蜂窩系統(tǒng)中d2d和固定中繼兩種協(xié)作多播模式的選擇方法
【專利摘要】一種蜂窩系統(tǒng)中終端直通D2D和固定中繼兩種協(xié)作多播模式的選擇方法，基于多播傳輸中發(fā)送速率受限于最差用戶的信道質(zhì)量，且最差用戶通常分布在小區(qū)邊緣的規(guī)律，將一跳傳輸分為信道質(zhì)量較好的兩跳傳輸，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的吞吐量。本發(fā)明方法是根據(jù)實(shí)際情況比較第二跳時(shí)固定中繼多播和移動(dòng)終端D2D多播的兩種協(xié)作方式的效用值大小，選擇最優(yōu)化的傳輸策略，提升了蜂窩系統(tǒng)的整體運(yùn)行效用值。本發(fā)明有效結(jié)合兩種協(xié)作中繼多播的優(yōu)點(diǎn)，合理選擇中繼方式，提升多播業(yè)務(wù)的傳輸速率和對邊緣用戶的覆蓋率，優(yōu)化了蜂窩系統(tǒng)的整體效用，能夠獲得更好的用戶體驗(yàn)；且操作步驟簡單，計(jì)算復(fù)雜度低，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【專利說明】蜂窩系統(tǒng)中D2D和固定中繼兩種協(xié)作多播模式的選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)多播效用最大化的模式選擇方法，確切地說，涉及一種蜂窩系統(tǒng)中終端直通D2D (Device-to-Device)協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的兩種模式選擇方法。屬于無線通信傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動(dòng)電視、視頻/電話會(huì)議等寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增加，蜂窩系統(tǒng)的容量、覆蓋及其服務(wù)靈活性的性能參數(shù)已經(jīng)成為下一代無線網(wǎng)絡(luò)亟需解決的重要問題。因?yàn)榉涓C通信系統(tǒng)是以基站為中心的小區(qū)覆蓋的局限性，高級國際移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced)是一種具有超過IMT-2000能力的新移動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供廣泛的電信業(yè)務(wù):由移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)支持的日益增加的基于包傳輸?shù)南冗M(jìn)的移動(dòng)業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)還支持從低到高的移動(dòng)性的應(yīng)用和很寬范圍的數(shù)據(jù)速率，滿足多種用戶環(huán)境下用戶和業(yè)務(wù)的需求。此外，該系統(tǒng)具有在廣泛服務(wù)和平臺(tái)下提供顯著提升QoS的高質(zhì)量多媒體應(yīng)用的能力。但是，該系統(tǒng)仍然存在覆蓋和容量等多方面的問題。
[0003]中繼技術(shù)已被廣泛確認(rèn)為能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和實(shí)現(xiàn)高帶寬信道傳輸。盡管中繼技術(shù)能提高小區(qū)覆蓋性能，增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶體驗(yàn)。然而，由于基站與中繼站都不具有移動(dòng)性，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)支持的靈活性仍然不夠豐富，系統(tǒng)覆蓋與小區(qū)邊緣用戶的容量仍然存在較高的提升空間。在這樣背景下，利用移動(dòng)終端作為中繼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)以其部署方便、造價(jià)低廉等優(yōu)勢，在近年受到廣泛關(guān)注。
[0004]D2D技術(shù)，即終端直通技術(shù)，是指地理位置較近的終端不需通過中心節(jié)點(diǎn)(即基站)轉(zhuǎn)發(fā)而直接通過兩者直傳鏈路傳輸數(shù)據(jù)的方式。其傳輸特點(diǎn)的優(yōu)勢是:D2D可以復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的資源，從而實(shí)現(xiàn)較高的頻譜利用率；D2D可以通過控制功率等方式，將其對蜂窩用戶的干擾控制在可接受范圍內(nèi)；因D2D采用近距離直接通信方式，可實(shí)現(xiàn)較低的功耗、較高的數(shù)據(jù)速傳輸率和較低的時(shí)延；由于用戶終端分布廣泛且數(shù)量龐大，可以擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。但是，移動(dòng)終端也存在其移動(dòng)性強(qiáng)、供電和處理能力弱等若干固有的缺陷。
[0005]總之，上述中繼站和D2D的兩種中繼方式對于擴(kuò)展小區(qū)覆蓋范圍，提升邊緣用戶服務(wù)體驗(yàn)都有比較好的效果。
[0006]近年來，多播業(yè)務(wù)的傳輸受到了廣泛的關(guān)注和研究。傳統(tǒng)多播業(yè)務(wù)是采用同一頻率向移動(dòng)終端同時(shí)發(fā)送相同的信號，因此信號強(qiáng)度和發(fā)送速率受限于接收到的信號最差的用戶信道質(zhì)量。一般情況下，這些接收到的信號最差的用戶通常都位于距離基站較遠(yuǎn)的小區(qū)邊緣。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，Chengjin Wang提出:通過小區(qū)中的固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)來減小單跳組播服務(wù)半徑提高數(shù)據(jù)速率的技術(shù)；再應(yīng)用分層編碼技術(shù)。因基站的多播主要保證所有用戶得到基本服務(wù)，而通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)能夠使得高信道質(zhì)量的用戶獲得較好的增強(qiáng)型數(shù)據(jù)。BinZhou等提出:利用D2D技術(shù)進(jìn)行第二階段的轉(zhuǎn)發(fā)，用于解決系統(tǒng)吞吐量和可靠性之間的矛盾。[0007]通過對比可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種方式在不同的具體場景下各有優(yōu)勢:
[0008]模式一采用固定中繼，其發(fā)送功率相比于移動(dòng)終端具有更大閾值，覆蓋范圍較廣；但其占用系統(tǒng)的空閑頻譜資源。因此其更適用于在未成功接收用戶分布范圍較廣且分散的情形。
[0009]模式二采用移動(dòng)終端作為中繼，通過D2D直通方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因而可以復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源，但其覆蓋范圍有限。因此更適用于未成功接收用戶分布集中、且與成功接收用戶間距離較近的情形下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種蜂窩系統(tǒng)中終端直通D2D協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的兩種模式選擇方法，該方法是一種混合協(xié)作的多播策略，依據(jù)不同的實(shí)際情形和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況而選擇不同的中繼傳輸模式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的整體效用。本發(fā)明關(guān)注的是如何以效率最優(yōu)的方式，即用最少的時(shí)間、頻率資源和功率實(shí)現(xiàn)第二階段的多播。本發(fā)明方法的操作步驟簡單，計(jì)算難度低，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性和可操作性也比較強(qiáng)，具有很好的實(shí)用化前景。
[0011]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種蜂窩系統(tǒng)中終端直通D2D協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的模式選擇方法，是基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的兩種中繼傳輸模式的選擇方法，其特征在于:所述方法包括下列各個(gè)操作步驟:
[0012]( I)基站執(zhí)行第一跳多播傳輸:基站根據(jù)多播業(yè)務(wù)的傳輸速率要求執(zhí)行第一跳多播，使得多播請求中的部分移動(dòng)終端成功接收數(shù)據(jù)，而另一部分移動(dòng)終端因?yàn)榕c基站的距離較遠(yuǎn)或處于無線信道的深衰落中未能成功接收數(shù)據(jù)；
[0013](2)基站分別判斷移動(dòng)終端與固定中繼執(zhí)行第二跳多播的可行性:基站根據(jù)地理位置的地形地貌及兩者之間的 距離，分別判斷移動(dòng)終端執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，以及根據(jù)其扇區(qū)內(nèi)是否存在固定中繼，判斷該固定中繼執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，并分別使用初始值為O的模式變量ΙΠ(Λ記錄判斷結(jié)果:
[0014]若移動(dòng)終端協(xié)作方式不可行、但固定中繼協(xié)作方式可行時(shí)，記為Inu^=I ；
[0015]若移動(dòng)終端協(xié)作多播可行、但固定中繼協(xié)作方式不可行時(shí)，記為ΙΠ(Λ=2 ；
[0016]若移動(dòng)終端協(xié)作方式和固定中繼協(xié)作方式兩者都不可行時(shí)，記為ΙΠ(Λ=3 ；
[0017]再判斷結(jié)果Inwde Φ O是否成立，若是，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(5);若否，即Inwde=O,則表示能夠同時(shí)選擇執(zhí)行移動(dòng)終端協(xié)作方式或者固定中繼協(xié)作方式，則執(zhí)行后續(xù)步驟(3)；
[0018](3)移動(dòng)終端向基站上傳信息:基站先選取成功接收的移動(dòng)終端作為備選簇頭，并表示為:包含K個(gè)元素的集合Μ={1，2...Κ};而將未成功接收的移動(dòng)終端作為簇成員，并表示為:包含L個(gè)元素的集合N={1，2...L};然后，所有備選簇頭都向基站上傳其傳輸性能參數(shù)矩陣F，該矩陣F中的每個(gè)元素f u數(shù)值分別表示第i個(gè)備選簇頭Mi與第j個(gè)簇成員、即移動(dòng)終端％之間能否建立連接:若fu=l，表示能夠建立連接；若fu=0，表示不能建立連接；式中，自然數(shù)i和j分別為備選簇頭和簇成員的序號，其最大數(shù)分別為K和L ；
[0019](4)基站根據(jù)矩陣F選擇最大連接度算法，對移動(dòng)終端協(xié)作多播方案執(zhí)行分簇操作；
[0020](5)基站根據(jù)步驟(2)的判斷結(jié)果，選擇決策其第二跳多播傳輸方式:[0021]若1_^=1，則選用固定中繼執(zhí)行第二跳多播；
[0022]若Immte=2，則選用移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳多播；
[0023]若Immte=3，則基站進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳；
[0024]若ΙΠ(Λ=0，則基站分別計(jì)算固定中繼和移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳傳輸?shù)男в弥?，再對該兩種傳輸方式的效用值進(jìn)行比較，選取效用最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播。
[0025]本發(fā)明兩種多播中繼協(xié)作模式的選擇方法是通過比較固定終端協(xié)作多播和移動(dòng)終端協(xié)作多播的兩種傳輸模式的效用值大小，選擇最優(yōu)化的傳輸策略；其計(jì)算復(fù)雜度低，實(shí)現(xiàn)簡便，易于推廣。本發(fā)明方法創(chuàng)新優(yōu)點(diǎn)如下:
[0026]本發(fā)明方法結(jié)合了固定中繼協(xié)作多播與移動(dòng)中繼協(xié)作多播的兩者優(yōu)點(diǎn):兩種多播方式分別適用于不同的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和終端分布情形。固定中繼協(xié)作多播的覆蓋范圍較廣，但占用系統(tǒng)的空閑頻譜資源，因此更適用于在未成功接收用戶分布范圍較廣、且分散的場合。移動(dòng)中繼協(xié)作多播由于采用終端作為中繼節(jié)點(diǎn)，通過D2D直通方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，可復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源，但其覆蓋范圍有限，因此更適用于未成功接收用戶分布集中、且與成功接收用戶間距離較近的場合。本發(fā)明方法根據(jù)實(shí)際情況合理選擇協(xié)作多播的模式，提升了蜂窩系統(tǒng)的整體運(yùn)行效用值。
[0027]總之，本發(fā)明通過合理選擇中繼方式，提升了多播業(yè)務(wù)的傳輸速率和對邊緣用戶的覆蓋率，優(yōu)化了蜂窩系統(tǒng)的整體效用，從而獲得更好的用戶體驗(yàn)，因此，本發(fā)明具有很好的推廣應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明D2D協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的兩種模式選擇方法的應(yīng)用場景一蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明D2D與固定中繼兩種協(xié)作多播模式選擇方法操作步驟流程圖。
[0030]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中單一多播模式與本發(fā)明混合多播模式的效用值隨空閑帶寬的變化關(guān)系示意圖。
[0031]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中單一多播模式與本發(fā)明混合多播模式的效用值隨D2D用戶數(shù)量比例的變化關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033]參見圖1，介紹本發(fā)明移動(dòng)中繼、即D2D協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的兩種模式選擇方法的應(yīng)用場景是:由基站、固定中繼和位于該小區(qū)內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)終端所組成的小區(qū)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)基站執(zhí)行多播業(yè)務(wù)時(shí)，在某個(gè)時(shí)段，部分被服務(wù)的移動(dòng)終端因其處于無線信道的深衰落中，沒有成功接收數(shù)據(jù)。此時(shí)能夠選擇使用固定中繼協(xié)作或成功接收數(shù)據(jù)的移動(dòng)終端協(xié)作方式執(zhí)行第二跳傳輸，即將一跳傳輸分為信道質(zhì)量較好的兩跳傳輸:第一跳傳輸由基站完成，第二跳則通過比較兩種中繼協(xié)作方式(一種通過蜂窩小區(qū)內(nèi)的固定中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作多播，另一種通過已經(jīng)成功接收的移動(dòng)終端以D2D方式協(xié)作多播)的性能，選取每一區(qū)域內(nèi)最優(yōu)的傳輸方式。若使用終端協(xié)作方式，則利用D2D技術(shù)從第一階段成功接收的移動(dòng)終端中，尋找適宜的移動(dòng)終端作為簇頭中繼，再根據(jù)最大連接度算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給第一階段未成功接收的移動(dòng)終端、即簇成員；且該簇頭中繼和簇成員兩者之間以D2D方式通信，并保證該兩者之間的鏈路質(zhì)量良好。若使用固定中繼協(xié)作方式，則固定中繼在第二階段對未成功接收的用戶進(jìn)行組播。
[0034]參見圖2，介紹本發(fā)明方法的下述五個(gè)操作步驟:
[0035]步驟1，基站執(zhí)行第一跳多播傳輸:基站根據(jù)多播業(yè)務(wù)的傳輸速率要求執(zhí)行第一跳多播，使得多播請求中的部分移動(dòng)終端成功接收數(shù)據(jù)，而另一部分移動(dòng)終端因?yàn)榕c基站的距離較遠(yuǎn)或處于無線信道的深衰落中未能成功接收數(shù)據(jù)。
[0036]步驟2，基站分別判斷移動(dòng)終端與固定中繼執(zhí)行第二跳多播的可行性:基站根據(jù)地理位置的地形地貌及兩者之間距離，分別判斷移動(dòng)終端執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，以及根據(jù)其扇區(qū)內(nèi)是否存在固定中繼，判斷該固定中繼執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，并分別使用初始值為O的模式變量ΙΠ(Λ記錄判斷結(jié)果:
[0037]若移動(dòng)終端協(xié)作方式不可行、但固定中繼協(xié)作方式可行時(shí)，記為Inrode=I ；
[0038]若移動(dòng)終端協(xié)作多播可行、但固定中繼協(xié)作方式不可行時(shí)，記為ΙΠ(Λ=2 ；
[0039]若移動(dòng)終端協(xié)作方式和固定中繼協(xié)作方式兩者都不可行時(shí)，記為ΙΠ(Λ=3 ；
[0040]再判斷結(jié)果Inwde Φ O是否成立，若是，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟5 ;若否，即Inwde=O,則表示能夠同時(shí)選擇執(zhí)行移動(dòng)終端協(xié)作方式或者固定中繼協(xié)作方式，則執(zhí)行后續(xù)步驟3。該步驟包括下列操作內(nèi)容:
[0041](21)基站獲知 其第一跳多播傳輸?shù)膹V播半徑R。
[0042](22)以扇區(qū)為單位，假設(shè)與基站距離最遠(yuǎn)處的多播請求移動(dòng)終端與基站的距離為R’時(shí)，計(jì)算(R’-R)之差值是否位于D2D通信范圍的距離之內(nèi)；若是，則認(rèn)為終端協(xié)作方式可行；若否，則認(rèn)為終端協(xié)作方式不可行。
[0043](23)以扇區(qū)為單位，判斷每個(gè)扇區(qū)是否設(shè)有固定中繼，若是，則固定中繼協(xié)作方式可行；若否，則固定中繼協(xié)作方式不可行。
[0044](23)根據(jù)上述兩個(gè)步驟的判斷結(jié)果，分別給每個(gè)扇區(qū)賦予相應(yīng)的協(xié)作傳輸模式變
Imode0
[0045]步驟3，移動(dòng)終端向基站上傳信息:基站先選取成功接收的移動(dòng)終端作為備選簇頭中繼，并表示為:包含K個(gè)元素的集合Μ={1，2...Κ};而將未成功接收的移動(dòng)終端作為簇成員，并表示為:包含L個(gè)元素的集合N={1,2...L};然后,所有備選簇頭中繼都向基站上傳其傳輸性能參數(shù)矩陣F，該矩陣F中的每個(gè)元素fu數(shù)值分別表示第i個(gè)備選簇頭中繼Mi與第j個(gè)簇成員、即移動(dòng)終端Nj之間能否建立連接:若&=1，表示能夠建立連接；若fij=0,表示不能建立連接；式中，自然數(shù)i和j分別為備選簇頭中繼和簇成員的序號，其最大數(shù)分別為K和L。
[0046]該步驟中，傳輸性能參數(shù)矩陣中的每個(gè)元素fu、即第i個(gè)備選簇頭Mi與第j個(gè)簇成員、即移動(dòng)終端％之間的可達(dá)參數(shù)的計(jì)算方法包括下列操作內(nèi)容:
[0047](31)先根據(jù)多播業(yè)務(wù)速率要求和香農(nóng)公式，確定D2D接收端的最低信噪比門限值
PiiL--H,
β -JS pu/h 式中，P。是小區(qū)中蜂窩用戶的發(fā)射功率，Pij是備選簇頭中繼吣向其簇
C Cj Cf
成員、即移動(dòng)終端％的發(fā)射功率，Lcj和hd分別為蜂窩用戶到數(shù)據(jù)接收終端％的大尺度路損和小尺度信道響應(yīng)，Lu、hu分別為備選簇頭中繼Mi與其簇成員Ni之間傳輸鏈路的路損和信道響應(yīng)，α為路損因子，ο2是高斯白噪聲的噪聲功率。
[0048](32)為簡化分析，將蜂窩用戶對D2D用戶的干擾均視為相同數(shù)值，再根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)干擾余量門限常數(shù)K，以使D2D用戶的發(fā)送功率Pij必須滿足不等式:
Pij≥Ρmin ij=Laijh-1ijkβ的要求；式中廣為保證D2D鏈路傳輸性能的備選簇頭中繼Mi向其簇 成員％發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)射功率最小值；α為路損因子，β為D2D接收端的最低信噪比門限值。
[0049](33)判斷該發(fā)射功率最小值P是否大于移動(dòng)終端所能達(dá)到的最大發(fā)射功率，即
不等式Zfin > Z5max是否成立；若是，則認(rèn)為備選簇頭中繼Mi與其簇成員％之間無法建立傳輸鏈路，故設(shè)置fu=0 ;若否，即/T^Pmax，則設(shè)置fu=l。
[0050]步驟4，基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況矩陣F選擇最大連接度算法，對移動(dòng)終端協(xié)作多播方案執(zhí)行分簇操作。該步驟包括下列操作內(nèi)容:
[0051](41)初始化設(shè)置該小區(qū)內(nèi)未完成中繼選擇過程的全部簇成員、即所有的移動(dòng)終端構(gòu)成集合嫩:#={1，2..上}。
[0052](42)選取能夠構(gòu)成簇成員、即可達(dá)接收終端的數(shù)量最多的備選簇頭中繼Mi作為簇
頭中繼Mp式中，簇頭中繼.的下標(biāo)fzargmaxjZA I是其序號，L’是移動(dòng)終端集合爐中

剛 [M J
的元素總個(gè)數(shù)。
[0053]再根據(jù)公式fn=l是否成立，為該移動(dòng)終端集合Na中的每個(gè)元素、即簇成員j分別決策判斷其所歸屬的簇頭中繼:若該公式成立，則執(zhí)行后續(xù)步驟(43);若該公式不成立，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(44)。
[0054](43)從移動(dòng)終端集合Na中刪除該簇成員j，使得該簇成員％成為簇頭中繼Mi,中的成員，再將該該簇頭中繼成員％與其他備選簇頭之間的參數(shù)都置為0，即設(shè)置fu=0，式中，自然數(shù)i是備選簇頭序號；
[0055](44)判斷移動(dòng)終端集合Na中的所有元素是否都已經(jīng)完成了分簇操作，若是，則結(jié)束為每個(gè)簇成員j選擇其歸屬的簇頭中繼仏，的分簇操作；否則，返回執(zhí)行步驟(42)。
[0056]步驟5，基站根據(jù)步驟2的判斷結(jié)果，選擇決策其第二跳多播傳輸方式:
[0057]若1_^=1，則選用固定中繼執(zhí)行第二跳多播；
[0058]若Immte=2，則選用移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳多播；
[0059]若IMde=3，則基站進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳；
[0060]若ΙΠ(Λ=0，則基站分別計(jì)算固定中繼和移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳傳輸?shù)男в弥?，再對該兩種傳輸方式的效用值進(jìn)行比較，選取效用最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播。
[0061]該步驟中，當(dāng)Iirode=O時(shí)，基站選取效用值最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播需要執(zhí)行下述操作內(nèi)容:
[0062](51)因固定中繼傳輸?shù)男в弥礥1=XRjy P1+IiB1，式中，R1為固定中繼多播時(shí)所有用戶的速率總和，其數(shù)值是未成功接收的移動(dòng)終端的數(shù)量L和中繼多播的傳輸速率r的乘積=R1=L.r 是根據(jù)固定中繼與最差用戶之間的信道質(zhì)量計(jì)算的發(fā)送功率辦是固定中繼進(jìn)行多播所需要的帶寬，正常數(shù)λ為單位速率的效用值，負(fù)常數(shù)Y和η分別為單位功率的效用值和單位帶寬的效用值，且η隨系統(tǒng)中剩余空閑帶寬W的增加而增加:
【權(quán)利要求】
1.一種蜂窩系統(tǒng)中終端直通D2D協(xié)作多播與固定中繼協(xié)作多播的兩種模式選擇方法，是基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的兩種中繼傳輸模式的選擇方法，其特征在于:所述方法包括下列各個(gè)操作步驟: (1)基站執(zhí)行第一跳多播傳輸:基站根據(jù)多播業(yè)務(wù)的傳輸速率要求執(zhí)行第一跳多播，使得多播請求中的部分移動(dòng)終端成功接收數(shù)據(jù)，而另一部分移動(dòng)終端因?yàn)榕c基站的距離較遠(yuǎn)或處于無線信道的深衰落中未能成功接收數(shù)據(jù)； (2)基站分別判斷移動(dòng)終端與固定中繼執(zhí)行第二跳多播的可行性:基站根據(jù)地理位置的地形地貌及兩者之間的距離，分別判斷移動(dòng)終端執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，以及根據(jù)其扇區(qū)內(nèi)是否存在固定中繼，判斷該固定中繼執(zhí)行第二跳協(xié)作多播的可行性，并分別使用初始值為O的模式變量ΙΠ(Λ記錄判斷結(jié)果: 若移動(dòng)終端協(xié)作方式不可行、但固定中繼協(xié)作方式可行時(shí)，記為Immte=I ; 若移動(dòng)終端協(xié)作多播可行、但固定中繼協(xié)作方式不可行時(shí)，記為1_^=2 ； 若移動(dòng)終端協(xié)作方式和固定中繼協(xié)作方式兩者都不可行時(shí)，記為Immte=3 ； 再判斷結(jié)果Inwde Φ O是否成立，若是，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(5);若否，即Inrode=O,則表示能夠同時(shí)選擇執(zhí)行移動(dòng)終端協(xié)作方式或者固定中繼協(xié)作方式，則執(zhí)行后續(xù)步驟(3)； (3)移動(dòng)終端向基站上傳信息:基站先選取成功接收的移動(dòng)終端作為備選簇頭，并表示為:包含K個(gè)元素的集合M={1，2...K};而將未成功接收的移動(dòng)終端作為簇成員，并表示為:包含L個(gè)元素的集合N={1，2...L};然后，所有備選簇頭都向基站上傳其傳輸性能參數(shù)矩陣F，該矩陣F中的每個(gè)元素&數(shù)值分別表 示第i個(gè)備選簇頭Mi與第j個(gè)簇成員、即移動(dòng)終端Nj之間能否建立連接:若Aj=I,表示能夠建立連接；若fij=0,表示不能建立連接；式中，自然數(shù)i和j分別為備選簇頭和簇成員的序號，其最大數(shù)分別為K和L ； (4)基站根據(jù)矩陣F選擇最大連接度算法，對移動(dòng)終端協(xié)作多播方案執(zhí)行分簇操作； (5)基站根據(jù)步驟(2)的判斷結(jié)果，選擇決策其第二跳多播傳輸方式: 若ΙΠ(Λ=1，則選用固定中繼執(zhí)行第二跳多播； 若ΙΠ(Λ=2，則選用移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳多播； 若ΙΠ(Λ=3，則基站進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳； 若Immte=O,則基站分別計(jì)算固定中繼和移動(dòng)終端進(jìn)行第二跳傳輸?shù)男в弥?，再對該兩種傳輸方式的效用值進(jìn)行比較，選取效用最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述方法的應(yīng)用場景是:由基站、固定中繼和位于該小區(qū)內(nèi)的多個(gè)移動(dòng)終端所組成的小區(qū)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)基站執(zhí)行多播業(yè)務(wù)時(shí)，在某個(gè)時(shí)段，部分被服務(wù)的移動(dòng)終端因其處于無線信道的深衰落中，沒有成功接收數(shù)據(jù)；此時(shí)能夠選擇使用固定中繼協(xié)作或成功接收數(shù)據(jù)的移動(dòng)終端協(xié)作方式執(zhí)行第二跳傳輸；若使用終端協(xié)作方式，則利用D2D技術(shù)從第一階段成功接收的移動(dòng)終端中，尋找適宜的移動(dòng)終端作為簇頭中繼，再根據(jù)最大連接度算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給第一階段未成功接收的移動(dòng)終端、即簇成員；且該簇頭中繼和簇成員兩者之間以D2D方式通信，并保證該兩者之間的鏈路質(zhì)量良好；若使用固定中繼協(xié)作方式，則固定中繼在第二階段對未成功接收的用戶進(jìn)行組播。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(2)包括下列操作內(nèi)容: (21)基站獲知其第一跳多播傳輸?shù)膹V播半徑R； (22)以扇區(qū)為單位，假設(shè)與基站距離最遠(yuǎn)處的多播請求移動(dòng)終端與基站的距離為R’時(shí)，計(jì)算(R’ -R)之差值是否位于D2D通信范圍的距離之內(nèi)；若是，則認(rèn)為終端協(xié)作方式可行；若否，則認(rèn)為終端協(xié)作方式不可行； (23)以扇區(qū)為單位，判斷每個(gè)扇區(qū)是否設(shè)有固定中繼，若是，則固定中繼協(xié)作方式可行；若否，則固定中繼協(xié)作方式不可行； (23)根據(jù)上述兩個(gè)步驟的判斷結(jié)果，分別給每個(gè)扇區(qū)賦予相應(yīng)的協(xié)作傳輸模式變量Imode °
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(3)中，傳輸性能參數(shù)矩陣中的每個(gè)元素fu、即第i個(gè)備選簇頭Mi與第j個(gè)簇成員、即移動(dòng)終端％之間的可達(dá)參數(shù)的計(jì)算方法包括下列操作內(nèi)容: (31)先根據(jù)多播業(yè)務(wù)速率要求和香農(nóng)公式，確定D2D接收端的最低信噪比門限值β:
P / uf,
"1: 2 ;式中，P。是小區(qū)中蜂窩用戶的發(fā)射功率，Pij是備選簇頭Mi向其簇成員、即
C Cj Cj移動(dòng)終端％的發(fā)射功率，Lcu.和hd分別為蜂窩用戶到數(shù)據(jù)接收終端％的大尺度路損和小尺度信道響應(yīng)，Lij^hij分別為備選簇頭Mi與其簇成員Ni之間傳輸鏈路的路損和信道響應(yīng)，α為路損因子，σ 2是高斯白噪聲的噪聲功率； (32)為簡化分析，將蜂窩用戶對D2D用戶的干擾均視為相同數(shù)值，再根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)干擾余量門限常.數(shù)K，以使D2D用戶的發(fā)送功率Pij必須滿足不等式:Pij > PT = LiXκβ的要求；式中，Z5為保證D2D鏈路傳輸性能的備選簇頭Mi向其簇成員Nj發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)射功率最小值；α為路損因子，β為D2D接收端的最低信噪比門限值； (33)判斷該發(fā)射功率最小僅P是否大于移動(dòng)終端所能達(dá)到的最大發(fā)射功率，即不等式>Pmax是否成立；若是，則認(rèn)為備選簇頭Mi與其簇成員％之間無法建立傳輸鏈路，故設(shè)置ffO ;若否，即/TmSPmax，則設(shè)置fu=l。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，基站對移動(dòng)終端協(xié)作多播方案進(jìn)行的分簇操作包括下列內(nèi)容: (41)初始化設(shè)置該小區(qū)內(nèi)未完成中繼選擇過程的全部簇成員、即所有的移動(dòng)終端構(gòu)成集合 Na=Na= {I，2...L}； (42)選取能夠構(gòu)成簇成員、即可達(dá)接收終端的數(shù)量最多的備選簇頭Mi作為簇頭中繼Mr，式中，簇頭中繼Mf的下標(biāo)/‘ ’ = arg max Yjil [是其序號，L’是移動(dòng)終端集合Na中的元素U=I J總個(gè)數(shù)； 再根據(jù)公式fn=l是否成立，為該移動(dòng)終端集合Na中的每個(gè)元素、即簇成員j分別決策判斷其所歸屬的簇頭中繼:若該公式成立，則執(zhí)行后續(xù)步驟(43);若該公式不成立，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(44); (43)從移動(dòng)終端集合Na中刪除該簇成員j，使得該簇成員％成為簇頭中繼.中的成員，再將該該簇頭中繼成員％與其他備選簇頭之間的參數(shù)都置為0，即設(shè)置fu=0，式中，自然數(shù)i是備選簇頭序號；(44)判斷移動(dòng)終端集合Na中的所有元素是否都已經(jīng)完成了分簇操作，若是，則結(jié)束為每個(gè)簇成員j選擇其歸屬的簇頭中繼.的分簇操作；否則，返回執(zhí)行步驟(42)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(5)中，當(dāng)Inrade=O時(shí)，基站選取效用值最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播需要執(zhí)行下述操作內(nèi)容: (51)因固定中繼傳輸?shù)男в弥礥1=XRjyP1+IiB1，式中，R1為固定中繼多播時(shí)所有用戶的速率總和，其數(shù)值是未成功接收的移動(dòng)終端的數(shù)量L和中繼多播的傳輸速率r的乘積=R1=L.r 是根據(jù)固定中繼與最差用戶之間的信道質(zhì)量計(jì)算的發(fā)送功率辦是固定中繼進(jìn)行多播所需要的帶寬，正常數(shù)λ為單位速率的效用值，負(fù)常數(shù)Y和η分別為單位功率的效用值和單位帶寬的效用值，且Π隨系統(tǒng)中剩余空閑帶寬W的增加而增加:
/ C1Λ^ = ew-l , Cl，C2均為大于O的數(shù)，C1為單位帶寬效用值η的線性調(diào)節(jié)系數(shù)，C2為剩
V J余空閑帶寬W影響帶寬效用值的調(diào)節(jié)系數(shù)； (52)因移動(dòng)中繼傳輸?shù)男в弥礥2=λ R2+ y P2+ μ B2+ ε I，在復(fù)用蜂窩上行鏈路資源時(shí)，R2為終端多播的吞吐量，且，式中，D為D2D簇的數(shù)目，1?\和Gi分別為序號為i


i二I的簇的簇頭中繼發(fā)送速率和第i簇的 簇成員數(shù)目；P2是所有被選作簇頭中繼的移動(dòng)終端發(fā)送功率之和；B2是D2D傳輸所需要的帶寬；1是復(fù)用蜂窩資源時(shí)對基站產(chǎn)生的干擾功率；正常數(shù)λ為單位速率的效用值，負(fù)常數(shù)Y為和μ分別為單位功率的效用值和單位帶寬的效用值，且μ隨系統(tǒng)可復(fù)用的蜂窩資源Wd2d的增加而增加；因?yàn)橘Y源復(fù)用會(huì)對基站產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響蜂窩用戶的接收信噪比，因此負(fù)數(shù)ε為單位干擾的效用值，且ε也隨系統(tǒng)中存在的D2D通信模式的用戶數(shù)Qd2d占系統(tǒng)可容納的D2D通信模式用戶數(shù)Qtl比例的增加而減少； (53)對上述兩個(gè)步驟(51)和(52)分別計(jì)算出的固定中繼傳輸效用值與移動(dòng)中繼傳輸效用值進(jìn)行比較，選取效用最大的傳輸策略進(jìn)行第二跳多播。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟(52)中，

f i Λ 單位帶寬效用值μ的量化計(jì)算公式為:A = -c3x -1，其中，(33和(:4均為大于O
VJ的數(shù)，C3為μ的線性調(diào)節(jié)系數(shù)，C4為系統(tǒng)可復(fù)用的蜂窩資源Wd2d影響帶寬效用值的調(diào)節(jié)系數(shù)；
,c 、 單位干擾效用值ε的量化計(jì)算公式為j = -C5x /1-1 ,其中，(35和(:6均為大于
VJO的數(shù)，C5為ε的線性調(diào)節(jié)系數(shù)，(36為系統(tǒng)中存在的D2D通信模式的用戶比例影響干擾效用值的調(diào)節(jié)系數(shù)。
【文檔編號】H04W28/08GK103476140SQ201310399058
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】王曉湘, 杜明君, 王冬宇, 王玉龍, 魏鵬 申請人:北京郵電大學(xué)