a_{0}}{a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} + \sqrt{\frac{a_{1} P_{0} + 1}{a_{2} P_{0} + 1} \cdot a_{1} \cdot a_{2} \cdot (a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0})}} \\ P_{2} = \frac{a_{1} a_{2} P_{0} - a_{1} a_{0} P_{0} - a_{0}}{a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} + \sqrt{\frac{a_{2} P_{0} + 1}{a_{1} P_{0} + 1} \cdot a_{1} \cdot a_{2} \cdot (a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0})}} \end{matrix}

其中

\{\begin{matrix} a_{1} a_{2} + a_{2} a_{0} - a_{1} a_{0} > 0 \\ a_{1} a_{2} P_{0} - a_{1} a_{0} P_{0} - a_{0} > 0 \end{matrix},

其中

a_{i} = \frac{L_{i}}{σ_{i}^{2} + I_{i}} > 0 (i = 0,1,2),