[發明專利]多源多宿直通中繼通信系統中的跨層優化設計方法

有效

• 申請號: 201410049834.1
• 申請日: 2014-02-13
• 公開（公告）號: CN103826196B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 孫君;朱洪波
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W4/00
• 分類號: H04W4/00;H04W72/04;H04W76/02;H04L1/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 葉連生

1.一種多源多宿直通中繼通信系統中的跨層優化設計方法，其特征在于，該方法實現如下：

1）通信場景

在蜂窩小區中，可能會存在一個區域內集中分布大量密集直通用戶的場景，該區域內用戶有相同的或者不同的多媒體業務下載需求，將這樣的區域稱為一個簇，簇內的用戶實現分布式的直通通信；具體的通信方式為：簇內有一個簇首用戶，該用戶首先通過其附近的蜂窩用戶向基站請求獲得信道資源和相應的多媒體業務，簇首向基站申請的是一組可用的信道資源，信道根據簇所在的位置，采用網格化頻譜資源分配方法向該簇分配所需要的一組頻率資源；

簇內的用戶對多媒體業務數據進行分級中繼轉發，對于簇首用戶節點，簇首節點稱為零級節點，零級節點對通信距離范圍內的向其申請轉發數據服務的節點根據端間最佳路徑原則進行選擇，被選的節點從簇首節點處下載數據，同時，從簇首節點處下載數據的節點成為一級節點，一級節點用同樣的方式為下一級節點轉發數據，以此類推；在同一級節點中，沒有申請到服務的節點，繼續在其通信距離范圍內尋找下一級節點中可以轉發服務的節點，直到找到為止；

2）基站對直通用戶的資源分配流程：

簇首向基站申請資源分配時，除了告知基站本簇的地理位置外，還需要向基站申請可使用足夠長時間的、不能在簇內和簇外對蜂窩系統產生干擾的頻率資源，將基站覆蓋范圍劃分為若干網格區域，基站根據“不在有效通信范圍內不產生干擾”的距離原則為簇內用戶分配頻率資源；如果簇內用戶都使用相同的頻率資源，在用戶申請同一種業務時是有利的，如果用戶之間需要轉發的業務數據類型不一樣，同一個頻率資源就會在簇內用戶間產生干擾，因此，基站在分配頻率資源的時候，需要根據簇內用戶的業務狀況進行分配；如果是相同類型業務，基站可以向簇首分配相距所在簇區域較遠的區內的頻率資源，如果簇內用戶所轉發的數據類型不相同，則基站根據情況向簇首分配兩個以上的頻率資源；

直通用戶簇的簇首用戶向基站發送資源請求后，基站根據簇首用戶所在的位置和簇首用戶發來的關于簇的范圍的信息，將簇所在的區域定義為0區域，以簇所在區域對應的圓心角為準，將整個蜂窩系統按該圓心角劃分為若干區域，與0區相鄰的區域定義為I區，與I區相鄰的區域定義為II區，以此類推；基站將與0區不相鄰區域的頻率資源分配給簇內用戶，以此避免簇內用戶之間以及簇內用戶和蜂窩用戶之間的干擾；

3）簇內節點用戶分級方案

首先定義簇首節點為0級節點，通過0級節點轉發數據的節點定義為1級節點，所有同級節點定義為置定端集G_i，置定端集中端的個數即為該級中節點的個數，根據這種劃分，在簇內節點在轉發數據的鏈路連接過程中可以協調使用基站分配的資源，即：第一級轉發使用頻率f1，第二級轉發使用頻率f2，第三級轉發使用頻率f1,第四級轉發使用頻率f2，以此類推，有效地避免簇內的相互干擾；

簇內節點按照端間優化的原則進行節點的分級，具體方法如下：

假設節點i為置定端集中的一個元素，該置定端集定義為i級置定端集G_i，假設集合中一共有Ni個節點；節點j是未置定端集中的任意一點，該未置定端集定義為G_i+1，該集合中的端點由向G_i由節點申請轉發數據的節點構成，假設集合中一共有N_i+1個節點；通過優化方案選出的節點保留在集合G_i+1中，同時更新集合中節點數N_i+1，剩余節點放在下一級未置定端集G_i+2中，進入選擇程序，依此類推；定義f_ij表示節點i到節點j鏈路上的流量，d_ij表示節點i到節點j的通信距離，P_ij表示從節點i發送單位比特數據到節點j所需要的功率，α_ij表示在鏈路ij上傳輸單位比特數據產生的費用，r_ij表示在鏈路ij上的數據傳輸速率，集合G_i中的元素v_i,l,l＝1,2,…N_i表示第i級節點集合中的第l個節點，集合G_i+1中的元素v_i+1,l,l＝1,2,…N_i+1表示第i+1級節點集合中的第l個節點，定義函數Φ(f_ij,P_ij)表示鏈路ij上產生的總費用；

Φ(fij,Pij)=Σj∈Gi+1αijfij+Σj∈Gi+1rijPij,Gi+1={vi+1,1,vi+1,2,...vi+1,Ni+1}i∈Gi,Gi={vi,1,vi,2,...vi,Ni}---(1)]]>

優化方程為

minimizeΦ(fij,Pij)subjecttoΣj∈Gi+1fij-Σk∈Gi-1fki=fmaxi---(a)0≤fij≤fmaxij,fij≤rij---(b)dij-α|hij|2Pij≥Iγjth---(c)fmaxiPmini≤Σj∈Gi+1rijPij≤fmaxiPmaxi---(d)---(2)]]>

其中，符號f_ki表示上一級節點k到本級節點i鏈路上的流量，f_maxi表示節點i的最大節點流量，f_maxij表示鏈路ij上的最大鏈路流量，d_ij表示節點i和j之間的距離，h_ij表示節點i和j之間的路徑衰落因子，I表示j節點接收的干擾功率，γ_jth表示j節點正確接收信號的接收信噪比SINR門限值，P_mini表示節點i的最小單位比特發送功率，P_maxi表示節點i的最大單位比特發送功率；

公式（2）中條件（a）是對節點流量進行約束，表明對簇內的任意節點用戶而言，從該用戶出流入的流量，即從上一級節點下載到該節點的流量，與該節點用戶發送的流量之和應該等于該節點的最大節點流量；

公式（2）中條件（b）是對鏈路上的流量和鏈路上的數據傳輸速率的限制，鏈路上的實際流量不應該大于鏈路上的最大流量，鏈路流量應該小于數據傳輸速率；

公式（2）中條件（c）是對鏈路上的傳輸條件進行限制，鏈路上的SINR值必須滿足在直通用戶的接收端能夠被正確解碼的條件；

公式（2）中條件（d）是對i節點用戶發送功率的限制，從i節點出發的各個鏈路上發送r_ij比特數據的總功率之和不能超過i節點用戶的最大發送總功率；

通過以上優化，第i級節點中的各個節點都可以選出自己的下一級節點集合，同時更新各自下一級節點集合中元素的個數，并寫在i節點的路由表中，為之后的數據傳輸做好準備；

4）簇內節點用戶分級流程

簇首用戶向基站申請資源的流程：

步驟一：第i級節點的用戶向其通信范圍內的用戶廣播信息；

步驟二：如果在其有效通信范圍內存在有下載需要的節點用戶，那么該用戶就向該i級用戶回復一個確認信號；

步驟三：該i級用戶根據端間優化準則對所有的申請用戶進行選擇，并向被選用戶發送確認信息，建立通信鏈路，同時被選節點定義為置定端集G_i+1；

步驟四：沒有申請到的用戶繼續發送服務申請，向其通信范圍內的G_i+1集合中選擇接受服務的節點；

5）直通鏈路高效傳輸方案

一旦通信鏈路建立成功，鏈路上的高效傳輸方案的具體實施步驟為：

步驟501：節點間建立通信鏈路；

步驟502：i級節點用戶向其所屬的i+1級節點用戶發送數據；

步驟503：i級節點用戶首先根據當前檢測的SINR值選擇相應的AMC方案，根據相應的方案對數據進行調整編碼；

步驟504：發送數據；

步驟505：i級節點用戶等待接收端是否正確接收到信號的確認信息，如果正確接收，轉向步驟507，否則轉向步驟506；

步驟506：如果發送端沒有收到接收端的確認ACK，則發送端啟動混合自動請求重傳HARQ機制，判斷是否超過最大重傳次數，如果沒有則轉向步驟504，直到達到最大傳輸次數，如果在沒有達到最大傳輸次數時就已經收到ACK，則進入步驟504，否則結束HARQ，轉向步驟516；

步驟507：判斷數據是否傳輸完畢，如果傳輸完畢則轉向步驟509，否則，轉向步驟508；

步驟508：重新估價SINR；

步驟509：判斷SINR是否變化，如果SINR值沒變，說明該信道不適合直通傳輸，轉向步驟501，直通用戶重新向基站申請可用資源，如果SINR值改變，則轉向步驟503，直通用戶發送端根據變化的SINR值，調整AMC方案，繼續使用該信道發送數據，直到數據傳輸結束；

步驟510：釋放信道。