協(xié)作下行鏈路中基于鏈路不平衡的中繼激勵(lì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于鏈路不平衡的中繼激勵(lì)方法，可用 于協(xié)作下行通信鏈路對(duì)參與協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回報(bào)激勵(lì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活度和覆蓋范圍 都有一定的限制。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，僅以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式將難以 滿足用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。下一代無(wú)線通信系統(tǒng)5G將大量的中繼節(jié)點(diǎn)和設(shè)備到 設(shè)備D2D通信鏈路引入蜂窩系統(tǒng)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性和覆蓋范圍，設(shè)備間的協(xié)作將會(huì) 更加普遍。蜂窩通信系統(tǒng)中的固定節(jié)點(diǎn)，即中繼站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均可擔(dān)任中繼參與協(xié)作通信， 通信方式包括放大轉(zhuǎn)發(fā)AF和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DF。固定節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還有自身 的通信需求。相對(duì)于固定中繼，移動(dòng)中繼具有位置更靈活、選擇范圍更廣、對(duì)復(fù)雜的無(wú)線傳 輸環(huán)境適應(yīng)性更好等優(yōu)點(diǎn)。但在采用移動(dòng)中繼的通信場(chǎng)景中，由于參與協(xié)作會(huì)消耗中繼節(jié) 點(diǎn)的能量，如果沒(méi)有合理的資源回報(bào)進(jìn)行補(bǔ)償，將無(wú)法維持良好的協(xié)作關(guān)系，甚至導(dǎo)致移動(dòng) 中繼拒絕參與協(xié)作。
[0003] 在不同類型網(wǎng)絡(luò)中存在不同的中繼激勵(lì)機(jī)制，現(xiàn)有技術(shù)中主要有以下幾種：
[0004] He Q, ffu D, Khosla P. S0RI:a secure and objective reputation-based incentive scheme for ad-hoc networks[C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) · Atlanta Georgia: IEEE, 2004:825-830,提出了基于客觀 聲譽(yù)和安全的激勵(lì)機(jī)制，該機(jī)制是通過(guò)計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量與上一級(jí)節(jié)點(diǎn) 需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量的比例確定中繼節(jié)點(diǎn)聲譽(yù)值，對(duì)聲譽(yù)值低于門限的節(jié)點(diǎn)拒絕為其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) 作為懲罰。但此類基于聲譽(yù)值的回報(bào)方式管理困難且系統(tǒng)開銷較大。
[0005] Gueguen C, Rachedi A, Guizani M. Incentive scheduler algorithm for cooperation and coverage extension in wireless networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2013, 62 (2) :797-808,提出了用于協(xié)作和覆蓋擴(kuò)展的激勵(lì)調(diào)度 算法，該算法以增加擔(dān)任中繼的移動(dòng)臺(tái)調(diào)度權(quán)重而增大其被基站調(diào)度的概率作為回報(bào)的激 勵(lì)機(jī)制；但此類基于調(diào)度概率補(bǔ)償?shù)幕貓?bào)機(jī)制受蜂窩系統(tǒng)中其他移動(dòng)臺(tái)通信質(zhì)量的制約， 當(dāng)系統(tǒng)中信道質(zhì)量差的用戶較多時(shí)中繼可能無(wú)法獲得回報(bào)。
[0006] Su ff, Matyjas J D,Batalama S.Active cooperation between primary users and cognitive radio users in cognitive ad-hoc networks[C]//IEEE Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP) · Dallas: IEEE, 2010:3174-3177,提出一種主用 戶與認(rèn)知用戶協(xié)作的兩階段協(xié)作傳輸機(jī)制，該機(jī)制將授權(quán)帶寬的一部分給予認(rèn)知用戶作為 認(rèn)知用戶參與協(xié)作回報(bào)的激勵(lì)方法。然而，此類出讓頻域資源的激勵(lì)方式會(huì)影響出讓方自 身的數(shù)據(jù)傳輸。
[0007] 現(xiàn)有對(duì)鏈路不平衡的研究集中在對(duì)瓶頸進(jìn)行消除，如Zhao Li，Xinyi Kong, Jiandong Li. Adaptive cooperative transmission and spectrum sharing in MIMO-CCRN[C]//IEEE Personal, Indoor, and Mobile Radio Communication(PIMRC). Washington DC: IEEE, 2014:1508-1513，提出通過(guò)時(shí)隙劃分消除鏈路瓶頸以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)協(xié) 作傳輸和頻譜共享，使端到端傳輸性能得到改善，但其只考慮目的用戶的傳輸性能的改善 而忽略了中繼的回報(bào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種協(xié)作通信中基于鏈路不平 衡的中繼激勵(lì)方法，以在不影響目的用戶傳輸性能的基礎(chǔ)上給予中繼節(jié)點(diǎn)合理確定的回 報(bào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜效率和中繼能量效率方面的性能提升。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)思路是利用協(xié)作下行的兩跳鏈路的不平衡性，根據(jù)中繼回報(bào)量和目 的用戶傳輸性能的需求調(diào)整中繼發(fā)射功率以將存在于第一跳的瓶頸轉(zhuǎn)移至第二跳或者擴(kuò) 大已存在于第二跳的瓶頸，從而將第一跳和第二跳鏈路的數(shù)據(jù)速率差值用于中繼用戶自身 數(shù)據(jù)的傳輸，作為對(duì)中繼參與協(xié)作的回報(bào)。
[0010] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：
[0011] (1)在任意一個(gè)目的用戶調(diào)度的傳輸時(shí)隙t內(nèi)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站BS向目的用戶 MSd發(fā)送帶有訓(xùn)練序列的信號(hào)，目的用戶MS d根據(jù)接收的信號(hào)估計(jì)其信道矩陣h、d，并按公式
計(jì)算其與基站直接通信時(shí)的數(shù)據(jù)可達(dá)速率ξ?，并將該可達(dá)速率 咬^反饋給基站BS ;
[0012] (2)將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中除目的用戶之外的移動(dòng)臺(tái)作為候選中繼用戶，再按如下步驟從 候選中繼用戶MS中選擇一個(gè)中繼用戶MS1:
[0013] (2a)計(jì)算基站BS到候選中繼用戶MS,的可達(dá)數(shù)據(jù)速率r/w與候選中繼用戶Μ% 到目的用戶MS^可達(dá)數(shù)據(jù)速率if t
[0016] 其中，的上標(biāo)X表示發(fā)送給目的用戶的數(shù)據(jù)，z表示發(fā)送給中繼用戶的數(shù)據(jù)， Ρτ表示基站發(fā)射功率，<為加性高斯白噪聲的噪聲方差；％<為候選中繼用戶:MSf在與基站 BS交互過(guò)程中獲得的候選中繼用戶與基站的信道矩陣；匕為候選中繼用戶使用的發(fā)射功 率，為候選中繼用戶MSf在與目的用戶11\交互過(guò)程中獲得的候選中繼用戶與目的用戶 的信道矩陣；
[0017] (2b)根據(jù)步驟（2a)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算目的用戶MS^由候選中繼用戶轉(zhuǎn)發(fā)獲得的 數(shù)據(jù)速率妒與候選中繼用戶獄民的回報(bào)速率#，回報(bào)速率#是對(duì)候選中繼用戶參與協(xié) 作資源消耗的補(bǔ)償，為兩跳鏈路速率的差值：
[0020] (2c)根據(jù)步驟（2b)的計(jì)算結(jié)果，調(diào)整候選中繼MS.的發(fā)射功率PR的取值，通過(guò)下 式計(jì)算該候選中繼用戶MS,的目標(biāo)函數(shù)af1 +(1-的最大值，基站BS記錄該最大值以 及目標(biāo)函數(shù)取該最大值時(shí)候選中繼用戶使用的發(fā)射功率PR的值：
[0028] 其中，供為速率改善量分配因子，
·當(dāng)φ=0時(shí)，表示可給予候選中繼M:Sf 的最大回報(bào)為
，而對(duì)目的用戶MS#需保證
不小于
；當(dāng)φ=1時(shí)，表示將
全部給予目的用戶MSd;
[0029] c為中繼激勵(lì)因子，ce [0，1]，當(dāng)c = 〇時(shí)，表示使目的用戶速率最大化；當(dāng) c = 1時(shí)，表示在保證目的用戶MSd傳輸性能的同時(shí)使候選中繼MS的回報(bào)最大化，這兩個(gè) 因子的值均由基站BS根據(jù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求確定；
為候選中繼用戶最大發(fā)射功率，其值參考3GPP標(biāo)準(zhǔn)給出；
[0031]
,為候選中繼用戶使用最大發(fā)射功率時(shí)目的用戶MSd經(jīng)由候選中繼用戶轉(zhuǎn) 發(fā)獲得的最大數(shù)據(jù)速率；
[0032] (2d)重復(fù)步驟（2a)~步驟（2c)，在所有候選中繼用戶
的目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算完 成后，基站BS選擇使目標(biāo)函數(shù)值最大的候選中繼用戶作為中繼用戶MSi，并由基站BS向中 繼用戶MSi發(fā)送信息通知其應(yīng)使用的發(fā)射功率P
[0033] (3)在選定最優(yōu)中繼用戶MS#，基站BS將第一跳傳輸時(shí)間T劃分為兩個(gè)時(shí)段，在 第一時(shí)段內(nèi)，基站BS向中繼用戶MSi發(fā)送目的用戶MS d的期望數(shù)據(jù)，中繼用戶MS』夂到該數(shù) 據(jù)后進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)發(fā)；在第二時(shí)段內(nèi)，基站BS向中繼用戶1^發(fā)送中繼用戶自身希望獲得的 數(shù)據(jù)，中繼用戶MSi對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；
[0034] (4)在下一個(gè)目的用戶調(diào)度的傳輸時(shí)隙（t+Ι)內(nèi)，重復(fù)執(zhí)行步驟（la)~步驟 (lc)；
[0035] (5)在后續(xù)第i個(gè)目的用戶調(diào)度的傳輸時(shí)隙（t+i)內(nèi)，重復(fù)執(zhí)行步驟（la)~步驟 (lc)，2彡i彡η，η為蜂窩網(wǎng)絡(luò)生存的總時(shí)隙數(shù)。
[0036] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，具有如下特點(diǎn)：
[0037] 1、本發(fā)明提供的基于鏈路不平衡的中繼激勵(lì)方法利用由于鏈路不平衡產(chǎn)生的瓶 頸，中繼節(jié)點(diǎn)能夠獲得自身的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會(huì)作為對(duì)其資源消耗的補(bǔ)償。并且按照蜂窩網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)的需求，通過(guò)調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率對(duì)瓶頸的位置和大小進(jìn)行控制，以保證目的節(jié)點(diǎn) 的傳輸性能和控制中繼節(jié)點(diǎn)的回報(bào)量，從而提升了系統(tǒng)頻譜效率，改善了中繼能量效率；
[0038] 2、本發(fā)明相比傳統(tǒng)的中繼激勵(lì)方法，在保證目的用戶信息傳輸性能的基礎(chǔ)上對(duì)中 繼節(jié)點(diǎn)提供了一種操作簡(jiǎn)單并且確定的即時(shí)補(bǔ)償機(jī)制。
[0039] 3、本發(fā)明提供的基于鏈路不平衡的中繼激勵(lì)方法，在消除瓶頸的同時(shí)對(duì)中繼進(jìn)行 回報(bào)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)信道資源的充分利用和中繼節(jié)點(diǎn)的合理回報(bào)，更利于良好的協(xié)作關(guān)系的維 持。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1是本發(fā)明使用的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ] 圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0042] 圖3是用本發(fā)明對(duì)目的用戶和基站的距離Dd在取不同值時(shí)的候選中繼區(qū)域范圍 仿真圖；
[0043] 圖4是用本發(fā)明對(duì)分配因子妒取不同值時(shí)，目的用戶頻譜效率和中繼用戶頻譜效 率隨激勵(lì)因子c的變化情況仿真圖；
[0044] 圖5是用本發(fā)明對(duì)候選中繼用戶個(gè)數(shù)取不同值時(shí)，進(jìn)行中繼激勵(lì)與不進(jìn)行中繼激