本发明公开了一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法与系统。该方法提出一种联合中继选择和功率控制的跨层设计方法来增加系统平均容量,同时减小干扰。其中,中继选择的准则是基于最大容量,然后建立一个被选路径信息表。根据该表确定是否存在小区间干扰,如果存在则执行功率控制方案来协调小区间的干扰。本发明可以在中继选择的基础上主动协调小区间干扰,很好地最大化系统容量,给系统容量带来了更多的自由度,且运算过程不涉及迭代,也没有收敛性问题;易于执行,开销小,计算简单,能很好地用于实际场景的问题。
1.一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法,其特征在于,包括如下步骤:容量计算步骤,计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录步骤,在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的传输策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立步骤,依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调步骤,查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径是使用中继策略,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。
2.根据权利要求1所述的联合中继选择和功率控制的通信方法,其特征在于,所述干扰协调步骤中,对所述存在干扰的小区进行功率控制所采用的方法为:最小功率控制或自适应功率控制。
3.根据权利要求2所述的联合中继选择和功率控制的通信方法,其特征在于,所述最小功率控制方法的最小功率为: P min = σ d 2 SNR min | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="48"/>是噪声的功率,SNR_min是当信源节点以初始发射功率直接传送信号到最大传输范围时信宿得到的信噪比,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="412"/>S_i、D_i分别表示信源节点和信宿节点;R(S_i)表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="135"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="91"/>表示信源节点和信宿节点之间的路径损耗、阴影衰落;P为信源的初始发射功率。
4.根据权利要求2所述的联合中继选择和功率控制的通信方法,其特征在于,所述自适应功率控制方法中,中继节点的发射功率应为 P th = P | h th | 2 | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,h_th为所述中继节点与该中继节点对应的干扰节点间最小距离的信道衰落; ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="136"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗。
5.一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信系统,其特征在于,包括:容量计算模块,用于计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录模块,用于在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的传输策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立模块,用于依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调模块,用于查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径是使用中继策略,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。
6.根据权利要求5所述的联合中继选择和功率控制的通信系统,其特征在于,所述干扰协调模块中,还包括最小功率控制单元和自适应功率控制单元。
7.根据权利要求6所述的联合中继选择和功率控制的通信系统,其特征在于,所述最小功率控制单元中,依据下式进行最小功率控制: P min = σ d 2 SNR min | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="49"/>是噪声的功率,SNR_min是当信源节点以初始发射功率直接传送信号到最大传输范围时信宿得到的信噪比,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="412"/>S_i、D_i分别表示信源节点和信宿节点;R(S_i)表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="135"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="91"/>表示信源节点和信宿节点之间的路径损耗、阴影衰落;P为信源的初始发射功率。
8.根据权利要求6所述的联合中继选择和功率控制的通信系统,其特征在于,所述自适应功率控制单元中,依据下式确定中继节点的发射功率: P th = P | h th | 2 | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,h_th为所述中继节点与该中继节点对应的干扰节点间最小距离的信道衰落; ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="136"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗。技术领域
本发明涉及无线资源管理领域,具体涉及一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法与系统。
背景技术
合作通信在近年已经作为未来移动通信的一种吸引人的候选策略,得到了广泛的关注。它能有效地利用无线网络的广播特性,并且开发自身的空间分集增益。因此,值得研究与合作通信相关的技术。带有中继辅助下的系统性能被广泛研究。正确地选择中继节点作为传输手段是很重要的,也很有挑战性,它可能带来增益,但也可能恶化系统性能。然而,关于这方面的研究还比较少,并且主要都是基于避免小区间干扰,而不是主动协调干扰。众所周知,功率控制技术也是一种有效的方法来改善网络性能。在这方面有过大量的研究,但他们都假设中继节点的路径已经给定,没有考虑过联合中继选择策略带有的性能改进。综上所述,联合中继选择和功率控制会带来各自的优势,并能改进系统性能。关键的问题就是如何通过联合中继选择和功率控制技术来改善系统性能。对于这方面内容,现有的研究多仅局限于单小区的情况,而对于小区间的干扰问题,却少有考虑。但在LTE和GSM-R等重要的通信领域,由于频率复用因子为1,小区间干扰的问题可能会很严重。然而处理来自其他小区的干扰给系统设计带来了很大的复杂性,它需要联合多个小区的中继选择和功率控制的问题。尽管有学者用迭代的方式处理联合中继选择和功率控制问题,但它没法保证信宿能正确解码,而且还存在一些对性能的限制。
发明内容
为解决虑多小区问题并确保正确解码,本发明提出了一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法与系统。一方面,本发明一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法,包括如下步骤:容量计算步骤,计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录步骤,在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的传输策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立步骤,依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调步骤,查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径是使用中继策略,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。上述联合中继选择和功率控制的通信方法中,优选所述干扰协调步骤中,对所述存在干扰的小区进行功率控制所采用的方法为:最小功率控制或自适应功率控制。上述联合中继选择和功率控制的通信方法中,优选所述最小功率控制方法的最小功率为: P min = σ d 2 SNR min | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="50"/>是噪声的功率,SNR_min是当信源节点以初始发射功率直接传送信号到最大传输范围时信宿得到的信噪比,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="416"/>S_i、D_i分别表示信源节点和信宿节点;R(S_i)表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="137"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="93"/>表示信源节点和信宿节点之间的路径损耗、阴影衰落;P为信源的初始发射功率。上述联合中继选择和功率控制的通信方法中,优选所述自适应功率控制方法中,中继节点的发射功率应为 P th = P | h th | 2 | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,h_th为所述中继节点与该中继节点对应的干扰节点间最小距离的信道衰落。另一方面,本发明一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信系统,包括:容量计算模块,用于计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录模块,用于在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的传输策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立模块,用于依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调模块,用于查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径是使用中继策略,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。上述联合中继选择和功率控制的通信系统中,优选所述干扰协调模块中,还包括最小功率控制单元和自适应功率控制单元。上述联合中继选择和功率控制的通信系统中,优选所述最小功率控制单元中,依据下式进行最小功率控制: P min = σ d 2 SNR min | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="50"/>是噪声的功率,SNR_min是当信源节点以初始发射功率直接传送信号到最大传输范围时信宿得到的信噪比,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="415"/>S_i、D_i分别表示信源节点和信宿节点;R(S_i)表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="139"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="93"/>表示信源节点和信宿节点之间的路径损耗、阴影衰落;P为信源的初始发射功率。上述联合中继选择和功率控制的通信系统中,优选所述自适应功率控制单元中,依据下式确定中继节点的发射功率: P th = P | h th | 2 | h R ( S i ) , D i | 2 ]]> 其中,h_th为所述中继节点与该中继节点对应的干扰节点间最小距离的信道衰落。本发明对于如何在多小区情况下联合中继选择和功率控制方法改进系统性能给予了指导。该方法可以在中继选择的基础上主动协调小区间干扰,很好地最大化系统容量,给系统容量带来了更多的自由度,且运算过程不涉及迭代,也没有收敛性问题;易于执行,开销小,计算简单,能很好地用于实际场景的问题。
附图说明
图1为本发明多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信网络概要图;图2为本发明多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法的步骤流程图;图3是小区内处理的流程示意图;图4是小区间处理的流程示意图;图5是不同中继数下的平均容量对比;图6是不同传输距离下的平均容量对比;图7为本发明多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信系统的方框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明优选实施例作进一步详细说明。为了考虑多小区问题并确保正确解码,本发明考虑在多小区环境下联合中继选择和功率控制的跨层设计。该发明首先在每个小区选择能带来最大小区吞吐量的传输路径,然后针对所有小区,根据设定的准则,利用功率控制来协调小区间的干扰。考虑的功率控制方法包括最小功率控制和自适应功率控制方法。值得一提的是,小区间交换的信息只是路径信息,有相对小的信令开销,并且本方法执行简单,没有迭代运算,适合实际应用。带有中继辅助的多小区系统结构如图1所示。系统网络有一个信源节点,多个中继节点和一个信宿节点。中继节点通常都是随机分布在小区范围内。这里假定信宿节点都是小区节点中最远的一个。为了简化计算复杂度,我们假设只有在传输范围内有干扰,即取决于发射功率,传输范围指的是所有在该范围内的节点都能正常解码信息。通过扩展传输范围,就可以扩展该方法到更通用的场景下。最后,我们假设信道在每个传输时隙内是稳定的。不失一般性,这里假设所有节点都配备单天线,且工作在半双工模式。时隙被划分为奇偶两部分。以下仅考虑两种传输方式:直接传输(DT)策略和解码转发(DF)中继辅助策略。在DT策略中,信源在偶时隙内直接发送信号给信宿。而在DF策略中,信源在两时隙内发送信号,中继和信宿侦听信息,然后中继在奇时隙发射信号给信宿,最后信宿以最大比合并(MRC)方式处理信源和中继发送的信号。根据学者研究的结果,当使用DF策略时,带有MRC的最大可得容量为 C DF ( S i , R ( S i ) , D i ) = W 2 min { log 2 ( 1 + P σ d 2 | h S i , R ( S i ) | 2 ) , log 2 ( 1 + P σ d 2 | h S i , D i | 2 + P σ d 2 | h R ( S i ) , D i | 2 } , - - - ( 1 ) ]]> 其中W表示带宽,P是每个信源节点和中继节点的初始发射功率,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="48"/>是噪声的方差,R(S_i)表示在小区i分配给信源S_i的中继节点,h_jk为节点j和节点k之间的路径损耗,阴影衰落。而使用DT策略时,最大吞吐量可表示为 C DT ( S i , D i ) = W log 2 ( 1 + P σ d 2 | h S i , D i | 2 ) - - - ( 2 ) ]]> 公式(2)中的符号含义与公式(1)中大致相同。基于以前的研究结果,很难说DF策略就优于DT策略。因此决定使用哪种策略取决于用户的位置和各自的信道状态。参照图2,图2为本发明多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法的步骤流程图,包括如下步骤:容量计算步骤S210,计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录步骤S220,在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立步骤S230,依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调步骤S240,查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径包括中继节点,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。实施例一步骤1:计算一个小区内使用DT策略下的容量,和使用不同中继节点的DF策略下的所有容量。步骤2:比较DT策略下的容量和对于所有中继节点DF下的容量,找出其中的最大值,并选择该策略和该路径作为被选路径。然后记录该路径信息。步骤3:在剩余所有小区重复步骤1和步骤2,得到相应的被选路径并记录相应的路径信息。步骤4:收集每小区的路径信息建立路径表。步骤5:查看路径表,查找是否有小区间干扰发生。如果没有干扰,则各小区选择各自的路径并保持各自发射功率不变。否则,如果该小区内的路径包括中继节点,则该小区执行功率控制方案。最小功率控制和自适应控制控制方案的具体实施方案如下。对于最小功率控制方案,干扰中继节点的发射功率应主动缩小,使得该小区内信宿节点的SNR满足可以正确解码信息的最小要求,即在最大传输范围处的节点的SNR。因此最小所需的SNR可以被计算: SNR min = P σ d 2 | h S i , D i | 2 . - - - ( 3 ) ]]> 其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="50"/>是噪声的功率,P为信源的初始发射功率,h_jk为节点j和节点k之间的路径损耗,阴影衰落。因此,所需的最小功率为: P min = σ d 2 SNR min | h R ( S i ) , D i | 2 - - - ( 4 ) ]]> 其中,其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="49"/>是噪声的功率,SNR_min是当信源节点以初始发射功率直接传送信号到最大传输范围时信宿得到的信噪比,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="416"/>S_i、D_i分别表示信源节点和信宿节点;R(S_i)表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="138"/>表示在小区i分配给信源节点S_i的中继节点和信宿节点之间的路径损耗;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="93"/>表示信源节点和信宿节点之间的路径损耗、阴影衰落;P为信源的初始发射功率。值得注意的是,信源节点的发射功率可以保持不变。然而,最小功率控制方法太保守了,因为在这样的发射功率下可以干扰到的距离可能远小于各小区所有干扰节点间的最小距离,这样会有一些性能损失。为了能够得到这些增益,可以考虑使用自适应功率控制。对于自适应功率控制方案,我们选择各小区所有干扰节点间的最小距离作为门限值。因此相应的中继节点的发射功率应为 P th = P | h th | 2 | h R ( S i ) , D i | 2 - - - ( 5 ) ]]> 其中h_th为对应干扰节点间的最小距离的信道衰落,P为信源的初始发射功率。下面结合图3和图4对上述实施例做出进一步的说明。其中,图3是小区内处理的流程示意图,图4是小区间处理的流程示意图。参照图3,首先在某个小区内随机地放置M个中继节点,然后分别计算使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量。根据计算得到的各个容量,如果使用中继策略下的最大容量小于使用直接传输策略下的容量,则选择信宿作为直接传输路径,否则选择带有最大中继策略下容量的那个中继节点作为中继传输路径。最后依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立各个小区网络的路径表。参照图4,首先检查所有小区,如果已经检查完毕,则结果该流程,否则,比较该未检查的小区内被选节点与其他小区被选节点之间的距离,倘若干扰节点距离大等于传输距离,则保持各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变。否则判断是否该小区内被选节点是否是中继节点,如果是则执行相应的功率控制算法,不是则保持被选路径和发射功率不变。在一个实验中,考虑五种不同的方法在不同中继节点数下的平均容量性能。这五种方法分别为:method1:DT策略下的容量;method2:基于最大容量的中继选择策略;method3,带有最小功率控制的本发明的方法;method4,带有自适应功率控制的本发明的方法;method5,修正联合方法。实验结果证明,本发明在不同中继节点数下的平均容量性能优于其他的方法。同时,中继节点数目的增加并没有带来更多的增益。这是因为增加的节点数也带来了更多的干扰。图5显示了不同方法的对比。在另一个实验中,考虑上述五种方法随着传输距离的增加,平均容量的性能变化。实验证明,随着传输距离的增加,平均容量减小,这是由于传输范围的加大引入了更多的相互间干扰,影响了平均小区容量。但是,当传输距离的增加时,本发明的方法开发了潜在的增益。图6是不同方法的不同传输距离下的平均容量性能的对比。另外,从表1中也可以看出不同方法平均容量的容量对比。参照表1,表1为各种方法平均容量的对比。基于蒙特卡洛仿真,可以得到各种方法的平均容量。从表中可以明显看出,本发明的方法胜过其他策略。通过中继选择和功率控制协调了小区间干扰,更适合于多小区的环境。表1 xa0xa0方法名称
xa0xa0均容量(MHz)
xa0xa0DT策略
xa0xa00.803
xa0xa0基于最大容量中继选择策略
xa0xa02.587
xa0xa0带有最小功控的本方法
xa0xa02.643
xa0xa0带有自适应功控的本方法
xa0xa02.722
xa0xa0修正联合法
xa0xa02.613
另一方面,本发明还公开了一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信系统的实施例。参照图7,该通信系统包括:容量计算模块70,用于计算多小区网络中的每一个小区内,使用直接传输策略下的容量,以及使用不同中继节点的解码转发策略下的所有容量;路径信息记录模块72,用于在每一个小区内,比较所述直接传输策略下的容量和对于每一个中继节点在解码转发策略下的容量,确定最大的容量值所对应的策略和路径,并将该路径作为被选路径;记录所述被选路径;路径表建立模块74,用于依据每个小区的被选路径,收集每个小区的路径信息,建立多小区网络的路径表;干扰协调模块76,用于查看所述路径表,判断是否有小区间干扰发生;如果没有干扰,则各小区选择各自的被选路径,并保持发射功率不变;如果存在小区间干扰,并且,存在干扰小区内的被选路径包括中继节点,则对所述存在干扰的小区进行功率控制。该系统实施例的原理与方法实施例相同,方法实施例和系统实施例互相参考即可,在此不再赘述。以上对本发明所提供的一种多小区网络的联合中继选择和功率控制的通信方法与系统进行详细介绍,本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。