专利名称：一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法
技术领域：
本发明属于移动通信、无线通信领域，涉及中继协作系统，具体涉及一种应用于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法。
背景技术：
近年来，随着无线通信的迅猛发展，无线系统所产生的碳排放逐年增高，同时，其运营成本也在大幅攀升。于是，在追求高频谱效率的同时，人们越来越关注无线系统的能量效率。能量效率通常被定义为每消耗单位能量所能传输的比特数，在计算能量效率时， 不仅要考虑为了发送信息比特所消耗的能量，同时也要考虑无线系统的训练信令以及电路所产生的能耗。中继协作系统可以通过在源节点与目的节点间插入中继节点，将一个长距传输化为几个短距传输，节省发射能耗，因而被认为一种能量有效的传输方案。实际无线系统中的中继节点多为半双工节点，需要占用两组正交信道，分别分配给源-中继链路以及中继-目标链路，才能将一组信息从源节点传输给目的节点，因此，在高信噪比下，单向中继系统的频谱效率与直接传输相比大约下降1/2。双向中继系统通过借助网络编码技术，同样占用两组正交信道，却可同时完成两个信息节点间两组信息的双向交互，避免了单向中继系统中 1/2的频谱效率损失，因而，双向中继系统与单向中继系统相比，频谱效率更高。延时受限业务是指系统周期性地产生一组信息比特，并且每组信息比特必须在规定时长内传输完毕。这种业务类型应用较为广泛，例如无线传感网，IP语音业务等都是典型的延时受限业务。延时受限业务只限制每组信息比特的最长传输时间，因此，在满足最长传输时间约束的前提下，延时受限系统允许调整每组信息比特的传输时间。在给定待传输数据量时，系统发射数据所产生的能耗随传输时间的增长而降低，而系统电路所产生的能耗随传输时间的增长而增长，因此通过调整传输时间，延时受限系统可以对发射能耗和电路能耗进行折衷，从而降低无线系统的总能耗。当两个信息节点通过一个放大转发中继进行双向信息交互，且业务类型为延时受限业务时，当前的研究结果表明，若无线系统以最优的传输时间和最优的发射功率进行传输，双向中继的能量效率并不一定总是高于单向中继。当两个方向上待传输数据量相同时， 双向中继的能量效率总是优于单向中继，但是当两个方向上待传输数据量相差较大时，单向中继的能量效率可能优于双向中继。根据目前的研究结果，从最大化无线系统能量效率的角度出发，单向中继和双向中继各自适用于不同的应用场景。目前，亟待一种中继传输方案可以在各种不同的应用场景下均提供较高的能量效率。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种可以在各种不同的应用场景下均具有较高的能量效率的中继传输方案。本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，将每组待传输信息比特被分为两部分，分别使用单向和双向中继传输方式进行传输， 通过优化这两部分的比特分配，使得无线系统的能量效率高于单纯的采用单向中继传输方式或米用双向中继传输方式。本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用于如下场景两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，在每段时间T内，信源节点A传输Bab个比特信息量，信源节点B传输Bba个比特信息量；具体步骤如下步骤I :判断两个信源节点的待传输数据量Bab和Bba的大小关系，将待传输信息数据量较大的信源节点标记为信源I，另一个信源节点标记为信源2,令Bmax = max {Bab, BbJ , Bfflin = min {Bab, BbJ，则信源I的待传输信息的数据量为Bmax个比特，信源2的待传输信息的数据量为Bmin个比特。 步骤2 :将信源I待传输信息分为两部分，第一部分信息为Bmin个比特，第二部分信息为(Bniax-Bniin)个比特。步骤3 :设定待传输信息的传输方式将信源2的全部待传输的Bmin个比特信息设定采用双向中继传输方式；将信源I的第一部分Bmin个比特信息设定采用双向中继传输方式，将第二部分(Bmax-Bmin)个比特信息设定采用单向中继传输方式。步骤4:使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段各自的最优传输时长 ΓΓ,Γ:，以及单、双向中继传输阶段中信源1、2和中继节点的最优发射功率。步骤5 :按照步骤3设定的传输方式以及步骤4确定的最优发射功率，在时长内，使用双向中继传输方式分别在两个方向传输Bmin个比特信息，然后在Τ；:时长内，使用单向中继传输方式将待传输数据量较大的节点，即信源I的剩余的(Bmax-Bmin)个比特信息传输给其目的节点，即信源2。本发明提出的一种混合中继传输方法,其优点和积极效果在于通过比特分配，将双向待传输信息分割为两部分，分别使用双向和单向中继传输方式进行传输，其中双向中继传输的部分，两个方向的传输数据量相等，单向中继传输的部分，只有一个方向上有数据传输。这样同时利用了双向中继在双向数据量相等的场景下能量效率高的优势，以及单向中继在双向数据量不对称的场景下能量效率高的优势，因而可以大大提高无线系统的能量效率。
图I为本发明混合中继传输方法所应用的场景示意图；图2为本发明混合中继传输方法的整体步骤流程图；图3为本发明混合中继传输方式的比特划分及传输方式框图；图4为采用本发明混合中继传输方式与采用单纯的单向或双向中继传输方式的能量效率对比示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明的技术方案做进一步的说明。分析目前中继协作系统的实际应用情况，会发现当两个方向上待传输数据量相同时，双向中继能量效率更高，而当两个方向上待传输数据量相差较大时，单向中继能量效率更高。基于这一分析，本发明提供的混合中继传输方案，通过将待传输比特分配为两部分， 分别通过单向、双向中继传输方式进行传输，高能效地完成两个信息节点间的双向信息交互。如图I所示，两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，本发明针对延时受限业务，即信源处的信息周期性地产生且每组信息必须在一定的时长T内传输完毕。在每段时长T内，信源节点A传输Bab个比特，信源节点B传输Bba个比特，图I中A — B 表示信源A经中继向信源B传输数据，B — A表示信源B经中继向信源A传输数据。数据传输占用的带宽为W。信源节点A、B与中继节点间的信道系数分别为与hfc，各节点接收机噪声方差均为Ntl，各个节点在发射状态、接收状态以及空闲状态中的电路功耗都分别为P' Par以及Fi,各节点最大发射功率均为Pmax，各节点发射机功放效率因子为ε。如图2所示，为本发明提出的基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法的整体步骤流程图，具体对各步骤说明如下。步骤I :判断双向中继传输方式下，每组待传输数据量Bab和Bba的大小，Bfflax = max {Bab, BbJ，Bmin = min {Bab, BbJ ;若 Bab 彡 Bba,则令 Ii1 = har, h2 = hbr,重命名信源 A、B 分别为信源1、2 ;反之,令Ii1 = hbr, h2 = hm,重命名信源B、A分别为信源1、2。用hp h2分别表示信源1、2与中继节点间的信道系数。步骤2:将比特数较多的一组信息，即包含Bmax个比特的信息分为两部分，第一部分和比特数较少的一组信息的比特数相同，即Bmin个比特，第二部分为剩余比特，即 (B--Bmin)个比特。步骤3 :对于待传输信息的数据量较少的信源节点，也就是信源2，设定其全部待传输信息总共Bmin个比特采用双向中继传输方式；对于待传输比特数较多的信源节点，也就是信源1，在步骤2的比特分割后，设定第一部分的Bmin个比特信息采用双向中继传输方式，设定第二部分的(Bmax-Bmin)个比特信息采用单向中继传输方式。如此可以使用双向中继传输方式在两个方向上均传输Bmin个比特,使用单向中继传输方式由信源I向信源2传输剩余的(Bmax-Bmin)个比特，由于双向中继传输方式在双向数据量对称时能量效率较高，单向中继传输方式在双向数据量不对称时能量效率较高，因此，这样的比特分配可以充分利用单向、双向中继传输方式的优点，提高无线系统的整体能量效率。步骤4:使用经典的凸优化方法，确定单向、双向中继传输阶段的最优传输时长以及各个节点的发射功率，以最小化无线系统的总能耗。经典的凸优化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛顿法等。本发明实施例中以二分法为例介绍此步骤的具体实现流程步骤4-1 :计算单向中继、双向中继传输阶段的最短传输时间，并判断所需最短传输时间是否满足最长传输时间约束；在单向中继传输阶段，当源节点和中继节点使用最高发射功率进行传输时，无线系统达到最高数据率，此时所需发射时间为单向中继传输阶段所需的最短传输时间，可由式⑴计算得到
权利要求
1.一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用场景为两个信源节点A和B通过一个放大转发中继节点交互信息，在每段时长T内，信源节点A传输Bab个比特信息，信源节点B传输Bba个比特信息；其特征在于，该混合中继传输方法包括如下步骤:步骤I :比较两个信源节点A和B的待传输信息数据量Bab和Bba的大小，将待传输信息数据量较大的信源节点标记为信源I，另一个信源节点标记为信源2，令Bmax = max {Bab, BbJ， Bfflin = min {Bab, BbJ，则信源I的待传输信息的数据量为Bmax个比特，信源2的待传输信息的数据量为Bmin个比特；步骤2 :将信源I待传输信息分为两部分,第一部分信息为Bniin个比特，第二部分信息为 (Bmax-Bmin)个比特；步骤3 :设定待传输信息的传输方式将信源2的全部待传输的Bmin个比特信息设定采用双向中继传输方式；将信源I的第一部分Bmin个比特信息设定米用双向中继传输方式,将第二部分(Bmax-Bmin)个比特信息设定采用单向中继传输方式；步骤4 :使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段的最优传输时长ΓΓ,Γ:，以及单、双向中继传输阶段中信源1、2和中继节点的最优发射功率；步骤5 :按照步骤3设定的传输方式和步骤4确定的最优发射功率，在时长内使用双向中继传输方式分别在两个方向传输Bmin个比特信息,在时长内使用单向中继传输方式将信源I的(Bmax-Bmin)个比特信息传输给信源2。
2.根据权利要求I所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，步骤4中所述的经典的凸优化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛顿法。
3.根据权利要求I所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，所述的步骤4采用二分法的具体实现方法为步骤4-1 :根据式(I)确定单向中继传输阶段的最短传输时间T__min
4.根据权利要求3所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其特征在于，所述的步骤4-1中采用二分法确定无线系统在双向中继传输阶段所能支持的最高双向数据率，具体过程为步骤4-1-1 :双向中继传输阶段两个方向上的数据率相等，初始设置双向数据率下限为Rlrarer = 0，上限为
5.根据权利要求4所述的一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，其 特征在于，步骤4-1-4中所述的阈值5为10_3bps。
全文摘要
本发明提出一种基于延时受限业务的高能量效率混合中继传输方法，应用在无线中继协作系统中。两个信源节点通过一个放大转发中继节点交互信息，将具有较大待传输信息量的节点的信息按照比特数分为两部分，一部分的信息量等于较小传输信息量的节点的信息量，两个信息源节点采用双向中继传输方式分别传输等量的信息，具有较大待传输信息量的节点的第二部分剩余信息通过单向中继传输方式传输信息，在传输中，使用经典的凸优化方法确定单、双向中继传输阶段的最优传输时长。本发明方法利用了双向中继在双向数据量相等的场景下能量效率高的优势，以及单向中继在双向数据量不对称的场景下能量效率高的优势，因而可以大大提高无线系统的能量效率。
文档编号H04W52/02GK102612125SQ201210073750
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者孙璨, 杨晨阳 申请人:北京航空航天大学