CN102802241B - 一种高能效无线中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能效无线中继选择方法，其主要作法是：无接入用户的基站或中继站处于休眠模式；当用户请求接入***，基站根据信道状态信息，中继站的接入用户列表，基站自身的接入用户列表，在满足最小信噪比要求的情况下，挑选出链路能效U最大所对应的中继站转发该用户的信息，基站、选出的中继站采用工作模式，中继通信链路建立；若基站直接传输能效U最大，则采用基站直接传输，基站采用工作模式，直传通信链路建立；通信完成该用户离开，若基站或所选中继站上再无其他接入用户，则基站或该中继站转入休眠模式。该方法在保证用户服务质量的同时，大大提升***的能效，并可极大地降低算法复杂度。

Description

一种高能效无线中继选择方法

技术领域：

本发明属于无线通信***中中继***的资源管理技术领域，具体为一种高能效无线中继选择方法。

背景技术

随着无线通信网络中数据业务的比重持续增加，日益增长的数据和无所不在的接入需求导致网络基础设施的急剧扩张，随之带来了巨大的能量消耗。在保证无线通信网络容量增长的同时，限制电力消耗已变成移动运营商的迫切要求。所以要在保证服务质量的同时，尽可能的提升***能效，而能效主要与***的吞吐率和***的功耗有关。

迄今为止，关于无线网络能效的研究通常基于输出功率来衡量。这种能源性能指标只能够反映无线网络整体功率的一小部分，这可能导致不完整和潜在的误导性结论。为评估无线网络的能效，需要将电子回路和功率放大器所消耗的功率考虑到能效问题中去。

为解决小区边界覆盖问题和边界速率问题，在IEEE 802.16m和LTE-Advanced标准中引入中继技术，但是高速率的同时也意味着高能耗，并且中继站的引入也增加了耗能设备。而中继选择的结果会对***的性能造成很大的影响。通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的中继选择方法有：

(1)一种用于两跳蜂窝***的中继选择和功率分配方法(CN1589053A)通过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；根据路径损耗，每个用户选择两跳路径损耗之和最小的中继站为其服务，并测量接入该中继站后的干扰情况。最后基于中继选择结果和干扰，自适应分配发送端和所选中继站的功率，从而获得了较高的***容量，并降低了实现复杂度和信令负载。但是提高容量也意味着提高功率，能效并不一定会得到提升，而且以路径损耗进行中继选择判断，虽然简单，但是忽略了信道阴影衰落等其他的影响，故得不到较好的性能。

(2)一种降低发射功率的中继选择方法(CN102202382A)设计了一个简单的中继选择方法，在保证设计要求中断概率的前景下，较大程度地降低***发射功率，但是该设计中每个中继站只能同时为一个源节点转发信息，与蜂窝网中的中继站的接入情况不同。且该方法只是基于中断概率来降低功率，但没有保障用户速率要求，故其小区能效偏低。

(3)无线通信***、中继选择方法、无线中继设备和基站(CN101951660A)，一种中继选择方法及中继控制***(CN102469017A)两专利侧重减少中继选择中的信令开销。专利CN101951660A中只让候选中继站返回相关的信道状态信息给基站，而不是全部信道状态信息。专利CN102469017A中建立了中继服务历史记录来辅助中继选择，无需再进行端到端的服务质量测量，由此来减小信令和带宽消耗。但是这些专利都没有考虑到中继选择对容量和功率等性能的影响。

总之，现有的中继选择方法，大都基于提升***容量、降低中断率、降低发射功率等这种较单一的目标。没有同时考虑吞吐率和功率两方面，即能效的多目标方法。由于电路功耗使得用户的分布对中继选择的性能也有很大的影响。尤其在非均匀分布小区中，某些站点(基站或中继站)附近集中大量的用户，而某些站点附近则只有非常少的用户，此时采用现有的中继选择方案，会使得***的能耗大大增加，而吞吐率并没有得到有效的提升。

发明内容：

本发明的目的是提出一种高能效无线中继选择方法，该方法在保证用户服务质量的同时，大大提升***的能效，并可极大地降低算法复杂度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种高能效无线中继选择方法，包括以下步骤：

1)在一个中继蜂窝小区中，当基站和所有中继站无接入用户时，则基站和所有中继站都处于休眠模式；当基站处于工作模式，而部分或全部中继站无接入用户时，则无接入用户的中继站都处于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中继站都会定期发送导频信号；

2)当用户请求接入***，用户向基站反馈信道状态信息，中继站向基站反馈信道状态信息和自身的接入用户列表；基站根据信道状态信息，中继站的接入用户列表以及基站自身的接入用户列表，在满足最小信噪比要求的情况下，挑选出链路能效U最大所对应的中继站转发该用户的信息，基站和选出的中继站采用工作模式，中继通信链路建立；若基站直接传输能效U最大，则采用基站直接传输，基站采用工作模式，直传通信链路建立；通信完成该用户离开，若基站或所选中继站上再无其他接入用户，则基站或该中继站转入休眠模式；其中的能效U， $U=\frac{R\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+P_R/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},$ 式中，R是总速率，Pc_B，Pc_R分别是基站和中继站采用从休眠模式转入工作模式所增加的电路功耗(若该用户接入前，基站或中继站处于工作模式，则Pc_B＝0或Pc_R＝0)，P_B、P_R分别是基站和中继站的发送功率，ζ_B、ζ_R∈[0，1]分别是基站和中继站的功率放大效率，T_link为整个链路的总传输时间，T_hop每跳链路的总传输时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、在满足最小接收信噪比要求下，以包括电路损耗在内的总能耗计算出的能效为目标进行中继选择，且没有用户接入的中继站，采用休眠模式；既能保证高的传输速率，又最大限度的真实的节约了能量，***的能效高。尤其对于用户非均匀分布的场景，会有更多的中继站处于休眠模式，在提高能效方面更具有优势。

二、基站针对当前小区的接入情况逐个对请求接入的用户进行中继选择，而不是多用户同时计算选择，其算法复杂度低，易于实现。

上述的中继站是放大转发中继站或解码转发中继站，中继***的帧结构包含2个子帧，故中继传输时采用2个子帧进行数据传输，每个子帧的长度为常数T秒，整个链路的总传输时间T_link＝2T·x，x表示该接入用户在整个服务时间内所需的帧数；基站只采用第一个子帧与用户传输数据，整个链路的总传输时间T_link＝T·x；每跳链路的总传输时间T_hop＝T·x；基站分配给接入用户载波数为常数N，每帧传输能量为常数P_K·T焦耳；

中继传输时，基站的发送功率为P_B瓦特，中继站的发送功率为P_K-P_B瓦特，则R＝Rr(P_B)，中继链路能效U的极大值U_max，

$U_{\max }=\underset{P_B}{\max }\frac{\mathrm{Rr}\left(P_B\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+(P_K-P_B)/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},$ s.t.Sr(P_B)≥r

其中Rr(P_B)为基站发送功率为P_B时的中继链路总速率，r为当前接入用户的最小信噪比要求，Sr(P_B)为基站发送功率为P_B时能获得的中继链路信噪比；

基站直接传输时，基站的发送功率是P_B＝P_K，则P_K-P_B＝0，Pc_R＝0，R＝Rd(P_K)；直传链路的能效U为U_d，

$U_d=\frac{\mathrm{Rd}\left(P_K\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+P_K/{\mathrm{\ζ}}_B)\·T_{\mathrm{hop}}},$ s.t.Sd(P_K)≥r

其中Rd(P_K)为基站发送功率为P_K时的直传链路总速率，Sd(P_K)为基站发送功率为P_K时能获得的直传链路信噪比；

比较直传链路的能效U_d和各个中继链路的能效极大值U_max，选出最大的数值对应的链路进行传输。

这样，对每个接入用户分配的每帧传输能量和载波数相同，即保证了链路选择的公平性，同时计算更加简化；在每帧传输能量相同的情况下，通过基站功率与中继站功率的调节，选出的最大能效的链路，进一步提高了***的能效。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明的中继选择方法、现有的基于容量(传输速率)的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的传输总比特数比较；

图2为本发明的中继选择方法、现有的基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的所耗总能量比较；

图3为本发明的中继选择方法、现有的基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的总能效比较；

图4为本发明的中继选择方法、现有的基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的中断率比较。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种高能效无线中继选择方法，包括以下步骤：

1)在一个中继蜂窝小区中，当基站和所有中继站无接入用户时，则基站和所有中继站都处于休眠模式；当基站处于工作模式，而部分或全部中继站无接入用户时，则无接入用户的中继站都处于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中继站都会定期发送导频信号；

2)当用户请求接入***，用户向基站反馈信道状态信息，中继站向基站反馈信道状态信息和自身的接入用户列表；基站根据信道状态信息，中继站的接入用户列表以及基站自身的接入用户列表，在满足最小信噪比要求的情况下，挑选出链路能效U最大所对应的中继站转发该用户的信息，基站和选出的中继站采用工作模式，中继通信链路建立；若基站直接传输能效U最大，则采用基站直接传输，基站采用工作模式，直传通信链路建立；通信完成该用户离开，若基站或所选中继站上再无其他接入用户，则基站或该中继站转入休眠模式；其中的能效U， $U=\frac{R\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+P_R/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},$ 式中，R是总速率，Pc_B，Pc_R分别是基站和中继站采用从休眠模式转入工作模式所增加的电路功耗(若该用户接入前，基站或中继站处于工作模式，则Pc_B＝0或Pc_R＝0)，P_B、P_R分别是基站和中继站的发送功率，ζ_B、ζ_R∈[0，1]分别是基站和中继站的功率放大效率，T_link为整个链路的总传输时间，T_hop每跳链路的总传输时间。

本例的中继站是放大转发中继站或解码转发中继站，中继***的帧结构包含2个子帧，故中继传输时采用2个子帧进行数据传输，每个子帧的长度为常数T秒，整个链路的总传输时间T_link＝2T·x，x表示该接入用户在整个服务时间内所需的帧数；基站只采用第一个子帧与用户传输数据，整个链路的总传输时间T_link＝T·x；每跳链路的总传输时间T_hop＝T·x；基站分配给接入用户载波数为常数N，每帧传输的能量为常数P_K·T焦耳；

中继传输时，基站的发送功率为P_B瓦特，中继站的发送功率为P_K-P_B瓦特，则R＝Rr(P_B)，中继链路能效U的极大值U_max，

$U_{\max }=\underset{P_B}{\max }\frac{\mathrm{Rr}\left(P_B\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+(P_K-P_B)/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},$ s.t.Sr(P_B)≥r

其中Rr(P_B)为基站发送功率为P_B时的中继链路总速率，r为当前接入用户的最小信噪比要求，Sr(P_B)为基站发送功率为P_B时能获得的中继链路信噪比；基站直接传输时，基站的发送功率是P_B＝P_K，则P_K-P_B＝0，Pc_R＝0，R＝Rd(P_K)；直传链路的能效U为U_d，

$U_d=\frac{\mathrm{Rd}\left(P_K\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+P_K/{\mathrm{\ζ}}_B)\·T_{\mathrm{hop}}},$ s.t.Sd(P_K)≥r

其中Rd(P_K)为基站发送功率为P_K时的直传链路总速率，Sd(P_K)为基站发送功率为P_K时能获得的直传链路信噪比；

比较直传链路的能效U_d和各个中继链路的能效极大值U_max，选出最大的数值对应的链路进行传输。

以上各中继链路能效U的极大值U_max的具体计算过程如下：

首先，在最小信噪比r的要求下，计算各个中继链路的能效。对第m个中继站可通过下式，求解出用户达到的最小信噪比所需的功率P_B。

对于AF(放大转发)中继站模式，

$r=\frac{P_B{\left|H_m^{\mathrm{BR}}\right|}^2\·(P_K-P_B){\left|H_m^{\mathrm{RM}}\right|}^2}{(P_B{\left|H_m^{\mathrm{BR}}\right|}^2+(P_K-P_B){\left|H_m^{\mathrm{RM}}\right|}^2+{\mathrm{\δ}}^2){\mathrm{\δ}}^2},$

对于DF(解码转发)中继站模式，

$r=\min \{\frac{P_B{\left|H_m^{\mathrm{BR}}\right|}^2}{{\mathrm{\δ}}^2},\frac{(P_K-P_B){\left|H_m^{\mathrm{RM}}\right|}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}\}.$

其中分别表示基站与第m个中继站之间和第m个中继站与该接入用户之间的路径增益，其与路径损耗和阴影衰落有关；δ²表示高斯白噪声的功率。

通过以上的公式可求解出两个值若为复数或都小于0或都大于P_K，则表示用户无法接入该中继站；若则若则故最优的功率必须满足若无一个中继站可接入，则最优中继站m^*＝0；否则，若有可接入的中继站，则求解所有可接入中继站的能效，由于能效公式在变量上，是一个先单调递增再单调递减的函数。根据变量的限制条件，利用函数的斜率可得出能效最大的中继站m^*及其能效U_max。

然后，计算直传链路能获得的信噪比其中|H^BM|²、表示基站与该接入用户之间的路径增益，若α＜γ，则基站挑选以上的中继站m^*为用户进行中继传输；若m^*＝0，则该用户无法接入该小区。若α≥γ，则计算直传链路的能效U_d，并比较直传链路和所选中继站m^*的能效U，如果直传链路的能效U_d偏小，基站则挑选m^*为该用户进行数据转发，同时将用户的ID分别加入基站和中继站m^*的用户ID列表。如果直传链路的能效U_d最大，基站则采用直接传输，将用户的ID加入基站的用户ID列表。

仿真实验：

为验证本发明提出的中继选择算法，进行以下的数值仿真实验。

***模型由1个基站、3个AF-中继站和200个用户组成。***参数设置为N＝10、P_K＝0.01瓦特、Pc_B＝8瓦特、Pc_R＝4瓦特、ζ_B＝ζ_R＝0.5，用户到达数服从强度为λ＝0.5的柏松分布，用户的服务时间服从强度为μ＝10的指数分布。仿真实验表明，与基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法相比，本发明方法在能效和中断率方面有极大提升。

图1为本发明的中继选择方法、基于容量(传输速率)的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的传输总比特数比较；

图2为本发明的中继选择方法、基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的所耗总能量比较；

图3为本发明的中继选择方法、基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的总能效比较；

图4为本发明的中继选择方法、基于容量的中继选择方法和基于最小路径损耗的中继选择方法，在不同最小信噪比要求下的中断率比较。图4中最小信噪比要求为3dB的情况下，本发明的中继选择方法和基于容量的中继选择方法，其中断率为0，看不到其柱状图。而在最小信噪比要求为6dB的情况下，本发明的中继选择方法和基于容量的中继选择方法，其中断率几乎为0，其柱状图变成了两根小横线。

从图1-4可以看出：

基于容量进行的中继选择，虽然其传输的比特数达到了最大，但是其消耗的能量也较多，故其获得的能效并不是最高的。

而基于最小路径损耗的中继选择方法，虽然算法最简单，但是该算法忽略了阴影效应的影响，而且两跳链路之间的实际总损耗并不是单纯的相加或相乘，故以最小路径损耗进行中继选择，不但容量降低了，消耗的能量也提高了，从而导致能效性能最差。

而本发明的方法是，所能传输的总比特数略低于基于容量进行的中继选择方法，但是其消耗的能量最小，仅为基于最小路径损耗的中继选择方法所耗能量的1/3左右，所能达到的能效最大，比基于容量进行的中继选择方法提高了50％左右，是基于最小路径损耗的中继选择方法所得能效的3倍左右，而且中断率也非常低，与比基于容量进行的中继选择方法基本一样。

Claims (2)

1.一种高能效无线中继选择方法，包括以下步骤：

1)在一个中继蜂窝小区中，当基站和所有中继站无接入用户时，则基站和所有中继站都处于休眠模式；当基站处于工作模式，而部分或全部中继站无接入用户时，则无接入用户的中继站都处于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中继站都会定期发送导频信号；

2)当用户请求接入***，接入用户向基站反馈信道状态信息，中继站向基站反馈信道状态信息和自身的接入用户列表；基站根据信道状态信息，中继站的接入用户列表以及基站自身的接入用户列表，在满足最小信噪比要求的情况下，挑选出链路能效U最大所对应的中继站转发该用户的信息，基站和选出的中继站采用工作模式，中继通信链路建立；若基站直接传输能效U最大，则采用基站直接传输，基站采用工作模式，直传通信链路建立；通信完成该用户离开，若基站或所选中继站上再无其他接入用户，则基站或该中继站转入休眠模式；其中的能效U, $U=\frac{R\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+P_R/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},$ 式中，R是总速率，Pc_B,Pc_R分别是基站和中继站采用从休眠模式转入工作模式所增加的电路功耗，若该用户接入前，基站或中继站处于工作模式，则Pc_B＝0或Pc_R＝0，P_B、P_R分别是基站和中继站的发送功率，ζ_B、ζ_R∈[0,1]分别是基站和中继站的功率放大效率，T_link为整个链路的总传输时间，T_hop为每跳链路的总传输时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述的中继站是放大转发中继站或解码转发中继站，中继***的帧结构包含2个子帧，中继传输时采用2个子帧进行数据传输，每个子帧的长度为常数T秒，整个链路的总传输时间T_link＝2T·x，x表示该接入用户在整个服务时间内所需的帧数；基站只采用第一个子帧与用户传输数据，整个链路的总传输时间T_link＝T·x；每跳链路的总传输时间T_hop＝T·x；基站分配给接入用户载波数为常数N，每帧传输的能量为常数P_K·T焦耳；

中继传输时，基站的发送功率为P_B瓦特，中继站的发送功率为P_K-P_B瓦特，则R＝Rr(P_B)，中继链路能效U的极大值U_max，

$U_{\max }=\underset{P_B}{\max }\frac{\mathrm{Rr}\left(P_B\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+{\mathrm{Pc}}_R+P_B/{\mathrm{\ζ}}_B+(P_K-P_B)/{\mathrm{\ζ}}_R)\·T_{\mathrm{hop}}},s.t.\mathrm{Sr}\left(P_B\right)\≥r$

其中Rr(P_B)为基站发送功率为P_B时的中继链路总速率，r为当前接入用户的最小信噪比要求，Sr(P_B)为基站发送功率为P_B时能获得的中继链路信噪比；

基站直接传输时，基站的发送功率是P_B＝P_K，则P_K-P_B＝0，Pc_R＝0，R＝Rd(P_K)；直传链路的能效U为U_d，

$U_d=\frac{\mathrm{Rd}\left(P_K\right)\·T_{\mathrm{link}}}{({\mathrm{Pc}}_B+P_K/{\mathrm{\ζ}}_B)\·T_{\mathrm{hop}}},s.t.\mathrm{Sd}\left(P_K\right)\≥r$

其中Rd(P_K)为基站发送功率为P_K时的直传链路总速率，Sd(P_K)为基站发送功率为P_K时能获得的直传链路信噪比；

比较直传链路的能效U_d和各个中继链路的能效极大值U_max，选出最大的数值对应的链路进行传输。