兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于协作通信系统中兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法。目的用户选择；目的用户初始化候选中继集合；目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率；MSk计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继；依所选中继进行数据传输；MSk不经中继协作直接接收基站发送的数据；MSk采用比例公平算法更新所有移动用户的平均传输速率；本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复以上步骤，完成公平中继选择。本发明在中继调度权重中考虑了能量信息，避免了这些节点过度地为目的用户提供协助，从而改善了能量效率，因此，系统生存时间得以延长，可用于协作通信系统中继选择，保证用户通信。
【专利说明】
兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法
技术领域
[0001 ]本发明属于通信技术领域，更进一步设及公平中继选择方法，具体是一种兼顾速 率和能量效率的公平中继选择方法，用于协作通信系统中的中继选择。
【背景技术】
[0002] 为了解决传统的点对点无线传输在系统容量、覆盖范围和对抗多径衰落等方面存 在的局限，W及对多天线通信系统提供的空间分集加W利用，协作通信（Cooperative communication)技术应运而生。采用该技术，多个单天线的终端相互协作形成虚拟天线阵 列，从而获得通信性能的改善。典型的中继协作方式包括放大转发(Amplify-and-Forward, AF)和译码转发(Decode-and-Forward, DFO。
[0003] 在实际的协作通信系统中，往往存在多个候选的的中继节点，如何选择合适的中 继是该领域一个重要的问题。中继选择策略的设计可W基于可达数据速率、节点功率/能量 消耗、误码率等性能。如Barus B等在"On the SEP ofcooperative diversity with oppo;rtunistic relaying" (I邸E Communications Letters,2008)中提出了机会式中继选 择策略，W端到端传输速率最大化准则对中继节点进行选择；Altubaishi E S等在"A novel distributed fair relay selection strategy forcooperative wireless system" (IEEE International Conference on Communications,2012)中基于AF设计了一 种分布式的中继选择策略，在中继节点平均功率相等且中断概率约束的条件下实现低复杂 度的中继选择；Li P Q等在''Transmit power minimization for outage-constrained relay selection overRayleigh-fading channels''（IEEE Communications Letters, 2014)中提出一种基于DF的中继选择策略，在中断概率和能量约束的条件下，W最小化系统 发射功率为优化目标实现中继选择。
[0004] 在移动台作为中继的协作通信系统中，由于移动用户通常是能量受限的，因此移 动用户在协作其它用户完成数据通信时，其自身业务的传输与总的能量消耗的比值，即能 量效率也是一项重要的性能指标。并且，参与中继的节点消耗自身能量帮助其他用户传输 数据，导致自身的能量消耗加快，系统生存时间降低。
[0005] 现有协作通信研究中，在用户/中继联合选择及公平调度等方面存在不足，具体包 括:网络生存时间较低，用户能量效率不高，不能综合考虑速率和能量效率两方面。

【发明内容】

[0006] 本发明针对现有技术中存在不能优化速率和能量的综合考虑，提出一种兼顾速率 和能量效率的公平中继选择方法。
[0007] 1.-种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，W第t个时隙为 例，包括如下步骤：
[000引（1)基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选 择，选定目的用户MSk。
[0009] (2)用目的用户来初始化候选中继集合Q :
[0010] MSk统计其与基站内可用的中继MS么间的信道状态，目的用户MSk对其周围可用的 中继进行筛选，即比较MSi与MSk之间的信道状态hk,i，基站与MSk间的信道状态hk,o,仅保留满 足条件|hk,i|>|hM|的可用中继作为候选中继，并将hk,i反馈给基站BS，| ? I表示求模值运 算。
[0011] (3)目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率：
[0012] (3a)候选中继MSi计算基站B巧IjMSi的链路速率，并反馈给目的用户MSk;
[0013] (3b)M放计算其与MSi的链路速率，并将该信息反馈给基站；
[0014] (3c)根据上述两个速率数值，MSk计算确定时隙划分因子日1的值，时隙划分因子口1 将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段基站向MSi传输数据，时长为QiTs,第二阶 段MSi向MSk传输数据，时长为（l-Qi)Ts，Ts为一个时隙的长度；
[001引（3d)MSk根据时隙划分因子Qi的值得到MSi作为中继时，基站经MSi向MSk传输的可达 速率；
[0016] (3e)MSk判断目的用户自身是否获取系统中所有候选中继参与协作时链路的可达 速率，如果已经全部获得，则执行步骤(4)，否则，返回执行步骤(3a)。
[0017] (4)目的用户MSk计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继：
[001引（4a)MSk根据基站经MSi向MSk传输的可达速率和目的用户MSk的前（t-1)个传输周 期内的平均传输速率之比，W及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中 继的调度权重；
[0019] (4b)MSk比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中 继，记作MSi,计算基站直接向MSk传输的直达速率嫁，比较基站经中继向MSk传输的可达速 率与基站直接向MSk传输的直达速率i?f，若^<;>馬"，转至步骤5，反之转至步骤6。
[0020] (5)根据步骤4选定的中继MSi所对应的ai，将一个传输周期划分成两个阶段;在第 一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MSi;在第二个阶段，MSi向目的用户MSk转发数据， 完成本时隙数据传输，转至步骤7。
[0021 ] (6)MSk直接接收基站发送的数据。
[0022] (7)目的用户MSk采用比例公平算法更新所有移动终端的平均传输速率。
[0023] (8)本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复W上步骤。
[0024] 本发明实现的基本思路是，基站首先进行目的用户选择，然后获取并分析目的用 户信道状态，将信道状态优于目的用户信道状态的终端作为候选中继，其次根据各个候选 中继的调度权重进行中继选择。传输过程分为两个阶段，按照时隙划分因子将一个传输周 期划分成两个阶段。第一阶段，基站向选定的中继发送数据;在第二阶段，中继向其服务的 目的用户转发数据。
[0025] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0026] 本发明中能够在维护中继间公平性的前提下，获得中继能量效率和系统生存时间 方面的性能改善。
[0027] -.由于本发明对中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，避免 了 W往中继调度权重中仅考虑数据速率信息，使得系统的候选中继的能量效率得到提高。
[0028] 二.由于本发明对中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，通过 将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，从而避免了运些节点过度地为其他用户提供协 助，所W延长了网络生存时间。
【附图说明】
[0029] 附图1为本发明适用系统模型的示意图；
[0030] 附图2为本发明的流程图；
[0031] 附图3为在不同信噪比的情况下本发明方法与比例公平中继选择方法的速率比较 仿真图；
[0032] 附图4为在SNR=IO地情况下本发明方法与比例公平中继选择方法的生存时间随 初始化总能量的变化情况仿真图。
【具体实施方式】
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0034] 实施例1
[0035] 本发明适用的系统模型示意图如图1所示，其中包括一个基站化ase S化tion，BS)，L 个移动台（Mobile station,MS)，均配置单天线，所有用户按照时分多址(Time division multiple access，TDMA)的方式对下行广播信道进行共享，即在一个传输时隙内BS仅向一 个用户发送数据，假设所有的MS均可W作为中继节点帮助其它用户转发数据，并且一个中 继最多服务一个用户。假设系统处于平坦衰落的工作状态，从而蜂窝小区的移动用户 (Mobile S化tion，MS)和中继节点都可W获得完全的信道状态信息(CSI)。中继节点采用半 双工通信方式。将每个传输时隙(Ts)分为ai(t)Ts和（l-ai(t))Ts两个部分，协作方式采用译 码转发(DF)，在Qi (t)Ts时隙内，BS向中继发送数据Xk;在（1 -Qi (t))Ts时隙内，中继对接收的 信号进行解码，然后向目的用户转发经过重新编码的数据為;，满巧
其中下标k表示发送给的目的用户MSk的数据，E( ?)表示求数学期望。基站的发射功率为Pt, 中继用于数据转发的功率为Pr。
[0036] 本发明是一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，参见图2, W第t个时隙 为例，包括如下步骤：
[0037] (1)基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选 择，选定目的用户MSk。
[0038] (2)用目的用户MSk来初始化候选中继集合Q :
[0039] MSk统计其与基站BS内可用的中继MSi之间的信道状态，目的用户MSk对其周围可用 的中继进行筛选，即比较MSi与M放之间的信道状态hk,i，基站与MSk间的信道状态hk,0，仅保留 满足条件I hk, 11 > I hk,01的可用中继作为候选中继，并将hk,i反馈给基站BS，也就是此步骤完 成时，候选中继集合Q应包含所有满足条件Ihk,i|>|hk,o|的中继，I ? I表示求模值运算。
[0040] (3)目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率， 也就是说目的用户需要计算步骤I中所有候选中继的可达速率：
[0041 ] (3a)候选中继MSi计算基站BS到MSi的链路速率，并反馈给目的用户MSk;
[0042] (3b)M放计算其与MSi的链路速率，并将该信息反馈给基站；
[00创 （3c )MSk根据基站BS到MSi的链路速率和MSk与MSi的链路速率运两个速率数值，MSk 计算确定时隙划分因子Qi的值，时隙划分因子Qi将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第 一阶段基站向MSi传输数据，时长为QiTs，第二阶段MSi向MSk传输数据，时长为（l-a0Ts，Ts为 一个时隙的长度;也就是说，系统的一个传输时隙长度为Ts,-个时隙长度就是两阶段的时 长之和:aiTs+(l-ai)Ts = Ts;
[0044] (3d)MSk根据时隙划分因子Qi的值计算得出MSi作为中继时，基站经候选中继MSi向 目的用户MSk传输的可达速率；
[0045] (3e)MSk判断目的用户自身是否获取系统中所有候选中继参与协作时链路的可达 速率，如果已经全部获得，则执行步骤(4)，否则，返回执行步骤(3a)。即目的用户必须获得 全部候选中继的可达速率才可，W便计算候选中继调度权重。
[0046] (4)目的用户MSk计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继，即最终所选定的 中继在候选中继中进行选择：
[0047] (4a)MSk根据基站经候选中继MSi向目的用户MSk传输的可达速率和目的用户MSk的 前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比，W及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比 来确定各个候选中继的调度权重，也就是调度权重的计算中综合了速率和能量两方面的因 素。
[0048] (4b)MSk比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中 继，记作MSi,此时最终选定了中继，计算基站直接向MSk传输的直达速率及f，比较基站经中 继向MSk传输的可达速率端与基站直接向传输的直达速率够，若端 >坡，即经中继协 作传输的可达速率更大，转至执行步骤5,反之，即基站直接向目的用户传输的直达速率更 大，则转至执行步骤6。
[0049] (5)根据步骤4选定的中继MSi所对应的ai，将一个传输周期划分成两个阶段:在第 一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MSi;在第二个阶段，MSi向目的用户MSk转发数据， 完成本时隙数据传输，本步骤即为基站经选定中继向目的用户进行数据传输，转至执行步 骤7。
[0050] (6)M放直接接收基站发送的数据。
[0051 ] (7)目的用户MSk采用比例公平算法更新所有移动终端的平均传输速率。
[0052] (8)本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复W上步骤。
[0053] 本发明中在中继调度权重的计算中将该中继节点的转发能量消耗信息纳入调度 权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，维护了中继选择的公平性，从而改善其能量 效率，实现中继用户的公平性，并延长了网络生存时间。
[0054] 实施例2
[0055] 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1，其中，步骤(3c)中MSk根据 B巧IjMSi的链路速率和MSk与MSi的链路速率，MSk计算确定时隙划分因子Qi的值，时隙划分因 子口i将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段基站向MSi传输数据，时长为QiTs，第 二阶段MSi向M放传输数据，时长为（I-Qi) Ts，Ts为一个时隙的长度：
[0化6] 当MSi作为中继时，由BS经中继MSi至目的用户的可达速率城,受限于BS至MSi和 MSi到MS顶跳传输中较差的一跳，较差的一跳也称为链路速率的瓶颈，其表达式为，
[0化7]

[0058]为了消除瓶颈，根据两跳链路的信道状态自适应地调整时隙划分因子，按下式调整， [0化9]
[0060]
[0061]
[0062] 时隙划分因子Qi与信道状态和噪声方差等因素有关。其中，用hi,质示BS与MSkQ G Q )间的信道状态；用hk,康示MSiQG Q )与MS加的信道状态;基站的发射功率为Pt;中继转 发数据的功率为扣;No表示高斯白噪声方差；I ? I2表示求模值平方操作；l〇g2( ?)表示求W 2为底的对数操作。在本实例中Pt=Pr = 1 OOmw。
[00创本例对时隙划分因子Qi的动态调整，BS经MS速MSk的可达速率不再受限于两跳较 小速率，而瓶颈的存在会导致通信资源的浪费，本发明根据两跳链路的信道状态自适应地 调整时隙划分因子CU，也使通信资源得到了充分利用。
[0064] 实施例3
[0065] 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-2,步骤(3d)中所述的MSk根 据时隙划分因子的值得到MSi作为中继时，基站经151向1孔传输的可达速率，该链路可达速 率的计算步骤如下：
[0066] 当瓶颈消除时，计算链路可达速率选用下式中任意一个公式均可：
[0067]
[006引其中，用hi,0表示BS与MSi(iG Q )间的信道状态；用hk,康示MSi(iG Q )与MSk间的 信道状态;基站的发射功率为Pt;中继转发数据的功率为扣;No表示高斯白噪声方差；I ? I2表示求模值平方操作；l0g2( ?)表示求W2为底的对数操作。
[0069] 当Qi确定之后，链路可达速率点之地计算公式得W简化，可W根据实际情况选取上 述公式中任意一个进行计算。
[0070] 实施例4
[0071] 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-3,步骤(4a)MSk根据基站经 MSi向MSk传输的可达速率和目的用户MSk的前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比及传 输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度权重，中继的调度权重按 照如下公式得到：
[0072]
[0073] 其中，Wi (t)第t个传输周期中候选中继MSi的调度权重;化(t)表示基站经MSi向MSk 传输的可达速率也即是实施例S中的皆:,；& 表示前(t-1)个传输周期目的用户1站平 均传输速率，丫 1为权重因子，丫 iG (0,1)，丫 1为选定中继为MSi时，使得调度权重最大的值； 也就是在工程实现过程中各个候选中继的权重因子T 1不同，需要针对每个候选中继找出 使其的调度权重最大所对应的T i;
[0074] Ei,k(t)=扣[l-ai(t)]Ts
[0075] Ei,k(t)表示在第t个传输周期中中继用户转发数据所消耗的能量;基站的发射功 率为Pt;中继转发数据的功率为Pr;
[0076] 本发明中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，将候选中继用户 能量信息纳入调度权重的计算，未参与数据协作的用户调度权重有所增加，调度机会相应 增大，即获得了一定报偿，从而避免信道状态好的节点过度地为其他用户提供协助，从而改 善其能量效率，所W延长了网络生存时间。
[0077] 实施例5
[0078] 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-4,参照附图2对本发明实现 的步骤进行具体描述。
[0079] 步骤1，基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户 选择：
[0080]
[0081] k表示被选择的用户的标号，Ri(t)表示用户可达速率，馬W表示前（t-1)个传输周 期内的平均传输速率。
[0082] 步骤2,目的用户初始化候选中继集合Q :
[0083] MSk统计其与基站内可用的中继MSi之间的信道状态，目的用户MSk对其周围可用的 中继进行筛选，即比较MSi与1孔之间的信道状态hk,i和基站与MSk间的信道状态hk,o,仅保留 满足条件|hM|>|hk,o|的候选中继，并将hk,i反馈给BS，| ?陵示求模值运算。
[0084] 步骤3,目的用户遍历候选中继，并计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达 速率：
[0085] (3a)MSi计算BS到MSi的链路速率，并反馈给MSk,该链路速率信息的计算公式如下， [00化]BS至MSi的数据速率为：
[0087]
[008引其中，用hi,o表示BS与MSi(iG Q )间的信道状态;基站的发射功率为Pt;N质示高斯 白噪声方差；I ? I2表示求模值平方操作;l0g2( ?)表示求W2为底的对数操作。
[0089] (3b)MSk计算其与MSi的链路速率，并将该速率信息反馈给基站，该链路速率信息的 计算公式如下：
[0090]
[0091] 其中，用hk,康示MSiQG Q )与MSk间的信道状态；中继转发数据的功率为Pr;No表 不局斯白噪声方差。
[0092] (3c)根据基站BS到MSi的链路速率和的链路速率运两个速率数值，MSk计 算确定时隙划分因子Qi的值，时隙划分因子Qi与本时隙信道状态状态相关，时隙划分因子口 1 将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段基站向MSi传输数据，时长为QiTs,第二阶 段MSi向MSk传输数据，时长为（l-Qi)Ts，Ts为一个时隙的长度：
[OOW] 当MSi作为中继时，由BS经中继MS连目的用户MSk的可达速率礎度限于BS至MSi和 MSi到MSk两跳传输中较差的一跳，较差的一跳也就是链路传输速率的瓶颈，其表达式为，
[0094]
[00%]为了消除瓶颈，根据两跳链路的信道状态自适应地调整时隙划分因子，按下式调整，
[0096]
[0097] 其中，用hi,日表不BS与MSi(i G Q )间的信道状态；用hk,康不MSi(i G Q )与MSk间的 信道状态;基站的发射功率为Pt;中继转发数据的功率为Pr;No表示高斯白噪声方差。
[009引（3d)MSk根据时隙划分因子Qi的值得到MSi作为中继时，基站经MSi向MSk传输的可达 速率，该链路可达速率的计算公式如下：
[0099] 当瓶颈消除时，按照下式中任何一个计算链路可达速率均可：
[0100]
[0101] 其中，用hi,质示BS与MSiQG Q )间的信道状态;基站的发射功率为Pt;用hk,康示 MSiQG Q )与M放间的信道状态；中继转发数据的功率为Pr;No表示高斯白噪声方差；I ? I嗦 示求模值平方操作。
[0102] (3e)判断目的用户MSk是否获取系统中所有链路的平均传输速率，也就是目的用 户必须遍历候选中继集合中的每个元素，若是，则执行步骤4,否则，执行步骤(3a)。
[0103] 步骤4,目的用户计算调度权重并最终选定中继：
[0104] (4a)MSk根据基站经MSi向MSk传输的可达速率和目的用户MSk的前（t-1)个传输周 期内的平均传输速率之比及传输过程中继最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选 中继的调度权重，中继的调度权重按照如下公式得到：
[0105]
[0106] 其中，Wi (t)第t个传输周期中协作中继MSi的调度权重;化(t)表示基站经MSi向MSk 传输的可达速率；巧（f-l)表示前（t-1)个传输周期目的用户MSk平均传输速率，丫 1为权重 因子，丫 iG(〇，l)，丫 1为选定中继为MSi时，使得调度权重最大的值。
[0107] Ei,k(t)=PR[l-ai(t)]Ts
[0108] Ei,k(t)表示在第t个传输周期中中继用户转发待传数据所消耗的能量;基站的发 射功率为Pt;中继转发数据的功率为Pr。
[0109] (4b)MSk比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中 继，记作MSi，中继MSi也就是最终选定的中继，计算基站直接向1站传输的直达速率i?f，直达 速率计算公式如下：
[0110]
[01川比较基站经中继向MSk传输的可达速率城与基站直接向MSk传输的直达速率游， 若辟> A。，转至步骤5,反之转至步骤6。
[0112] 步骤5，根据步骤4选定的中继MSi所对应的ai，将一个传输周期划分成两个阶段;在 第一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MSi;在第二个阶段，MSi向目的用户MSk转发数 据，转至步骤7。
[0113] 步骤6，MSk直接接收基站传送数据，目的用户直达速率大于经中继协作的传输速 率，此时不需要中继协作。
[0114] 步骤7,采用比例公平算法，MSk更新所有移动终端MSi的平均传输速率巧(/):
[0115] 速率更新的公式如下：
[0116]
[0117] 其中，马台+叫表示在第t个传输周期时移动用户MSi的平均传输速率;Ri(t)表示 移动终端被选作中继时的传输速率;移动终端也就是移动用户；SeG [0，1]表示第t个传输 周期内MSk的数据速率Rk (t)对其平均速率或调度权重的影响程度;取5。= 0.99，K表示系统 中协作中继的个数;本发明取-(1-屯)化(t)作为参与数据协助的用户平均速率的修正值，屯 e[0，l]称为激励因子，反映对移动用户参与数据协助的激励强度，n。越小，激励强度越大。
;中，Ei (0)为移动用户的初始能量，￡： W为第t个时隙起始时刻的剩余 能量。
[0118] 步骤8,本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复W上步骤，完成公平中继选 择。
[0119] 本发明实现了兼顾速率和能量效率的公平中继选择，综合考虑了速率和能量两方 面的因素，提高了网络生存时间。
[0120] 实施例6
[0121] 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-5,下面结合本发明仿真效 果图做进一步描述。
[0122] 结合W下仿真实验对本发明实施例的使用效果做进一步的说明：
[0123] 仿真条件：协作中继系统的Pt =扣二扣=IOOmw,全部节点采用单天线配置，由于Ts 的长度与实际应用有关，为了适应不同的通信系统，本发明将统计时间对时隙长度进行归 一化处理；用户信道系数采用化kes仿真模型产成，其中最大多普勒频移取細Z，合成路径数 N 为 514;
[0124] 附图3是本发明实施例提供的用户总数L=IO用户初始能量化(O) = IO3J,信噪比 (SNR)不同时采用不同方法获得的系统速率示意图；在附图3中，带星号的曲线表示本发明 方法的仿真，带圆圈的曲线表示比例公平方法的仿真。附图3中，比例公平中继选择方法W 系统速率最大化为目标调度用户，能够得到最佳的速率性能，本发明提出的方法一一兼顾 速率和能量效率的公平中继选择方法能获得次于比例公平中继选择方法的系统速率，运是 由于该机制将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，协作中继转发待传信息的能耗运一 因素在调度权重的占比中增加，目的用户更加倾向于选择能耗低的协作中继，则协作中继 的能量效率会增加，因此目的用户的信息速率会相应的降低。
[01剧附图4是本发明实施例提供的用户数L=IO, SNR = 5地时采用不同方法的网络生存 时间示意图；
[0126] 网络生存时间化ifetime，LT)的定义为，当网络中出现第一个节点能量耗光或者 小于传输信号所需的能量时，网络正常运行的总时间；
[0127] 假设任一移动用户MSi的初始能量为Ei(O),第t个时隙起始时刻的剩余能量为 ￡：价，在时隙t内MSi所需(消耗的）能量AW为，
[012 引
[0129] 其中，扣表示中继的发射功率，Pc表示终端进行数据发送/接收期间电路消耗的平 均功率，Ts为一个时隙的长度。当A=I时，目的用户直接从BS接收信号；当A=I-OkU)时，用 户经过中继接收来自BS的数据。用户的剩余能量成为马(/ -h 1) = /:7 (/) - F'(〇。
[0130] 附图4给出用户数K=IO,SNR = SdB时不同中继选择机制获得的系统生存时间。横 坐标为系统中全体用户的初始化总能量，设置为扣Ts的整数倍，纵坐标表示对Ts归一化的系 统生存时间，归一化的网络生存时间，与传输次数等效。在附图4中，带星号的曲线表示本发 明方法的仿真，带圆圈的曲线表示比例公平方法的仿真。由附图4可见，采用比例公平中继 选择方法，信道质量好的协作中继可能会W高概率频繁被调用，则运个节点能量消耗较大， 导致其系统生存时间短。根据/:7(0的计算公式，目的用户在一个时隙接收数据所消耗的能 量少于中继用户接收基站数据并向目的用户转发所消耗的能量，因此采用兼顾速率和能量 效率的公平中继选择方法，通过将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，通过合理降低 运些中继用户的调度权重，从而避免了运些节点过度地为其他用户提供协助，延长系统生 存时间。因此，兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法的系统生存时间优于比例公平中 继选择方法。
[0131] 综上，本发明的一种用于协作通信系统中兼顾速率和能量效率的公平中继选择方 法。目的用户选择；目的用户初始化候选中继集合；目的用户遍历候选中继，计算基站经候 选中继向目的用户传输时的可达速率；目的用户MSk计算所有候选中继的调度权重并最终 选定中继;根据所选中继进行数据传输;MSk不经中继协作直接接收基站发送的数据;采用 比例公平算法，目的用户MSk更新所有移动用户的平均传输速率/^以）;本时隙传输结束，进 入下一个传输周期，重复W上步骤，完成公平中继选择。本发明在中继调度权重中考虑了能 量信息，避免了运些节点过度地为目的用户提供协助，从而改善了能量效率，因此，系统生 存时间得W延长，可用于协作通信系统中继选择，保证用户通信。
[0132] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，W第t个时隙为例，包 括如下步骤： (1) 基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选择，选 定目的用户MSk; (2) 用目的用户来初始化候选中继集合Ω : MSk统计其与基站内可用的中继MSi之间的信道状态，目的用户对其周围可用的中继 进行筛选，即比较MSi与MSk之间的信道状态hk, 1和基站与MSk间的信道状态hk,0，仅保留满足 条件|hk,i|>|hk,o|的可用中继作为候选中继，并将hk,i反馈给基站BS，| · I表示求模值运 算； (3) 目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率： (3a)候选中继MSi计算基站BS到MSi的链路速率，并反馈给目的用户MSk; (3b)MSk计算其与MSi的链路速率，并将该信息反馈给基站； (3c)MSk根据BS到MSi的链路速率和MSk与MSi的链路速率，MSk计算确定时隙划分因子Qi 的值，时隙划分因子将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段基站向MSi传输数 据，时长为QiTs，第二阶段MSi向MSi传输数据，时长为（l-Qi )Ts，Ts为一个时隙的长度； (3d)MSk根据时隙划分因子αι的值得到MSi作为中继时，基站经MSi向MSk传输的可达速 率. (3e)MSk判断其是否获取系统中所有候选中继参与协作时链路的可达速率，如果已经全 部获得，则执行步骤(4)，否则，返回执行步骤(3a); (4) 目的用户MSk计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继： (4a)MSk根据基站经MSi向MSk传输的可达速率和目的用户MSk的前(t-1)个传输周期内的 平均传输速率之比，W及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调 度权重； (4b)MSk比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中继，记 作MSi，计算基站直接向MSk传输的直达速率《，比较基站经中继向MSk传输的可达速率媒 与基站直接向MSk传输的直达速率跨，若巧台，转至执行步骤5,反之转至执行步骤6; (5) 根据步骤4选定的中继MSi所对应的αι，将一个传输周期划分成两个阶段;在第一个 阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MSi;在第二个阶段，MSi向目的用户MSk转发数据，完成 本时隙数据传输，转至执行步骤7; (6) 目的用户MSk直接接收基站发送的数据； (7) MSk采用比例公平算法更新所有移动用户的平均传输速率； (8) 本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复W上步骤。2. 根据权利要求1所述的兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，步骤 (3c)中MSk根据BS到MSi的链路速率和MSk与MSi的链路速率，MSk计算确定时隙划分因子Qi的 值，时隙划分因子Qi将一个传输时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段基站向MSi传输数据， 时长为日iTs，第二阶段MSi向MSk传输数据，时长为（1-Qi )Ts, Ts为一个时隙的长度： 当MSi作为中继时，由BS经中继MSi至目的用户MSk的可达速率璋1受限于BS至MSi和MSi5U MSk两跳传输中较差的一跳(瓶颈），其表达式为，其中，用山,〇表示85与15如￡〇)间的信道状态；用111<,康示151(巧0)与15禍的信道 状态;基站的发射功率为Ρτ;中继转发数据的功率为Pr;No表示高斯白噪声方差；I · I2表示 求模值平方操作；l〇g2( ·)表示求W2为底的对数操作。3. 根据权利要求1所述的兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，步骤 (3d)中所述的MSk根据时隙划分因子αι的值得到MSi作为中继时，基站经MSi向MSk传输的可达 速率，该链路可达速率的计算表达式如下， 当瓶颈消除时，计算链路可达速率选用下式中任意一个公式均可：其中，用hi,D表不BS与MSi(ie Ω )间的信道状态；用hk,康不MSi(ie Ω )与MSk间的信道 状态;基站的发射功率为Ρτ;中继转发数据的功率为Pr;No表示高斯白噪声方差；I · I2表示 求模值平方操作；l〇g2( ·)表示求W2为底的对数操作。4. 根据权利要求1所述的兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，步骤 (4a)MSk根据基站经MSi向MSk传输的可达速率和目的用户MSk的前（t-1)个传输周期内的平 均传输速率之比，W及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度 权重，中继的调度权重按照如下公式得到：其中，wi (t)第t个传输周期中协作中继MSi的调度权重;化(t)表示基站经MSi向MSk传输 的可达速率;馬（/-1)表示目的用户MSi的前（t-1)个传输周期平均传输速率，丫 1为权重因 子，Yie(〇，l)，Y 1为选定中继为MSi时，使得调度权重最大的值； Ei,k(t)=PR[l-ai(t)]Ts El,k(t)表示在第t个传输周期中中继用户转发数据所消耗的能量;基站的发射功率为 Ρτ;中继转发数据的功率为Pr。5. 根据权利要求1所述的兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，步骤 (7)MSk采用比例公平算法更新所有移动用户的平均传输速率， 速率更新的公式如下：其中，α-fl)表示在第t个传输周期时各移动用户的平均传输速率;Ri(t)表示移动用 户被选作中继时的传输速率;See [〇，1]表示第t个传输周期内MSk的数据速率化(t)对其平 均速率或调度权重的影响程度;K表示系统中协作中继的个数;本发明取-(1-?)化(t)作为 参与数据协助的用户平均速率的修正值，屯￡[〇，1]称为激励因子，反映对移动用户参与数 据协助的激励强度，η。越小，激励强度越大，其中，Ει(0)为移动用户的 VI ' - / 初始能量，巧(0为第t个时隙起始时刻的剩余能量。
【文档编号】H04W48/20GK105979556SQ201610230574
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】李钊, 任晓慧, 肖丽媛, 丁汉清
【申请人】西安电子科技大学