CN103002462B - 两阶段协作多播方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了节能的两阶段协作多播方法和***，首先计算获取要达到预定覆盖率所需的最优基站发射功率以及理想的中继位置；然后，将基站的发射功率设置为所述最优基站发射功率，进行第一阶段的多播，并基于所述理想的中继位置来选择中继，进行第二阶段的多播。该方法在高用户密度场景下，可以极大地降低***总功耗和基站的功耗。

Description

两阶段协作多播方法及***

技术领域

本发明属于宽带无线通信协议及无线资源管理领域，尤其涉及两阶段协作多播方法。

背景技术

传统多播是完全由基站主导的一对多传输方式，由于边缘用户距离基站距离太远，路径损耗非常厉害，所以边缘用户信号质量一般较差，为了保障边缘用户的服务质量，在传统多播中，基站需要以较大的功率来发送数据，这就造成了功率的浪费。协作多播技术的提出为有效解决能耗问题提供了一种可行的方案。其中两阶段协作多播因为其简单，易实用，得到了广泛的研究。

两阶段协作多播是将传统的多播时隙划分成两个时隙，在第一个时隙，由基站向小区中的用户进行多播服务，保障部分信道条件较好的用户的覆盖和服务，在协作多播的第二个时隙，从成功的用户中选择用户组成协作集合，然后为那些没有成功的用户提供服务，经过两阶段协作之后，整体上保障小区中用户的覆盖率。与传统多播相比，由于协作集合中用户在协作多播的第二阶段，充当起了发送的角色，所以发送端与用户的距离大大减小，从而大大减小了路径损耗，具有极大的节能潜力。

但现有的方案都是研究如何通过两阶段协作多播来提高***吞吐量，参考文献1中提出了两阶段协作多播，要求在多播的第一阶段，基站功率设定需要保障50%的覆盖率，之后由所有成功的用户组成协作集合，来为那些未成功的用户提供服务，从而保障小区中100%用户覆盖率。参考文献2针对参考文献1在用户个数比较多的时候，总功率开销过大的问题，提出了基于用户的信道条件的三种不同的中继优化选择算法，依次为用户信道条件最好，信道条件最差和随机选择三种策略。参考文献3给出了基于用户的位置信息和信道信息的中继选择优化算法，选择距离用户最近的中继为其提供服务，该方案在用户个数较多的时候，能耗开销依然很大。参考文献4基于某个中继周围未成功用户的分布情况来选择中继，在保障***吞吐量不变的情况下，相对于上面提到的方法，其***总能耗下降约10%。

但是，在参考文献1，2,3,4中，在小区中用户个数很多的情况下，多播协作的第二阶段中协作集合中的用户个数过多，从而导致***总能耗严重偏高。另外在参考文献1,2,3,4中最终的目标是要保障100%的覆盖率，在实际***中，这是完全不现实的。

本文所引用的参考文献列表如下：

参考文献1：F.Hou,L.Cai,P.H.Ho,X.Shen and J.Zhang,"A cooperativemulticast scheduling scheme for multimedia services in IEEE802.16networks,"IEEETransactions on Wireless Communications,vol.8,no.3,pp.1508-1519,Mar.2009.

参考文献2：N.Guan,Y. Zhou,H.Liu,L.Tian and J.L.Shi,"An Energy EfficientCooperative Multicast Transmission Scheme with Power Control,"IEEE GLOBECOM2011,pp.1-5,Dec.2011.

参考文献3：S.M.Elrabiei and M.H.Habaebi,"Energy efficient cooperativemulticasting for MBS WiMAX traffic,"20105th IEEE International Symposium onWireless Pervasive Computing(ISWPC),pp.600-605,5-7May2010.

参考文献4：J.Lee,Y.M.Lim,K.Kim and S.G. Choi,"Energy EfficientCooperative Multicast Scheme Based on Selective Relay,"IEEE Communications Letters,vol.16,no.3,pp.386-388,Mar.2012.

发明内容

因此，本发明重点考虑在用户个数较多的场景下，以保障95%覆盖率为目标，提供一种节能的两阶段协作多播方法，以在高密度情况下有效地降低基站功耗和***的总功耗。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种两阶段协作多播中确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法，所述方法包括:

步骤a)对于给定的小区半径R和要达到的覆盖率C_th，分别获取在保障覆盖率达到C_th的传统多播情况下，基站要达到有效覆盖半径为R和0.1R所必须的发射功率P_max和P_min；

步骤b）对于给定的基站发射功率P_BS，C确定在小区半径为R时要达到覆盖率C_th所需的中继部署方案，并计算采用该基站发射功率和所述中继部署方案进行两阶段协作多播的总功耗；其中，基站发射功率P_BS,C的值从P_min开始，每次增加0.01dBm，直到P_BS,C的值达到P_max为止；

步骤c）将最小总功耗所对应的基站发射功率和其相应的中继部署方案作为最优基站发射功率和理想中继部署方案。

上述方法中，所述步骤b）可包括：

步骤b1）对于给定的要达到的覆盖率的阈值C_th，计算当基站以功率P_BS,C发送数据时的有效覆盖半径P_BS,C；

步骤b2）将R_BS，C到R之间的区域划分成了多个环状区域，在每个环状区域内均匀地部署中继，不同环内的中继对应覆盖相应的扇区夹角为θ_i的曲边梯形区域，满足：

$\sin ({\mathrm{\θ}}_i/2)=\frac{R_{\mathrm{MS}}^i}{R_i+R_{\mathrm{MS}}^i}---\left(1\right),$ 并且，对于所有的环，要求满足：

${\∫}_{R_i}^{R_{i+1}}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_i}{s}_{\mathrm{two}}\·\mathrm{fdxdy}=C_{\mathrm{th}}---\left(2\right)$

其中，表示第i个环内中继的覆盖半径，而R_i表示第i个环的起始半径，R₁＝R_BS,_，C并且 $R_{i+1}=R_i+{2R}_{\mathrm{MS}}^i,$ $f=\frac{2}{{\mathrm{\θ}}_i[{\left(R^{i+1}\right)}^2-{\left(R^i\right)}^2]}$ 表示第i个环内，某一个扇区内的用户分布密度，R_i≤x≤R_i+1，0≤y≤θ_i，s_two表示经过两阶段协作多播之后，该曲边梯形内某一点的成功率；s_two=1-(1-s_two，1)(1-s_two，2)，S_two,1、S_two,2表示在协作多播的第一阶段和第二阶段的该点的成功率；

利用公式（1）和(2)和关系式进行计算得到第i个环内中继的半径第i个环内中继对应的扇区夹角θ_i以及第i+1个环的起始半径R_i+1其中，从i=1，R₁=R_BS,C开始，每计算一次，i增加1，直到所得到的R_i≥R为止，并将此时i-1的值设置为完成覆盖所需的环数M；

步骤b3）计算采用该基站的发射功率为P_BS,C及其相应的中继部署进行两阶段协作多播的总功耗的两阶段协作多播的总功耗P_tot：其中，表示在第i个环形内所需的中继个数，P_MS表示中继的发射功率。

上述方法中，所述步骤b3）中对于给定的基站发射功率P_BS，C，所述中继部署方案为：

完成覆盖小区且达到覆盖率C_th完成覆盖所需的环数为M；

在第i个环形内所需的中继个数为

在第i个环形内中继的安置半径和夹角满足：

R_relay=(R_i+R_i+1)/2;

θ_relay=kθ_i,

又一方面，本发明提供了一种两阶段协作多播方法，所述方法包括：

步骤1），采用上述的两阶段协作多播中确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法来获取要达到预定覆盖率所需的最优基站发射功率以及理想的中继位置；

步骤2）将基站的发射功率设置为所述最优基站发射功率，进行第一阶段的多播；

步骤3）基于所述理想的中继位置来选择中继，进行第二阶段的多播。

上述两阶段协作多播方法中，所述步骤3）可包括选择距离理想的中继位置最近的一个成功用户作为协作多播第二阶段的中继。

上述两阶段协作多播方法中，所述步骤3）可包括：

对于M×N的矩阵中，矩阵行的编号表示所需要的M个理想中继，矩阵的列标号对应的经过第一阶段传输之后的所有的成功点的编号，矩阵中的元素D_i,j表示的某第j个成功用户到第i个理想中继的距离，执行下列步骤：

步骤31）求解min(D_i,j)，如果最小值等于∞，结束该算法；如果最小值不等于∞，记录相应的行标号i和列标号j；如果最小值有多个相同值，记录最小行标号所对应的一个最小值，并记录行号和列号；则用第j个成功用户来替代第i个理想中继；

步骤32）将矩阵D_i，j对应的i行j列元素置成∞，然后返回步骤31）。

又一方面，本发明提供了一种两阶段协作多播***，所述***包括：

计算模块，用于采用上述的两阶段协作多播中确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法来获取要达到预定覆盖率所需的最优基站发射功率以及理想的中继位置；

基站，所述基站以最优基站发射功率作为基站的发射功率，进行第一阶段的多播；以及

中继选择模块，用于基于理想的中继位置来选择中继，以进行第二阶段的多播。

上述***中，所述中继选择模块可以选择距离理想的中继位置最近的一个成功用户作为协作多播第二阶段的中继，以进行第二阶段的多播。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过确定在预定覆盖率的情况下使***总功耗最低的最优发射功率和理想中继部署方法，可以解决高密度场景下的能耗问题。在高用户密度的情况下，能够极大地降低基站功耗和***总功耗。而且中继的选择不依赖于信道条件。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的两阶段协作多播中继部署示意图。

图2为根据本发明实施例的在圆形小区中实际撒点仿真的在不同密度下的覆盖率统计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为更好地理解本发明，首先对两阶段协作多播进行简单介绍。

假设在一个半径为R的圆形小区中，基站天线为全向天线。用户均匀的分布在小区中，基站位于小区的中心。假设传统多播的服务速率为R_one，时隙长度为T。两阶段协作多播是将传统多播的时隙划分为了两个时隙，分别为T₁和T₂。在第一阶段(即T₁时隙)，基站只保障部分用户的覆盖率，在第二个阶段（即T₂时隙），成功用户为未成功用户提供服务，保障整体覆盖率。假设两阶段传输的速率分别为R_two，1和R_two，2，那么由于传统多播与协作多播的传输的数据是相同的，传统多播的传输速率为R_one，传输时间为T，所以总的数据量是R_oneT。协作多播分为两阶段(例如，T1和T2)来保障用户的覆盖率，同样的数据量R_oneT在T1时间内由基站传给用户，以保障部分用户的成功率，之后在时间段T2内，这些数据量由成功用户传给未成功用户，来保障其余用户的覆盖率。总的数据量始终是R_oneT。也就是说小区中的每个用户都要收到R_oneT的数据量，即满足R_oneT=R_two，1T₁=R_two，2T₂。

当给定不同阶段的传输速率R_one,R_two，1和R_two，2时，根据香农公式R＝Blog₂（1+SNR）（其中B为带宽，R为传输速率），可以求解得到用户在接收端的信噪比阈值分别为：SNR_one，SNR_two，1和SNR_two，2。这样，只有当用户在传统多播、协作多播的第一阶段和第二阶段接收到的信号的信噪比大于上面给出的阈值，才表明该用户成功接收到该信息。

在OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分多路复用）***下，综合考虑路径损耗和小尺度衰落的影响，那么用户k接收到的来自基站的信号可以表示为：

$Y_{m,k}=P_{\mathrm{BS}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{BS},k}\left(\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k,l}{e}^{-j2\mathrm{\πm\Δf}{\mathrm{\τ}}_{k,l}}\right)d_m+z_{m,k}=P_{\mathrm{BS}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{BS},k}{H}_{m,k}{d}_m+z_{m,k}---\left(1\right)$

其中P_BS表示基站的发射功率，表示从基站到用户的路径损耗，其中A₁为常数，D_BS，k表示基站（Base station，BS）与用户之间的距离，γ表示路损因子。H_m,k表示小尺度衰落（m指示OFDM符号第m个子载波），并且服从瑞利分布，d_m表示OFDM符号第m个子载波上承载的信息，z_m，k表示高噪声，并且其功率为那么接收端的信噪比可以表示为通过与上面信噪比阈值SNR_one的比较可以得到相应的在某一点的成功率，更进一步得到在传统多播下小区的覆盖率为：

$C_{\mathrm{th}}=1-F_{\mathrm{snr}}\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{one}}\right)=\frac{2{(A_1\·P_{\mathrm{BS}})}^{2/\mathrm{\γ}}}{\mathrm{\γ}{R}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noi}}^{4/\mathrm{\γ}}}{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{one}}}^{-2/\mathrm{\γ}}\mathrm{\Γ}(\frac{2}{\mathrm{\γ}},\frac{R^{\mathrm{\γ}}{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{one}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{noi}}^2}{A_1\·P_{\mathrm{BS}}})---\left(2\right)$

其中，R为以基站为中心的覆盖的小区的半径，从表达式中（2）可以得到：在数据速率给定R_one（等价于SNR_one给定）的情况下，小区覆盖率是基站发送功率P_BS的函数。那么给定覆盖率要求C_th(例如，0.95，即95%)，利用表达式（2）可以求解得到在传统多播方式下，为了保障覆盖率C_th，基站所必须的发射功率P_BS。

上面介绍的是传统多播，传统多播与协作多播的第一阶段是类似的，都是由基站向用户发送数据，只不过由于传输的时间由T变成了T₁，速率要求由R_one变成了R_two，1，所以信噪比阈值由SNR_one变成了SNR_two，1而已。

在协作多播的第二阶段，当成功用户作为移动中继（也可简称为中继）向未成功用户发送数据时，链路分析与上面的分析相同，只是路径损耗模型和发射功率不同而已，即具体表现为协作集合中的用户的发射功率为P_MS，在多播协作的第二阶段，由协作集合中的用户向未成功用户发送数据，所有协作集合中的用户发射功率相同，都为P_MS；路径损耗可以表示为其中A₂表示另一个常数，D_MR,MS表示某个成功中继到未成功用户的距离。

发明人发现由于协作集合中的用户的发射功率较小，其覆盖范围非常有限，所以协作多播只有在小区中用户密度较高的时候才能体现其优势。本发明主要针对在用户个数较多的场景下，以保障95%覆盖率为目标，提供一种节能的两阶段协作多播方法，在高密度情况下能有效地降低基站功耗和***的总能耗。

在保障相同覆盖率的条件下，基站功率如果较大，就需要较少的中继个数，如果基站功率较小，就需要较多的中继。***的总功率等于(基站功率*T1+中继个数*中继功率*T2)/T。在下述的本发明实施例中，通过寻找高用户密度场景下最优的基站功率和对应的中继个数，使得***总功率最小。其中，中继的发射功率在实际***中通常是常数，例如23dBm或者21dBm，或者是其它某个固定常数。而T1,T2的设定只要满足T1+T2=T就可以了。这样，在***开始部署时可以根据所得到基站功率和相应的中继部署方案进行部署。或者，根据所得到的最优基站功率来设置基站的发射功率并且基于最佳的中继部署位置来选择中继。

图1为根据本发明实施例的两阶段协作多播中继部署示意图。在一个小区内，对于给定的要达到的覆盖率的阈值C_th，当基站以功率P_BS,C发送数据的时候，利用表达式（2）可以得到一个对应的半径R_BS，C（也称为基站的有效覆盖半径），在这个半径内用户的覆盖率达到了给定的阈值标准C_th，所以不需要再给该区域中部署中继来提高其覆盖率。在传统的多播模式下，基站的有效覆盖半径R_BS,C等于小区半径R（以基站为中心点），但是如上文提到的，为保障边缘用户的服务质量，这种多播模式下要求基站以较大的功率来发送数据，造成了功率浪费。因此，更多地采用两阶段协作多播方式。

现参考图1，对于给定的要达到的覆盖率的阈值C_th和给定的基站发射功率，将基站有效覆盖半径R_BS，C到R之间的区域划分成若干个环状区域。在每个环状区域内均匀地部署中继。不同环内的中继对应覆盖相应的扇区夹角为θ_i的曲边梯形区域，即该曲边梯形内的覆盖率由基站和这个中继来共同保障。满足：

$\sin ({\mathrm{\θ}}_i/2)=\frac{R_{\mathrm{MS}}^i}{R_i+R_{\mathrm{MS}}^i}---\left(3\right)$

其中表示第i个环内中继的覆盖半径，而R_i表示第i个环的起始半径。其中R₁＝R_BS，C，并且即第一个环的起始半径等于基站的有效覆盖半径R_BS，C，并且第i+1个环的起始半径等于第i个环的起始半径与第i个环内中继的覆盖直径之和。

如果能够保证中继部署之后，某个环内的平均覆盖率等于C_th，等价的某个中继的相应的扇区夹角θ_i内的覆盖率刚好等于C_th，那么就能够保障整个小区的覆盖率。即对于所有的环，要求

${\∫}_{R_i}^{R_{i+1}}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_i}{s}_{\mathrm{two}}\·\mathrm{fdxdy}=C_{\mathrm{th}}---\left(4\right)$

其中表示第i个环内，某一个扇区内的用户分布密度，R_i≤x≤R_i+1，0≤y≤θ_i。s_two表示经过两阶段协作多播之后，曲边梯形内某一点的成功率。那么由于两阶段协作传输之后，某个曲边梯形内的用户的成功率取决于基站在第一阶段到该用户的成功率和中继到该点的成功率的运算。即：s_two=1-(1-s_two，1)(1-s_two，2)，其中和分别表示在协作多播的第一阶段和第二阶段的该点的成功率。从i=1，R₁＝R_BS，C开始，利用公式（3）（4）和关系式进行计算得到(第i个环内中继的半径)和θ_i（第i个环内中继对应的扇区夹角）以及R_i+1（第i+1个环的起始半径），每计算一次，i增加1，直到所得到的R_i≥R为止，此时，i-1的值表示完成覆盖小区且达到覆盖率C_th完成覆盖所需的环数（下文将环数记为M）。

从而可以得到对于给定的基站发射功率P_BS，C，要在半径为R的小区内达到覆盖率C_th所需的中继部署方案为：

完成覆盖小区且达到覆盖率C_th完成覆盖所需的环数为M；

在第i个环形内所需的中继个数为

在第i个环形内中继的安置半径和夹角满足：

R_relay=(R_i+R_i+1)/2;

θ_relay=kθ_i,

并且，还可以利用下面的公式计算出采用基站发射功率P_BS，C及其对应的上述中继部署方案进行两阶段协作多播的总功耗P_tot：其中，如上文所述，T1和T2为两阶段协作多播的两个时隙，P_BS，C为基站发射功率，P_MS为中继发射功率。

根据本发明的一个实施例，提供了一种两阶段协作多播中确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法，所述方法包括:

步骤a)对于给定的小区半径R和要达到的覆盖率阈值C_th，分别获取在保障覆盖率达到C_th的传统多播情况下，基站要达到覆盖半径为R和0.1R所必须的发射功率P_max和P_min；

步骤b）根据上文结合图1所述的方法，获取对于给定的基站发射功率P_BS，C确定在小区半径为R时要达到覆盖率阈值C_th所需的中继部署方案，并计算采用上述基站发射功率和相应的中继部署方案进行两阶段协作多播的总功耗；其中，基站发射功率P_BS,C的值从P_min开始，每次增加0.01dBm，直到P_BS，C的值达到P_max为止；

步骤c）将最小的总功耗所对应的基站发射功率及其对应的中继部署方案作为最优的基站发射功率和理想中继部署方案。

也就是说最优的基站发射功率（也可以称为最优基站功率）为对应于使总功耗P_tot最小的那个基站功率与该最优的基站发射功率对应的中继部署方案为理想中继部署方案，根据该最优的基站发射功率对应的环i和环i+1的半径R_i，R_i+1以及θ_i，可以得到理想中继的安置半径和夹角满足：

R_relay=(R_i+R_i+1)/2;

θ_relay=kθ_i,

或者也可以将夹角进行稍微调整：即

R_relay=(R_i+R_i+1)/2;

θ_relay=kθ_ic,

其中表示调整之后的环i内的中继的覆盖夹角。

上面参照图1描述的是确定最优的基站发射功率和理想中继部署方案的过程。也就是说，确定了使得总功耗最小所对应的基站发射功率和中继部署方案。最优的基站发射功率一旦这个确定下来，基站发射功率就定下来了，这样，基站就是按照该最优功率来进行发送数据。

根据本发明的又一个实施例中，提供了一种节能的两阶段多播方法，该方法包括下列步骤：

步骤1）采用上文所述的确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法，确定要达到预定覆盖率所需的最优基站功率以及理想的中继位置。

步骤2）将基站的发射功率设置为该最优基站功率，进行第一阶段的多播。

步骤3）基于理想的中继位置来选择中继，进行第二阶段的多播。例如，可以选择位于理想的中继位置的成功用户在作为中继。但是在实际场景下，在经过两阶段协作多播的第一阶段之后，某个理想中继部署位置不一定恰好存在成功用户，那么可以选择距离理想的中间位置最近的一个成功用户来充当第二阶段的中继。

在本发明的又一个实施例中，还给出了一种选择距离基于理想的中继位置最近的成功用户的方法，也就是在两阶段协作多播的第二阶段，选择距离理想中继位置最近的单个成功用户作为替代中继，来替代理想中继，并由其来保障相应的曲边梯形覆盖区域的覆盖率；某个成功用户只能作为一个理想中继的替代，不能替代多个理想中继。如果在理想中继位置上不存在成功用户，距离其最近的某个替代中继来保障其覆盖率。

更具体地，假设M×N的矩阵，矩阵行的编号表示所需要的M个理想中继，矩阵的列标号对应的经过第一阶段传输之后的所有的成功点的编号，矩阵中的元素D_i,j表示的某第j个成功用户到第i个理想中继的距离；选择距离基于理想的中继位置最近的成功用户可包括以下步骤：

（1）求解min(D_i,j),如果最小值等于∞，结束该算法；如果最小值不等于∞，记录相应的行标号i和列标号j；如果最小值有多个相同值，记录最小行标号所对应的一个最小值，并记录行号和列号；则用第j个成功用户来替代第i个理想中继。

（2）将矩阵D_i,j对应的i行j列元素置成∞，然后返回第一步

发明人还通过下述实验，对上文所提到的两阶段协作多播方法在高密度场景（用户密度高）中的性能进行了仿真测试。

表1是***仿真参数，为了简便，在仿真中设定T1=T2=T/2，即将传统多播时隙等分为两个时隙。

表1

图2是在圆形小区中实际撒点仿真的在不同密度下的覆盖率情况。先确定理想中继的位置，实际运行中对于某个未成功用户，在仿真中由距离其最近的中继集合中的某个中继为其提供服务。从下面的仿真图可以看出，随着小区中用户密度的增加，覆盖率逐渐上升到了给定的阈值，并且稍高于给定阈值。

表2是经数值计算得到的两阶段协作多播的发射功率，中继数目，总功率与传统多播的比较表。从表2中可以看出该两阶段协作多播方法能够极大的降低多播的总功率。表中第二列为协作多播和传统多播下的基站功率，协作多播的基站发射功率为41.82dBm，又由于协作多播的时隙长度减少为原来时隙的一半，经过归一化处理，可以得到基站实际消耗功率为38.82dBm，所以得到基站功率下降约77%。

表2

可见，通过上述本发明具体实施例，可以解决高密度场景下的能耗问题。通过，在高密度情况下，能够极大地降低基站功耗和***总功耗。本发明实施例中的方法，也可以扩展到分布式天线***中，以保障分布式天线***在多播下的覆盖率，同时最大限度的节省功率消耗。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (7)

1.一种两阶段协作多播中确定最优基站发射功率和理想中继部署方案的方法，所述方法包括:

步骤a)对于给定的小区半径R和要达到的覆盖率阈值C_th，分别获取在保障覆盖率达到阈值C_th的传统多播情况下，基站要达到有效覆盖半径为R和0.1R所必须的发射功率P_max和P_min；

步骤b)对于给定的基站发射功率P_BS,C确定在小区半径为R时要达到覆盖率阈值C_th所需的中继部署方案，并计算采用该基站发射功率和所述中继部署方案进行两阶段协作多播的总功耗；其中，基站发射功率P_BS,C的值从P_min开始，每次增加0.01dBm，直到P_BS,C的值达到P_max为止；

步骤c)将最小总功耗所对应的基站发射功率和其相应的中继部署方案作为最优基站发射功率和理想中继部署方案；

其中所述步骤b)包括：

步骤b1)对于给定的要达到的覆盖率的阈值C_th，计算当基站以功率P_BS,C发送数据时的有效覆盖半径R_BS,C；

步骤b2)将R_BS,C到R之间的区域划分成了多个环状区域，在每个环状区域内均匀地部署中继，不同环内的中继对应覆盖相应的扇区夹角为θ_i的曲边梯形区域，满足：

并且，对于所有的环，要求满足：

${\∫}_{R_i}^{R_{i+1}}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_i}{s}_{\mathrm{two}}\·\mathrm{fdxdy}=C_{\mathrm{th}}---\left(2\right)$

其中，表示第i个环内中继的覆盖半径，而R_i表示第i个环的起始半径，R₁＝R_BS,C，并且 表示第i个环内，某一个扇区内的用户分布密度，R_i≤x≤R_i+1，0≤y≤θ_i，s_two表示经过两阶段协作多播之后，该曲边梯形内某一点的成功率；s_two＝1-(1-s_two,1)(1-s_two,2)，S_two,1、S_two,2表示在协作多播的第一阶段和第二阶段的该点的成功率；

利用公式(1)和(2)和关系式进行计算得到第i个环内中继的半径第i个环内中继对应的扇区夹角θ_i以及第i+1个环的起始半径R_i+1；其中，从i＝1，R₁＝R_BS,C开始，每计算一次，i增加1，直到所得到的R_i≥R为止，并将此时i-1的值设置为完成覆盖小区且达到覆盖率阈值C_th完成覆盖所需的环数M；

步骤b3)计算采用该基站的发射功率为P_BS,C及其相应的中继部署进行两阶段协作多播的总功耗的两阶段协作多播的总功耗P_tot： $P_{\mathrm{tot}}=P_{\mathrm{BS},C}\frac{T_1}{T}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}N\left(i\right)P_{\mathrm{MS}}\frac{T_2}{T},$ 其中， $N\left(i\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\θ}}_i}$ 表示在第i个环形内所需的中继个数，P_MS表示中继的发射功率,T₁和T₂分别代表两阶段协作多播的第一阶段和第二阶段的时隙，T表示在保障覆盖率达到阈值C_th的情况下传统多播的时隙，T＝T₁+T₂。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤b3)中对于给定的基站发射功率P_BS,C，所述中继部署方案为：

完成覆盖小区且达到覆盖率阈值C_th完成覆盖所需的环数为M；

在第i个环形内所需的中继个数为

在第i个环形内中继的安置半径和夹角满足：

R_relay＝(R_i+R_i+1)/2；

3.一种两阶段协作多播方法，所述方法包括：

步骤1)，采用权利要求1或2所述的方法获取要达到预定覆盖率所需的最优基站发射功率以及理想的中继位置；

步骤2)将基站的发射功率设置为所述最优基站发射功率，进行第一阶段的多播；

步骤3)基于所述理想的中继位置来选择中继，进行第二阶段的多播。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤3)包括选择距离理想的中继位置最近的一个成功用户作为协作多播第二阶段的中继。

5.根据权利要求4所述的方法，所述步骤3)包括：

对于M×N的矩阵中，矩阵行的编号表示所需要的M个理想中继，矩阵的列标号对应的经过第一阶段传输之后的所有的成功点的编号，矩阵中的元素D_i,j表示的是第j个成功用户到第i个理想中继的距离，执行下列步骤：

步骤31)求解min(D_i,j),如果最小值等于∞，结束该算法；如果最小值不等于∞，记录相应的行标号i和列标号j；如果最小值有多个相同值，记录最小行标号所对应的一个最小值，并记录行号和列号；则用第j个成功用户来替代第i个理想中继；

步骤32)将矩阵D_i,j对应的i行j列元素置成∞，然后返回步骤31)。

6.一种两阶段协作多播***，所述***包括：

计算模块，用于采用如权利要求1或2所述的方法获取要达到预定覆盖率所需的最优基站发射功率以及理想的中继位置；

基站，所述基站以最优基站发射功率作为基站的发射功率，进行第一阶段的多播；以及

中继选择模块，用于基于理想的中继位置来选择中继，以进行第二阶段的多播。

7.根据权利要求6所述的***，其中，所述中继选择模块选择距离理想的中继位置最近的一个成功用户作为协作多播第二阶段的中继，以进行第二阶段的多播。