多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法

摘要

本发明提供了一种多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法能够增强D2D链路性能，提升系统资源利用率，并且能够降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，通过跨层设计和中继辅助将带来更大性能提升。技术方案是：本发明是一种蜂窝用户与D2D用户共存时多源多宿D2D用户使用中继通信的实现方法，该方法为实现多源多宿D2D用户簇内各个用户公平使用资源，得到满意的用户体验提供方案，适用于下一代蜂窝系统，该方法提出了使用图论分级和跨层设计的资源分配和利用问题。

主权项

1.一种多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，其特征在于，该方法实现如下：1）通信场景在蜂窝小区中，可能会存在一个区域内集中分布大量密集直通用户的场景，该区域内用户有相同的或者不同的多媒体业务下载需求，将这样的区域称为一个簇，簇内的用户实现分布式的直通通信；具体的通信方式为：簇内有一个簇首用户，该用户首先通过其附近的蜂窝用户向基站请求获得信道资源和相应的多媒体业务，簇首向基站申请的是一组可用的信道资源，信道根据簇所在的位置，采用网格化频谱资源分配方法向该簇分配所需要的一组频率资源；簇内的用户对多媒体业务数据进行分级中继转发，对于簇首用户节点，簇首节点称为零级节点，零级节点对通信距离范围内的向其申请转发数据服务的节点根据端间最佳路径原则进行选择，被选的节点从簇首节点处下载数据，同时，从簇首节点处下载数据的节点成为一级节点，一级节点用同样的方式为下一级节点转发数据，以此类推；在同一级节点中，没有申请到服务的节点，继续在其通信距离范围内寻找下一级节点中可以转发服务的节点，直到找到为止；2）基站对直通用户的资源分配流程：簇首向基站申请资源分配时，除了告知基站本簇的地理位置外，还需要向基站申请可使用足够长时间的、不能在簇内和簇外对蜂窝系统产生干扰的频率资源，将基站覆盖范围划分为若干网格区域，基站根据“不在有效通信范围内不产生干扰”的距离原则为簇内用户分配频率资源；如果簇内用户都使用相同的频率资源，在用户申请同一种业务时是有利的，如果用户之间需要转发的业务数据类型不一样，同一个频率资源就会在簇内用户间产生干扰，因此，基站在分配频率资源的时候，需要根据簇内用户的业务状况进行分配；如果是相同类型业务，基站可以向簇首分配相距所在簇区域较远的区内的频率资源，如果簇内用户所转发的数据类型不相同，则基站根据情况向簇首分配两个以上的频率资源；直通用户簇的簇首用户向基站发送资源请求后，基站根据簇首用户所在的位置和簇首用户发来的关于簇的范围的信息，将簇所在的区域定义为0区域，以簇所在区域对应的圆心角为准，将整个蜂窝系统按该圆心角划分为若干区域，与0区相邻的区域定义为I区，与I区相邻的区域定义为II区，以此类推；基站将与0区不相邻区域的频率资源分配给簇内用户，以此避免簇内用户之间以及簇内用户和蜂窝用户之间的干扰；3）簇内节点用户分级方案首先定义簇首节点为0级节点，通过0级节点转发数据的节点定义为1级节点，所有同级节点定义为置定端集G_i，置定端集中端的个数即为该级中节点的个数，根据这种划分，在簇内节点在转发数据的链路连接过程中可以协调使用基站分配的资源，即：第一级转发使用频率f1，第二级转发使用频率f2，第三级转发使用频率f1,第四级转发使用频率f2，以此类推，有效地避免簇内的相互干扰；簇内节点按照端间优化的原则进行节点的分级，具体方法如下：假设节点i为置定端集中的一个元素，该置定端集定义为i级置定端集G_i，假设集合中一共有Ni个节点；节点j是未置定端集中的任意一点，该未置定端集定义为G_i+1，该集合中的端点由向G_i由节点申请转发数据的节点构成，假设集合中一共有N_i+1个节点；通过优化方案选出的节点保留在集合G_i+1中，同时更新集合中节点数N_i+1，剩余节点放在下一级未置定端集G_i+2中，进入选择程序，依此类推；定义f_ij表示节点i到节点j链路上的流量，d_ij表示节点i到节点j的通信距离，P_ij表示从节点i发送单位比特数据到节点j所需要的功率，α_ij表示在链路ij上传输单位比特数据产生的费用，r_ij表示在链路ij上的数据传输速率，集合G_i中的元素v_i,l,l＝1,2,…N_i表示第i级节点集合中的第l个节点，集合G_i+1中的元素v_i+1,l,l＝1,2,…N_i+1表示第i+1级节点集合中的第l个节点，定义函数Φ(f_ij,P_ij)表示链路ij上产生的总费用；$\begin{array}{c}\Phi (f_{\mathrm{ij}},P_{\mathrm{ij}})=\underset{j\in G_{i+1}}{\Sigma }{\alpha }_{\mathrm{ij}}{f}_{\mathrm{ij}}+\underset{j\in G_{i+1}}{\Sigma }{r}_{\mathrm{ij}}{P}_{\mathrm{ij}},G_{i+1}=\{v_{i+\mathrm{1,1}},v_{i+\mathrm{1,2}},...v_{i+1,N_{i+1}\}}\\ i\in G_i,G_i=\{v_{i,1},v_{i,2},...v_{i,N_i}\}\end{array}---\left(1\right)$优化方程为$\begin{array}{cc}\min \mathrm{imize}& \Phi (f_{\mathrm{ij}},P_{\mathrm{ij}})\\ \mathrm{subjectto}& \underset{j\in G_{i+1}}{\Sigma }{f}_{\mathrm{ij}}-\underset{k\in G_{i-1}}{\Sigma }{f}_{\mathrm{ki}}=f_{\max i}---\left(a\right)\\ & 0\le f_{\mathrm{ij}}\le f_{\max \mathrm{ij}},f_{\mathrm{ij}}\le r_{\mathrm{ij}}---\left(b\right)\\ & d_{\mathrm{ij}}^{-\alpha }{\left|h_{\mathrm{ij}}\right|}^2{P}_{\mathrm{ij}}\ge I{\gamma }_{\mathrm{jth}}---\left(c\right)\\ & f_{\max i}{P}_{\min i}\le \underset{j\in G_{i+1}}{\Sigma }{r}_{\mathrm{ij}}{P}_{\mathrm{ij}}\le f_{\max i}{P}_{\max i}---\left(d\right)\end{array}---\left(2\right)$其中，符号f_ki表示上一级节点k到本级节点i链路上的流量，f_maxi表示节点i的最大节点流量，f_maxij表示链路ij上的最大链路流量，d_ij表示节点i和j之间的距离，h_ij表示节点i和j之间的路径衰落因子，I表示j节点接收的干扰功率，γ_jth表示j节点正确接收信号的接收信噪比SINR门限值，P_mini表示节点i的最小单位比特发送功率，P_maxi表示节点i的最大单位比特发送功率；公式（2）中条件（a）是对节点流量进行约束，表明对簇内的任意节点用户而言，从该用户出流入的流量，即从上一级节点下载到该节点的流量，与该节点用户发送的流量之和应该等于该节点的最大节点流量；公式（2）中条件（b）是对链路上的流量和链路上的数据传输速率的限制，链路上的实际流量不应该大于链路上的最大流量，链路流量应该小于数据传输速率；公式（2）中条件（c）是对链路上的传输条件进行限制，链路上的SINR值必须满足在直通用户的接收端能够被正确解码的条件；公式（2）中条件（d）是对i节点用户发送功率的限制，从i节点出发的各个链路上发送r_ij比特数据的总功率之和不能超过i节点用户的最大发送总功率；通过以上优化，第i级节点中的各个节点都可以选出自己的下一级节点集合，同时更新各自下一级节点集合中元素的个数，并写在i节点的路由表中，为之后的数据传输做好准备；4）簇内节点用户分级流程簇首用户向基站申请资源的流程：步骤一：第i级节点的用户向其通信范围内的用户广播信息；步骤二：如果在其有效通信范围内存在有下载需要的节点用户，那么该用户就向该i级用户回复一个确认信号；步骤三：该i级用户根据端间优化准则对所有的申请用户进行选择，并向被选用户发送确认信息，建立通信链路，同时被选节点定义为置定端集G_i+1；步骤四：没有申请到的用户继续发送服务申请，向其通信范围内的G_i+1集合中选择接受服务的节点；5）直通链路高效传输方案一旦通信链路建立成功，链路上的高效传输方案的具体实施步骤为：步骤501：节点间建立通信链路；步骤502：i级节点用户向其所属的i+1级节点用户发送数据；步骤503：i级节点用户首先根据当前检测的SINR值选择相应的AMC方案，根据相应的方案对数据进行调整编码；步骤504：发送数据；步骤505：i级节点用户等待接收端是否正确接收到信号的确认信息，如果正确接收，转向步骤507，否则转向步骤506；步骤506：如果发送端没有收到接收端的确认ACK，则发送端启动混合自动请求重传HARQ机制，判断是否超过最大重传次数，如果没有则转向步骤504，直到达到最大传输次数，如果在没有达到最大传输次数时就已经收到ACK，则进入步骤504，否则结束HARQ，转向步骤516；步骤507：判断数据是否传输完毕，如果传输完毕则转向步骤509，否则，转向步骤508；步骤508：重新估价SINR；步骤509：判断SINR是否变化，如果SINR值没变，说明该信道不适合直通传输，转向步骤501，直通用户重新向基站申请可用资源，如果SINR值改变，则转向步骤503，直通用户发送端根据变化的SINR值，调整AMC方案，继续使用该信道发送数据，直到数据传输结束；步骤510：释放信道。