在自适应蜂窝网络中利用用户协作和调度优化下行链路吞吐量的制作方法

专利名称：在自适应蜂窝网络中利用用户协作和调度优化下行链路吞吐量的制作方法
技术领域：
本主题公开涉及在自适应蜂窝网络中利用用户协作和调度对下行链路吞吐量的
优化。
背景技术：
近来，用户协作已经引起越来越多的兴趣，其中通过允许用户将彼此的消息中继 到目的地，可以实现额外的空间分集(diversity)。传统上，已经提出用户协作用于改善蜂 窝网络的容量，并且用户协作已经与中继信道中的传输紧密相关。此后，在一般中继网络的 思想上，已经发展了若干有效的协作协议。例如，已经考虑使用多天线的多协作用户；然而， 所有的现有系统仅聚焦于固定的源和目的地对的性能和操作，而没有考虑更高级的系统前 景。例如，还没有考虑用户调度的效果。此外，传统的中继协议通常要求专用中继时隙，潜 在地引起频谱损失。 因此，希望对于用于传统蜂窝网络的用户协作开发不同的调度策略，以形成更多 最佳的策略。关于用户协作的当前设计的缺陷的上述背景仅仅旨在提供现今设计的一些问 题的概述，而不旨在是穷举的。在审阅各种非限制性实施例的以下描述时，本领域现状的其 它问题和本发明的相应的优点可以进一步变得明显。

发明内容
这里提供简化的概要，以便帮助实现对示例性的、非限制的实施例的各个方面的 基本或一般理解，其后跟随有更详细的描述和附图。然而，该概要不是旨在作为广泛的或穷 举的概述。该概要的唯一目的是以简化形式呈现涉及各种示例性、非限制实施例的一些概 念，作为随后的更详细描述的序言。 为新兴(emerging)传输框架提供用户协作，其中用户作为彼此的中继，以为更好
的总体性能提供额外的分集路径。在各种实施例中，在包括用户协作的自适应通信网络中
将数据从基站传输到移动设备。根据在限定的补充下行链路时隙中执行中继操作的下行链
路辅助中继(DAR)、或根据在限定的补充上行链路时隙中执行中继操作的上行链路辅助中
继(UAR)，按照时分双工(time division duplex, TDD)系统执行中继。 在示例性、非限制实施例中，根据最大吞吐量调度算法或根据循环(round-robin)
调度算法进行中继传输，所述最大吞吐量调度算法实现最大的系统吞吐量而不对用户施加
任何公平性限制，所述循环调度算法在考虑的用户之间实现在延迟方面的绝对公平性。此
外，可以利用放大和转发(AF)或解码和转发(DF)协作协议，优化从基站到移动设备的下行
链路吞吐量。


参照附图进一步描述用于优化下行链路吞吐量的系统和方法，附图中
图1图示从基站传输到用户和中继用户组的通信系统的高级方块图； 图2是优化通信系统的下行链路吞吐量的示例性、非限制方法的流程图； 图3图示根据这里描述的各种实施例、采用传统时隙分离(splitting)中继的通 信的各个方面； 图4图示根据各个实施例、采用下行链路辅助中继的通信的各个方面； 图5图示根据各个实施例、采用上行链路辅助中继的通信的各个方面； 图6图示根据各个实施例、使用AF协议的各个示例性方面； 图7图示根据各个实施例、当实现用户协作时的循环调度的各个方面； 图8展示根据不同实施例的中继时隙的不同布置的效果； 图9是用于根据最佳算法中继和调度的第一非限制的代表性实施例的流程图； 图10是用于根据最佳算法中继和调度的第二非限制的代表性实施例的流程图； 图11是用于根据这里描述的各种实施例中继和调度的说明性实施例的方块图； 图12图示适合通过各种实施例的服务的示例性、非限制网络环境的概述；以及 图13是这里描述的各个方面可以运行的示例性、非限制操作环境的方块图。
具体实施方式

概述 如在背景中所提到的，用户协作是新兴传输框架，其中用户用作彼此的中继，以便 为比没有额外分集路径的情况下更好的总体性能提供额外的分集路径。然而，现存的方法 仅聚焦于物理层特性和特定时刻处固定的源和目的地对的操作。因此，希望超过传统蜂窝 网络采用的当前用户协作技术的改进的调度策略。 考虑如背景中描述的本领域现状的缺陷，在这里描述的各种实施例中，使用用户 协作和调度为自适应蜂窝网络优化下行链路吞吐量。在不同的公平性限制下评估若干常用 的协作策略，并且当为了最大化总体系统吞吐量调度用户时，DF协议没有显示能够提供超 过其非协作对应物的任何容量增益。 在另一方面，在现有帧结构之上研究了直接影响自适应和非自适应网络的用户协 作的性能的中继时隙的布置，使得可以在传统网络中实现用户协作而不用显著的修改。在 这点上，通过干扰消除和调度，可以与其它传输并发地在不同时隙中支持多中继，并且这里 得到相应的最佳中继的选择和最佳功率的分配。 在一个实施例中，由于时分双工(TDD)系统允许灵活的非对称下行链路_上行链 路分配率，因此实施TDD系统，所述分配率适于支持多媒体服务和高速数据传送的未来一 代无线系统。通过探索提供高回报自适应调度和资源分配的信道互易性(reciprocity)，还 便利了发射机的信道状态信息(CSIT)的评估。 可以在具有不同公平性关注的两种常用协作协议AF和DF下优化下行链路吞吐 量。还确定传统帧结构中中继时隙的最佳布置，使得与其中额外时隙专用于消息中继的系 统相比，用户协作可以容易地并入现有系统中。考虑多中继用户，并且为给定的目的地得到 相应的最佳中继选择和功率分配。 在这里描述的其它实施例中，当不考虑公平性并且为了实现最大的理论系统吞吐 量调度用户时，实施AF协议以便实现容量增益，尽管显示出这种增益是微小的(marginal)
5并且主要有益于远处用户。替代地，在另一实施例中，当考虑可比较的平均信道增益的用户 时，实现简单循环调度算法的系统吞吐量，其维持延迟方面的绝对公平性，并且展示接近针 对最大化系统吞吐量的非协作方法的系统吞吐量的显著改进。 图1是图示用于在自适应通信网络中传输数据到包括用户协作的移动设备 IIO(即，目标用户)的基站100的示例性非限制方块图。使用中继用户120、122等，数据可 以从基站IOO直接到达目标用户IIO或经由中继用户120、122等到达目标用户110。现在 关于下面详细描述的各种方法，进一步描述使用用户协作和调度根据最优化的下行链路吞 吐量进行数据传输的各个实施例。 图2是图示用于在自适应通信网络中从基站传输数据到包括用户协作的移动设 备的处理的各方面的示例性非限制流程图。以非特定的顺序，在200，根据时分双工(TDD) 系统执行中继。如下面更详细所述，执行下行链路辅助中继(DAR)或上行链路辅助中继 (UAR)，所述下行链路辅助中继在限定的补充下行链路时隙中执行中继操作，所述上行链路 辅助中继在限定的补充上行链路时隙中执行中继操作。在210，根据最大吞吐量调度算法或 根据循环调度算法调度中继传输，所述最大吞吐量调度算法实现最大系统吞吐量而不对用 户施加任何公平性限制，所述循环调度算法在考虑的用户之间实现在延迟方面的绝对公平 性。在220，利用AF或DF协作协议优化从基站到移动设备的下行链路吞吐量。在230，为 给定目的地优化功率分配。 作为随后的更详细描述的指引(roadmap)，首先描述协作协议的数学模型和特性。 然后，研究帧中中继时隙的布置和调度算法的影响。接下来，得到和阐述最佳中继选择和功 率分配算法。此外，给出性能评估和讨论，以便显示这里描述的各种实施例的益处，最后，描 述可以采用用于优化下行链路吞吐量的技术的一些示例性、非限制操作环境和装置。
协作协议 关于协作协议，为了补充上下文，现在描述AF和DF协议的数学模型和它们的特 性。作为注释，假设对于下面将更详细讨论的多中继情景，在此阶段可用正交中继信道。以 下，基站S在第一时隙中以功率Pj专输消息Xi到目标用户i和中继用户j。在第二时隙中，
中继用户j将以功率P/e)转发其接收的消息副本&,到用户i。如果存在更多中继用户，则 它们将以相同方式在接下来的时隙中顺序转发它们接收的消息到用户i。在第一 (直接路 径)和第二 (中继路径)时隙中由用户i接收的信号的特征在于 (S-i)=》,|2^, + ",等式1 (S-j-i) =》,,|2巧 +~等式2 其中hi和hj, i捕获由直接路径(S-i)和中间用户(S-j-i)信道经历的相等衰减 (fading)，包括大尺度和小尺度衰减。ni和rij,i是背景加性白高斯噪声(AWGN)项，具有每
复维数方差N。/2。 在AF协议中，等式2中的&,归一化为 等价地，等式2可以表示为
其中SNRj指定(S-j)基站-中继信道的接收的信号_噪声比(SNR)，并且^是归 一化的AWGN项。因而，从等式4，中继路径(S-j-i)的SNR可以表示为
其中0 <=纖"< i并且0 < 、■=纖+1 <1 。因此，中继路径的SNR上界为
0 < SVi ))) < min(SA^, SA^7,)等式6 其本质上指定协议的瓶颈。通常，当使用多中继时，可以使用最大比率组合(MRC) 来组合中继路径和直接路径，因此，在K用户系统中，AF协议的等价SNR为 (AF)■ = S碼+ i SV^)等式7
卢 其中p = 1指其中用户j作为用户i的中继的情况，而P j,i = 0指其他情况。
在DF协议中，中继用户首先尝试解码消息。成功解码时，中继将再编码消息然后 将其转发到目的地用户。否则，不中继消息。通过如果SNRj > 则使SNRj =①，否则 SNRj = O，可以从等式7得到等价SNR。也就是说， (DF) :S，,— (i "')-S，,+tl(SA^ > ^(《一))/^5濯,,等式s 其中I(.)是指针函数，而3服0 指支持目标比率ft所需的最小接收 SNR。我们注意到，DF协议的实际吞吐量可以小于对应于在等式8中指定的等价SNR的吞 吐量。在审阅与下面讨论的各个实施例有关的描述时，关于AF和DF协议的额外细节也可 以变得明显。 下行链路吞吐量优化 如上所述，在一个方面，本主题公开关于传统帧结构中的中继时隙的优化或好的 布置，使得现有网络可以从用户协作受益而不用修改它们当前的帧结构。然后，在AF和DF 协作协议下以不同公平性关注呈现下行链路吞吐量的优化。在各种实施例中，采取同步和 半双工TDD网络，其中典型地在具有布置在两种时隙之间的至少最坏情况往返延迟的防护 间隔的脉冲(burst)中分配下行链路和上行链路时隙。 关于中继时隙的布置，时隙分离中继(TSR)可以用于利用用户协作，并且参照图3 进行描述，图3包括基站302、目的地用户304和中继用户306之间通信的时序。替代为了 中继目的使用另外的完整的时隙，将时隙(slot)分离为两个子时隙，其中源在第一个中传 输，中继310在第二个中传输。然而，由于蜂窝网络中用户之间的路径延迟，仍存在相邻时 隙之间的部分干扰312，如所图示的。只有引入额外的防护间隔，干扰312的完全消除才是 可能的。 在CSIT可用的自适应传输系统中，存在实现用户协作的其它更有效的方式，其中 提供更高的协作增益，而不引入额外的开销并且不修改原始的帧结构。可以容纳协作协议
7的传统系统可以合并这里描述的技术。此外，还研究了中继时隙的另外两种的潜在布置。它 们之一在新的下行链路时隙中执行中继操作，而另一个在上行链路时隙中执行中继操作。 中继操作涉及在任何共存的传输的目的地设备处各种程度的干扰抵消。为了方便，前一方 法在这里称为下行链路辅助中继(downlink-assisted relaying,DAR)，而第二个称为上行 链路辅助中继(uplink-assisted relaying, UAR)。 图4图示基站402、目的地用户404和中继用户406之间的DAR通信400的示例性 时序。DAR 400的中继410导致如所示的干扰412，其中在具体限定的下行链路时隙中执行 中继。 图5图示基站502、目的地用户504和中继用户506之间的UAR通信500的示例性
时序。UAR 500的中继510在具体限定的下行链路时隙中执行。尽管如所示UAR 500导致
两组干扰512、514，但是如在下面更详细所述，可以用最佳调度消除干扰514。 为了比较图3-5，在具有CSIT的TDD网络中，UAR提供比TSR和DAR更高的净容量
增益。这些概念可以进一步分为三个部分，包括孤立的(isolated)协作增益、通过中继施
加于其它并发传输的干扰、以及通过其它并发传输导致对中继消息的干扰。 孤立的协作增益定义为通过三个候选者实现的纯增益而不考虑它们的成本(干
扰)。因为UAR和DAR利用完整的时隙，而不是TSR中的仅仅一半时隙，所以它们两者实现
与TSR相比较好的性能增益。其特征在于log (1 + SV7 ,，V) 2丄log (1 + cSVi ""'v )等式9 其中c是为一般TSR策略将时隙划分为的子时隙的数目。 如所提到的，图3、4和5图示用于分别相互比较的三个潜在中继时隙位置传统时 隙分离中继(TSR)、下行链路辅助中继和向上链路辅助中继。 关于对并发传输的干扰，如图3所示，观察到TSR 300拥有一个优势，因为其仅导 致对相邻时隙的部分干扰。相反，初看起来，UAR 500似乎比另外两种表现差。然而，如下 面所讨论的，这没有反映整个情况，并且通常URA500在所有三种策略中表现最好。
考虑如图5所示的DF协议和UAR策略500，在受干扰的上行链路时隙中，中继用户 j506将消息Xi转发到目的地用户i504。同时，另一用户k508传输其自己的上行链路消息 XkuL到基站S502。在基站502接收的消息由下式给出
《=
=、&
《+g
A,
+ ",等式10a 其中gl ^|/7y「 if 、代表在用户k508的消息上从用户j506接收的干扰。通过限
制中继操作与帧时序同步，g
if、
乂
可以简单地由、k
V| ". 《■
在基站已知，所以可以消除干扰，导致用户k508接收的没有干扰的消息
pW《表示。因为Xi、hj和P, 即使使用AF协议，干扰也仍可以被消除，但是在用户k508的接收消息中留有小的 额外噪声项。对于TSR和DAR，通常，在目的地用户k接收的下行链路消息可以以相同的形 式表示为
= " +g(V|^|2 C) + "4等式11 其中g
广 12 、
無, 、，,
乂
代表在将接收的模拟消息转换到数字域的一些滤波处理后
得到的部分干扰。由于用户k不具有Xi、P/W和hj,k的信息，所以干扰不能消除。然而，使
用适当的调度、信令和防护间隔的引入，可以由用户k获得缺失的信息，并且在DAR中也可 以采用类似的干扰抵消技术。 类似的情况适用于AF协议。在图3和4中，示出了一种具体情况，其中用户i遭受 来自由用户j中继的其自己之前的下行链路消息的自干扰。然而，通过在连续时隙中调度 远离之前一个用户的不同的用户，通过如路径损失的大尺度衰减可以显著地减小该干扰。
关于来自并发传输的干扰，只有UAR方案通过仔细调度显著减小干扰，在该调度 中选择的并发上行链路用户远离从其中继接收消息的目的地用户。在TSR和DAR中，并发 传输替代地来自基站S，其具有全方向传输。因此，通过调整基站传输功率减小干扰，基本上 限制任何共存传输的覆盖。 在下面的表1中概括了上面讨论的三种情况TSR、DAR和UAR。通过考虑上面的三 个特性，由于UAR的高协作增益、对于任何中继传输功率级的并发传输的最小干扰、以及通 过调度可忽略的来自其它用户的干扰，UAR显示为好的候选者。本质上，这意味着在具有可 用的CSIT的TDD网络中，通过UAR可以实现使用完整时隙的多正交中继信道。
协作增益干扰对并发传输对中继的消息
时隙分离 中继低部分地，通过调度 显著改善部分地，通过调 度改善
下行链路 辅助中继高通过调度大大改 善严重的，通过调 度改善
上行链路 辅助中继高完全消除 (对于AF有小的 额外噪声项)通过调度大大改 善 表1 :三种潜在中继时隙位置的比较 关于下行链路吞吐量最大化，考虑与AF和DF协议使用的两种极端调度算法。第 一个实现最大的系统吞吐量，而不对用户施加任何公平性限制，并且将被称为最大吞吐量 调度。第二个是循环策略，其替代地在考虑的用户之间实现在延迟方面的绝对公平性。如 下面另外详细所示，循环调度算法和AF协议一起形成了用于提供好的系统吞吐量、同时在 延迟方面维持各用户之间的公平性的简单和有效的策略。 关于"没有公平性"限制，尽管DF协议可以通过如等式8所示的协作实现较高的接 收SNR，但是当考虑最大系统吞吐量而没有公平性关注时，该协议没有提供任何容量增益。
9现在呈现以下的定理和证明。 定理l :当在任何操作SNR区域中调度用户以最大化系统吞吐量时，DF协作实现与 其非协作对应物相同的最大系统吞吐量。 证明设R(SNR) = 1og(l+SNR)为给定SNR时链路的最大可实现比率。定义 = ^'): P,，, = iy/ e《),A.，, = 0V7' g "')}为中继分配组的集合，其中对于目的地用户i基数 ①」=2K—^1。等式8表明对于一些j只有SW^〉SVi (i 广"')，或等价地，对于任何给定 ^)只有《"^' ^5^,PA^)'协作增益才是可能的，其进一步意味着通过DF协议为用户i 实现的最大比率RiDF的上限由下式给出i ,DF S max{max ),i (SA^,)}等式12
w、 牙a^i OSA^)V/^l，…,W 从等式12，清楚的是DF协议的最大可实现系统吞吐量是
f 、n(^)、眾5/(S^)'等式13
其与非协作网络中的相同。 不同于DF， AF协议总是提供协作增益，因为仅在组合从直接和中继路径接收的信 号之后进行消息检测。当等式7中的等价SNR最大化时，实现最大系统吞吐量。也就是说，
问题可以用公式表示为
mpSVW等式M 因为系统用户的数目通常大于可用的正交中继信道的数目，所以需要进一步优化 SNRi，k 。需要执行中继选择和功率分配，这将在接下来的子部分中详述。
关于"具有公平性"限制或循环，当给定目标用户i最大化等式7中的等价SNR时， 为循环调度实现最大系统容量。如上所提到的，在多用户系统中，用户的数据将可能大于全 部可用的正交中继信道的数目。因此，中继选择是适当的，中继信道上的功率分配同样如 此。以下，我们聚焦于AF协议，并且在总共N个正交中继信道、并且允许每个潜在中继用户 最大地占用所有信道的情况下为给定目标用户i得到最佳中继选择和功率分配策略。对于 DF协议的优化是AF协议的特殊情况，其中等式5中aj = 1，并且问题因而减少为简单的一 个。以下，m将用来指定中继信道的索引。 以下说明根据示例性、非限制实施例的最佳中继选择和功率分配。
, 、 纖r,(",) 设y^("，) = + 1 ，其代表第m中继信道中的中继路径(S-j-i)的等
价SNR。目标可以写为max Z Z《,/;;(尸")'")等式15a 乂o,附=1 服从尸f )'m《户)—)'""Y/e {1,2，..""/{/},me {1，2,…,W等式15b
i i/f)，灯附肠'等式15c
j=l j力m=I
10
艺《二lVm其中 "等式15d 限制等式15b是在中继信道m中对于用户j的单个峰值功率限制，其也可以用来 控制同一信道中对另外传输的最大共信道干扰。还存在由等式15c代表的总的中继功率限 制。假设基站功率固定并且已知，因此，aj同样，并且独立于移动用户(中继)的功率限制。 还假设在基站处知道用户间信道增益。实践中，这些可能是来自预定的信道增益阈值组的 值，所述信道增益阈值是在对于特定目标用户的协作组的初始设置期间获得的。最终，限制 等式15d表明只允许单个用户为用于每个中继信道的中继。 问题通常是组合的。然而，函数fj,im(Pj⑨'m)可以显示为凹的并且单调上升。通过 使用对于参数Pj,im的松弛(relaxation)技术，问题可以阐述为凸最大化问题，其可以在 拉格朗日乘子和Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件的辅助下求解。这里为得到的最佳用户选 择和功率分配策略显示结果。该问题类似于对于具有并行信道的传统网络的容量最大化问 题，然而，在得到的最佳中继(用户)选择策略中存在明显差别。
关于最佳中继选择，根据下式选择第m中继信道的最佳用户
乂
射
《,仰=,f (K问等式16b
()如果y-1 (Q) > _P)pea*)'m Q 如果/;f1 (Q) 2尸)戶"'""等式16c
z;r(o)如果y;广(Q)〈0fj/是相对于P/E)'m的导数，并且Q是要调整使得满足等式15C中总的功率限制
的所有m个中继信道之间的公共参数。Q越大，给定的一组选择的用户分配的功率越小。
公知的是最大化系统容量的传统网络的最佳用户选择策略可以减少为选择具有 最佳信道的一个。当施加单个峰值功率限制时，可以证明选择具有最大比率的用户是最 佳的。然而，可以显示对于具有用户协作的我们的系统不再是这种情况，其中选择最大的 fj,i，P,")不实现最佳解决方案。 关于最佳功率分配，选择的中继用户的任何组的最佳功率分配可以显示为

并且0 =<formula>formula see original document page 11</formula>等式(17)
辅助。

其中义2 =。-'，(;c)+ :max(x,O)和C =|、m,| /^。
该结果与源和目的地节点对一致，其中由替代地采用TSR方法的固定数目的中继
数值结果和讨论
在蜂窝网络的下行链路中，通常由接近基站的一些用户支配最大系统吞吐量。因 此，在这种措施下可能不适合评估用户协作协议的有效性，因为对远处用户的任何显著改 进可能仅相当于总的系统吞吐量的不可辨别的增加。为了获得更有意义的结果，考虑协作组中的性能，在所述协作组中用户具有来自基站的可比较的平均信道增益。
如所提到的，假定TDD系统，并且模拟设置如下。考虑半径1km的小区，并且用户 在其每个50m半径的簇(cluster)中均匀分布。每个簇包含5个用户，并且在距离基站不 同的距离评估每个簇。为基站-用户和用户间信道假定相等的和独立分布的(i. i.d.)瑞 利衰减。在距离基站100m处为30dB的参考平均功率的情况下，在所有情况中的路径损失 指数设为3。具体地，在这些结果中考虑两种调度策略(最大吞吐量和循环)下的AF协议。 考虑准静态信道，并且允许每个中继信道的峰值功率为最大总中继功率。
图6图示1个中继610、没有中继620和3个中继530的最大吞吐量调度600。在 每种情况下，提供分开的曲线簇640、650、660和670，分别代表在距离100m、250m、500m和 950m处的用户。如上所讨论的，DF协议没有实现最大系统吞吐量的增益。然而，如图6所 示，AF协议也仅提供微小的(marginal)改进。增益对于小区边缘附近的最远的簇表现最 显著，其中在1个中继的情况下记录 8%的吞吐量增益。仅需要小于基站发射功率20dB 的小量中继功率，并且进一步增加中继功率不导致任何显著的改进。提供3个中继的上限 作为参照，其中假设用户间信道无噪声。在此情况下，该系统简化(reduced)为单输入多输 出(SIMO)系统。可以观察到，通过更多中继的潜在增益也是受限制的，并且预期是普通网 络的情况，除非考虑异常密集分布的一种情况。 在图7中为1个中继710和没有中继720示出了循环调度700。在每种情况下， 提供分开的曲线簇730、740、750和760，分别代表在距离100m、250m、500m和950m处的用 户。循环调度700使得用户能够在其中每个用户具有相同比例的信道分享和相同延迟的 公平条件下传输，但是通常以相当的吞吐量为代价。图7显示当实现用户协作时不再是这 种情况。在只有l个中继和限制的中继功率的情况下实现系统吞吐量的显著增益。例如， 仅以用于中继1%的基站传输功率为代价，为接近小区边缘的簇实现超过70%的吞吐量增 加。仍可以为接近基站的簇实现有吸引力的增益，其中为处于250m处的簇获得超过25X的 增益，并且为100m处的簇获得大约10%的增益。大大减小了来自最大吞吐量调度的容量间 隙(gap)。这可能是一个用户更频繁地用作中继的情况。然而，因为在蜂窝网络中带宽通常 是比功率更大的问题，所以该短期公平性应该是可容忍的，同时随着信道波动仍可以维持 长期公平性。 关于UAR 810和TSR 820之间的比较，图8展示了中继时隙的不同布置的效果。在 100m处，曲线830和840分别代表UAR和TSR性能。类似地在250m、500m和950m处，曲线 832、842、曲线834、844和曲线836、846分别代表UAR和TSR性能。可以观察到，对于每个 距离和曲线组，UAR方法显著好于TSR方法。当考虑最大吞吐量调度时，TSR表现甚至比非 协作对应物更差，如可以使用等式9所预测的。 图9是用于根据最佳算法中继和调度的第一、非限制代表性实施例的流程图。不 必以任何特定顺序，在900，对于一组用户和中继设备，确定要应用于多个用户的通信的公 平性标准。然后，在910确定可用的CSIT信息。在920，基于应用的公平性方案和如果可 用的CSIT信息，形成最佳中继调度。在930，出现使用优化调度的数据中继。在一个实施 例中，如上所述，可以使用UAR，如可以使用DAR。在940，出现根据用户协作协议(如AF或 DF)的通信，从而优化下行链路吞吐量。在950，为涉及设备传输的给定情况动态分配功率。
图10是用于根据最佳算法中继和调度的第二、非限制代表性实施例的流程图。同样不以特定顺序，在1000， CSIT信息被评估或以其他方式可用。在1010，基于用户间相等 公平性的假设，生成中继传输的最佳调度。例如，可以采用在优先级方面平等对待不同用户 的循环型系统，或可以对所有用户不施加公平性限制。在1020，使用UAR或DAR执行中继。 然后，在1030，根据AF用户协作协议或DF用户协作协议传输数据。然后，在1040，为中继 传输的调度动态优化功率。在1050，根据实现最佳下行链路吞吐量的优化参数出现传输。 有利地，各实施例可以并入用于无线通信的现有网络帧结构。 图11是用于说明这里描述的各个实施例的一些非限制方面的中继和调度的实施 例的方块图。为了表示的简化，示出单个中继用户1120和目标用户1110，尽管这里描述的 用户协作中继技术可以应用于任何数目的中继和目标用户。为了根据用户协作协议(如AF 或DF)传输数据到一组中继设备和目标用户设备提供基站IIOO。在这点上，基站1100可以 根据UAR 1136或DAR(未示出)执行中继。 不对目标用户设备施加任何公平性限制或根据循环调度算法，基站1100中继以 实现最大系统吞吐量1132，所述循环调度算法在各目标用户设备之间实现在延迟方面的绝 对公平性。因此基于公平性考虑优化中继调度1130，以优化系统吞吐量，其可以包括为系统 的传输分配最佳功率1134。 总而言之，在各种非限制实施例中，研究了使用用户协作的下行链路吞吐量优化 问题。不同于聚焦于固定源和目的地对的之前的工作，以不同公平性关注将用户调度并入 协作框架中。评估了两种常用的协作协议(放大和转发以及解码和转发)，并且呈现了一些 示例性结果。 具体地，这里演示了当为了最大化系统吞吐量调度用户而没有任何公平性限制 时，DF协议与其非协作对应物相比不能提供最大可实现的系统吞吐量的任何增益，而AF协 议总是导致改进。还研究了传统帧结构中的中继时隙的布置，因为其直接影响用户协作的 性能。显示出，通过仔细的用户调度，对于具有可用的CSIT的自适应蜂窝网络，多中继可以 并发地支持在不同时隙中的其它传输。这使得用户协作能够容易并入现有系统，而不需要 修改它们的帧结构。 得到了相应的最佳中继选择和功率分配算法。然而，演示了特别对于循环调度算 法，只有一个中继足够实现下行链路吞吐量的显著增益，当结合用户协作时，循环调度算法 是用于维持各用户间在延迟方面的公平性、而不显著牺牲最大可实现的系统吞吐量的有利 的策略。 示例性通信网络和环境 上述优化可以应用于任何网络，然而，以下描述阐述用于并入本发明的一些示例 性电话无电线网络和非限制操作环境。下述操作环境应该认为是非穷举的，然而，因此下述 网络架构仅仅显示可以并入本发明的一个网络架构。然而，可以理解本发明也可以并入用 于通信网络的任何现有或未来替代性的架构。 全球移动通信系统("GSM")是在现今快速成长的通信系统中最广泛利用的无线 接入系统之一。GSM提供电路交换的数据服务到各订户，如移动电话或计算机用户。作为 对GSM技术的扩展的通用分组无线电服务("GPRS")将分组交换引入GSM网络。GPRS使 用基于分组的无线通信技术，以便以有效的方式传送高速和低速的数据和信令。GPRS优化 网络和无线电资源的使用，因此实现了用于分组模式应用的GSM网络资源的成本有效和高
13效的使用。 如本领域普通技术人员可以理解的，这里描述的示例性GSM/GPRS环境和服务 也可以扩展到3G服务，如通用移动电话系统("UMTS")、频分双工("FDD")和时分双 工("TDD")、高速分组数据接入("HSPDA")、 cdma20001x优化演进数据(Evolution Data Optimized "EVDO")、码分多址-2000 ( "cdma2000 3x")、时分同步码分多址 ("TD-SCDMA")、宽带码分多址("WCDMA")、增强的数据GSM环境("EDGE")、国际移动电 信-2000( "IMT-2000")、数字增强的无绳电信("DECT")等，以及可以扩展到将及时成为 可用的其它网络服务。在这点上，本发明的技术可以独立于数据传输的方法来应用，并且不 需要依赖于任何特定的网络架构或底层的协议，除了另外指定。 图12描述了示例性基于分组的移动蜂窝网络环境(如GPRS网络)的总体方块图， 其中可以实践本发明。在这种环境中，存在多个基站子系统("BSS") 1200(仅显示一个)， 每个基站子系统1200包括服务多个基站收发器("BTS")(如BTS 1204、 1206和1208)的 基站控制器("BSC") 1202。 BTS 1204、1206和1208等是基于分组的移动设备的用户变为 连接到无线网络的接入点。以示例性方式，源自用户设备的分组通信量在空中接口上传送 到BTS 1208，并且从BTS 1208传送到BSC 1202。如BSS 1200的基站子系统是内部帧中继 网络1210的一部分，所述内部帧中继网络1210可以包括服务GPRS支持节点("SGSN")， 如SGSN 1212和1214。 每个SGSN又连接到内部分组网络1220， SGSN 1212U214等通过该内部分组网络 1220可以路由数据分组到多个网关GPRS支持节点(GGSN) 1222、 1224、 1226等，并从多个网 关GPRS支持节点1222、1224、1226等路由数据分组。如所图示的，SGSN 1214禾口GGSN 1222、 1224和1226是内部分组网络1220的一部分。网关GPRS服务节点1222、1224和1226主 要提供到外部因特网协议("IP")网络(如公共地面移动网络("PLMN") 1245、公司内联 网1240、或固定端系统("FES")或公共因特网1230)的接口。如所图示的，订户公司网络 1240可以经由防火墙1232连接到GGSN 1224;并且PLMN 1245经由边界网关路由器1234 连接到GGSN 1224。远程认证拨入用户服务("RADIUS")服务器1242可以用于当移动蜂 窝设备的用户呼叫公司网络1240时的呼叫者认证。 通常，在GSM网络中可以存在四种不同的小区大小，宏、微、微微(pico)和伞 (umbrella)小区。在不同环境下每个小区的覆盖面积是不同的。宏小区可以被认为是其中 基站天线安装在平均屋顶顶部水平上的桅杆或建筑中的小区。微小区是其天线高度在平均 屋顶顶部水平下的小区；它们典型地用在城市区域。微微小区是具有若干米的直径的小小 区；它们主要用在室内。另一方面，伞小区用来覆盖更小小区的阴影区域，并且填充那些小 区之间覆盖的间隙。 尽管未要求，但是要求保护的主题可以部分地经由操作系统实现，用于由设备或 对象的服务的开发者使用，和/或包括在结合要求保护的主题的一个或多个组件操作的应 用软件中。软件可以以计算机可执行指令(如程序模块)的通用语境描述，所述计算机可 执行指令由一个或多个计算机(如客户端、服务器、移动设备或其它设备)执行。本领域的 技术人员将理解，要求保护的主题也可以用其它计算机系统配置和协议来实践，其中给出 非限制实施细节。 因此，图13图示合适的计算系统环境1300的示例，其中可以实现要求保护的主题，尽管如上面所解释清楚的，但是计算系统环境1300仅仅是用于介质设备的合适的计算 环境的一个示例，并且不旨在建议对使用的范围或要求保护的主题的功能性的任何限制。 此外，计算系统环境1300不旨在建议涉及要求保护的主题和在示例操作环境1300中图示 的组件的任何一个或组合的任何依赖或要求。 参照图13，用于实现这里描述的各个方面的远程设备的示例包括以计算机1310 形式的通用计算设备。计算机1310的组件可以包括但不限于处理单元1320、系统存储器 1330和系统总线1321，所述系统总线1321将包括系统存储器的各种系统组件耦合到处理 单元1320。系统总线1321可以是若干类型的总线结构中的任何，包括存储器总线或存储器 控制器、外围总线和使用多种总线架构的任何的局部总线。 计算机1310可以包括多种计算机可读介质。计算机可读介质可以是可以通过计 算机1310访问的任何可用的介质。通过示例而非限制的方式，计算机可读介质可以包括 计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括在用于信息(如计算机可读指令、数据 结构、程序模块或其它数据)存储的任何方法或技术中实现的易失性和非易失性以及可移 除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技 术、CDROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储 设备、或可以用来存储想要的信息并且其可以由计算机1310访问的任何其它介质。通信介 质可以体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或调制的数据信号(如载波)或其它传输 机制中的其它数据，并且可以包括任何合适的信息传递介质。 系统存储器1330可以包括以易失性和/或非易失性存储器(如只读存储器(ROM) 和/或随机存取存储器(RAM))形式的计算机存储介质。包含基本例程的基本输入/输出 系统(BIOS)可以存储在存储器1330中，所述基本例程帮助如在启动期间在计算机1310中 的元件中间传送信息。存储器1330还可以包含由处理单元1320立即可访问和/或目前由 处理单元1320操作的数据和/或程序模块。作为非限制示例，存储器1330还可以包括操 作系统、应用程序、其它程序模块和程序数据。 计算机1310还可以包括其它可移除/不可移除、易失性/非易失性计算机存储介 质。例如，计算机1310可以包括硬盘驱动器，其从非易失性、不可移除磁介质读取或写入到 非易失性、不可移除磁介质；磁盘驱动器，其从可移除、非易失性磁盘读取或写入到可移除、 非易失性磁盘；和/或光盘驱动器，其从可移除、非易失性光盘(如CD-ROM或其它光学介 质)读取或写入到可移除、非易失性光盘。可以在示例性操作环境中使用的其它可移除/ 不可移除、易失性/非易失性计算机存储介质包括但不限于盒式磁带、闪存卡、数字多功能 盘、数字录像带、固态RAM、固态ROM等。硬盘驱动器可以通过不可移除存储器接口 (如接 口 )连接到系统总线1321，并且磁盘驱动器或光盘驱动器可以通过可移除存储器接口 (如 接口 )连接到系统总线1321。 用户可以通过输入设备(如键盘)或定点设备(如鼠标、跟踪球、触摸板和/或其 它定点设备)将命令和信息输入计算机1310。其它输入设备可以包括麦克风、操纵杆、游戏 垫、圆盘式卫星电视天线(satellite dish)、扫描仪等。这些和/或其它输入设备可以通过 用户输入1340和耦合到系统总线1321的(各)相关接口连接到处理单元1320，但是可以 通过其它接口和总线结构(如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB))连接。图形子系 统还可以连接到系统总线1321。此外，监视器或其它类型的显示设备可以经由接口 (如输
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出接口 1350)连接到系统总线1321，所述接口又可以与视频存储器通信。除了监视器外，计 算机还可以包括其它外围输出设备，如扬声器和/或打印机，所述其它外围输出设备也可 以通过输出接口 1350连接。 计算机1310可以使用到一个或多个其它远程计算机(如远程计算机1370)的逻 辑连接，在联网或分布式环境中运行，所述远程计算机又可以具有不同于设备1310的介质 能力。远程计算机1370可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它公 共网络节点、和/或任何其它远程介质消耗或传输设备，并且可以包括上面相对于计算机 1310描述的任何或所有元件。图13中描述的逻辑连接包括网络1371(如局域网(LAN)或 广域网(WAN))，但是还可以包括其它网络/总线。这种联网环境在家庭、办公室、企业范围 的计算机网络、内联网和因特网中是常见的。 当在LAN联网环境中使用时，计算机1310通过网络接口或适配器连接到LAN 1371。当在WAN联网环境中使用时，计算机1310可以包括通信组件(如调制解调器)或 用于在WAN(如因特网)上建立通信的其它装置。可以是内部的或外部的通信组件(如调 制解调器)可以经由输入1340处的用户输入接口和/或其它合适的机制连接到系统总线 1321。在联网环境中，相对于计算机1310描述的程序模块或其各部分可以存储在远程存储 器存储设备中。应该理解，示出和描述的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间 建立通信链接的其它装置。 这里使用词语"示例性的"来意味着用作示例、例子或说明。为了避免疑问，这里 公开的主题不由这种示例限制。此外，这里描述为"示例性的"任何方面或设计不必解释为 优选的或比其它方面或设计有利，也不意味着排除本领域的那些普通技术人员已知的等价 示例性结构和技术。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语"包括"、"具有"、"包含"和 其它类似词语的方面而言，为了避免疑问，这种术语旨在是以类似于术语"包含"的方式的 包括性的，作为开放转接词语而不排除任何额外或其它元件。 已经相对于若干组件之间的相互作用描述了上述系统。可以理解的是，这种系统
和组件可以包括那些组件或指定的子组件、一些指定的组件或子组件、和/或额外的组件、
以及根据前述各种排列和组合。子组件也可以实现为通信地耦合到其他组件而不是包括在
(分等级的)母组件中的组件。此外，应该注意到，一个或多个组件可以组合到提供集合功
能性的单个组件或分为若干分离子组件，并且任何一个或多个中间层(如管理层)可以提
供来通信地耦合到这种子组件，以便提供集成的功能性。这里描述的任何组件也可以与未
在此具体描述但是本领域的技术人员公知的一个或多个其他组件相互作用。 考虑到上述示例性系统，可以根据描述的主题实现的方法将参照各图的流程图更
好地理解。尽管为了说明的简化的目的，方法显示和描述为一系列方块，但是要明白和理解
的是，要求保护的主题不由方块的顺序限制，因为一些方块可以以与这里描绘和描述的不
同的顺序和/或与其他方块并发地出现。经由流程示了其中非连续或分支的流程，可
以理解实现相同或类似的结果的各种其他分支、流程路径和方块的顺序可以实现。此外，不
是所有图示的方块需要来实现以下描述的方法。 除了这里描述的各个实施例外，应该理解可以使用其它类似的实施例，或者对描 述的(各)实施例进行修改和添加，用于执行相应(各)实施例的相同或等价的功能而不 从其背离。此外，多个处理芯片或多个设备可以共享这里描述的一个或多个功能的性能，类
16似地，存储可以跨越多个设备进行。因此，没有单个实施例应该视为是限制性的，而是各个
实施例和它们的等价物应该与根据权利要求的宽度、精神和范围一致地解释。 相关申请的交叉引用 本申请要求于2007年3月10日提交的题为"OPTMIZING DOWNLINKTHROUGHPUT WITH USER COOPERATION AND SCHEDULING INADPATIVE CELLULAR NETWORKS"的序列号 No. 60/894， 208的美国临时申请的优先权，在此通过引用并入其全部。
权利要求
一种用于在无线通信网络中将数据从基站传输到包括用户协作的目的地移动设备的方法，包括在时分双工(TDD)传输系统中，确定到至少一个中继设备的至少部分数据的中继传输将便利数据到所述目的地移动设备的传送；以及经由包括上行链路辅助中继(UAR)或下行链路辅助中继(DAR)的至少一个中继设备，将所述至少部分数据中继到所述目的地移动设备，所述上行链路辅助中继在系统的限定的补充上行链路时隙中执行中继操作，所述下行链路辅助中继在系统的限定的补充下行链路时隙中执行中继操作。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括根据调度算法调度到至少一个中继设备的至少部分数据的中继传输，所述调度算法基 于施加到在系统中协作的一组移动设备的至少一个公平性标准，优化系统中的下行链路吞吐量。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述调度包括根据循环调度算法的调度，所述循环 调度算法在系统中协作的一组移动设备当中实现在延迟方面的绝对公平性。
4. 如权利要求2所述的方法，其中所述调度包括根据最佳调度算法调度到至少一个中 继设备的中继传输，所述最佳调度算法基于至少一个公平性标准优化系统中的吞吐量，所 述至少一个公平性标准包括无公平性限制的标准。
5. 如权利要求2所述的方法，还包括利用用于数据的传输的用户协作通信协议，根据 所述调度和中继优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
6. 如权利要求5所述的方法，其中优化包括利用放大和转发(AF)协议，根据所述中继 和调度优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
7. 如权利要求5所述的方法，其中优化包括利用解码和转发(DF)协议，根据所述中继 和调度优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
8. 如权利要求1所述的方法，还包括对于给定目的地移动设备和至少一个中继设备优化功率分配。
9. 如权利要求l所述的方法，还包括在基站处评估发射机的信道状态信息(CSIT)。
10. —种具有用户协作的无线通信网络中的通信系统，包括 一组中继设备，用于将数据中继到目标用户设备；以及 基站，用于传输数据到该组中继设备和目标用户设备，其中基站和该组中继设备根据下行链路辅助中继(DAR)或根据上行链路辅助中继 (UAR)执行中继，所述下行链路辅助中继在限定的补充下行链路时隙中中继，所述上行链路 辅助中继在限定的补充上行链路时隙中中继。
11. 如权利要求io所述的系统，其中用于中继数据到目标用户设备的该组中继设备根据从放大和转发(AF)协作协议或解码和转发(DF)协作协议中选择的用户协作协议中继。
12. 如权利要求11所述的系统，其中用户协作协议是AF协作协议。
13. 如权利要求11所述的系统，其中用户协作协议是DF协作协议。
14. 如权利要求IO所述的系统，其中基站和该组中继设备根据最大吞吐量调度算法或 根据循环调度算法中继，所述最大吞吐量调度算法实现最大系统吞吐量而不对目标用户设 备施加任何公平性限制，所述循环调度算法在目标用户设备当中实现在延迟方面的绝对公平性。
15. 如权利要求14所述的系统，其中基站根据循环调度算法调度中继传输。
16. 如权利要求14所述的系统，其中基站根据最大吞吐量调度算法调度中继传输。
17. 如权利要求IO所述的系统，其中，对于给定目标设备和该组中继设备，基站分配用 于数据传输的最佳功率。
18. —种用于在无线通信网络中将数据从基站传输到包括用户协作的目的地移动设备 的方法，包括在时分双工(TDD)系统中经由至少一个中继设备将至少部分数据中继到目的地移动 设备，所述时分双工系统包括上行链路辅助中继(UAR)或下行链路辅助中继(DAR)，所述上 行链路辅助中继在系统的限定的补充上行链路时隙中执行中继操作，所述下行链路辅助中 继在系统的限定的补充下行链路时隙中执行中继操作；以及根据所述中继，优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括根据调度算法将中继传输调度到至少一个中继设备，所述调度算法基于施加到在系统 中协作的一组移动设备的同等公平性优化吞吐量，其中所述调度包括利用用于数据传输的 用户协作通信协议来调度。
20. 如权利要求19所述的方法，其中调度包括根据循环调度算法调度，所述循环调度 算法在系统中协作的该组移动设备当中实现在延迟方面的绝对公平性。
21. 如权利要求19所述的方法，其中调度包括根据最佳调度算法调度到至少一个中继 设备的中继传输，所述最佳调度算法基于对该组移动设备的全部的无公平性限制优化系统 中的吞吐量。
22. 如权利要求19所述的方法，其中优化包括利用放大和转发(AF)协议，根据所述中 继和调度优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
23. 如权利要求19所述的方法，其中优化包括利用解码和转发(DF)协议，根据所述中 继和调度优化从基站到目的地移动设备的下行链路吞吐量。
24. 如权利要求16所述的方法，其中优化下行链路吞吐量包括评估发射机的信道状态 信息(CSIT)。
全文摘要
在用户协作的情况下，用户作为彼此的中继，以便提供用于改进性能的额外分集路径。根据下行链路辅助中继(DAR)或根据上行链路辅助中继(UAR)，按照时分双工(TDD)系统对从基站到移动设备的传输执行中继，所述下行链路辅助中继在限定的补充下行链路时隙中执行中继操作，所述上行链路辅助中继在限定的补充上行链路时隙中执行中继操作。可以根据最大吞吐量调度算法或根据循环调度算法调度中继，所述最大吞吐量调度算法实现最大系统吞吐量而不对用户施加任何公平性限制，所述循环调度算法在考虑的用户当中实现在延迟方面的绝对公平性。利用放大和转发(AF)或解码和转发(DF)协作协议，可以优化从基站到移动设备的下行链路吞吐量。
文档编号H04W72/12GK101702965SQ200880007838
公开日2010年5月5日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年3月10日
发明者卡莱德·本莱泰夫, 卢思远 申请人:香港科技大学