专利名称：中继增强型蜂窝系统及其路由选择与比例公平性调度方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于多用户无线通信系统，尤其涉及一种基于中继增强型蜂窝系 统联合路由选择和比例公平性调度算法，属于无线通信领域。
背景技术：
研究表明，基于中继的无线通信网络结构可以有效地降低路径损耗所造成的功率资 源的浪费，提高频镨利用率，并可利用自组织ad hoc网的多跳连通思想提高网络的抗毁 性能，所以基于中继的网络结构以及协作多路技术得到了广泛研究和关注，并在新一代 移动通信、无线局域网和宽带无线网络等标准的制定时都考虑了如何引入中继协作处理 的问题。通过设计新型的中继增强型蜂窝系统中的多用户调度策略可以有效提高系统性 能。
中继增强型蜂窝系统借助中继辅助通信，改善了小区边缘地区及热点地区的用户通 信质量，扩大了小区覆盖面积，同时增加了系统频镨资源利用率，提升了蜂窝通信系统 整体性能。然而，由于中继节点的增加，传统的小区多用户调度和资源分配算法不再适 用，新型算法的设计成为中继增强型蜂窝系统研究的关键问题。
在无线通信系统中的系统资源的利用率是衡量系统性能的一个重要指标，与传统蜂 窝系统不同，中继增强型蜂窝系统引入了中继节点后，需要合理的分配第一子时隙和第 二子时隙的系统资源，对于系统中的各个用户而言，这两个子时隙的资源分配是相互影 响的，因此很难找到最优的算法，为了寻找次优的算法，常见的中继增强蜂窝系统的调 度算法将两个子时隙独立考虑，即人为假设两个子时隙的调度策略互不影响，从而该系 统的多用户调度算法即可看成是传统蜂窝系统下两个时隙叠加的多用户调度，从而可以 应用已有的传统蜂窝系统中的多用户调度算法推广到中继增强型蜂窝系统，然后，由于 人为忽略了两个子时隙调度策略的相互影响，以及是不同时刻不同用户的路由策略，使 得系统中无线资源被浪费，系统资源利用率较低。
综上所述，现有技术对提高系统资源利用率、频镨利用率仍然存在一定的缺陷，为 最大化系统和速率，最优化系统无线资源利用率，如何在中继增强型蜂窝系统中设计一 种高效的多用户调度算法具有重要意义。
发明内容
技术问题针对现有技术的缺点，本发明提供了一种能显著提高系统频谱利用率， 并保持多用户调度公平性的基于中继增强型蜂窝系统下的联合路由选择和比例公平性多用户调度设计方法。
技术方案本发明中继增强型蜂窝系统，包括附个单天线收发机和；？个单天线双 向中继，W个单天线收发机中的一个单天线收发机设置为基站，单天线收发机通过单天 线双向中继与用户两跳通信或者与用户直接一跳通信，其中附和p都为自然数，其特征 在于充当基站的收发机还包括无线资源控制器，无线资源控制器的输出端接充当基站的 收发机的调制器的输入端。
所述的中继增强型蜂窝系统的路由选择和比例公平性调度方法，其特征在于具体步 骤如下
步骤l:初始化中继增强型蜂窝系统
初始化所有中继/的第二跳链路总容量及(!',2) = 0 ,子时隙1中的子载波集合
TV, = {1,2,...,iV}，更新对所有用户A:前T-1个时刻的平均传输速率,, 一跳路由选
择t/!:(D、两跳路由选择^/2 =<D，其中/eZ-(l,2,…，M) ， A:e(1，2,…，《)，①表示空集，
M, iV, K均为自然数；
步骤2:确定子时隙2上用户的路由选择与资源调度
(1)确定
^W(i，"，2) ^m(〖,",2) &M(1,",2) rFM(《,w,2)
，中的最大值的用户F,
Kl) , , K《),, ， K《)_ 其中下标5M表示基站到用户的一跳链路，下标FM表示中继辅助两跳链路中中继到用
户的第二跳链路，"A:,",2)表示子时隙2中用户A:在子载波w上的信道容量；
a)当步骤(1 )所述的用户A:'产生自j^(^"，"
U" J
>,VA:e{l，2，".，《},则该用户在子时 隙2的子载波上为一跳通信，即^ <~^+{《2}，其中<~表示赋值，下同；
b)当步骤(1)所述的用户A:'产生自
K" J
隙2的子载波上为两跳通信，即C/2 <~ [/2 + {《2};
,VA:e(1,2,…，《)，则该用户在子时
(2)将子时隙2的子载波n分配给步骤(1)所述的用户,同时根据步骤(1)中得到 的路由选择累计用户传输速率
c )当步骤(1 )所述的用户F为 一跳用户，累计该用户的传输速率为
d )当步骤(1 )所述的用户F为两跳用户，累计该用户的传输速率为 "F)<~"F) + "F，"，2》同时累计用户所属中继r第二跳的容量i (r,2) —i (r,2) + "F,",2);
步骤3:利用两跳平衡的原则，分配给两跳用户第一跳所需的基本资源，同时根据剩余资源上各用户的通信性能确定第一子时隙的资源调度(3)对于所有子时隙1的子载波进行如下循环调度
e) 对于所有中继，寻找当前子载波下具有最大信噪比SAW的中继/*;
f) 将子时隙i的子载波"'分配给步骤e所述的中继r,累计中继r一跳容量及(/*，1)<~1)+c(r,"',1),其中c(r,"',i)表示第一时隙中，步骤e所述的中继r在子时隙i的子载波"'上的信道容量；当i (r,2)^及(r,1)，则更新需分配资源中继节点集合
为Z仨Z —否则，返回步骤e;
g) 更新子时隙1可用子载波集合为A^仨A^
(4 )对于剩下的子载波""e M ，进行如下循环调度
h) 对于所有子时隙1下用户，确定当前子载波下具有最大"w(7) 1)值的用户/,
该用户在子时隙i的子载波的路由为一跳通信，即M ;
j)将子时隙l的子载波分配给用户/,累计用户传输速率"/)<~"/)+"/,"",1);步骤4:步骤2、 3完成了r时刻的联合路由选择和比例公平性调度策略，为了获得系
统的性能评测，需要计算r时刻的中继增强型蜂窝系统的和容量(^°" = ^>(0,其中为用户fc在r时刻的信道容量，更新系统中各用户在前r个时刻的平均传输速率
A(0 +丄^^,当用户A:被调度时
A(A:), 当用户A:不被调度时
有益效果本发明提出了一种基于中继增强型蜂窝系统下的多用户调度算法。整个传输过程在两个时隙内完成。首先，系统根据各用户在第二子时隙中不同子栽波上一跳链路和中继辅助两跳链路的性能比较，确定各用户的路由选择策略同时完成第二子时隙下的无线资源调度。其次，利用两跳链路两跳平衡思想，及已确定的各用户的路由选择策略，分配给两跳用户第一跳链路的必需资源，同时根据一跳用户在剩余子载波上的信道性能确定第一子时隙的资源调度策略。随着用户数目增加，系统频镨利用率性能也不用户数目的增加，不同用户间的信道差异增大，多用户分集增益也随之增大，从而提升了系统频谱利用率。同时，当用户数目较少时，联合调度算法性能优于两种贪婪调度，但随着用户数目的增加，贪婪调度的性能超越了联合调度。这是因为，用户数较少时，多用户分集增益不明显，而每个用户占有的子载波数目相对较多，不同子载波的多用户路由选择增益较明显，但随着用户数增多，多用户增益的增加较明显，而每个用户占用的子载波数目减少，路由选择增益减少。由于该调度算法利用灵活路由选择策略的同时也考虑了比例公平性调度，该算法可以保证系统中各用户调度公平性。综上可得出结论，路由选择与比例公平性联合调度，利用多用户分集增益和多子载波多用户路由选择增益提升了系统整体频谱利用率，同时以牺牲少量系统"和容量"换取了各用户的调度公平性。与常见的中继增强型蜂窝系统中多用户调度算法相比，该联合调度是较优的。
图1是本发明的中继增强型蜂窝系统图
图2是本发明的通信系统组成结构示意图。
图3是本发明的多用户调度算法的流程图。
图4是在不同中继增强系统下多用户调度算法下，
变化的仿真曲线。
图5是在不同中继增强系统下多用户调度算法下，
的仿真曲线。
系统频-潜利用率随用户数变化而系统中各用户的调度公平性比较
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明
如图1 、图2所示，本发明通信系统结构包括多个单天线收发机(既是发射机也是接收机，其中一个做为基站，其余的做为用户)和多个单天线中继，每个收发机都由一个OFDM调制器、 一个OFDM解调器组成，而充当基站的收发机还包括一个无线资源控制器；中继由一个OFDM调制器、 一个OFDM解调器和一条反馈链路组成，该中继为半双工放大转发中继。该多用户通信系统采用OFDMA的方式作为多址接入方式，该系统的全频带被划分为W (W为自然数)个子载波，在不同的时隙中，系统根据联合路
由选择和比例公平性调度准则将W个子载波被分为两个子集(子信道)，子栽波1,..,&,被
分配给两跳用户，子载波^,，…,W被分配给一跳用户(其中下标中的,表示时隙号，当 1
是表示子时隙l， ？ = 2表示子时隙2)。
如图3所示，本发明所述的联合路由选择与比例公平性调度算法， 一个完整的通信过程在两个时隙内完成，首先确定第二时隙的多用户路由选择和资源调度策略，在第二时隙，根据不同用户在不同子载波上的通信质量及其一跳链路和中继辅助的两跳链路的性能，确定各用户的路由选择和该时隙下的资源调度策略；之后，根据已确定的各用户路由选择策略，在第一时隙，根据两跳通信平衡策略分配给两跳用户第一跳所必须的资源，同时在剩余的资源中，才艮据一跳用户相应的通信质量确定调度策略。该方法的具体步骤如下
步骤1:初始化中继增强型蜂窝系统
初始化所有中继/的第二跳链路总容量及(/,2) = 0 ,子时隙1中的子载波集合
JV, ={l,2,.',iV},更新对所有用户A;前r-l个时刻的平均传输速率i w(/r)， 一跳路由选
择C/!二0)、两跳路由选择[/2=0,其中/￡丄={1,2,-.、^} ， yte{l,2,".,i:} , (D表示空集，
M, iV，《均为自然数；
步骤2:确定子时隙2上用户的路由选择与资源调度
(1)确定
r服G,"，2) r舰(《,",2) ^v/G,",2) ^(〖,",2)
中的最大^f直的用户F,
及r—1(1) d(《) 1(1) 及r—i1
其中下标5M表示基站到用户的一跳链路，下标FAf表示中继辅助两跳链路中中继到用
户的第二跳链路，"A:,w,2)表示子时隙2中用户A在子载波w上的信道容量；
a)当步骤(1)所述的用户F产生自
,VA:e(1，2,则该用户在子时
隙2的子载波上为一跳通信，即M ,其中<~表示赋值，下同；
^k/(、"，2)
b)当步骤(l)所述的用户F产生自
隙2的子载波上为两跳通信，即C/2 ;
,VA:e{l,2,..',/:},则该用户在子时
(2 )将子时隙2的子载波"分配给步骤(1 )所述的用户F ,同时根据步骤(1 )中得到的路由选择累计用户传输速率
c )当步骤(1 )所述的用户F为 一 跳用户，累计该用户的传输速率为
d)当步骤(l)所述的用户f为两跳用户，累计该用户的传输速率为"F) — ) + "/T, w,2)，同时累计用户所属中继/*第二跳的容量
步骤3:利用两跳平衡的原则，分配给两跳用户第一跳所需的基本资源，同时根据剩余资源上各用户的通信性能确定第一子时隙的资源调度(3)对于所有子时隙1的子载波进行如下循环调度
e)对于所有中继/，寻找当前子载波下具有最大SA^ (信噪比)的中继厂；f) 将子时隙i的子载波"'分配给步骤e所述的中继r,累计中继r一跳容量i (r,i)<~i (r,i)+c(r,"',i),其中c(r，"'，i)表示第一时隙中，步骤e所述的中继r在子
时隙1的子栽波"'上的信道容量；当i (/ 2)2及(广,1),则更新需分配资源中继节点集合为Z — Z-p1,否则，返回步骤e;
g) 更新子时隙1可用子载波集合为A^仨M-^3;(4)对于剩下的子载波""eiVt,进行如下循环调度
h) 对于所有子时隙1下用户，确定当前子栽波下具有最大"皿(,"")值的用户/,
力.)
该用户在子时隙1的子载波的路由为一跳通信，即C/,仨R ;
j)将子时隙1的子载波分配给用户/,累计用户传输速率"/)<~"/) + "/,"",1);步骤4:步骤2、 3完成了 r时刻的联合路由选择和比例公平性调度策略，为了获得系
统的性能评测，需要计算r时刻的中继增强型蜂窝系统的和容量cr"=^>(q,其中
r 为用户A:在r时刻的信道容量，更新系统中各用户在前T个时刻的平均传输速率
_ ^^^5 +丄r("，当用户A:被调度时
特)=f _ r °
^#), 当用户fc不被调度时
图4~图5给出了中继增强型蜂窝系统中不同多用户调度方案下，系统频谱利用率和用户公平性的仿真曲线。由仿真可见，在所有的实施例中本发明的综合性能都明显优于现有的扩展轮询调度、扩展贪婪调度、两跳平衡调度和贪婪比例公平性调度方案。本发明方案利用多用户分集增益和多子载波多用户路由选择增益提升了系统整体频镨利用率，同时以牺牲少量系统"和容量"换取了各用户的调度公平性。与常见的中继增强型蜂窝系统中多用户调度算法相比，该联合调度是较优的。
权利要求
1、一种中继增强型蜂窝系统，包括m个单天线收发机和p个单天线双向中继，m个单天线收发机中的一个单天线收发机设置为基站，单天线收发机通过单天线双向中继与用户两跳通信或者与用户直接一跳通信，其中m和p都为自然数，其特征在于充当基站的收发机还包括无线资源控制器，无线资源控制器的输出端接充当基站的收发机的调制器的输入端。
2、 根据权利要求1所述的中继增强型无线通信系统，其特征在于所述单天线双向中 继为半双工放大转发中继。
3、 一种基于权利要求1所述的中继增强型蜂窝系统的路由选择与比例公平性调度方 法，其特征在于具体步骤如下步骤l:初始化中继增强型蜂窝系统初始化所有中继z'的第二跳链路总容量^^,2) = 0 ,子时隙1中的子载波集合M ={1,2,".,7V},更新对所有用户A:前r-l个时刻的平均传输速率^7(巧， 一跳路由选择R-(D、两跳路由选择^/2 =(D，其中/ei^(l,2,…，M！ , A:e(1，2,…，《)，①表示空集，M, W,〖均为自然数；步骤2:确定子时隙2上用户的路由选择与资源调度<formula>formula see original document page 2</formula> (1)确定<formula>formula see original document page 2</formula>中的最大^f直的用户F ,其中下标万M表示基站到用户的 一跳链路，下标FM表示中继辅助两跳链路中中继到用 户的第二跳链路，"A:,",2)表示子时隙2中用户A:在子载波w上的信道容量；a)当步骤(1)所述的用户F产生自,VA:e {1,2,则该用户在子时隙2的子载波上为一跳通信，即^ <~"+{《2},其中—表示赋值，下同；b)当步骤(1)所述的用户it'产生自隙2的子载波上为两跳通信，即f/2 <~t/2 +{^;2};,Vfce(l,2,…，K！，则该用户在子时(2 )将子时隙2的子载波w分配给步骤(1)所述的用户,同时根据步骤(1)中得到 的路由选择累计用户传输速率c )当步骤(1 )所述的用户F为 一跳用户，累计该用户的传输速率为d )当步骤(1 )所述的用户F为两跳用户，累计该用户的传输速率为 "F) 4~ "F) + "yt*,"，2)，同时累计用户所属中继第二跳的容量步骤3:利用两跳平衡的原则，分配给两跳用户第一跳所需的基本资源，同时根据剩 余资源上各用户的通信性能确定第一子时隙的资源调度 (3)对于所有子时隙1的子载波进行如下循环调度e) 对于所有中继/,寻找当前子载波下具有最大信噪比SV及的中继;f) 将子时隙i的子载波"'分配给步骤e所述的中继r,累计中继r一跳容量 i^r,i)<~i (/*,i)+c(r,"'，i),其中c(r,"',i)表示第一时隙中，步骤e所述的中继r在子时隙1的子载波w'上的信道容量；当及(广,2)S及(厂,1)，则更新需分配资源中继节点集合 为丄<~丄-{/*},否则，返回步骤e;g) 更新子时隙1可用子载波集合为M <~ M - ; (4)对于剩下的子载波w" e M ，进行如下循环调度h) 对于所有子时隙1下用户，确定当前子载波下具有最大(力""、'1)值的用户/,该用户在子时隙i的子载波的路由为一跳通信，即M };j)将子时隙1的子载波分配给用户/,累计用户传输速率"/) —+ 步骤4:步骤2、 3完成了 r时刻的联合路由选择和比例公平性调度策略，为了获得系统的性能评测，需要计算r时刻的中继增强型蜂窝系统的和容量C，(a' = 2>(A:),其中为用户A:在r时刻的信道容量，更新系统中各用户在前r个时刻的平均传输速率i r(fc)， V矢e(l,2，…乂r—i^(0 +上f(A:),当用户A被调度时当用户A:不被调度时
全文摘要
本发明公布了一种中继增强型蜂窝系统及其路由选择与比例公平性调度方法，本发明系统包括m个单天线收发机和p个单天线双向中继，m个单天线收发机中的一个单天线收发机设置为基站，充当基站的收发机还包括无线资源控制器。本发明方法首先确定各用户在第二时隙中最有效的路由和调度，其次，根据各用户确定的路由制定各用户在第一时隙中最高效的调度，从而最终达到整个两跳系统的整体最优化。本发明综合考虑了自由地路由选择和高效的调度算法对系统资源利用的优化，可以有效地避免传统中继增强型蜂窝系统多用户调度算法由于固定的路由策略而对系统资源的浪费，与现有的中继通信系统相比实现了更高的系统资源利用率。
文档编号H04W40/02GK101635973SQ20091003422
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者吴敏恬, 昊 徐, 汀 李, 杨绿溪, 陈瑾平 申请人:东南大学