專利名稱：聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著各種無線通信新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各種無線業(yè)務(wù)的興起，以及新一代寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的大量出現(xiàn)(如LTE-A和WiMAX)，頻譜資源的短缺的問題日益嚴重。目前無線電頻譜是采取固定方式分配給不同的網(wǎng)絡(luò)(即為授權(quán)頻段)，由國家統(tǒng)籌規(guī)劃管理。大量測量結(jié)果表明，這種固定頻譜授權(quán)分配使用的方式導致某些頻段承載的業(yè)務(wù)量很大，出現(xiàn)嚴重的擁塞現(xiàn)象；與此相對的是，有些頻段的頻譜使用效率極低，造成了頻譜資源的嚴重浪費。 認知無線電的提出被認為是解決這一問題最完美的技術(shù)方案。由此衍生的認知無線網(wǎng)絡(luò)已被視為未來網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向。然而，由于認知網(wǎng)絡(luò)僅僅是對頻譜利用效率的提高，對于小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量改善則無能為力。高頻段無線信道的衰落特性使得這部分用戶的信號質(zhì)量得不到保證，為了保證傳輸速率，基站不得不縮小其覆蓋范圍或增大其發(fā)射功率，這樣便大大提高了通信系統(tǒng)的建設(shè)成本。無線中繼便為在不增加基站數(shù)目或發(fā)射功率的前提下，低成本地擴大了基站的覆蓋范圍，從而確保了邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。同時無線中繼技術(shù)也在其他方面發(fā)揮著作用，協(xié)同通信便是一種應(yīng)用。單純地應(yīng)用認知無線電技術(shù)，僅僅考慮對無線電資源的高效利用，并沒有考慮用戶服務(wù)質(zhì)量的提升；而單純地應(yīng)用無線中繼技術(shù)，雖然能提高用戶的服務(wù)質(zhì)量，卻面臨著頻譜資源日益缺乏的困境。因而，認知無線電技術(shù)、無線中繼技術(shù)的聯(lián)合運用，在認知環(huán)境中考慮中繼傳輸問題，對推動無線通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。認知無線電技術(shù)能提高系統(tǒng)的頻譜利用率，而無線中繼技術(shù)能提高系統(tǒng)的傳輸能力，二者的融合將會使未來無線移動通信系統(tǒng)的性能得到極大地提升。在這樣一種場景下， 應(yīng)該首要解決的一個基本問題即是如何選擇一條包含多個中繼節(jié)點的最佳路由。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，無線中繼技術(shù)的研究和應(yīng)用都已經(jīng)比較深入，但大多數(shù)中繼應(yīng)用場景僅僅考慮了單跳中繼，即源節(jié)點到目的節(jié)點的路由上僅存在一個中繼，對于多跳中繼的研究則比較少。在認知網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)有的無線中繼應(yīng)用側(cè)重于協(xié)同感知，而忽視了在認知網(wǎng)絡(luò)中主用戶的出現(xiàn)對數(shù)據(jù)中繼傳輸時鏈路連通性的影響等問題，使得在認知環(huán)境下中繼傳輸技術(shù)的研究不夠成熟。因此，本發(fā)明提出一種在認知環(huán)境下多跳中繼的中繼選擇和功率分配的方法。基于系統(tǒng)的頻譜感知結(jié)果、信道衰落和鏈路連通性，選擇出一條包含多個中繼節(jié)點的最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個中繼節(jié)點分配合適的發(fā)送功率，從而能夠在系統(tǒng)總發(fā)射功率不超過某一閾值的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中不存在認知無線電、無線中繼聯(lián)合運用的問題，提出了一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)及方法，通過選擇出最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個中繼節(jié)點分配合適的發(fā)送功率，從而在系統(tǒng)總發(fā)射功率不超過某一閾值的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標。(二)技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括通過通信鏈路進行交互的至少一個認知基站11和至少一個認知終端12 ；所述認知基站11包括認知數(shù)據(jù)庫111、鏈路連通概率計算單元112、發(fā)送功率范圍計算單元113、以及資源分配決策單元114 ；所述認知終端12包括頻譜檢測單元121、信道測量單元122、參數(shù)配置單元123以及中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元124 ；其中，認知數(shù)據(jù)庫111，用于存儲本小區(qū)內(nèi)所有認知終端上報的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果，并連接至鏈路連通概率計算單元112和發(fā)送功率范圍計算單元113，為其提供分析計算的數(shù)值依據(jù)；鏈路連通概率計算單元112，根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端上報的所述頻譜檢測結(jié)果，計算出各段鏈路的連通概率，并連接至資源分配決策單元114，為其提供決策的依據(jù)；發(fā)射功率范圍計算單元113，根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端上報的所述信道測量結(jié)果，計算出各個終端發(fā)送功率的上下限，并連接至資源分配決策單元114，為其提供決策的依據(jù)；資源分配決策單元114，根據(jù)所述鏈路連通概率計算單元112和所述發(fā)送功率范圍計算單元113提供的依據(jù)，結(jié)合總發(fā)送功率限制，依據(jù)動態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法進行中繼選擇和功率分配的分配決策；頻譜檢測單元121，用于檢測本認知終端所在處主用戶的頻譜占用狀況；信道測量單元122，用于測量本認知終端與其他中繼簇里的認知終端之間的鏈路
信道質(zhì)量；參數(shù)配置單元123，根據(jù)認知基站的資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端參數(shù)配置功能，對本認知終端是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及相關(guān)發(fā)送功率進行配置；中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元124，若中繼簇中的本認知終端被選中作為中繼節(jié)點，對接收到的信號進行解碼轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的中繼傳輸。優(yōu)選地，所述鏈路連通概率計算單元112根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端的所述頻譜檢測單元121上報的所述主用戶的頻譜占用狀況，分析出信道的空閑概率， 并結(jié)合鏈路最小容量約束下的中斷概率，計算出所述各段鏈路的連通概率。優(yōu)選地，所述發(fā)射功率范圍計算單元113根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端的所述信道測量單元122上報的所述鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點的最小接收功率約束，推算出各個認知終端允許的最小發(fā)送功率；結(jié)合主用戶所允許的最大干擾約束，推算出各個認知終端允許的最大發(fā)送功率。
本發(fā)明同時提供一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的方法，應(yīng)用于如上所述的系統(tǒng)中，所述方法包括步驟步驟201，認知終端12收到認知基站11指示后，利用頻譜檢測單元121對主用戶的信號進行頻譜檢測，利用信道測量單元122對不同中繼簇不同中繼節(jié)點之間的信道質(zhì)量進行測量；步驟202，認知終端12將收集到的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果上報到認知基站 11中的認知數(shù)據(jù)庫111;步驟203，認知基站11中的鏈路連通概率計算單元112根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端上報的所述頻譜檢測結(jié)果，計算出各段鏈路的連通概率；步驟204，認知基站11中的發(fā)射功率范圍計算單元113根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫111中的各個認知終端上報的所述信道測量結(jié)果，計算出各個終端發(fā)送功率的上下限；步驟205，根據(jù)計算出的所述各個終端發(fā)送功率的上下限，確認各個終端節(jié)點實際可行的發(fā)送功率范圍，并從中繼簇中刪除上下限值不合理的終端節(jié)點；步驟206，進行中繼選擇，從每個中繼簇中各自選擇出至少一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的至少一條中繼路由，并分配以具體功率；步驟207，將中繼選擇及功率分配的最終決策結(jié)果下發(fā)給各認知終端，各認知終端根據(jù)所述決策結(jié)果進行配置和相應(yīng)的中繼處理。優(yōu)選地，步驟203中，所述鏈路連通概率計算單元112根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111 中各個認知終端的頻譜檢測單元121上報的主用戶的頻譜占用狀況，分析出信道的空閑概率，并結(jié)合鏈路最小容量約束下的中斷概率，計算出所述各段鏈路的連通概率。優(yōu)選地，步驟204中，所述發(fā)射功率范圍計算單元113根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫111中各個認知終端的信道測量單元122上報的鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點的最小接收功率約束，推算出各個認知終端允許的最小發(fā)送功率；結(jié)合主用戶所允許的最大干擾約束，推算出各個認知終端允許的最大發(fā)送功率。優(yōu)選地，步驟206中，通過從每個中繼簇中各自選擇出一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的單條中繼路由。優(yōu)選地，所述單條中繼路由的選擇具體包括步驟步驟301，對于每一段可能的中繼鏈路，根據(jù)步驟205確認的所述實際可行的發(fā)送功率范圍，為中繼節(jié)點分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測量時獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計算各段鏈路的信道容量；步驟302，從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中找出具有最大容量的系統(tǒng)中繼路由，其中整條路由的容量取決于路由上各段中繼鏈路容量中的最小值；步驟303，根據(jù)步驟302中找出的中繼路由的容量C，將其他各段的中繼容量降低到C并求出對應(yīng)的節(jié)點發(fā)射功率；步驟304，將步驟302中找出的系統(tǒng)路由上各中繼節(jié)點功率之和與受限總功率Pt 進行比較，若小于等于Pt，則說明已經(jīng)找到最優(yōu)的中繼選擇和功率分配方案，算法結(jié)束；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟305，轉(zhuǎn)換中繼選擇的方法；步驟305，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個有向圖，中繼簇與中繼簇之間每兩個中繼節(jié)點之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點作為選擇的中繼節(jié)點；步驟306，將各段鏈路容量設(shè)為已得最短路徑的路由容量，計算出各段鏈路的中繼節(jié)點發(fā)射功率；步驟307，如果已經(jīng)選擇的中繼路由上的各中繼節(jié)點發(fā)射功率在各自的范圍之內(nèi)， 算法結(jié)束；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟308 ；步驟308，對不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點，調(diào)整其發(fā)射功率到發(fā)射范圍的上限或下限；步驟309，步驟308中改變了部分中繼節(jié)點功率，在總發(fā)射功率不變的情況下，重新分配其他中繼節(jié)點功率，使中繼鏈路的容量與鏈路增益平方之和成反比，并返回到步驟 307迭代執(zhí)行。優(yōu)選地，步驟206中，還進一步通過從每個中繼簇中各自選擇出兩個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的兩條中繼路由。優(yōu)選地，所述兩條中繼路由的選擇借助于所述單條中繼路由的選擇方法，進一步包括步驟步驟401，根據(jù)所述單條中繼路由的選擇方法在受限總功率為Pt/2的約束下找出第一條中繼路由的中繼節(jié)點和功率大小；步驟402，從所述網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖中將所述第一條中繼路由的中繼節(jié)點刪去；步驟403，以所述第一條中繼路由中各中繼節(jié)點的發(fā)射功率為依據(jù)計算干擾，修改各中繼節(jié)點的鏈路發(fā)射功率范圍；步驟404，再次根據(jù)所述單條中繼路由的選擇方法在受限總功率為Pt/2的約束下找出第二條中繼路由的中繼節(jié)點和功率大小。(三)有益效果本發(fā)明的方案中，在總發(fā)射功率一定的約束條件下，考慮了在認知環(huán)境下主用戶對中繼鏈路的連通性的影響，并且對多跳的中繼選擇模型進行了深入的研究，無論采用單路由中繼還是多路由中繼，都能盡可能地最大化系統(tǒng)吞吐量，為中繼傳輸技術(shù)在認知無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了一種切實可行的解決方案。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用場景示意圖；圖2為本發(fā)明中聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中聯(lián)合中繼選擇與功率分配的方法流程示意圖；圖4為本發(fā)明中優(yōu)選的單條中繼路由選擇方法流程示意圖；圖5為本發(fā)明中更優(yōu)的雙中繼路由選擇方法流程示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
本發(fā)明提出一種應(yīng)用于多跳認知無線網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)及方法，其解決了多跳認知無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇和功率分配問題，以實現(xiàn)在總發(fā)射功率一定的約束前提下盡可能地最大化系統(tǒng)的吞吐量的目標，優(yōu)化整體系統(tǒng)性能。如圖1所示，本發(fā)明的技術(shù)方案適用于可實施集中式控制的網(wǎng)絡(luò)場景中，通過收集各個用戶終端上報的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果，同時考慮了鏈路的連通概率，依據(jù)動態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法等，完成對多跳中繼的路由選擇以及功率分配。具體地，本發(fā)明中的聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)包括認知基站11以及認知終端12，認知終端在行為上具體可以分為源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點。該系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中認知基站11包括認知數(shù)據(jù)庫111、鏈路連通概率計算單元112、發(fā)送功率范圍計算單元113、以及資源分配決策單元114。認知終端12包括頻譜檢測單元121、信道測量單元122、參數(shù)配置單元123以及中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元124。各模塊具體為認知數(shù)據(jù)庫111 用于存儲本小區(qū)內(nèi)所有認知終端上報的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果，分別為鏈路連通性約束單元和發(fā)送功率約束單元提供接口，并作為其分析計算的數(shù)值依據(jù)。鏈路連通概率計算單元112 根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫中各個認知終端上報的主用戶的頻譜占用狀況，分析出信道的空閑概率，并且考慮到鏈路最小容量約束下的中斷概率，計算出各段鏈路的連通概率，為資源分配決策單元提供接口，并作為其決策依據(jù)之一。發(fā)射功率范圍計算單元113 根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫中各個認知終端上報的信道質(zhì)量， 并且考慮到中繼節(jié)點的最小接收功率約束和在漏檢情況下主用戶所允許的最大干擾約束， 確定出各個終端發(fā)送功率的上限和下限約束，為資源分配決策單元提供接口，并作為其決策依據(jù)之一。資源分配決策單元114 根據(jù)前述兩個單元的數(shù)據(jù)接口，考慮總發(fā)送功率限制，依據(jù)動態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法等，實現(xiàn)優(yōu)化目標，即在滿足總發(fā)送功率一定的前提下做出盡可能最大化系統(tǒng)吞吐量的資源分配決策，包括中繼選擇和功率分配等。頻譜檢測單元121 用于檢測該認知終端所在處主用戶對頻段占用狀況。信道測量單元122 用于測量該認知終端與其他中繼簇里的認知終端之間的鏈路信道質(zhì)量。參數(shù)配置單元123 根據(jù)認知基站的資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端參數(shù)配置功能， 對是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及發(fā)送功率等進行配置。中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元124 中繼簇中被選中的認知終端作為中繼節(jié)點，對接收到的信號進行解碼轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的中繼傳輸。采用上述系統(tǒng)進行的聯(lián)合中繼選擇與功率分配的方法，在多跳的認知網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)執(zhí)行無線資源分配流程，從各中繼簇中選擇出中繼節(jié)點并分配以功率。其中，認知終端首先進行頻譜感知和信道測量，然后將上述信息上報到認知數(shù)據(jù)庫，接著資源分配決策單元將根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫中的信息做出決策，下發(fā)決策信息給各認知終端。所述方法的詳細時序流程如圖3所示
步驟201 認知終端收到認知基站指示后，利用頻譜檢測單元對主用戶的信號進行頻譜檢測，利用信道測量單元對不同中繼簇不同中繼節(jié)點之間的信道質(zhì)量進行測量。步驟202 終端將收集到的頻譜占用信息以及信道質(zhì)量信息上報到認知基站中的認知數(shù)據(jù)庫。步驟203 認知基站中的鏈路連通概率計算單元根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫中各個認知終端上報的頻譜占用信息，分別統(tǒng)計出各自判決的信道空閑概率；考慮到鏈路最小容量約束下的中斷概率和信道的空閑概率，認知基站中的鏈路連通概率計算單元計算出各條中繼鏈路的連通概率。步驟204 認知基站中的發(fā)射功率范圍計算單元根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫中的各個認知終端上報的鏈路信道質(zhì)量測量結(jié)果，考慮到中繼節(jié)點的最小接收功率約束，推算出各個認知終端允許的最小發(fā)射功率；考慮到主用戶所允許的最大干擾約束，推算出各個認知終端允許的最大發(fā)射功率。步驟205 確定各個節(jié)點發(fā)射功率的可行上限值和可行下限值，并從中繼簇中刪除不合理的節(jié)點(即上限值小于下限值的終端節(jié)點)。步驟206 進行中繼選擇，從每個中繼簇中各自選擇出至少一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的至少一條中繼路由，并分配以具體功率。步驟207 將中繼選擇及功率分配的最終決策信息下發(fā)給各認知終端。此外，結(jié)合動態(tài)規(guī)劃和最短路徑的思想，本發(fā)明一個優(yōu)選的實施例中簡單地解決了總功率受限下最優(yōu)的中繼選擇和功率分配的問題，該優(yōu)選實施例提出了一種單路由的中繼選擇與功率分配算法，主要應(yīng)用于上述方法的步驟206中，通過從每個中繼簇中各自選擇出一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的單條中繼路由，該算法具體流程如圖4 所示步驟301 對于每一段可能的中繼鏈路，考慮為中繼節(jié)點分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測量時獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計算各段鏈路的信道容量。步驟302 由于整條路由的容量取決于路由上各段中繼鏈路容量中的最小值，故而從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中找出具有最大容量的系統(tǒng)路由。該步驟優(yōu)選地可以采用動態(tài)規(guī)劃算法進行。步驟303 在步驟302中已經(jīng)找到的中繼路由中，其路由的容量C為各段中繼鏈路容量中的最小值，所以可以將其他各段的中繼容量降低到C并求出對應(yīng)的節(jié)點發(fā)射功率。 從而可以在不降低路由容量的基礎(chǔ)上，降低中繼鏈路上各個節(jié)點的發(fā)射功率。步驟304 比較步驟302中找到的中繼路由上各中繼節(jié)點功率之和與受限的總功率Pt。如果小于Pt，則說明已經(jīng)找到最優(yōu)的中繼選擇和功率分配方案，算法結(jié)束。如果超過了 Pt則轉(zhuǎn)換中繼選擇的方法，繼續(xù)執(zhí)行步驟305。步驟305 根據(jù)系統(tǒng)場景中各個認知終端的拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個有向圖，中繼簇與中繼簇之間每兩個中繼節(jié)點之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過Dijkstra 或其他最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點作為選擇的中繼節(jié)點。步驟306 將各段鏈路容量設(shè)為已得的路由容量，計算出各段鏈路的中繼節(jié)點發(fā)射功率。
步驟307 如果已經(jīng)選擇的中繼路由上的各中繼節(jié)點發(fā)射功率在各自的范圍之內(nèi)，算法結(jié)束；如果存在不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點，則算法繼續(xù)。步驟308 對不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點，調(diào)整其發(fā)射功率到發(fā)射范圍的上界或下界。步驟309 步驟308會改變部分中繼節(jié)點功率。在總發(fā)射功率不變的情況下，重新分配其他中繼節(jié)點功率，分配的原則為使這部分中繼鏈路的容量相等，即容量與這部分鏈路增益平方之和成反比，回到步驟307迭代。更進一步地，本發(fā)明中一個更優(yōu)的實施例中充分利用了單路由的中繼選擇和功率分配的方法，通過適當?shù)馗脑?，較簡單地實現(xiàn)了雙路由的中繼選擇和功率分配。同樣應(yīng)用于上述方法的步驟206中，通過從每個中繼簇中各自選擇出兩個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的兩條中繼路由，其具體的算法流程如圖5所示考慮多路由間的干擾后，中繼節(jié)點接收信號質(zhì)量要求提高，提高了發(fā)射功率的要求，從而需要修改各中繼節(jié)點的發(fā)射功率范圍。由于第二條路徑還沒有確定，計算干擾時以其余中繼節(jié)點的最大發(fā)射功率作為考慮。步驟401 采用已描述的單路徑中繼節(jié)點和功率分配發(fā)明方法在總功率受限為 Pt/2的約束下找出第一徑的中繼節(jié)點和功率大小。步驟402 本發(fā)明中多路由中繼是不允許有公共中繼節(jié)點的，故在尋找第二徑前， 從拓撲圖中將第一徑的中繼節(jié)點刪去。步驟403 修改各中繼節(jié)點的鏈路發(fā)射功率范圍計算干擾時以第一徑中各中繼節(jié)點的發(fā)射功率作為依據(jù)。步驟404 與步驟401相似，采用已描述的單路徑中繼節(jié)點和功率分配發(fā)明方法總功率受限為Pt/2的約束下找出第二徑的中繼節(jié)點和功率大小。算法結(jié)束。與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明在總發(fā)射功率一定的約束條件下，考慮了在認知環(huán)境下主用戶對中繼鏈路的連通性的影響，并且對多跳的中繼選擇模型進行了深入的研究，無論采用單路由中繼還是多路由中繼，都能盡可能地最大化系統(tǒng)吞吐量，為中繼傳輸技術(shù)在認知無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了一種切實可行的解決方案。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的發(fā)明保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
1權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括通過通信鏈路進行交互的至少一個認知基站(11)和至少一個認知終端(12)；所述認知基站(11)包括認知數(shù)據(jù)庫(111)、鏈路連通概率計算單元(112)、發(fā)送功率范圍計算單元 (113)、以及資源分配決策單元(114)；所述認知終端(12)包括頻譜檢測單元(121)、信道測量單元(122)、參數(shù)配置單元(123)以及中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元(124)；其中，認知數(shù)據(jù)庫(111)，用于存儲本小區(qū)內(nèi)所有認知終端上報的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果，并連接至鏈路連通概率計算單元(112)和發(fā)送功率范圍計算單元(113)，為其提供分析計算的數(shù)值依據(jù)；鏈路連通概率計算單元(112)，根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端上報的所述頻譜檢測結(jié)果，計算出各段鏈路的連通概率，并連接至資源分配決策單元(114)，為其提供決策的依據(jù)；發(fā)射功率范圍計算單元(113)，根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端上報的所述信道測量結(jié)果，計算出各個終端發(fā)送功率的上下限，并連接至資源分配決策單元(114)， 為其提供決策的依據(jù)；資源分配決策單元(114)，根據(jù)所述鏈路連通概率計算單元(112)和所述發(fā)送功率范圍計算單元(113)提供的依據(jù)，結(jié)合總發(fā)送功率限制，依據(jù)動態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法進行中繼選擇和功率分配的分配決策；頻譜檢測單元(121)，用于檢測本認知終端所在處主用戶的頻譜占用狀況；信道測量單元(122)，用于測量本認知終端與其他中繼簇里的認知終端之間的鏈路信道質(zhì)量；參數(shù)配置單元(123)，根據(jù)認知基站的資源分配決策結(jié)果執(zhí)行終端參數(shù)配置功能，對本認知終端是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及相關(guān)發(fā)送功率進行配置；中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元(124)，若中繼簇中的本認知終端被選中作為中繼節(jié)點，對接收到的信號進行解碼轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)助完成數(shù)據(jù)的中繼傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述鏈路連通概率計算單元(112)根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端的所述頻譜檢測單元(121)上報的所述主用戶的頻譜占用狀況，分析出信道的空閑概率，并結(jié)合鏈路最小容量約束下的中斷概率，計算出所述各段鏈路的連通概率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射功率范圍計算單元(113)根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端的所述信道測量單元(122)上報的所述鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點的最小接收功率約束，推算出各個認知終端允許的最小發(fā)送功率；結(jié)合主用戶所允許的最大干擾約束，推算出各個認知終端允許的最大發(fā)送功率。
4.一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1-3任一所述的系統(tǒng)中， 其特征在于，所述方法包括步驟步驟201，認知終端(12)收到認知基站(11)指示后，利用頻譜檢測單元(121)對主用戶的信號進行頻譜檢測，利用信道測量單元(122)對不同中繼簇不同中繼節(jié)點之間的信道質(zhì)量進行測量；步驟202，認知終端(12)將收集到的頻譜檢測結(jié)果和信道測量結(jié)果上報到認知基站 (11)中的認知數(shù)據(jù)庫(111)；步驟203，認知基站(11)中的鏈路連通概率計算單元(112)根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端上報的所述頻譜檢測結(jié)果，計算出各段鏈路的連通概率；步驟204，認知基站(11)中的發(fā)射功率范圍計算單元(113)根據(jù)認知數(shù)據(jù)庫(111)中的各個認知終端上報的所述信道測量結(jié)果，計算出各個終端發(fā)送功率的上下限；步驟205，根據(jù)計算出的所述各個終端發(fā)送功率的上下限，確認各個終端節(jié)點實際可行的發(fā)送功率范圍，并從中繼簇中刪除上下限值不合理的終端節(jié)點；步驟206，進行中繼選擇，從每個中繼簇中各自選擇出至少一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的至少一條中繼路由，并分配以具體功率；步驟207，將中繼選擇及功率分配的最終決策結(jié)果下發(fā)給各認知終端，各認知終端根據(jù)所述決策結(jié)果進行配置和相應(yīng)的中繼處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟203中，所述鏈路連通概率計算單元(112)根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端的頻譜檢測單元(121)上報的主用戶的頻譜占用狀況，分析出信道的空閑概率，并結(jié)合鏈路最小容量約束下的中斷概率，計算出所述各段鏈路的連通概率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟204中，所述發(fā)射功率范圍計算單元(113)根據(jù)所述認知數(shù)據(jù)庫(111)中各個認知終端的信道測量單元(122)上報的鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點的最小接收功率約束，推算出各個認知終端允許的最小發(fā)送功率；結(jié)合主用戶所允許的最大干擾約束，推算出各個認知終端允許的最大發(fā)送功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟206中，通過從每個中繼簇中各自選擇出一個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的單條中繼路由。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述單條中繼路由的選擇具體包括步驟 步驟301，對于每一段可能的中繼鏈路，根據(jù)步驟205確認的所述實際可行的發(fā)送功率范圍，為中繼節(jié)點分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測量時獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計算各段鏈路的信道容量；步驟302，從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中找出具有最大容量的系統(tǒng)中繼路由，其中整條路由的容量取決于路由上各段中繼鏈路容量中的最小值；步驟303，根據(jù)步驟302中找出的中繼路由的容量C，將其他各段的中繼容量降低到C 并求出對應(yīng)的節(jié)點發(fā)射功率；步驟304，將步驟302中找出的系統(tǒng)路由上各中繼節(jié)點功率之和與受限總功率Pt進行比較，若小于等于Pt，則說明已經(jīng)找到最優(yōu)的中繼選擇和功率分配方案，算法結(jié)束；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟305，轉(zhuǎn)換中繼選擇的方法；步驟305，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個有向圖，中繼簇與中繼簇之間每兩個中繼節(jié)點之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點作為選擇的中繼節(jié)點；步驟306，將各段鏈路容量設(shè)為已得的最短路徑的路由容量，計算出各段鏈路的中繼節(jié)點發(fā)射功率；步驟307，如果已經(jīng)選擇的中繼路由上的各中繼節(jié)點發(fā)射功率在各自的范圍之內(nèi)，算法結(jié)束；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟308 ；步驟308，對不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點，調(diào)整其發(fā)射功率到發(fā)射范圍的上限或下限；步驟309，步驟308中改變了部分中繼節(jié)點功率，在總發(fā)射功率不變的情況下，重新分配其他中繼節(jié)點功率，使中繼鏈路的容量與鏈路增益平方之和成反比，并返回到步驟307 迭代執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟206中，還進一步通過從每個中繼簇中各自選擇出兩個中繼節(jié)點，建立起從源節(jié)點到目的節(jié)點的兩條中繼路由。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述兩條中繼路由的選擇借助于所述單條中繼路由的選擇方法，進一步包括步驟步驟401，根據(jù)所述單條中繼路由的選擇方法在受限總功率為實際受限總功率的一半的約束下找出第一條中繼路由的中繼節(jié)點和功率大?。徊襟E402，從所述網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖中將所述第一條中繼路由的中繼節(jié)點刪去；步驟403，以所述第一條中繼路由中各中繼節(jié)點的發(fā)射功率為依據(jù)計算干擾，修改各中繼節(jié)點的鏈路發(fā)射功率范圍；步驟404，再次根據(jù)所述單條中繼路由的選擇方法在受限總功率為實際受限總功率的一半的約束下找出第二條中繼路由的中繼節(jié)點和功率大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種聯(lián)合中繼選擇與功率分配的系統(tǒng)及方法，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中不存在認知無線電、無線中繼聯(lián)合運用的問題，通過選擇出最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個中繼節(jié)點分配合適的發(fā)送功率，從而在系統(tǒng)總發(fā)射功率不超過某一閾值的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標。
文檔編號H04W52/46GK102223644SQ20111011581
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者馮志勇, 張平, 王勛, 謝鋒林, 陳翼翼, 陳鑫 申請人:北京郵電大學