基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法

摘要

本发明涉及一种基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法。本发明首先选择空闲移动终端e作为中继节点；其次确定中继链路第一跳的速率及功率；然后BS给各MS分配子载波；最后基于注水原理给各子载波分配功率。本发明方法能够公平、高效的利用系统资源，提高系统的吞吐量和中断概率等性能。

主权项

1.基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法，在该异构中继无线网络系统架构中，有一个基站和M个移动终端，移动终端的集合表示为M={m|1,2,...,M}，其中需要传输业务的移动终端有F个，表示为F={f|1,2,...,F}，空闲的移动终端有E个，表示为E={e|F+1,F+2,...,M}；OFDMA网络的总带宽为B，网络中的子载波个数为K，表示为K={k|1,2,...,K}；Ad Hoc网络的总带宽为B’，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)当移动终端f需要传输业务时，首先需要选择空闲移动终端e作为中继节点，具体方法如下：(a)移动终端f发送中继请求消息，所述的中继请求消息包含移动终端f到基站的距离，用d_f,BS表示；(b)空闲的移动终端收到中继请求消息后，根据自己到基站的距离d_e,BS，延迟一段时间再发送中继回复消息；距离d_e,BS被分成L个间隔，每个间隔对应上述的延迟时间段；(c)发送中继请求消息的移动终端f收到空闲移动终端e的第一个中继回复消息后，就广播一个中继选定消息，通知空闲移动终端e，移动终端f已经选定它作为中继节点了，并通知其它空闲移动终端不用再等待了，移动终端f已经完成了中继选择；用s_f,e表示中继选择指示，当s_f,e=1时，表示移动终端f选择了空闲移动终端e作为其中继节点；当s_f,e=0时，表示移动终端f没有选择空闲移动终端e作为其中继节点；步骤(2)确定中继链路第一跳的速率及功率，具体方法如下：(d)针对一组移动终端的第一跳，用表示其它移动终端组的干扰；其中，f’表示除移动终端f以外，其它需要传输业务的移动终端，e’表示f’对应的中继节点，|H_e,f'|²表示除移动终端f以外，其它需要传输业务的移动终端f’到f的中继节点e的信道功率增益，P_f',e'表示移动终端f’在Ad Hoc网络对其中继节点e’的发射功率；假设没有其它移动终端组的干扰，即I_f=0，且假设移动终端f的中继链路第一跳的速率等于目标速率上限通过香农速率公式求出移动终端f向其中继节点e的发射功率值其中|H_f,e|²是f到e的信道功率增益，N₀是高斯白噪声的功率谱密度；若小于或等于移动终端f在Ad Hoc网络可用功率的最大值则不变，且就等于若大于移动终端f在Ad Hoc网络可用功率的最大值则令等于并带入香农速率公式${\hat{R}}_f^{\mathrm{hop}1}=B^{\prime }{\log }_2(1+\frac{\underset{e=F+1}{\overset{M}{\Sigma }}{s}_{f,e}{P}_f^{\mathrm{AdHoc}}{\left|H_{f,e}\right|}^2}{B^{\prime }{N}_0+0}),$求出(e)依次对其它的移动终端组也进行与步骤（d）同样的操作，从而得出了所有需要传输业务的移动终端f向其中继节点e的发射功率值(f)对所有的移动终端组，去掉步骤（d）中I_f=0的假设，将前面得出的代入公式就求得了干扰值I_f；依旧认为其速率等于然后通过香农速率公式求出功率若小于或等于移动终端f在Ad Hoc网络可用功率的最大值则不变，且就等于若大于移动终端f在Ad Hoc网络可用功率的最大值则令等于并带入香农速率公式${\hat{R}}_f^{\mathrm{hop}1}=B^{\prime }{\log }_2(1+\frac{\underset{e=F+1}{\overset{M}{\Sigma }}{s}_{f,e}{P}_f^{\mathrm{AdHoc}}{\left|H_{f,e}\right|}^2}{B^{\prime }{N}_0+I_f}),$求出(g)重复步骤(f)，直到求得的所有的功率值都不再变化，或者变化量小于Δ；其中Δ是一个很小的值，表示在前后两次迭代中的变化量；通过这些确定的带入香农速率公式最终确定所有移动终端组中继链路第一跳的速率步骤(3)基站给各移动终端分配子载波，具体方法如下：(h)针对K个子载波中的某一个子载波k，假设子载波k分配给了需要传输业务的移动终端f的直连链路，通过公式${\mathrm{\Delta R}}_f=R_f^{\prime \mathrm{direct}}-R_f^{\mathrm{direct}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{f,k}\times \frac{B}{K}{\log }_2(1+\frac{P_{f,k}{\left|H_{f,\mathrm{BS}}^k\right|}^2}{\Gamma N_0\frac{B}{K}(\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{f,k}+1)})-\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{f,k}\times \frac{B}{K}{\log }_2(1+\frac{P_{f,k}{\left|H_{f,\mathrm{BS}}^k\right|}^2}{\Gamma N_0\frac{B}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{f,k}}),$求出速率的增量ΔR_f；其中，是移动终端f的直连链路的当前速率，是移动终端f获得当前子载波k后直连链路速率，a_f,k是子载波分配指示，当a_f,k=1时，表示子载波k分配给了移动终端f；当a_f,k=0时，表示子载波k没有分配给移动终端f，P_f,k是移动终端f在子载波k上的发射功率，是移动终端f到BS在子载波k上的信道功率增益；Γ为容量差距，可表示为Γ=-ln(5*BER)/1.6，其中BER是比特差错概率；(i)同时，假设子载波k分配给了移动终端e；这里的移动终端e是需要传输业务的移动终端f的对应中继节点；通过公式${\mathrm{\Delta R}}_e=R_e^{\prime \mathrm{hop}2}-R_e^{\mathrm{hop}2}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{e,k}\times \frac{B}{K}{\log }_2(1+\frac{P_{e,k}{\left|H_{e,\mathrm{BS}}^k\right|}^2}{\Gamma N_0\frac{B}{K}(\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{e,k}+1)})-\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{e,k}\times \frac{B}{K}{\log }_2(1+\frac{P_{e,k}{\left|H_{e,\mathrm{BS}}^k\right|}^2}{\Gamma N_0\frac{B}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{e,k}}),$求出速率的增量ΔR_e；其中是移动终端e到BS的当前速率，也就是中继链路第二跳的速率，是移动终端e获得当前子载波k后的速率，P_e,k是移动终端e在子载波k上的发射功率，是移动终端e到BS在子载波k上的信道功率增益；(j)遍历所有需要传输业务且没有达到速率上限的移动终端f及其对应的中继节点，找到使得速率增量最大的移动终端，即f=argmax(ΔR_f)或e=argmax(ΔR_e)，把当前子载波分配给这个移动终端，即有a_f,k=1或者a_e,k=1；完成这次子载波k的分配后，再次计算移动终端f的总速率R_f；如果则这个移动终端f可以参与后续子载波的分配；如果则这个移动终端f不再参与后续子载波的分配；其中，表示移动终端f的总速率等于直连链路速率与中继链路速率之和，而中继链路速率又等于中继链路第一跳速率和中继链路第二跳速率中，最小的那个值(k)一直循环执行步骤(h)、步骤(i)和步骤(j)，直到所有移动终端都达到目标速率上限或者子载波分配完了，结束子载波分配；步骤(4)基于注水原理给各子载波分配功率，具体方法如下：定义移动终端m在子载波k上的信道增益噪声比为从而移动终端m的最优功率分配可以表示为其中，且水平面λ的选择要保证其中表示移动终端m在OFDMA网络中可用功率的最大值。