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(wú)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(wú)線通信新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各種無(wú)線業(yè)務(wù)的興起，以及新一代寬帶無(wú)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(wèn)題日益嚴(yán)重。目前無(wú)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(guó)家統(tǒng)籌規(guī)劃管理。大量測(cè)量結(jié)果表明，這種固定頻譜授權(quán)分配使用的方式導(dǎo)致某些頻段承載的業(yè)務(wù)量很大，出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞現(xiàn)象；與此相對(duì)的是，有些頻段的頻譜使用效率極低，造成了頻譜資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。 認(rèn)知無(wú)線電的提出被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題最完美的技術(shù)方案。由此衍生的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已被視為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展方向。然而，由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)僅僅是對(duì)頻譜利用效率的提高，對(duì)于小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量改善則無(wú)能為力。高頻段無(wú)線信道的衰落特性使得這部分用戶的信號(hào)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(wú)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?cái)U(kuò)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(shí)無(wú)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(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，僅僅考慮對(duì)無(wú)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(wú)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(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、無(wú)線中繼技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用，在認(rèn)知環(huán)境中考慮中繼傳輸問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能提高系統(tǒng)的頻譜利用率，而無(wú)線中繼技術(shù)能提高系統(tǒng)的傳輸能力，二者的融合將會(huì)使未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能得到極大地提升。在這樣一種場(chǎng)景下， 應(yīng)該首要解決的一個(gè)基本問(wèn)題即是如何選擇一條包含多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的最佳路由。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)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(chǎng)景僅僅考慮了單跳中繼，即源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由上僅存在一個(gè)中繼，對(duì)于多跳中繼的研究則比較少。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)有的無(wú)線中繼應(yīng)用側(cè)重于協(xié)同感知，而忽視了在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中主用戶的出現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中繼傳輸時(shí)鏈路連通性的影響等問(wèn)題，使得在認(rèn)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(rèn)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(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)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(guò)某一閾值的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中不存在認(rèn)知無(wú)線電、無(wú)線中繼聯(lián)合運(yùn)用的問(wèn)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(guò)選擇出最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)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(guò)某一閾值的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標(biāo)。(二)技術(shù)方案為實(shí)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(guò)通信鏈路進(jìn)行交互的至少一個(gè)認(rèn)知基站11和至少一個(gè)認(rèn)知終端12 ；所述認(rèn)知基站11包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111、鏈路連通概率計(jì)算單元112、發(fā)送功率范圍計(jì)算單元113、以及資源分配決策單元114 ；所述認(rèn)知終端12包括頻譜檢測(cè)單元121、信道測(cè)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(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111，用于存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果，并連接至鏈路連通概率計(jì)算單元112和發(fā)送功率范圍計(jì)算單元113，為其提供分析計(jì)算的數(shù)值依據(jù)；鏈路連通概率計(jì)算單元112，根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述頻譜檢測(cè)結(jié)果，計(jì)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(jì)算單元113，根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述信道測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)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(jì)算單元112和所述發(fā)送功率范圍計(jì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法進(jìn)行中繼選擇和功率分配的分配決策；頻譜檢測(cè)單元121，用于檢測(cè)本認(rèn)知終端所在處主用戶的頻譜占用狀況；信道測(cè)量單元122，用于測(cè)量本認(rèn)知終端與其他中繼簇里的認(rèn)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(rèn)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(duì)本認(rèn)知終端是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及相關(guān)發(fā)送功率進(jìn)行配置；中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元124，若中繼簇中的本認(rèn)知終端被選中作為中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(jì)算單元112根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端的所述頻譜檢測(cè)單元121上報(bào)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(jì)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(jì)算單元113根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端的所述信道測(cè)量單元122上報(bào)的所述鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點(diǎn)的最小接收功率約束，推算出各個(gè)認(rèn)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(gè)認(rèn)知終端允許的最大發(fā)送功率。
本發(fā)明同時(shí)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(rèn)知終端12收到認(rèn)知基站11指示后，利用頻譜檢測(cè)單元121對(duì)主用戶的信號(hào)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，利用信道測(cè)量單元122對(duì)不同中繼簇不同中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量；步驟202，認(rèn)知終端12將收集到的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果上報(bào)到認(rèn)知基站 11中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111;步驟203，認(rèn)知基站11中的鏈路連通概率計(jì)算單元112根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述頻譜檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出各段鏈路的連通概率；步驟204，認(rèn)知基站11中的發(fā)射功率范圍計(jì)算單元113根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中的各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述信道測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)終端發(fā)送功率的上下限；步驟205，根據(jù)計(jì)算出的所述各個(gè)終端發(fā)送功率的上下限，確認(rèn)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)；步驟206，進(jìn)行中繼選擇，從每個(gè)中繼簇中各自選擇出至少一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(rèn)知終端，各認(rèn)知終端根據(jù)所述決策結(jié)果進(jìn)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(jì)算單元112根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111 中各個(gè)認(rèn)知終端的頻譜檢測(cè)單元121上報(bào)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(jì)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(jì)算單元113根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111中各個(gè)認(rèn)知終端的信道測(cè)量單元122上報(bào)的鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點(diǎn)的最小接收功率約束，推算出各個(gè)認(rèn)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(gè)認(rèn)知終端允許的最大發(fā)送功率。優(yōu)選地，步驟206中，通過(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(duì)于每一段可能的中繼鏈路，根據(jù)步驟205確認(rèn)的所述實(shí)際可行的發(fā)送功率范圍，為中繼節(jié)點(diǎn)分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測(cè)量時(shí)獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計(jì)算各段鏈路的信道容量；步驟302，從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)功率之和與受限總功率Pt 進(jìn)行比較，若小于等于Pt，則說(shuō)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)造一個(gè)有向圖，中繼簇與中繼簇之間每?jī)蓚€(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過(guò)最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點(diǎn)作為選擇的中繼節(jié)點(diǎn)；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(jì)算出各段鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)一步通過(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)和功率大??；步驟402，從所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中將所述第一條中繼路由的中繼節(jié)點(diǎn)刪去；步驟403，以所述第一條中繼路由中各中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為依據(jù)計(jì)算干擾，修改各中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(rèn)知環(huán)境下主用戶對(duì)中繼鏈路的連通性的影響，并且對(duì)多跳的中繼選擇模型進(jìn)行了深入的研究，無(wú)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(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了一種切實(shí)可行的解決方案。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本發(fā)明提出一種應(yīng)用于多跳認(rèn)知無(wú)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(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇和功率分配問(wèn)題，以實(shí)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(biāo)，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(shí)施集中式控制的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，通過(guò)收集各個(gè)用戶終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果，同時(shí)考慮了鏈路的連通概率，依據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法等，完成對(duì)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(rèn)知基站11以及認(rèn)知終端12，認(rèn)知終端在行為上具體可以分為源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中認(rèn)知基站11包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111、鏈路連通概率計(jì)算單元112、發(fā)送功率范圍計(jì)算單元113、以及資源分配決策單元114。認(rèn)知終端12包括頻譜檢測(cè)單元121、信道測(cè)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(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)111 用于存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)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(jì)算的數(shù)值依據(jù)。鏈路連通概率計(jì)算單元112 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)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(jì)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(jì)算單元113 根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的信道質(zhì)量， 并且考慮到中繼節(jié)點(diǎn)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(gè)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(gè)單元的數(shù)據(jù)接口，考慮總發(fā)送功率限制，依據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法等，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，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(cè)單元121 用于檢測(cè)該認(rèn)知終端所在處主用戶對(duì)頻段占用狀況。信道測(cè)量單元122 用于測(cè)量該認(rèn)知終端與其他中繼簇里的認(rèn)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(rèn)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(duì)是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及發(fā)送功率等進(jìn)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(rèn)知終端作為中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(jìn)行的聯(lián)合中繼選擇與功率分配的方法，在多跳的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)執(zhí)行無(wú)線資源分配流程，從各中繼簇中選擇出中繼節(jié)點(diǎn)并分配以功率。其中，認(rèn)知終端首先進(jìn)行頻譜感知和信道測(cè)量，然后將上述信息上報(bào)到認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)，接著資源分配決策單元將根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息做出決策，下發(fā)決策信息給各認(rèn)知終端。所述方法的詳細(xì)時(shí)序流程如圖3所示
步驟201 認(rèn)知終端收到認(rèn)知基站指示后，利用頻譜檢測(cè)單元對(duì)主用戶的信號(hào)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，利用信道測(cè)量單元對(duì)不同中繼簇不同中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量進(jìn)行測(cè)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(bào)到認(rèn)知基站中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)。步驟203 認(rèn)知基站中的鏈路連通概率計(jì)算單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的頻譜占用信息，分別統(tǒng)計(jì)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(rèn)知基站中的鏈路連通概率計(jì)算單元計(jì)算出各條中繼鏈路的連通概率。步驟204 認(rèn)知基站中的發(fā)射功率范圍計(jì)算單元根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)中的各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的鏈路信道質(zhì)量測(cè)量結(jié)果，考慮到中繼節(jié)點(diǎn)的最小接收功率約束，推算出各個(gè)認(rèn)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(gè)認(rèn)知終端允許的最大發(fā)射功率。步驟205 確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(即上限值小于下限值的終端節(jié)點(diǎn))。步驟206 進(jìn)行中繼選擇，從每個(gè)中繼簇中各自選擇出至少一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(rèn)知終端。此外，結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃和最短路徑的思想，本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中簡(jiǎn)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(wèn)題，該優(yōu)選實(shí)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(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的單條中繼路由，該算法具體流程如圖4 所示步驟301 對(duì)于每一段可能的中繼鏈路，考慮為中繼節(jié)點(diǎn)分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測(cè)量時(shí)獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計(jì)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?fù)浣Y(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(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)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(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)功率之和與受限的總功率Pt。如果小于Pt，則說(shuō)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(guò)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(chǎng)景中各個(gè)認(rèn)知終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個(gè)有向圖，中繼簇與中繼簇之間每?jī)蓚€(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過(guò)Dijkstra 或其他最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點(diǎn)作為選擇的中繼節(jié)點(diǎn)。步驟306 將各段鏈路容量設(shè)為已得的路由容量，計(jì)算出各段鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，則算法繼續(xù)。步驟308 對(duì)不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點(diǎn)，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(huì)改變部分中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)一步地，本發(fā)明中一個(gè)更優(yōu)的實(shí)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(guò)適當(dāng)?shù)馗脑?，較簡(jiǎn)單地實(shí)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(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)接收信號(hào)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(diǎn)的發(fā)射功率范圍。由于第二條路徑還沒有確定，計(jì)算干擾時(shí)以其余中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的，故在尋找第二徑前， 從拓?fù)鋱D中將第一徑的中繼節(jié)點(diǎn)刪去。步驟403 修改各中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路發(fā)射功率范圍計(jì)算干擾時(shí)以第一徑中各中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(rèn)知環(huán)境下主用戶對(duì)中繼鏈路的連通性的影響，并且對(duì)多跳的中繼選擇模型進(jìn)行了深入的研究，無(wú)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(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了一種切實(shí)可行的解決方案。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)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(hù)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(guò)通信鏈路進(jìn)行交互的至少一個(gè)認(rèn)知基站(11)和至少一個(gè)認(rèn)知終端(12)；所述認(rèn)知基站(11)包括認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)、鏈路連通概率計(jì)算單元(112)、發(fā)送功率范圍計(jì)算單元 (113)、以及資源分配決策單元(114)；所述認(rèn)知終端(12)包括頻譜檢測(cè)單元(121)、信道測(cè)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(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)，用于存儲(chǔ)本小區(qū)內(nèi)所有認(rèn)知終端上報(bào)的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果，并連接至鏈路連通概率計(jì)算單元(112)和發(fā)送功率范圍計(jì)算單元(113)，為其提供分析計(jì)算的數(shù)值依據(jù)；鏈路連通概率計(jì)算單元(112)，根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述頻譜檢測(cè)結(jié)果，計(jì)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(jì)算單元(113)，根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述信道測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)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(jì)算單元(112)和所述發(fā)送功率范圍計(jì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃算法以及最短路徑算法進(jìn)行中繼選擇和功率分配的分配決策；頻譜檢測(cè)單元(121)，用于檢測(cè)本認(rèn)知終端所在處主用戶的頻譜占用狀況；信道測(cè)量單元(122)，用于測(cè)量本認(rèn)知終端與其他中繼簇里的認(rèn)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(rèn)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(duì)本認(rèn)知終端是否參與中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及相關(guān)發(fā)送功率進(jìn)行配置；中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)處理單元(124)，若中繼簇中的本認(rèn)知終端被選中作為中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(jì)算單元(112)根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端的所述頻譜檢測(cè)單元(121)上報(bào)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(jì)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(jì)算單元(113)根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端的所述信道測(cè)量單元(122)上報(bào)的所述鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點(diǎn)的最小接收功率約束，推算出各個(gè)認(rèn)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(gè)認(rèn)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(rèn)知終端(12)收到認(rèn)知基站(11)指示后，利用頻譜檢測(cè)單元(121)對(duì)主用戶的信號(hào)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，利用信道測(cè)量單元(122)對(duì)不同中繼簇不同中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量；步驟202，認(rèn)知終端(12)將收集到的頻譜檢測(cè)結(jié)果和信道測(cè)量結(jié)果上報(bào)到認(rèn)知基站 (11)中的認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)；步驟203，認(rèn)知基站(11)中的鏈路連通概率計(jì)算單元(112)根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述頻譜檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出各段鏈路的連通概率；步驟204，認(rèn)知基站(11)中的發(fā)射功率范圍計(jì)算單元(113)根據(jù)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中的各個(gè)認(rèn)知終端上報(bào)的所述信道測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)終端發(fā)送功率的上下限；步驟205，根據(jù)計(jì)算出的所述各個(gè)終端發(fā)送功率的上下限，確認(rèn)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)；步驟206，進(jìn)行中繼選擇，從每個(gè)中繼簇中各自選擇出至少一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(rèn)知終端，各認(rèn)知終端根據(jù)所述決策結(jié)果進(jìn)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(jì)算單元(112)根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端的頻譜檢測(cè)單元(121)上報(bào)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(jì)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(jì)算單元(113)根據(jù)所述認(rèn)知數(shù)據(jù)庫(kù)(111)中各個(gè)認(rèn)知終端的信道測(cè)量單元(122)上報(bào)的鏈路信道質(zhì)量，結(jié)合中繼節(jié)點(diǎn)的最小接收功率約束，推算出各個(gè)認(rèn)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(gè)認(rèn)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(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(duì)于每一段可能的中繼鏈路，根據(jù)步驟205確認(rèn)的所述實(shí)際可行的發(fā)送功率范圍，為中繼節(jié)點(diǎn)分配其允許的發(fā)射功率上限值，并結(jié)合步驟201測(cè)量時(shí)獲得的信道質(zhì)量參數(shù)，計(jì)算各段鏈路的信道容量；步驟302，從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)功率之和與受限總功率Pt進(jìn)行比較，若小于等于Pt，則說(shuō)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)造一個(gè)有向圖，中繼簇與中繼簇之間每?jī)蓚€(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間有邊相連，邊權(quán)為其鏈路增益平方的倒數(shù)；通過(guò)最短路徑算法，求出有向圖中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑，將最短路徑上的各中間節(jié)點(diǎn)作為選擇的中繼節(jié)點(diǎn)；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(jì)算出各段鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)不滿足功率發(fā)射范圍要求的中繼節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)一步通過(guò)從每個(gè)中繼簇中各自選擇出兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，建立起從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)和功率大小；步驟402，從所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中將所述第一條中繼路由的中繼節(jié)點(diǎn)刪去；步驟403，以所述第一條中繼路由中各中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為依據(jù)計(jì)算干擾，修改各中繼節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)和功率大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及無(wú)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(rèn)知無(wú)線電、無(wú)線中繼聯(lián)合運(yùn)用的問(wèn)題，通過(guò)選擇出最優(yōu)多跳中繼鏈路，并給各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)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(guò)某一閾值的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化的目標(biāo)。
文檔編號(hào)H04W52/46GK102223644SQ20111011581
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京郵電大學(xué)