一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，涉及一种为多跳蜂窝通信系统有效选择中继节点的策 略，特别涉及一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展和网络的不断演进，越来越多的新型业务对蜂窝网络的 覆盖性能提出了新的要求。尤其是在密集城区、城市盲点、室内环境、高速铁路、乡村等环境 中，网络的覆盖性能往往受到限制，处于网络边缘的用户通信质量很难得到保证。如何在这 些特定的场景下增强网络覆盖，以满足新型业务的要求，成为一个亟待解决的问题。多跳蜂 窝网络（Multiple-hopsCellularNetworks，简称MCNS)作为一种有效提升网络覆盖性能、 节省能耗的方式近年来越来越受到关注。在多跳蜂窝网络中信道质量较好的用户直接与基 站进行通信，信道质量差的用户可以通过其通信范围内质量较好的用户与基站进行间接通 信。基站（BaseStation，简称BS)和中继节点（RelayNode，简称RN)之间的链路被称为 回程链路（BackhaulLink，简称BL)，RN和移动节点（MobileNode，简称MN)之间的链路被 称为接入链路（AccessLink，简称AL)。两条链路既可以采用相同频带资源进行半双工方 式的通信，也可以采用不同频带资源进行全双工方式通信。
[0003] 通过多跳链路的方式，可以在保证用户QoS的前提下节省能耗，提升边缘用户吞 吐量，进而增强小区覆盖性能。中继节点选择技术是多跳蜂窝网络技术的关键，直接影响着 系统吞吐量、频谱利用率以及系统能耗。
[0004] 传统方法中，中继节点的选择多是基于移动节点（即移动用户）到基站以及移动 节点到备选中继节点之间信干噪比（SINR)进行选择。比较常见的有以下两种：
[0005] 方法一：
[0006] 信道质量差的MN选择通信范围内到基站信干噪比最大的空闲用户作为中继节点 进行通信。即仅考虑回程链路BL的通信质量。满足如下规则：
[0007] P_RN=max{SINR_BL}
[0008] 该方法具有信令开销小，便于操作的优势，但是忽略了接入链路通信质量对信息 传输速率的影响，并不能够有效提升通信速度；
[0009]方法二：
[0010] 该方法是传统中继选择算法中比较经典的一种算法，又叫机会中继(OpportunisticRelaying，简称OR)算法。在多跳蜂窝网络中，用户信息传输速率等于多 跳链路中速率最小的那条链路，即通信的瓶颈链路，因此在选择中继节点时要综合考虑两 条链路的通信质量，选择两条链路通信质量最接近的中继节点作为最优中继。满足如下规 则：
【主权项】
1. 一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在于：该中继节点选择 方法包括以下步骤： 1) 在小区内部，基站根据下行路径传播损耗值将用户区分为一跳用户和两跳用户，由 基站根据一跳用户和两跳用户各自所占的比例对一跳用户和两跳用户整体的资源进行初 始分配； 2) 经过步骤1)后，两跳用户通过向周围一跳用户发送参考信号探测通信范围内的空 闲用户，并将探测到的所有空闲用户作为备选中继节点，所有备选中继节点向基站上报所 在接入链路以及回程链路的链路质量信息； 3) 基站根据所述链路质量信息以及每个两跳用户所要分配的资源计算所述接入链路 与回程链路的吞吐量预测值及所述接入链路与回程链路各自所分配的资源； 4) 利用匈牙利算法计算使所有两跳用户吞吐量之和最大时所对应的中继节点分配方
2. 根据权利要求1所述一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在 于：当基站接收到来自用户的资源请求后，基站向所述用户发送参考信号，然后基站根据下 式计算所述用户的下行路径传播损耗值L: L= 58.83+37. 61gD+211gf 其中，D表示基站与用户的距离，f表示中继蜂窝系统的载频； 基站将所述用户的下行路径传播损耗值与下行路损判决门限Lth进行比较，Lth取距小 区中心+A处用户的下行路径传播损耗值，R表示小区半径，若L<Lth，则所述用户为一跳 用户；若L>Lth，则所述用户为两跳用户。
3. 根据权利要求1所述一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在 于：所述步骤3)具体包括以下步骤：在备选中继节点所在接入链路与回程链路的吞吐量相 等的准则下，通过求解以下方程组得到I、Q以及C^
其中，N_rb为初始分配给所有两跳用户的资源块数目，N_uSer为系统中两跳用户数 目，I为所述接入链路分得的资源块数目，N%为所述回程链路分得的资源块数目，C&为所 述接入链路的吞吐量预测值，（^为所述回程链路的吞吐量预测值，B表示每个资源块的带 宽，sin 表示所述接入链路的信干噪比，sinr%表示所述回程链路的信干噪比。
4. 根据权利要求1所述一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在 于：所述步骤4)具体包括以下步骤： 4. 1)基站根据每个两跳用户通过通信范围内的备选中继节点协助产生的吞吐量构建 效益因子矩阵Q，并对Q进行变形后利用匈牙利算法得出所有两跳用户吞吐量之和最大时 的最佳匹配矩阵； 4. 2)根据最佳匹配矩阵对每个两跳用户分配中继节点。
5. 根据权利要求4所述一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在 于：所述步骤4. 1)具体包括以下步骤： a) 将第i个两跳用户被第j个备选中继节点协助所产生的吞吐量作为效益因子QmQu =CAL=CBL，i= 1，2, 3,…，N_user，j= 1，2, 3,…，n，n为第i个两跳用户通信范围内的 备选中继节点的数目，(^为所述备选中继节点所在接入链路的吞吐量预测值，C%为所述备 选中继节点所在回程链路的吞吐量预测值，N_User为系统中两跳用户数目； b) 构造zMaHQd-Qw根据并利用匈牙利算法求得使所有两跳用户吞吐量 之和最大时的最佳匹配矩阵。
6. 根据权利要求1所述一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，其特征在 于：所述中继节点选择方法还包括以下步骤：经过步骤4)后，基站根据每个两跳用户分配 的中继节点以及步骤3)计算的该中继节点所在接入链路以及回程链路各自所分配的资源 向对应两跳用户分配资源。
【专利摘要】本发明提供一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法，在初始分配阶段根据用户的下行路径损耗值区分出一跳用户和两跳用户，由基站根据一跳用户和两跳用户所占的比例，将资源初始分配为两部分。两跳用户将其通信范围内的空闲用户纳入备选中继集合，所有备选中继节点向基站上报链路信息，基站将接入链路与回程链路分配的资源块设为可变量，基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择算法令每个两跳用户选择合适的中继节点使得整体的吞吐量最大。本发明将更加直观、有效地提升系统的吞吐量，并结合匈牙利算法从整体角度出发实现资源的合理利用，能主动规避瓶颈效应造成的资源浪费，极大提升了通信质量。
【IPC分类】H04W24-02, H04W24-06
【公开号】CN104618934
【申请号】CN201510021022
【发明人】曲桦, 赵季红, 宋亚兰, 闫飞宇, 徐西光
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月14日