專利名稱：一種高能效無線中繼選擇方法
技術領域：
本發明屬于無線通信系統中中繼系統的資源管理技術領域，具體為一種高能效無線中繼選擇方法。
背景技術：
隨著無線通信網絡中數據業務的比重持續增加，日益增長的數據和無所不在的接入需求導致網絡基礎設施的急劇擴張，隨之帶來了巨大的能量消耗。在保證無線通信網絡容量增長的同時，限制電力消耗已變成移動運營商的迫切要求。所以要在保證服務質量的同時，盡可能的提升系統能效，而能效主要與系統的吞吐率和系統的功耗有關。迄今為止，關于無線網絡能效的研究通常基于輸出功率來衡量。這種能源性能指標只能夠反映無線網絡整體功率的一小部分，這可能導致不完整和潛在的誤導性結論。為評估無線網絡的能效，需要將電子回路和功率放大器所消耗的功率考慮到能效問題中去。 為解決小區邊界覆蓋問題和邊界速率問題，在IEEE 802. 16m和LTE-Advanced標準中引入中繼技術，但是高速率的同時也意味著高能耗，并且中繼站的引入也增加了耗能設備。而中繼選擇的結果會對系統的性能造成很大的影響。通過對現有專利及相關技術的檢索發現，現有的中繼選擇方法有(I) 一種用于兩跳蜂窩系統的中繼選擇和功率分配方法(CN1589053A)通過測量基站到每個中繼站以及每個中繼站到各個用戶的路徑損耗；根據路徑損耗，每個用戶選擇兩跳路徑損耗之和最小的中繼站為其服務，并測量接入該中繼站后的干擾情況。最后基于中繼選擇結果和干擾，自適應分配發送端和所選中繼站的功率，從而獲得了較高的系統容量，并降低了實現復雜度和信令負載。但是提高容量也意味著提高功率，能效并不一定會得到提升，而且以路徑損耗進行中繼選擇判斷，雖然簡單，但是忽略了信道陰影衰落等其他的影響，故得不到較好的性能。(2) 一種降低發射功率的中繼選擇方法(CN102202382A)設計了一個簡單的中繼選擇方法，在保證設計要求中斷概率的前景下，較大程度地降低系統發射功率，但是該設計中每個中繼站只能同時為一個源節點轉發信息，與蜂窩網中的中繼站的接入情況不同。且該方法只是基于中斷概率來降低功率，但沒有保障用戶速率要求，故其小區能效偏低。(3)無線通信系統、中繼選擇方法、無線中繼設備和基站(CN101951660A)，一種中繼選擇方法及中繼控制系統(CN102469017A)兩專利側重減少中繼選擇中的信令開銷。專利CN101951660A中只讓候選中繼站返回相關的信道狀態信息給基站，而不是全部信道狀態信息。專利CN102469017A中建立了中繼服務歷史記錄來輔助中繼選擇，無需再進行端到端的服務質量測量，由此來減小信令和帶寬消耗。但是這些專利都沒有考慮到中繼選擇對容量和功率等性能的影響。總之，現有的中繼選擇方法，大都基于提升系統容量、降低中斷率、降低發射功率等這種較單一的目標。沒有同時考慮吞吐率和功率兩方面，即能效的多目標方法。由于電路功耗使得用戶的分布對中繼選擇的性能也有很大的影響。尤其在非均勻分布小區中，某些站點(基站或中繼站)附近集中大量的用戶，而某些站點附近則只有非常少的用戶，此時采用現有的中繼選擇方案，會使得系統的能耗大大增加，而吞吐率并沒有得到有效的提升。

發明內容
本發明的目的是提出一種高能效無線中繼選擇 方法，該方法在保證用戶服務質量的同時，大大提升系統的能效，并可極大地降低算法復雜度。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種高能效無線中繼選擇方法，包括以下步驟I)在一個中繼蜂窩小區中，當基站和所有中繼站無接入用戶時，則基站和所有中繼站都處于休眠模式；當基站處于工作模式，而部分或全部中繼站無接入用戶時，則無接入用戶的中繼站都處于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中繼站都會定期發送導頻信號；2)當用戶請求接入系統，用戶向基站反饋信道狀態信息，中繼站向基站反饋信道狀態信息和自身的接入用戶列表；基站根據信道狀態信息，中繼站的接入用戶列表以及基站自身的接入用戶列表，在滿足最小信噪比要求的情況下，挑選出鏈路能效U最大所對應的中繼站轉發該用戶的信息，基站和選出的中繼站采用工作模式，中繼通信鏈路建立；若基站直接傳輸能效U最大，則采用基站直接傳輸，基站采用工作模式，直傳通信鏈路建立；通信完成該用戶離開，若基站或所選中繼站上再無其他接入用戶，則基站或該中繼站轉入休
R-T
眠模式；其中的能效U，V= 丄^丄P ,hf p . τ ，式中，R是總速率，Pcb,
\l C/彳十 I。1<十Fr11Hop
Pce分別是基站和中繼站采用從休眠模式轉入工作模式所增加的電路功耗(若該用戶接入前，基站或中繼站處于工作模式，則Pcb = O或Pck = O), PB, Pe分別是基站和中繼站的發送功率，ζΒ、
分別是基站和中繼站的功率放大效率，TlinkS整個鏈路的總傳輸時間，Thop每跳鏈路的總傳輸時間。與現有技術相比，本發明的有益效果是一、在滿足最小接收信噪比要求下，以包括電路損耗在內的總能耗計算出的能效為目標進行中繼選擇，且沒有用戶接入的中繼站，采用休眠模式；既能保證高的傳輸速率，又最大限度的真實的節約了能量，系統的能效高。尤其對于用戶非均勻分布的場景，會有更多的中繼站處于休眠模式，在提高能效方面更具有優勢。二、基站針對當前小區的接入情況逐個對請求接入的用戶進行中繼選擇，而不是多用戶同時計算選擇，其算法復雜度低，易于實現。上述的中繼站是放大轉發中繼站或解碼轉發中繼站，中繼系統的幀結構包含2個子幀，故中繼傳輸時采用2個子幀進行數據傳輸，每個子幀的長度為常數T秒，整個鏈路的總傳輸時間Tlink = 2Τ·χ,χ表示該接入用戶在整個服務時間內所需的幀數；基站只采用第一個子幀與用戶傳輸數據，整個鏈路的總傳輸時間Tlink = T ·χ ;每跳鏈路的總傳輸時間Ttop= Τ·χ ;基站分配給接入用戶載波數為常數N，每幀傳輸能量為常數Pk · T焦耳；中繼傳輸時，基站的發送功率為Pb瓦特，中繼站的發送功率為Pk-Pb瓦特，則R =Rr (Pb)，中繼鏈路能效U的極大值Umax,ττ _ _ Rr(JV)-Tim_ max -{PCb +PCr +ΡΒ/ζΒ+(Ρκ -Pb)/ζκ).Thop 3 S.七 Sr (Pb)彡 Γ其中Rr (Pb)為基站發送功率為Pb時的中繼鏈路總速率，r為當前接入用戶的最小信噪比要求，Sr(Pe)為基站發送功率為Pb時能獲得的中繼鏈路信噪比；基站直接傳輸時，基站的發送功率是Pb = Pk,則Pk-Pb = O, Pce = O, R = Rd (Pk)；
直傳鏈路的能效U為Ud,
,.rr^(JV)-Tilnk
Ud= -, ,, s. t. Sd (Pk) ^ r
、尸Cff + ' b B hop其中Rd (Pk)為基站發送功率為Pk時的直傳鏈路總速率，Sd (Pk)為基站發送功率為Pk時能獲得的直傳鏈路信噪比；比較直傳鏈路的能效Ud和各個中繼鏈路的能效極大值Umax,選出最大的數值對應的鏈路進行傳輸。這樣，對每個接入用戶分配的每幀傳輸能量和載波數相同，即保證了鏈路選擇的公平性，同時計算更加簡化；在每幀傳輸能量相同的情況下，通過基站功率與中繼站功率的調節，選出的最大能效的鏈路，進一步提聞了系統的能效。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。


圖I為本發明的中繼選擇方法、現有的基于容量(傳輸速率)的中繼選擇方法和基于最小路徑損耗的中繼選擇方法，在不同最小信噪比要求下的傳輸總比特數比較；圖2為本發明的中繼選擇方法、現有的基于容量的中繼選擇方法和基于最小路徑損耗的中繼選擇方法，在不同最小信噪比要求下的所耗總能量比較；圖3為本發明的中繼選擇方法、現有的基于容量的中繼選擇方法和基于最小路徑損耗的中繼選擇方法，在不同最小信噪比要求下的總能效比較；圖4為本發明的中繼選擇方法、現有的基于容量的中繼選擇方法和基于最小路徑損耗的中繼選擇方法，在不同最小信噪比要求下的中斷率比較。
具體實施例方式實施例本發明的一種具體實施方式
是，一種高能效無線中繼選擇方法，包括以下步驟I)在一個中繼蜂窩小區中，當基站和所有中繼站無接入用戶時，則基站和所有中繼站都處于休眠模式；當基站處于工作模式，而部分或全部中繼站無接入用戶時，則無接入用戶的中繼站都處于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中繼站都會定期發送導頻信號；2)當用戶請求接入系統，用戶向基站反饋信道狀態信息，中繼站向基站反饋信道狀態信息和自身的接入用戶列表；基站根據信道狀態信息，中繼站的接入用戶列表以及基站自身的接入用戶列表，在滿足最小信噪比要求的情況下，挑選出鏈路能效U最大所對應的中繼站轉發該用戶的信息，基站和選出的中繼站采用工作模式，中繼通信鏈路建立；若基站直接傳輸能效U最大，則采用基站直接傳輸，基站采用工作模式，直傳通信鏈路建立；通信完成該用戶離開，若基站或所選中繼站上再無其他接入用戶，則基站或該中繼站轉入休
眠模式；其中的能效
權利要求
1.一種高能效無線中繼選擇方法，包括以下步驟 1)在一個中繼蜂窩小區中，當基站和所有中繼站無接入用戶時，則基站和所有中繼站都處于休眠模式；當基站處于工作模式，而部分或全部中繼站無接入用戶時，則無接入用戶的中繼站都處于休眠模式；在工作模式和休眠模式下，基站和中繼站都會定期發送導頻信號; 2)當用戶請求接入系統，接入用戶向基站反饋信道狀態信息，中繼站向基站反饋信道狀態信息和自身的接入用戶列表；基站根據信道狀態信息，中繼站的接入用戶列表以及基站自身的接入用戶列表，在滿足最小信噪比要求的情況下，挑選出鏈路能效U最大所對應的中繼站轉發該用戶的信息，基站和選出的中繼站采用工作模式，中繼通信鏈路建立；若基站直接傳輸能效U最大，則采用基站直接傳輸，基站采用工作模式，直傳通信鏈路建立；通信完成該用戶離開，若基站或所選中繼站上再無其他接入用戶，則基站或該中繼站轉入休 眠模式;其中的能效 式中，R是總速率，Pcb,{rcB+rcR+rB/ Β+rR/-IhopPce分別是基站和中繼站采用從休眠模式轉入工作模式所增加的電路功耗(若該用戶接入前，基站或中繼站處于工作模式，則Pcb = O或Pck = O), PB, Pe分別是基站和中繼站的發送功率，ζΒ、
分別是基站和中繼站的功率放大效率，TlinkS整個鏈路的總傳輸時間，Thop為每跳鏈路的總傳輸時間。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于 所述的中繼站是放大轉發中繼站或解碼轉發中繼站，中繼系統的幀結構包含2個子幀，中繼傳輸時采用2個子幀進行數據傳輸，每個子幀的長度為常數T秒，整個鏈路的總傳輸時間Tlink = 2Τ ·χ，X表示該接入用戶在整個服務時間內所需的幀數；基站只采用第一個子幀與用戶傳輸數據，整個鏈路的總傳輸時間Tlink = Τ·χ ;每跳鏈路的總傳輸時間Ttop =T · X ;基站分配給接入用戶載波數為常數N，每幀傳輸的能量為常數Pk · T焦耳； 中繼傳輸時，基站的發送功率為Pb瓦特，中繼站的發送功率為Pk-Pb瓦特，則R =Rr (Pb)，中繼鏈路能效U的極大值Umax, s t Sr (Pr)≥ r 其中Rr (Pb)為基站發送功率為Pb時的中繼鏈路總速率，r為當前接入用戶的最小信噪比要求，Sr(Pe)為基站發送功率為Pb時能獲得的中繼鏈路信噪比； 基站直接傳輸時，基站的發送功率是Pb = Pk，則Pk-Pb = O, Pce = O, R = Rd (Pk);直傳鏈路的能效U為Ud, s. t. Sd (Pk)≥ r 其中Rd (Pk)為基站發送功率為Pk時的直傳鏈路總速率，Sd (Pk)為基站發送功率為Pk時能獲得的直傳鏈路信噪比； 比較直傳鏈路的能效Ud和各個中繼鏈路的能效極大值Umax，選出最大的數值對應的鏈路進行傳輸。
全文摘要
本發明公開了一種高能效無線中繼選擇方法，其主要作法是無接入用戶的基站或中繼站處于休眠模式；當用戶請求接入系統，基站根據信道狀態信息，中繼站的接入用戶列表，基站自身的接入用戶列表，在滿足最小信噪比要求的情況下，挑選出鏈路能效U最大所對應的中繼站轉發該用戶的信息，基站、選出的中繼站采用工作模式，中繼通信鏈路建立；若基站直接傳輸能效U最大，則采用基站直接傳輸，基站采用工作模式，直傳通信鏈路建立；通信完成該用戶離開，若基站或所選中繼站上再無其他接入用戶，則基站或該中繼站轉入休眠模式。該方法在保證用戶服務質量的同時，大大提升系統的能效，并可極大地降低算法復雜度。
文檔編號H04W52/02GK102802241SQ20121028866
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月15日 優先權日2012年8月15日
發明者陳煜 , 方旭明 申請人:西南交通大學