中继增强型蜂窝系统及其跨层贪婪比例公平性调度方法

摘要

本发明公布了一种中继增强型蜂窝系统及其跨层贪婪比例公平性调度方法，本发明系统包括m个单天线收发机和p个单天线双向中继，m个单天线收发机中的一个单天线收发机设置为基站，充当基站的收发机还包括队列缓存器及包调度器。本发明所述方法首先使用贪婪比例公平性调度完成两跳通信的无线资源调度，确定各用户所占有的资源，其次，从系统网络层上考虑，根据各用户的不同业务的基本要求将无线资源重新分配一次。本发明有效地避免了传统中继增强型蜂窝系统多用户调度算法由于未考虑不同业务需求而对系统资源的浪费，降低系统通信的稳定性，而与现有的中继通信系统相比实现了更高的系统资源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于多用户无线通信系统，尤其涉及一种基于中继增强型蜂窝系统跨层贪婪比例公平性调度算法，属于无线通信领域。

背景技术

研究表明，基于中继的无线通信网络结构可以有效地降低路径损耗所造成的功率资源的浪费，提高频谱利用率，并可利用自组织ad hoc网的多跳连通思想提高网络的抗毁性能，所以基于中继的网络结构以及协作多路技术得到了广泛研究和关注，并在新一代移动通信、无线局域网和宽带无线网络等标准的制定时都考虑了如何引入中继协作处理的问题。通过设计新型的中继增强型蜂窝系统中的多用户调度策略可以有效提高系统性能。

中继增强型蜂窝系统借助中继辅助通信，改善了小区边缘地区及热点地区的用户通信质量，扩大了小区覆盖面积，同时增加了系统频谱资源利用率，提升了蜂窝通信系统整体性能。然而，由于中继节点的增加，传统的小区多用户调度和资源分配算法不再适用，新型算法的设计成为中继增强型蜂窝系统研究的关键问题。

在无线通信系统中的系统资源的利用率和通信业务量是衡量系统性能的重要指标，与传统蜂窝系统不同，中继增强型蜂窝系统需要合理的分配第一子时隙和第二子时隙的系统资源，对于系统中的各个用户而言，这两个子时隙的资源分配是相互影响的，因此很难找到最优的算法，为了寻找次优的算法，常见的中继增强蜂窝系统的调度算法将两个子时隙独立考虑，即人为假设两个子时隙的调度策略互不影响，从而该系统的多用户调度算法即可看成是传统蜂窝系统下两个时隙叠加的多用户调度，从而可以应用已有的传统蜂窝系统中的多用户调度算法推广到中继增强型蜂窝系统，然后，由于人为忽略了两个子时隙调度策略的相互影响，以及是不同用户加载的不同业务的基本要求，使得系统中无线资源被浪费，系统资源利用率较低，同时还可能因为无法满足业务需求而使得系统实际通信业务量下降，丢包率及包延时增大。

综上所述，现有技术对提高系统资源利用率、频谱利用率和保证系统通信业务质量仍然存在一定的缺陷，为最大化系统和速率，最优化系统无线资源利用率，同时提高系统通信业务质量，如何在中继增强型蜂窝系统中设计一种高效的跨层多用户调度算法具有重要意义。

发明内容

技术问题：针对现有技术的缺点，本发明提供了一种能显著提高系统频谱利用率，保持多用户调度公平性并提高系统通信业务质量的基于中继增强型蜂窝系统及其跨层贪婪比例公平性调度方法。

技术方案：本发明中继增强型蜂窝系统，包括m个单天线收发机和p个单天线双向中继，m个单天线收发机中的一个单天线收发机设置为基站，单天线收发机通过单天线双向中继与用户两跳通信或者与用户直接一跳通信，其中m和p都为自然数，其特征在于充当基站的收发机还包括队列缓存器及包调度器，队列缓存器与包调度器双向连接，包调度器的输出端接充当基站的收发机的调制器的输入端。

所述的中继增强型蜂窝系统的跨层贪婪比例公平性调度方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：子时隙2中第一次调度的初始化

分别初始化当前时刻一跳用户k和两跳用户i的传输速率r_k(t)＝0、及占有的子载波集C_k＝Ф、C_i＝Ф，其中k∈U₁、i∈U₂，上标2表示两跳用户的第二跳链路，t表示当前时刻，Ф表示空集，U₁表示一跳用户集，U₂表示两跳用户集下同；

步骤2：子载波的初次分配

(1)采用所有子载波n上一跳用户k和两跳用户i的传输速率r_k，n(t)、r_i，n⁽²⁾(t)，选择具有最大值的用户k^*，其中n∈{1，2，…，N}为子载波索引号，N为子载波数，n、N都为自然数，R_k(t)、R_i(t)分别表示一跳用户k和两跳用户i在前t个时刻的平均传输速率，下同；

(2)将所有子载波n分配给步骤(1)所述的用户k^*，同时更新该用户在当前时刻的传输速率r_k*(t)及占用子载波集其中←表示赋值，表示步骤(1)所述的用户k^*在子载波上的传输速率，下同；

(3)当步骤(1)所述的用户k^*∈U₁，则更新该用户缓存队列长度为当步骤(1)所述的用户k^*∈U₂，则更新该用户所属中继站中的缓存队列长度为其中F表示基站业务队列缓存长度，T₀表示一个调度时隙，表示步骤(1)所述的用户k^*的传输速率；

(4)更新可调度用户集

当被调度的步骤(1)所述的用户k^*的缓存队列长度或该用户所属中继站中的缓存队列长度则将该用户从可调度用户集中去除，即U₁←U₁-{k^*}或U₂←U₂-{k^*}；

步骤3：更新一跳用户k和两跳用户i在前t+1时刻的平均传输速率R_k(t+1)，R_i(t+1)，k∈{1，2，…，K}；

步骤4：子时隙2中第二次调度的初始化

初始化可被再次分配的子载波集A_δ＝Ф、及其所属的用户集δ＝Ф；

步骤5：基于步骤(4)更新系统后的可调度用户集对用户分类，同时获得可被重新分配的子载波集

当下一时刻即t+1时刻一跳或两跳用户k，i满足r_k(t+1)≥max{α_k，β_k}或则δ←δ+{k}、A_δ←A_δ+C_k或δ←δ+{i}、A_δ←A_δ+C_i，其中max{·}为最大化算子，min{·}为最小化算子，α，β表示保证用户丢包率约束和包延时约束的传输速率的下界，下同；

步骤6：重新调度步骤5所述的可被再次调度的子载波

(a)当所有可被再次调度的子载波n′∈A_δ满足r_k(t+1)-r_k，n′(t+1)≥max{α_k，β_k}或则所述可被再次调度的子载波可以被重新调度；

(b)确定步骤a所述的可被重新调度的子载波中具有最大值的用户j^*，其中j∈δ^c，δ^c为不满足业务需求约束用户集，r_j，n′(t+1)、r_j，n′⁽²⁾(t+1)分别为不满足业务需求约束用户j中一跳和二跳用户在步骤a所述的可被重新调度的子载波上的传输速率，R_j(t+1)为不满足业务需求约束用户j在前t+1时刻的平均传输速率，下同；

(c)将步骤a所述的可被再次调度的子载波分配给步骤b所述的用户j^*，同时更新该用户的传输速率和所占有的子载波集：或同时更新原用户m的传输速率和所占有的子载波集：r_m(t+1)←r_m(t+1)-r_m，n′(t+1)或C_m(t+1)←C_m(t+1)-{n′}，m∈δ；

(d)更新步骤a所述的可被再次调度的子载波集，即A_δ←A_δ-{n′}；

(e)当或则步骤b所述的用户j^*从不满足业务需求约束用户集中移除，即δ^c(t+1)←δ^c(t+1)-{j^*}；

(f)当步骤b所述的用户j^*为两跳用户，则更新该用户所属中继的二跳链路容量步骤b所述的用户j^*属于中继l辖区；

步骤7：经过两次调度后，更新一跳用户k和两跳用户i再下一时刻t+2时刻的平均传输速率R_k(t+2)，R_i(i+2)，k∈{1，2，…，K}；

步骤8：重复步骤1至步骤7完成子时隙1的调度。

有益效果：本发明提出了一种基于中继增强型蜂窝系统下的跨层多用户调度算法。整个资源调度分两步完成。首先，系统根据物理层信息实现中继辅助两跳通信的贪婪比例公平性资源调度，完成对系统资源的第一次分配。其次，为了提高系统通信业务质量，综合考虑系统中不同用户所加载的不同业务的需求，对系统资源进行第二次分配，尽量保证满足各用户通信业务的同时提高系统资源利用率等性能。随着用户数的增加，系统的容量不断提升。这是因为，跨层调度充分利用了多用户分集增益。但系统用户数上升时，多用户增益增大，从而系统“和容量”也随之上升。与常见的中继增强型蜂窝系统中贪婪调度和比例公平性调度相比，本发明提出的新型跨层调度算法大大提升了系统多业务的传输性能，只有少量的用户无法满足其业务对包延时的要求，同时几乎所有用户均满足其业务的丢包率要求。这是因为，跨层调度综合考虑了系统多用户不同业务的通信约束和物理层性能，最大化系统“和容量”的同时，尽量满足了多用户不同业务的通信约束。综合可得出结论，本发明提出的新型跨层调度算法，在加载了多业务的中继增强型蜂窝系统中，其性能优于常见的贪婪调度及比例公平性调度。

附图说明

图1是本发明的中继增强型蜂窝系统图

图2是本发明的跨层调度机结构示意图。

图3是本发明的通信系统组成结构示意图。

图4是在中继增强系统中不同多用户调度算法下，中继增强型蜂窝系统跨层调度的系统“和容量”性能随用户数变化而变化的仿真曲线。

图5是在中继增强系统中不同多用户调度算法下，中继增强型蜂窝系统跨层调度的包延时性能仿真曲线。

图6是在中继增强系统中不同多用户调度算法下，中继增强型蜂窝系统跨层调度的丢包率性能仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2、图3所示，通信系统结构包括多个单天线收发机(既是发射机也是接收机，其中一个做为基站，其余的做为用户)和多个单天线双向中继，每个收发机都由一个正交频分复用(OFDM)调制器、一个OFDM解调器、而充当基站的收发机还包括多个用户缓存队列及包调度器，中继由一个OFDM调制器、一个OFDM解调器和所辖不同用户不同业务的缓存队列组成，该中继为半双工放大转发中继。该多用户通信系统采用OFDMA的方式作为多址接入方式，该系统的全频带被划分为N个子载波，在不同的时隙中，系统根据联合路由选择和比例公平性调度准则将N(N为自然数)个子载波被分为两个子集(子信道)，子载波1，…，N_1，τ被分配给两跳用户，子载波N_1，τ…，N被分配给一跳用户(其中下标中的τ表示时隙号，当τ＝1是表示子时隙1，τ＝2表示子时隙2)。

本发明的实施例公开了一个完整的通信资源调度过程分为两部分，首先，仅考虑系统物理层指标，在两跳通信中使用贪婪比例公平性多用户调度策略为系统中多用户完成资源调度，其次，结合系统中不同用户的不同业务要求，将系统资源进行二次调度，在保证满足各用户通信业务基本要求的前提下最优化系统资源利用率，该方法的调度准则如下：

$\pi :\underset{\left\{d\left(t\right)\right\}}{\max }\underset{\tau =1}{\overset{2}{\Sigma }}\underset{k\in U_1}{\Sigma }{\log }_2(1+\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{r}_{k,n}\left(t\right)·d_{k,n,\tau }\left(t\right)}{(t_c-1)\overline{R_k\left(t\right)}})$

$+\underset{i\in U_2}{\Sigma }{\log }_2(1+\frac{\min \{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{r}_{i,n}^{\left(1\right)}\left(t\right)·d_{i,n,1}\left(t\right),\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{r}_{i,n}^{\left(2\right)}\left(t\right)·d_{i,n,2}\left(t\right)\}}{(t_c-1)\overline{R_i\left(t\right)}})$

约束条件为：

$\left(1\right),\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{d}_{k,n,\tau }\left(t\right)=1,d_{k,n}\left(t\right)=\left\{\mathrm{0,1}\right\},\forall \tau \in \left\{\mathrm{1,2}\right\}$

$\left(2\right),r_k\left(t\right)\le \frac{Q_k\left(t\right)·F}{T_0},\forall k\in U_1$

$r_i^{\left(1\right)}\left(t\right)\le \frac{Q_i^{\mathrm{bs}}\left(t\right)·F}{T_0},r_i^{\left(2\right)}\left(t\right)\le \frac{Q_i^{\mathrm{relay}}\left(t\right)·F}{T_0},\forall i\in U_2$

$\left(3\right),r_k\left(t\right)\ge \max \{{\alpha }_k,{\beta }_k\},\forall k\in U_1$

$r_i^{\left(2\right)}\left(t\right)\ge \max \{{\alpha }_{i,2},{\beta }_{i,2}\},\forall i\in U_2$

上述调度准则中，N为子载波数，K为用户数，U₁表示一跳用户集，U₂表示两跳用户集，k表示一跳用户索引号，i表示两跳用户索引号，n∈{1，2，…，N}为子载波索引号，τ∈{1，2}为时隙索引号。r_k，n(t)，r_i，n(t)表示t时刻，用户k和用户i在子载波n上的传输速率。R_k(t)，R_i(t)表示用户k和用户i在前t个时刻的平均传输速率。d_k，n，τ(t)表征了t时刻，子载波n在时隙τ是否分配给了用户k。Q_k(t)，Q_i(t)表示用户k和用户i的缓存队列长度，F表示系统基站业务队列缓存长度，T₀表示一个调度时隙，t_c表示经历的时间。α，β分别为保证用户丢包率约束和包延时约束的传输速率r(t)的下界。S_j表示中继j辅助通信的用户集。max{·}-最大化算子，min{·}-最小化算子，∑(·)-求和运算。下同。

该方法的具体步骤如下：

步骤1：完成子时隙2中第一次调度(即仅考虑物理层的贪婪比例公平性调度)的初始化：对于所有用户k∈U₁，i∈U₂，初始化该时刻的传输速率r_k(t)＝0，及各用户所占有的子载波集C_k＝Ф，C_i＝Ф。(其中上标(2)表示两跳用户的第二跳链路，Ф表示空集。)

步骤2：为了优化第一次调度中的系统资源利用率，采用贪婪比例公平性多用户调度策略，完成对系统子载波的初次分配。

对于所有子载波n＝1∶N，进行如下循环调度：

(1)计算该子载波n下各用户传输速率{r_k，n(t)，r_i，n⁽²⁾(t)}，k∈U₁，i∈U₂，选择具有最大值的用户k^*。

(2)将该子载波分配给用户k^*，同时更新该用户在时刻t的传输速率r_k*(t)及占用子载波集

(3)若k^*∈U₁，更新该用户缓存队列长度为若k^*∈U₂，更新该用户所属中继站中的缓存队列长度为

(4)基于此次调度结果及调度准则中的约束条件(2)，更新系统的可调度用户集：

如果被调度用户k^*的缓存队列长度或则将该用户从可调度用户集中去除，即U₁←U₁-{k^*}或U₂←U₂-{k^*}。

步骤3：更新一跳用户k和两跳用户i在前t+1时刻的平均传输速率R_k(t+1)，R_i(t+1)，k∈{1，2，…，K}；

步骤4：子时隙2中第二次调度(即为不同用户加载的不同业务要求进行的系统资源再调度)的初始化：初始化可被再次分配的子载波集A_δ＝Ф，及其所属的用户集δ＝Ф。

步骤5：根据第一次调度结果对用户分类，同时获得可被重新分配的子载波集：

根据满足调度准则的约束条件(3)将用户分类，并获得可重新分配的子载波资源：若一跳或两跳用户k，i满足r_k(t)≥max{α_k，β_k}或则δ←δ+{k}，A_δ←A_δ+C_k，或δ←δ+{i}，A_δ←A_δ+C_i。

步骤6：重新调度步骤5所述的可被再次调度的子载波

(a)当所有可被再次调度的子载波n′∈A_δ满足r_k(t+1)-r_k，n′(t+1)≥max{α_k，β_k}或则所述可被再次调度的子载波可以被重新调度；

(b)确定步骤a所述的可被重新调度的子载波中具有最大值的用户j^*，其中j∈δ^c，δ^c为不满足业务需求约束用户集，r_j，n′(t+1)、r_j，n′⁽²⁾(t+1)分别为不满足业务需求约束用户j中一跳和二跳用户在步骤a所述的可被重新调度的子载波上的传输速率，R_j(t+1)为不满足业务需求约束用户j在前t+1时刻的平均传输速率，下同；

(c)将步骤a所述的可被再次调度的子载波分配给步骤b所述的用户j^*，同时更新该用户的传输速率和所占有的子载波集：或同时更新原用户m的传输速率和所占有的子载波集：r_m(t+1)←r_m(t+1)-r_m，n′(t+1)或C_m(t+1)←C_m(t+1)-{n′}，m∈δ；

(d)更新步骤a所述的可被再次调度的子载波集，即A_δ←A_δ-{n′}；

(e)当或则步骤b所述的用户j^*从不满足业务需求约束用户集中移除，即δ^c(t+1)←δ^c(t+1)-{j^*}；

(f)当步骤b所述的用户j^*为两跳用户，则更新该用户所属中继的二跳链路容量步骤b所述的用户j^*属于中继l辖区；

步骤7：经过两次调度后，更新一跳用户k和两跳用户i再下一时刻t+2时刻的平均传输速率R_k(t+2)，R_i(i+2)，k∈{1，2，…，K}

步骤8：子时隙1的调度，基于满足两跳用户第二跳链路容量最大化准则，完成这些节点所属中继节点的第一跳资源调度。

根据获得的各中继第二跳传输速率{R_l，2(t)}及调度准则约束条件(3)下的中继约束，调度子载波集，并更新剩余可用子载波集。完成调度后需要满足：(B_relay表示中继节点集)，R_l，1(t)≥R_l，2(t)(S_l表示中继l辅助通信的用户集)

步骤9：利用剩余子载波，完成一跳用户在子时隙1的子载波调度，同时需要满足这些用户的不同业务需求的约束：

(g)第一次调度：基于调度准则中约束条件(1)(2)的比例公平性调度算法步骤；

(h)第二次调度：基于各用户加载业务需求的要求重新分配子载波。

图4给出了中继增强型蜂窝系统中跨层调度的系统“和容量”性能，与常见的贪婪调度和比例公平性调度相比，本发明提出的新型跨层调度算法可提高系统“和容量”。这是因为，所提出的跨层调度算法联合考虑了系统多用户的不同业务性能约束和系统“和容量”，在尽量满足了用户不同业务的性能约束下，最大化系统“和容量”。而贪婪调度和比例公平性调度没有考虑多种业务的性能约束，使得系统中各用户的业务无法正确传输，影响了系统“和容量”。同时，随着用户数的增加，系统的容量不断提升。这是因为，跨层调度充分利用了多用户分集增益。但系统用户数上升时，多用户增益增大，从而系统“和容量”也随之上升。

图5～图6给出了中继增强型蜂窝系统中跨层调度的包延时和丢包率性能。与常见的贪婪调度和比例公平性调度相比，本发明提出的新型跨层调度算法大大提升了系统多业务的传输性能，只有少量的用户无法满足其业务对包延时的要求，同时几乎所有用户均满足其业务的丢包率要求。这是因为，跨层调度综合考虑了系统多用户不同业务的性能约束和物理层性能，最大化系统“和容量”的同时，尽量满足了多用户不同业务的性能约束。

综合以上仿真结果，可得出结论，所提出的新型跨层调度算法，在加载了多业务的中继增强型蜂窝系统中，其性能优于贪婪调度及比例公平性调度。