专利名称：基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法
技术领域：
本发明属于移动无线网络技术领域，具体涉及一种基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法。
背景技术：
随着无线多媒体通信的发展，特别是实时视频通信等高速业务的发展，对系统的速率和可靠性提出越来越高的要求。这就意味着需要有更新的技术来支持如此高的速率和可靠性的要求。然而，传统的蜂窝网络可能无法满足以上的需求。因此，正交频分多址接入 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)技术和中继技术被引入无线
ififn。
频率选择性衰落是无线通信中的一个主要问题。在多载波多接入系统中，对于某个移动终端(Mobile Station, MS)是深衰落的子载波，对于另外一个MS可能衰落非常小。 OFDMA就是多载波多接入技术的一种。在OFDMA技术中，每个MS可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输，由于MS间信道衰落的独立性，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的MS使用，获得了频率上的多用户分集增益，这样就能够更好地满足MS的服务质量(Quality of Service, QoS)。
中继作为第四代移动通信(Fourth Generation，4G)的一个核心技术，具有其特殊的优势。在蜂窝系统中引入中继，可以提高传输速率和可靠性，增大小区的覆盖面积，并且能够改善边缘用户的服务质量。中继技术可以分为带内中继和带外中继。前者又可称为协作中继，其可以在不增加天线的前提下实现空间分集，但是由于其半双工特性，会损失频谱效率。带外中继又可以称为异构中继，是利用蜂窝网络频带外的频率资源进行中继。因此， 系统吞吐和中断概率等性能可以得到极大的提高。
把异构中继技术集成到蜂窝OFDMA网络中，将是一个极具前景的技术。然而，至今为止还没有这方面的工作。此外，由于引入异构中继后，传统的无线资源管理方法将不再适用，因此如何在保证一定的公平性的前提下，通过对系统资源进行分配，从而提高系统吞吐量是进一步需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术上的不足，提出了一种基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法。该上行无线资源管理方法所应用的系统架构是基于OFDMA网络和 OFDMA网络频带外(简称带外)的Ad Hoc网络。
本发明中的异构中继无线网络系统架构是基于OFDMA网络和带外的Ad Hoc网络， 在该网络系统架构中，MS都是双模的，它们都有OFDMA和Ad Hoc网络的无线接口。需要传输业务的MS可以选择空闲的MS作为其中继节点协助其进行通信。这样，需要传输业务的MS 与基站(Base Station，BS)之间就有了 2条上行链路需要传输业务的MS与BS通过OFDMA 网络直接通信，这是直连链路；需要传输业务的MS在其中继节点的协助下与BS通信，这是中继链路，MS与其中继节点之间的第一跳通信是通过带外的Ad Hoc网络，中继节点与BS之间的第二跳通信是通过OFDMA网络。
在本发明中的异构中继无线网络系统架构中，有一个BS和I个MS，MS的集合表示为 Μ = { |1，2,···，Μ}
，其中需要传输业务的MS有厂个，表示为:F = I/丨U,…夕},空闲的MS有万个，表示为
E = {e|i + l,i + 2，--、ilf}。OFDMA网络的总带宽为仄网络中的子载波个数为t表示为
K = {k\\X-,K)。Ad Hoc网络的总带宽为iT。
针对上述异构中继无线网络系统架构，本发明提出了一种低复杂度的上行无线资源管理方法，包括以下步骤
步骤(1)当移动终端f需要传输业务时，首先需要选择空闲移动终端e作为中继节点， 具体方法如下
(a)移动终端/发送“中继请求”消息，这里所述的“中继请求”消息包含其到BS的距离，用表示。
(b)空闲的移动终端收到“中继请求”消息后，根据自己到基站的距离毛.盗，延迟一段时间再发送中继回复消息；距离毛^被分成L个间隔，每个间隔对应上述的延迟时间段。到基站距离越近的移动终端，延迟时间越短，这样就能够选择到离基站最近的空闲移动终端作为中继节点。
(C)发送“中继请求”消息的移动终端/收到空闲移动终端e的第一个“中继回复” 后，就广播一个“中继选定”信息，通知空闲移动终端e，移动终端/已经选定它作为中继节点了，并通知其它空闲移动终端不用再等待了，移动终端/已经完成了中继选择。用今-表示中继选择指示，当Sp =1时，表示移动终端/选择了空闲移动终端e作为其中继节点；当
=0时，表示移动终端/没有选择空闲移动终端e作为其中继节点。
步骤(2)确定中继链路第一跳的速率及功率，具体方法如下
(d)针对一组MS (—个移动终端/及其对应的中继节点e)的第一跳(这里的第一跳是指从需要传输业务的移动终端/通过Ad Hoc网络，到其对应中继节点e的链路)，用
权利要求
1.基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤(1)当移动终端/需要传输业务时，首先需要选择空闲移动终端e作为中继节点， 具体方法如下(a)移动终端f发送中继请求消息，所述的中继请求消息包含移动终端f到基站的距离，用表示；(b)空闲的移动终端收到中继请求消息后，根据自己到基站的距离,延迟一段时间再发送中继回复消息；距离毛.s被分成L个间隔，每个间隔对应上述的延迟时间段；(c)发送中继请求消息的移动终端/收到空闲移动终端e的第一个中继回复消息后， 就广播一个中继选定消息，通知空闲移动终端e，移动终端/已经选定它作为中继节点了，并通知其它空闲移动终端不用再等待了，移动终端/已经完成了中继选择；用表示中继选择指示，当今- =1时，表示移动终端/选择了空闲移动终端^作为其中继节点；当S；- =0时，表示移动终端/没有选择空闲移动终端e作为其中继节点； 步骤( 确定中继链路第一跳的速率及功率，具体方法如下r μ(d)针对一组移动终端的第一跳，用々=g,.Σ s/>· I f pfw表示其它移动终端组的干扰；其中，广表示除移动终端/以外，其它需要传输业务的移动终端，^表示广对应的中继节点，W.,f f表示除移动终端/以外，其它需要传输业务的移动终端广到/的中继节点e的信道功率增益，^fy表示移动终端f，在Ad Hoc网络对其中继节点e，的发射功率； 假设没有其它移动终端组的干扰，即々=0，且假设移动终端f的中继链路第一跳的速M、率、，等于目标速率上限 ，通过香农速率公式只塞一 B,los fl.^Sf-Pf''lHfJ\ ,求出RfflBT1 gjC ^FS^o}移动终端/向其中继节点e的发射功率值，其中If是/到e的信道功率增益，Nfi 是高斯白噪声的功率谱密度；若小于或等于移动终端/在Ad Hoc网络可用功率的最大值,则 -不变，且秒 1就等于；若大于移动终端/在Ad Hoc网络可用功率的最大值,则令^If等于产，并带入香农速率公式炉-β^Λ^ ‘ ·'')，求出；-^yB1 Μ总 + 0(e)依次对其它的移动终端组也进行与步骤(d)同样的操作，从而得出了所有需要传输业务的移动终端f向其中继节点e的发射功率值V/ € F ；(f)对所有的移动终端组，去掉步骤(d冲/_f= 0的假设,将前面得出Wg-V/eF ,代入公式,
就求得了干扰值；依旧认为其速率押i等于 ， 然后通过香农速率公式
,求出功率A ； 若小于或等于移动终端/在Ad Hoc网络可用功率的最大值if""'，则Pfrf不变，且好 1就等于ΛΓ ；若大于移动终端在Ad Hoc网络可用功率的最大值/fi,则令為 等于_，并带入香农速率公式中
求出^ ； (g)重复步骤(f)，直到求得的所有的功率值 ρ乂/eF都不再变化，或者变化量小于u其中Δ是一个很小的值，表示在前后两次迭代中的变化量；通过这些确定的 ，带入香农速率公式
,最终确定所有移动终端组 中继链路第一跳的速率；步骤( 基站给各移动终端分配子载波，具体方法如下(h)针对f个子载波中的某一个子载波t假设子载波左分配给了需要传输业务的移动终端/的直连链路，通过公式
的增量Ai^f ;其中，Rf拟是移动终端f的直连链路的当前速率，R Ts是移动终端获得当前子载波A后直连链路速率，气M是子载波分配指示，当气W =1时，表示子载波A分配给了移动终端当，Jt =0时，表示子载波A没有分配给移动终端八是移动终端/在子载波左上的发射功率，Ili^ I2是移动终端/到BS在子载波A上的信道功率增益；r为容量差距，可表示为r =-M5 均/I.6 ,其中BER是比特差错概率；(i)同时，假设子载波A分配给了移动终端e；这里的移动终端e是需要传输业务的移动终端/的对应中继节点；通过公式
增量Δ尾；其中是移动终端e到85的当前速率，也就是中继链路第二跳的速率，R，2 是移动终端e获得当前子载波A后的速率，巧Jt是移动终端e在子载波A上的发射功率，I H^m f是移动终端e到BS在子载波A上的信道功率增益；(j)遍历所有需要传输业务且没有达到速率上限ΛΓ1的移动终端/及其对应的中继节点，找到使得速率增量最大的移动终端，即
或
,把当前子载波分配给这个移动终端，即有=1或者=1 ；完成这次子载波A的分配后，再次计算移动终端/的总速率& ；如果
，则这个移动终端/可以参与后续子载波的分配；如果，则这个移动终端^不再参与后续子载波的分配；其中，
表示移动终端/的总速率等于直连链路速,Rfa与中继链路速率之和，而中继链路速率又等于中继链路第一跳速率Jif1和中继链路第二跳速率
中，最小的那个值
(k) 一直循环执行步骤(h)、步骤(i)和步骤(j)，直到所有移动终端都达到目标速率上限ΛΓ1，或者子载波分配完了，结束子载波分配；步骤(4)基于注水原理给各子载波分配功率，具体方法如下 定义移动终端《在子载波A上的信道增益噪声比为
从而移动终端 的最 优功率分配可以表示为
其中，
且水平面j的选择要保证
,其中
表示移动终端《在OFDMA网络中可用功率的最大值。
全文摘要
本发明涉及一种基于异构中继无线网络系统架构的上行无线资源管理方法。本发明首先选择空闲移动终端e作为中继节点；其次确定中继链路第一跳的速率及功率；然后BS给各MS分配子载波；最后基于注水原理给各子载波分配功率。本发明方法能够公平、高效的利用系统资源，提高系统的吞吐量和中断概率等性能。
文档编号H04L27/26GK102186213SQ201110115470
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者韩霄, 陈惠芳, 谢磊, 王匡 申请人:浙江大学