CN102186213B - 基于异构中继无线网络***架构的上行无线资源管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于异构中继无线网络***架构的上行无线资源管理方法。本发明首先选择空闲移动终端e作为中继节点;其次确定中继链路第一跳的速率及功率;然后BS给各MS分配子载波;最后基于注水原理给各子载波分配功率。本发明方法能够公平、高效的利用***资源,提高***的吞吐量和中断概率等性能。
Description
技术领域
本发明属于移动无线网络技术领域,具体涉及一种基于异构中继无线网络***架构的上行无线资源管理方法。
背景技术
随着无线多媒体通信的发展,特别是实时视频通信等高速业务的发展,对***的速率和可靠性提出越来越高的要求。这就意味着需要有更新的技术来支持如此高的速率和可靠性的要求。然而,传统的蜂窝网络可能无法满足以上的需求。因此,正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术和中继技术被引入无线通信。
频率选择性衰落是无线通信中的一个主要问题。在多载波多接入***中,对于某个移动终端(Mobile Station,MS)是深衰落的子载波,对于另外一个MS可能衰落非常小。OFDMA就是多载波多接入技术的一种。在OFDMA技术中,每个MS可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输,由于MS间信道衰落的独立性,从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的MS使用,获得了频率上的多用户分集增益,这样就能够更好地满足MS的服务质量(Quality of Service,QoS)。
中继作为***移动通信(Fourth Generation,4G)的一个核心技术,具有其特殊的优势。在蜂窝***中引入中继,可以提高传输速率和可靠性,增大小区的覆盖面积,并且能够改善边缘用户的服务质量。中继技术可以分为带内中继和带外中继。前者又可称为协作中继,其可以在不增加天线的前提下实现空间分集,但是由于其半双工特性,会损失频谱效率。带外中继又可以称为异构中继,是利用蜂窝网络频带外的频率资源进行中继。因此,***吞吐和中断概率等性能可以得到极大的提高。
把异构中继技术集成到蜂窝OFDMA网络中,将是一个极具前景的技术。然而,至今为止还没有这方面的工作。此外,由于引入异构中继后,传统的无线资源管理方法将不再适用,因此如何在保证一定的公平性的前提下,通过对***资源进行分配,从而提高***吞吐量是进一步需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术上的不足,提出了一种基于异构中继无线网络***架构的上行无线资源管理方法。该上行无线资源管理方法所应用的***架构是基于OFDMA网络和OFDMA网络频带外(简称带外)的Ad Hoc网络。
本发明中的异构中继无线网络***架构是基于OFDMA网络和带外的Ad Hoc网络,在该网络***架构中,MS都是双模的,它们都有OFDMA和Ad Hoc网络的无线接口。需要传输业务的MS可以选择空闲的MS作为其中继节点协助其进行通信。这样,需要传输业务的MS与基站(Base Station,BS)之间就有了2条上行链路:需要传输业务的MS与BS通过OFDMA网络直接通信,这是直连链路;需要传输业务的MS在其中继节点的协助下与BS通信,这是中继链路,MS与其中继节点之间的第一跳通信是通过带外的Ad Hoc网络,中继节点与BS之间的第二跳通信是通过OFDMA网络。
在本发明中的异构中继无线网络***架构中,有一个BS和M个MS,MS的集合表示为 ,其中需要传输业务的MS有F个,表示为,空闲的MS有E个,表示为。OFDMA网络的总带宽为B,网络中的子载波个数为K,表示为。Ad Hoc网络的总带宽为B’。
针对上述异构中继无线网络***架构,本发明提出了一种低复杂度的上行无线资源管理方法,包括以下步骤:
步骤(1)当移动终端f需要传输业务时,首先需要选择空闲移动终端e作为中继节点,具体方法如下:
(b)空闲的移动终端收到“中继请求”消息后,根据自己到基站的距离,延迟一段时间再发送中继回复消息;距离被分成L个间隔,每个间隔对应上述的延迟时间段。到基站距离越近的移动终端,延迟时间越短,这样就能够选择到离基站最近的空闲移动终端作为中继节点。
(c)发送“中继请求”消息的移动终端f收到空闲移动终端e的第一个“中继回复”后,就广播一个“中继选定”信息,通知空闲移动终端e,移动终端f已经选定它作为中继节点了,并通知其它空闲移动终端不用再等待了,移动终端f已经完成了中继选择。用表示中继选择指示,当=1时,表示移动终端f选择了空闲移动终端e作为其中继节点;当=0时,表示移动终端f没有选择空闲移动终端e作为其中继节点。
步骤(2)确定中继链路第一跳的速率及功率,具体方法如下:
(d)针对一组MS(一个移动终端f及其对应的中继节点e)的第一跳(这里的第一跳是指:从需要传输业务的移动终端f通过Ad Hoc网络,到其对应中继节点e的链路),用表示其它MS组的干扰。其中,f’表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端,e’表示f’对应的中继节点,表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端f’到f的中继节点e的信道功率增益,表示移动终端f’在Ad Hoc网络对其中继节点e’的发射功率。
假设没有其它MS组的干扰,即,且假设移动终端f的中继链路第一跳的速率等于目标速率上限,通过香农速率公式,求出移动终端f向其中继节点e的发射功率值,其中是f到e的信道功率增益,是高斯白噪声的功率谱密度。
(g)重复步骤(f),直到求得的所有的功率值都不再变化了,或者变化量小于。其中,是一个很小的值,表示在前后两次迭代中的变化量。通过这些确定的,带入香农速率公式,最终确定所有MS组中继链路第一跳的速率。
步骤(3)BS给各MS分配子载波,具体方法如下:
(h)针对K个子载波中的某一个子载波k,假设其分配给了需要传输业务的移动终端f的直连链路,通过公式,求出速率的增量。其中,是移动终端f的直连链路的当前速率,是移动终端f获得当前子载波k后直连链路速率。是子载波分配指示,当=1时,表示子载波k分配给了移动终端f;当=0时,表示子载波k没有分配给移动终端f。是移动终端f在子载波k上的发射功率。是移动终端f到BS在子载波k上的信道功率增益。为容量差距(Capacity gap),可表示为,其中BER是比特差错概率。
(i)同时,假设子载波k分配给了移动终端e。这里的移动终端e是需要传输业务的移动终端f的对应中继节点。通过公式,求出速率的增量。其中,是移动终端e到BS的当前速率,也就是中继链路第二跳的速率。是移动终端e获得当前子载波k后的速率。是移动终端e在子载波k上的发射功率。是移动终端e到BS在子载波k上的信道功率增益。
完成这次子载波k的分配后,再次计算移动终端f的总速率。如果,则这个移动终端f可以参与后续子载波的分配;如果,则这个移动终端f不再参与后续子载波的分配。其中,,表示移动终端f的总速率等于直连链路速率与中继链路速率之和。而中继链路速率又等于中继链路第一跳速率和中继链路第二跳速率中,最小的那个值。
步骤(4)基于注水原理给各子载波分配功率。具体方法如下:
本发明的优点在于:本发明针对异构中继无线网络***架构,相应提出了一种低复杂度的上行无线资源管理方法。该方法能够公平、高效的利用***资源,提高***的吞吐量和中断概率等性能。
附图说明
图1是异构中继无线网络***架构;
图2是本发明方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
异构中继无线网络***架构如图1所示,该***架构基于OFDMA网络和带外的Ad Hoc网络,在该网络***架构中,有一个BS和50个MS,MS的集合表示为,其中需要传输业务的MS有5个,表示为,空闲的MS有45个,表示为。MS都是双模的,它们都有OFDMA和Ad Hoc网络的无线接口。需要传输业务的MS可以选择空闲的MS作为其中继节点协助其进行通信。这样,需要传输业务的MS与基站(Base Station,BS)之间就有了2条上行链路:需要传输业务的MS与BS通过OFDMA网络直接通信,这是直连链路;需要传输业务的MS在其中继节点的协助下与BS通信,这是中继链路,MS与其中继节点之间的第一跳通信是通过带外的Ad Hoc网络,中继节点与BS之间的第二跳通信是通过OFDMA网络。OFDMA网络的总带宽为25MHz,网络中的子载波个数为512个,表示为。Ad Hoc网络的总带宽为40MHz。
针对上述异构中继无线网络***架构,本发明提出了一种低复杂度的上行无线资源管理方法,如图2所示,包括以下步骤:
步骤(1)当移动终端f需要传输业务时,首先需要选择空闲的移动终端e作为中继节点,具体方法如下:
(b)空闲的移动终端收到“中继请求”消息后,根据自己到基站的距离,延迟一段时间再发送“中继回复”消息。距离被分成1000个间隔,每个间隔对应一个延迟时间。到基站距离越近的移动终端,延迟时间越短,这样就能够选择到离基站最近的空闲移动终端作为中继节点。
(c) 发送“中继请求”消息的移动终端f收到空闲移动终端e的第一个“中继回复”后,就广播一个“中继选定”信息,通知空闲移动终端e,移动终端f已经选定它作为中继节点了,并通知其它空闲移动终端不用再等待了,移动终端f已经完成了中继选择。是中继选择指示,当=1时,表示移动终端f选择了空闲移动终端e作为其中继节点;当=0时,表示移动终端f没有选择空闲移动终端e作为其中继节点。
步骤(2)确定中继链路第一跳的速率及功率,具体方法如下:
(d)针对一组MS(一个移动终端f及其对应的中继节点e)的第一跳(这里的第一跳是指:从需要传输业务的移动终端f通过Ad Hoc网络,到其对应中继节点e的链路),用表示其它MS组的干扰。其中,f’表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端,e’表示f’对应的中继节点,表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端f’到f的中继节点e的信道功率增益,表示移动终端f’在Ad Hoc网络对其中继节点e’的发射功率。
假设没有其它MS组的干扰,即,且假设移动终端f的中继链路第一跳的速率等于目标速率上限,通过香农速率公式,求出移动终端f向其中继节点e的发射功率值,其中是f到e的信道功率增益,是高斯白噪声的功率谱密度。在本实施例中设为10Mbps,设为-174dBm/Hz。
(g) 重复步骤(f),直到求得的所有的功率值都不再变化了,或者变化量小于。其中,是一个很小的值,表示在前后两次迭代中的变化量,在本实施例中设为0.000001mW。通过这些确定的,带入香农速率公式,最终确定所有MS组中继链路第一跳的速率。
步骤(3)BS给各MS分配子载波,具体方法如下:
(h) 针对K个子载波中的某一个子载波k,假设其分配给了需要传输业务的移动终端f的直连链路,通过公式,求出速率的增量。其中,是移动终端f的直连链路的当前速率,是移动终端f获得当前子载波k后直连链路速率。是子载波分配指示,当=1时,表示子载波k分配给了移动终端f;当=0时,表示子载波k没有分配给移动终端f。是移动终端f在子载波k上的发射功率。是移动终端f到BS在子载波k上的信道功率增益。为容量差距(Capacity gap),可表示为,其中BER是比特差错概率, 在本实施例中设为10-3,所以。
(i) 同时,假设子载波k分配给了移动终端e。这里的移动终端e是需要传输业务的移动终端f的对应中继节点。通过公式,求出速率的增量。其中,是移动终端e到基站的当前速率,也就是中继链路第二跳的速率。是移动终端e获得当前子载波k后的速率。是移动终端e在子载波k上的发射功率。是移动终端e到BS在子载波k上的信道功率增益。
完成这次子载波k的分配后,再次计算移动终端f的总速率。如果,则这个移动终端f可以参与后续子载波的分配;如果,则这个移动终端f不再参与后续子载波的分配。其中,,表示移动终端f的总速率等于直连链路速率与中继链路速率之和。而中继链路速率又等于中继链路第一跳速率和中继链路第二跳速率中,最小的那个值。
步骤(4)基于注水原理给各子载波分配功率。具体方法如下:
Claims (1)
1.基于异构中继无线网络***架构的上行无线资源管理方法,在该异构中继无线网络***架构中,有一个基站和M个移动终端,移动终端的集合表示为M={m|1,2,...,M},其中需要传输业务的移动终端有F个,表示为F={f|1,2,...,F},空闲的移动终端有E个,表示为E={e|F+1,F+2,...,M};OFDMA网络的总带宽为B,网络中的子载波个数为K,表示为K={k|1,2,...,K};Ad Hoc网络的总带宽为B’,其特征在于该方法包括如下步骤:
步骤(1)当移动终端f需要传输业务时,首先需要选择空闲移动终端e作为中继节点,具体方法如下:
(a)移动终端f发送中继请求消息,所述的中继请求消息包含移动终端f到基站的距离,用df,BS表示;
(b)空闲的移动终端收到中继请求消息后,根据自己到基站的距离de,BS,延迟一段时间再发送中继回复消息;距离de,BS被分成L个间隔,每个间隔对应上述的延迟时间段;
(c)发送中继请求消息的移动终端f收到空闲移动终端e的第一个中继回复消息后,就广播一个中继选定消息,通知空闲移动终端e,移动终端f已经选定它作为中继节点了,并通知其它空闲移动终端不用再等待了,移动终端f已经完成了中继选择;用sf,e表示中继选择指示,当sf,e=1时,表示移动终端f选择了空闲移动终端e作为其中继节点;当sf,e=0时,表示移动终端f没有选择空闲移动终端e作为其中继节点;
步骤(2)确定中继链路第一跳的速率及功率,具体方法如下:
(d)针对一组移动终端的第一跳,用表示其它移动终端组的干扰;其中,f’表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端,e’表示f’对应的中继节点,|He,f'|2表示除移动终端f以外,其它需要传输业务的移动终端f’到f的中继节点e的信道功率增益,Pf',e'表示移动终端f’在Ad Hoc网络对其中继节点e’的发射功率;
假设没有其它移动终端组的干扰,即If=0,且假设移动终端f的中继链路第一跳的速率等于目标速率上限通过香农速率公式求出移动终端f向其中继节点e的发射功率值其中|Hf,e|2是f到e的信道功率增益,N0是高斯白噪声的功率谱密度;
步骤(3)基站给各移动终端分配子载波,具体方法如下:
(h)针对K个子载波中的某一个子载波k,假设子载波k分配给了需要传输业务的移动终端f的直连链路,通过公式 求出速率的增量ΔRf;其中,是移动终端f的直连链路的当前速率,是移动终端f获得当前子载波k后直连链路速率,af,k是子载波分配指示,当af,k=1时,表示子载波k分配给了移动终端f;当af,k=0时,表示子载波k没有分配给移动终端f,Pf,k是移动终端f在子载波k上的发射功率,是移动终端f到BS在子载波k上的信道功率增益;Γ为容量差距,可表示为Γ=-ln(5*BER)/1.6,其中BER是比特差错概率;
(i)同时,假设子载波k分配给了移动终端e;这里的移动终端e是需要传输业务的移动终端f的对应中继节点;通过公式 求出速率的增量ΔRe;其中是移动终端e到BS的当前速率,也就是中继链路第二跳的速率,是移动终端e获得当前子载波k后的速率,Pe,k是移动终端e在子载波k上的发射功率,是移动终端e到BS在子载波k上的信道功率增益;
(j)遍历所有需要传输业务且没有达到速率上限的移动终端f及其对应的中继节点,找到使得速率增量最大的移动终端,即f=argmax(ΔRf)或e=argmax(ΔRe),把当前子载波分配给这个移动终端,即有af,k=1或者ae,k=1;
完成这次子载波k的分配后,再次计算移动终端f的总速率Rf;如果则这个移动终端f可以参与后续子载波的分配;如果则这个移动终端f不再参与后续子载波的分配;其中,表示移动终端f的总速率等于直连链路速率与中继链路速率之和,而中继链路速率又等于中继链路第一跳速率和中继链路第二跳速率中,最小的那个值
(k)一直循环执行步骤(h)、步骤(i)和步骤(j),直到所有移动终端都达到目标速率上限或者子载波分配完了,结束子载波分配;
步骤(4)基于注水原理给各子载波分配功率,具体方法如下:
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