全双工缓存中继系统多用户调度方法及系统与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及全双工缓存中继系统多用户调度方法及系统。

背景技术：

目前，随着无线通信技术的发展，传统的无线通信模式的弊端越来越突出。随着下一代5g移动通信标准的日渐明朗，对下一代无线通信系统的频谱效率提出了新的要求。传统的通信系统均工作在半双工模式，最典型的就是时分双工系统(timedivisionduplex,tdd)和频分双工系统(frequencydivisionduplex,fdd),由于信号的接收与发送必须在相互正交的时隙或者频段，降低了系统的频谱使用率。目前，随着无线通信系统的接入设备的呈现指数上涨的趋势，无线通信系统的频谱使用率成了限制系统性能的主要的因素之一。如何在有限的频带内最大化系统的频谱使用效率成为了无线通信系统领域亟待解决的问题，研究学者从物理层，网络层等多方面提出了各种各样的解决方案，其中，基于物理层的同时同频传输全双工(fullduplex)技术对于频谱效率的提升尤为显著。

全双工(fullduplex)技术是一种可以使移动终端，基站，无线接入点等通信设备的上行与下行链路工作在同一个频段和同一个时段的技术。与半双工技术相比，全双工技术能够从物理层带来两倍于半双工系统的频谱效率。因此，作为下一代无线通信系统提升频谱效率的关键技术之一，全双工技术受到了广大研究学者的关注。将全双工模式应用到无线通信领域的各个方面也正在如火如荼的展开，其中一个方向就是中继辅助通信下的全双工多用户系统。与半双工中继系统不同，全双工中继系统能够在接收用户信息的同时向其他用户转发信息，而不用等到下一个时隙。在多用户环境下，当接入的用户数量大于中继站点所能支持的数量的时候，中继节点必须设计相应的多用户调度机制从而在不同的时隙来服务不同的用户对，从而满足大量用户的请求。传统的多用户调度机制均只考虑了信道的状态信息，即不同的用户对与中继节点之间的信道系数。然而，基于信道的状态信息的多用户调度机制存在一个很大的弊端，它没有考虑中继节点的缓存能力，当中继节点接收到了源节点的数据之后必须立即向目的节点转发。然而，当中继节点到目的节点的无线信道不足以支持所传输的数据速率的时候，就会造成数据包的丢失。随着科技的发展，各类存储器的成本越来越低，现代无线通信系统中基本上都配置了大容量的缓存器来存储数据。因此，我们在考虑多用户调度机制的时候，应该把中继节点的缓存能力也考虑在内，从新的维度提升系统的性能，提升用户的服务质量。

经检索，申请号：201510395779.6，名称为“基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统及方法”，包括多个需要发送信息的用户以及多个需要接收信息的用户，两者之间通过单个具有缓存功能的全双工中继来实现信息传递，从而使全双工中继高效协助多用户之间的通信，提高系统吞吐量；多对相互通信的用户工作于半双工模式下，通过将发送信息发送到全双工中继处被接收并按照一定的算法缓存下来，中继根据信道测量的结果，按照给定的调度算法转发缓存里的信息，并为下一时隙接收和转发信息初始化状态信息，每个时隙重复上述步骤，从而保证基于全双工中继缓存的多用户通信调度系统高效运行，实现吞吐量的最大化。

上述专利申请文献和现有工作机制的缺点是：

1)在获取到信道状态信息之后，只考虑信道状态信息，即，信道幅值的大小排序，而没有考虑在该信道条件下，每个时隙具体能够传输多少比特的信息。因此无法判定中继节点是否能够存储下所有的接收到的信息并且不发生溢出。

2)在进行用户选择时，只判断了中继节点的缓存是否为空，或者是否为满，而没有考虑具体的剩余缓存空间的大小。因此，无法判断在下一个时隙内，该buffer还能够存多少数据比特量。

3)由于没有具体的一个时隙内能够传输的比特数量，和中继节点与不同用户对应的buffer在每个时隙剩余的缓存空间，从而无法将用户能够传输的比特数与中继节点能够存储的信息比特数进行比较。因此会出现以下情况，即使选择了某一个用户，但是由于该用户一个时隙内能够传输的比特量大于中继节点空余的缓存空间的情况。造成信息的溢出。

4)由于用户不知道对应的中继节点的空余缓存大小，无法确定传输的比特数量，因此除了中继节点处信息易溢出外，用户的信息容易发生丢失，降低了用户的服务质量。

当一个中继系统中存在多个用户对的时候，中继节点无法同时支撑多个用户的数据传输，而必须从多个用户中选出一对用户让他们相互通信。由于中继节点配备了多个缓存，可以存储用户的数据，由于每对用户的选择必须基于用户和中继节点之间的信道强度和与用户对对应的缓存空间的大小，又由于信道强度是随机值，所以如何在信道强度和存储空间都是随机的情况下进行选择用户对的问题亟待解决。基于以上问题，本发明提出了一种基于链路传输比特数和中继缓存空间大小的多用户调度方案，该方案在提供最大化的系统吞吐速率的同时，还能够保证中继缓存不会溢出，并且保证了系统的服务质量。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全双工缓存中继系统多用户调度方法及系统。

根据本发明提供的全双工缓存中继系统多用户调度方法，包括如下步骤：

中继系统建立步骤：设置多个已经配对好的源节点、目的节点用户对，以及一个工作在全双工模式的中继站点；

中继系统工作模式选择步骤：使得中继系统工作在译码转发的模式下，即中继节点在接收到了源节点发送的数据之后，首先将比特信息从信号中提取出来，然后将比特信息存储到对应的缓存空间中，等到相应对用户中的目的节点被选中时，再将信息从缓存中提取出来向目的节点转发；

源节点和目的节点选择步骤：选择发送的源节点和目的节点，即选择发送的用户对；

调度步骤：中继节点向所有的用户发送控制指令，其中，选择发送的源节点处于发送状态，其余的源节点都处于静默状态，选择的目的节点处于接收状态，其余的目的节点均不接收任何信号；由所述中继节点将选择发送的源节点所发送的信息存储到对应的缓存中，并且从对应的缓存中提取数据发送给选择的目的节点，完成一个时隙内的用户调度。

优选地，所述中继系统建立步骤中的中继系统中只有中继节点工作于全双工模式，源节点工作在发送模式，目的节点工作在接收模式；由于中继节点配备有缓存，且能够同时收发信息，因此，中继节点能够独立的选择发送节点和目的节点。

优选地，所述源节点和目的节点选择步骤中包括预处理步骤，具体地：计算源节点传输信息比特数，并将中继节点传输的比特量与中继缓存剩余空间大小进行比较；假设整个中继系统中有n个源节点向中继节点发送请求，中继节点接收到请求之后，在整个缓存空间划分出n个独立的缓存子空间；然后向这n对用户发送导频信号；用户接收到导频信号之后，进行信道估计，并将估计得到的信道系数反馈给中继节点；此外，中继节点还需要对系统中的噪声功率也进行估计。

优选地，所述源节点和目的节点选择步骤中假设第i个源节点到中继节点的信道系数表示为hi,r，其中i＝1,2,3…n；中继节点到第j个目的节点的信道系数表示为hr,j，其中j＝1,2,3…n；中继系统中的噪声功率表示为：中继节点根据香农公式：c＝log2(1+snr)，其中p为发射功率，假设源节点的发射功率为ps，中继节点的发射功率为pr；则得到第i个源节点发送给中继节点的比特数量ci,r和中继节点能够向第j个目的节点转发的比特数量cr,j，其中，假设一个时隙为单位长度。

优选地，所述源节点和目的节点选择步骤中假设中继系统的初始阶段，每对用户均已进行编号p1(s1,d1)，p2(s2,d2)…，pi(si,di),…pn(sn,dn),其中pi表示的是第i个用户对的序号，i＝1,2,3…n；si表示的是第i个源节点，i＝1,2,3…n；di表示的是第i个目的节点，i＝1,2,3…n；中继节点依次将n个缓存子空间编号记为：b1，b2…，bi，…bn,并将bi分配给pi，i＝1,2,3…n；分配完成之后，中继节点依次接收一部分用户的信息，并存储到对应的缓存中，保证缓存在初始阶段不为空，完成系统的初始化。中继节点的缓存状态信息如下：采用q1,q2…qn分别表示缓存b1,b2…bn的状态，即已存储的信息比特的数量；假设缓存b1,b2…bn对应的大小为g1,g2…gn，则每个对应缓存剩余空间的大小为e1,e2…en，对应的计算公式为：e1＝g1-q1，e2＝g2-q2…en＝gn-qn。

优选地，所述源节点和目的节点选择步骤中源节点选择步骤如下：

步骤a1：中继节点首先将源节点可发送信息量和中继缓存可接收信息量进行配对，记为(ci,r，ei)，ci,r表示第i个源节点发送给中继节点的比特数量，ei表示第i个对应缓存剩余空间的大小；

步骤a2：利用取小函数min{.}得到(ci,r，ei)中的最小值，记为mi＝min{ci,r，ei}；mi表示第i个源节点可发送信息量和中继缓存可接收信息量中的最小值；

步骤a3：通过中继节点将得到的所有mi值进行排序，最大的mi对应的源节点si即为所要选择的源节点；完成源节点的调度。

优选地，所述源节点和目的节点选择步骤中送节点选择步骤如下：

步骤b1：中继节点首先将中继节点处各个缓存的数量与中继节点到各个目的节点之间的信道所能传输的信息量进行配对，记为(cr,j，qj)；cr,j表示中继节点能够向第j个目的节点转发的比特数量，qj表示第j个缓存中已存储的信息比特的数量；

步骤b2：利用取小函数min{.}得到(cr,j，qj)中的最小值，记为hj＝min{cr,j，qj}；hj表示中继节点能够向第j个目的节点转发的比特数量和第j个缓存中已存储的信息比特的数量中的最小值；

步骤b3：通过中继节点将得到的所有hj进行排序，其中最大的hj所对应的目的节点dj即为所选择的目的节点。

根据本发明提供的全双工缓存中继系统多用户调度系统，能够应用权利要求1至7中任一项所述的全双工缓存中继系统多用户调度方法，包括一个中继系统，所述中继系统包括：多个已经配对好的源节点、目的节点用户对，以及一个工作在全双工模式的中继站点；其中：只有中继节点工作于全双工模式，源节点工作在发送模式，目的节点工作在接收模式；且所述中继节点能够独立的选择发送节点和目的节点。

优选地，所述中继系统工作在译码转发的模式下，即中继节点在接收到了源节点发送的数据之后首先将比特信息从信号中提取出来，然后将比特信息存储到对应的缓存空间中，等到该对用户中的目的节点被选中时，再将信息从缓存中提取出来向目的节点转发。

优选地，所述中继节点向所有的用户发送控制指令，其中，选择发送的源节点处于发送状态，其余的源节点都处于静默状态，选择的目的节点处于接收状态，其余的目的节点均不接收任何信号；由所述中继节点将选择发送的源节点所发送的信息存储到对应的缓存中，并且从对应的缓存中提取数据发送给选择的目的节点，完成一个时隙内的用户调度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明首先建立了多用户全双工中继缓存系统，以及考虑缓存能力下的中继协作通信的信息转发机制，将用户信息存储在缓存当中而不用立即发送，从而保证信息传输的稳定性。

2、本发明提出了一种基于传输信息比特数的全双工缓存中继系统多用户调度机制，该机制最大化了源节点的信息发送量和目的节点的信息接收量，从而提供最大的端到端的吞吐量，最优化系统性能。

3、本发明与传统的调度机制只考虑了信道增益不同，本发明考虑的源节点到中继节点的信道增益以及具体的信道容量，另外考虑了中继节点和目的节点之间的信道增益和信道容量，将以上信息与中继节点的缓存状态信息相比较保证了用户的信息不会溢出，从而保证了用户的服务质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为全双工多用户单向缓存中继系统原理示意图；

图2为本发明中的实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的全双工缓存中继系统多用户调度方法，包括如下步骤：

中继系统建立步骤：设置多个已经配对好的源节点、目的节点用户对，以及一个工作在全双工模式的中继站点；其中，源节点不能直接给目的节点发送信息，而是必须通过中继节点发送，所述中继节点配备有n个缓存，每个缓存只能储存一个用户对的信息；

具体地，所述中继系统中只有中继节点工作于全双工模式，源节点工作在发送模式，目的节点工作在接收模式；由于中继节点配备有缓存，且能够同时收发信息，因此，中继节点可以独立的选择发送节点和目的节点。

中继系统工作模式选择步骤：若中继系统工作在译码转发的模式下，即，中继节点在接收到了源节点发送的数据之后，首先将比特信息从信号中提取出来，而不是直接存储模拟信号波形，然后将比特信息存储到对应的缓存空间中，等到该对用户中的目的节点被选中时，再将信息从缓存中提取出来向目的节点转发。

源节点和目的节点选择步骤：计算源节点传输信息比特数，并将中继节点传输的比特量与中继缓存剩余空间大小进行比较；假设整个中继系统中有n个源节点向中继节点发送请求，中继节点接收到请求之后，在整个缓存空间划分出n个独立的缓存子空间；然后向这n对用户发送导频信号；用户接收到导频信号之后，进行信道估计，并将估计得到的信道系数反馈给中继节点；此外，中继节点还需要对系统中的噪声功率也进行估计。

具体地，假设源节点到中继节点的信道系数表示为hi,r(i＝1,2,3…n)，中继节点到目的节点的信道系数表示为hr,j(j＝1,2,3…n)，中继系统中的噪声功率表示为：中继节点根据香农公式：c＝log2(1+snr)，其中p为发射功率，假设源节点的发射功率为ps，中继节点的发射功率为pr。因此可以得到源节点发送给中继节点的比特数量ci,r和中继节点可以向目的节点转发的比特数量cr,j，其中，假设时隙为单位长度。

更进一步地，假设中继系统的初始阶段，每对用户均已进行编号p1(s1,d1)，p2(s2,d2)…，pi(si,di),…pn(sn,dn),其中pi表示的是第i个用户对的序号，si表示的是第i个源节点的序号，di表示的是第i个目的节点的序号；中继节点依次将n个缓存子空间编号记为：b1，b2…，bi，…bn,并将bi分配给pi；分配完成之后，中继节点依次接收一部分用户的信息，并存储到对应的缓存中，保证缓存在初始阶段不为空，完成系统的初始化。中继节点的缓存状态信息如下：采用q1,q2…qn表示缓存b1,b2…bn的状态，即已存储的信息比特的数量。假设缓存的大小为g1,g2…gn,因此每个对应缓存剩余空间的大小可以表示为e1＝g1-q1，e2＝g2-q2…en＝gn-qn。

在得到上述缓存状态信息之后，中继节点首先确定发送源节点，源节点选择步骤如下：

步骤a1：中继节点首先将源节点可发送信息量和中继缓存可接收信息量配对(ci,r，ei)，

步骤a2：利用取小函数min{.}得到(ci,r，ei)中的较小值表示为mi＝min{ci,r，ei}；

步骤a3：通过中继节点将得到的mi进行排序，最大的mi对应的源节点si即为所要选择的源节点；完成源节点的调度。

发送节点选择步骤如下：

步骤b1：中继节点首先将中继节点处各个缓存的数量与中继节点到各个目的节点之间的信道所能传输的信息量配对为(cr,j，qj)；

步骤b2：利用取小函数min{.}得到(cr,j，qj)中的较小值表示为hj＝min{cr,j，qj}；

步骤b3：通过中继节点将得到的hj进行排序，最大的hj对应的第j个目的节点dj即为所选择的目的节点。

调度步骤：完成了用户的选择之后，中继节点向所有的用户发送控制指令，除了源节点si处于发送状态之外，其余的源节点都处于静默状态，除了目的节点di处于接收状态之外，其余的目的节点均不接收任何信号；然后中继节点将si发送的信息存储到对应的缓存bi中，并且从bj中提取数据发送给目的节点dj。完成一个时隙内的用户调度。

下面结合具体实施方式对本发明中的技术方案做更加详细的说明。

如图1所示，源节点用户群在中继节点的辅助下向目的节点用户群发送信息。中继节点工作在全双工模式，能够同时的从不同对的源节点和目的节点接收和发送信息。源节点发送的信息首先存储在中继节点的缓存buffer当中，等到该buffer对应的目的节点被选中时，中继节点将信息从该buffer当中提取出来转发给目的节点。为了解决该系统的多用户调度的问题，并且同时能够最大化系统的吞吐速率，最优化系统性能。

如图2所示为上述实例的流程图，具体地，包括如下步骤：

步骤s1：初始阶段中继节点首先确定接入用户的数量，分配相应的缓存空间，然后采用现有的技术进行信道估计，获取参数hi,r和hr,j的大小。并且进行一系列的初始化操作，包括系统参数的传递，原始数据的发送，缓存空间数据的预存储等等。为接下来的多用户调度做好准备。

步骤s2：在接下来的时隙当中，中继节点按照如下策略进行用户调度：

步骤s2.1：中继节点获取所有用户的信道状态信息，hi,r和hr,j的大小，并且根据香农公式：：c＝log2(1+snr)，其中p为发射功率，计算各条链路的信道容量。各个源节点到中继节点的信道容量可以表示为ci,r，中继节点到目的节点的信道容量为cr,j。

步骤s2.2：中继节点将源节点到目的节点的信道容量ci,r和中继节点对应缓存bi的剩余空间ei相比较，取较小值，即：mi＝min{ci,r，ei}，得到所有用户对的mi之后，将mi从大到小进行排序。最大的mi所对应源节点si即为要选择的源节点用户。

步骤s2.3：中继节点将中继到目的节点的信道容量cr,j和中继节点对应的缓存bj的队列长度qj进行比较，取较小值，即hj＝min{cr,j，qj}，得到所有用户对的hj之后，将hi从大到小进行排序。最大的hi所对应的目的节点dj为要选择的目的节点用户。

步骤s3：确定好用户选择之后，中继节点给所有的用户发送控制信令，除了源节点si和目的节点dj之外，其他的所有用户均保持静默直到下一个时隙。源节点si向中继发送信息，中继节点将接收到的信息存储到缓存bi中并且从缓存bj中提取数据发送给目的节点dj。

本方案中的模型可以应用到各种各样的无线通信系统中，例如adhoc网络，蜂窝网络(小区内的多个用户通过基站进行通信，此时基站与中继节点的作用相同)。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。