中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法

摘要

本发明公开了一种中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法，所述调度方法中的中继辅助和多小区协作通信系统包括M个小区，一个小区包含一个发射端、L个中继转发站、N个移动接收端，所述中继辅助和多小区协作通信系统中一个小区在同一时频资源上每次传输仅调度一个移动接收端；本发明提供的一种中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法，可以在小区间有限协作和保证用户公平性的前提下，自适应的进行小区间干扰协调，显著提升了通信系统的频谱效率；与传统的基于信道状态的无线资源调度技术相比，该自适应的干扰协调方案是最优的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法。

背景技术

早期有关动态资源调度问题的研究主要局限于单小区系统，每个发射端单独处理其服务小区内所有移动接收端的信号；将来自其他小区的移动接收端信号作为干扰信号，从而导致了多小区系统干扰受限的特性，这对于小区边缘处的移动接收端尤为突出。如何更好地调度多小区的移动接收端，使得所调度的移动接收端能够更加合理地使用系统资源，以便有效地弱化小区间干扰的不利影响，是多小区动态资源调度所要解决的关键问题。

我们通常采用基于信道状态的无线调度算法和链路自适应策略来提升通信系统的频谱效率。在实际环境中，下行链路的无线资源管理通常是基于预测的下行链路信道条件进行的。传统蜂窝网络中，各小区的发射机均为发射端，因此，在一定的时间范围内，我们可以通过信道预测来充分利用各移动接收端信道的差异性。然而，由于包含中继转发站的蜂窝网络中各小区的发射机状态（扇区内的发射端和中继转发站交替处于ON/OFF状态）是随着时间改变的，根据当前测量的信道条件无法预测下一时刻的信道状态，这种现象本发明称之为干扰不确定性。此时，我们很难利用传统的方法进行链路自适应和基于信道状态的无线资源管理。

本发明提出了一种适用于中继辅助和多小区协作通信系统的新型无线资源调度方法，可以在保证移动接收端公平性和小区间仅交换有限信息的前提下实现系统频谱效率的最大化。所提算法采用扩展的比例公平算法(PF)保证移动接收端间的公平性；针对干扰不确定性导致比例公平调度算法可能调度到信道条件较差移动接收端的情况，本发明利用基于多小区协作的自适应干扰协调技术进行无线资源分配的进一步优化。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法，在保证移动接收端公平性以及小区间仅交换有限参数的前提下获得更高的频谱效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法为：所述调度方法中的中继辅助和多小区协作通信系统包括M个小区，一个小区包含一个发射端、L个中继转发站和N个移动接收端，所述中继辅助和多小区协作通信系统中一个小区在同一时频资源上每次传输仅调度一个移动接收端，其中M是大于1的整数，L、N均是大于或等于1的整数；所述调度方法包括如下步骤：

1）移动接收端确定服务节点和主干扰节点，并将该服务节点和主干扰节点的相关信息反馈至所属小区的发射端；

2）各发射端利用相应的无线资源调度算法分别为所服务的移动接收端分配时频资源块，再与相邻小区交换本小区的时频资源分配信息；

3）各发射端根据相邻小区的时频资源分配信息，自适应的对被调度的移动接收端进行干扰协调；

4）各发射端分别为被调度的移动接收端自适应的选择调制和编码方式；

5）各发射端和中继转发站利用前一次调度所分配的时频资源以及确定的调制编码方式向移动接收端发送信号；

6）移动接收端根据系统配置采用对应的接收机接收信号，并进行解码和处理。

所述步骤1）中，移动接收端确定服务节点和主干扰节点的方法是移动接收端接收下行链路的参考信号并计算各发射端的接收功率，再确定服务节点和主干扰节点。

所述步骤1）中，所述服务节点和主干扰节点的相关信息包括服务节点和主干扰节点的索引号以及相应的接收功率。

所述步骤2）中，利用相应的无线资源调度算法分别为所服务的移动接收端分配时频资源块的方法是：发射端利用基于信道状态的无线资源调度算法和当前信道状态信息为所服务的移动接收端分配时频资源，再与相邻小区交换本小区的时频资源分配信息。

所述本小区的时频资源分配信息是本小区的时频资源块在发射端和中继转发站间的分配情况。

所述步骤3）中，各发射端根据相邻小区的时频资源分配信息，自适应的对被调度的移动接收端进行干扰协调的方法是：各发射端根据相邻小区的时频资源分配信息预估被调度移动接收端的接收信干噪比，再根据预估的信干噪比进行自适应的干扰协调。

所述自适应的干扰协调为：若被调度的移动接收端在下一时隙的预估信干噪比低于预设的信干噪比门限，则对该移动接收端进行干扰协调；否则不做任何处理。

所述步骤4）中，各发射端分别为被调度的移动接收端自适应的选择调制和编码方式是发射端根据预估的信干噪比，并利用传统的链路自适应技术为被调度的移动接收端自适应的选择调制和编码方式。

所述步骤5）中，各发射端和中继转发站利用前一次调度所分配的时频资源以及确定的调制编码方式向移动接收端发送信号的方法是：发射端和中继转发站根据系统配置以及确定的调制和编码方式对移动接收端的信号做出相应的处理，然后在预先分配的时频资源上发送信息。

所述调度所分配的时频资源是发射端根据基于信道状态的无线调度算法和自适应的干扰协调技术进行调度后，为移动接收端分配的无线资源。

当发射端采用基于信道状态的无线资源调度算法时，本发明采用一种新型的比例公平调度算法，具体方式如下：发射端与一跳移动接收端之间的宏接入链路瞬时速率                                                其中上式中为第条宏接入链路的瞬时可达数据速率。

发射端与两跳移动接收端之间的等效链路瞬时速率为其中上式中为第条中继转发站与移动接收端接入链路间的瞬时可达数据速率，为该中继转发站与发射端间的瞬时可达速率。这些两跳链路等效的虚拟链路将与发射端的宏接入链路一起竞争系统的无线资源。

得到上述等效的瞬时可达速率后，本专利将根据传统的比例公平算法为中继转发站和移动接收端分配时频率资源块，为第条链路在过去一段时间的平均数据速率。

发射端根据相邻小区的时频资源分配信息、移动接收端反馈的服务节点及主干扰节点的索引号和下行链路参考信号接收功率值，预估该被调度移动接收端的接收信干噪比值，可以表示为

其中为服务节点的下行链路接收功率值，为第个主干扰节点的下行链路接收功率值，类似于ON/OFF开关，当干扰节点在调度该移动接收端的时频资源块上也要发送信号时，值为1；否则，值为0 。是加性高斯白噪声。

有益效果：本发明提供的中继辅助通信系统中考虑多小区协作时的无线资源调度方法，首先各小区分别利用扩展的比例公平算法分布式地进行无线资源调度，该算法综合考虑了两跳链路（发射端-中继转发站链路和中继转发站-移动接收端链路）的信道条件。其次，针对中继辅助和多小区协作通信系统中干扰源的不确定性，相邻小区间需要共享时频资源块的分配信息，再进一步利用兼顾调度公平性的干扰协调技术避免调度信道条件极差的移动接收端，消除了干扰波动对基于信道状态的无线资源调度算法的影响。最后，根据移动接收端反馈的主干扰源信息及下行链路参考信号接收功率值预测移动接收端的接收信干噪比，并利用预测的信干噪比和传统的链路自适应策略为移动接收端选择调制和编码方式。在中继辅助多小区通信系统中，与传统的比例公平算法相比，本发明方法可以在小区间仅交换有限信息和保证移动接收端公平性的前提下显著提升小区边缘移动接收端频谱效率和小区平均频谱效率。

附图说明

图1为本发明方法中的中继辅助和多小区协作通信系统的结构示意图；

图2为本发明方法的算法流程图；

图3为本发明新型比例公平调度算法中回程链路与虚拟链路的映射；

图4为本发明方法的移动接收端频谱效率累积概率分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

所述无线资源调度方法中的中继辅助和多小区协作通信系统包括一个M个小区的协作簇、一个小区包含L个中继转发站和N个移动接收端，所述中继辅助和多小区协作通信系统中的一个小区内，每次传输在同一时频资源上仅调度一个移动接收端；其中M是大于1的整数，L、N均是大于或等于1的整数；所述无线资源调度方法包括如下步骤：

1）移动接收端接收下行链路的参考信号，并据此计算来自各发射端的参考信号接收功率值，再确定该移动接收端的服务节点和主干扰节点，并将该服务节点和主干扰节点的相关信息反馈给所属小区的发射端；所述相关信息可以为该节点的索引号和参考信号接收功率值；

2）发射端根据无线资源调度策略及当前信道状态分布式地为各自所服务的移动接收端分配时频资源，再与相邻小区交换本小区的无线资源分配信息；所述资源分配信息可以为时频资源块在发射端和中继转发站间的分配信息，比如“0”表示发射端将在该时频资源块上发送信息，“K”（取值范围是1,…,N，对应于中继转发站在本小区的索引号）表示第K个中继转发站将在该时频资源块上发送信息；

3）发射端利用相邻小区的时频资源块分配信息以及所述步骤1）中移动接收端的反馈信息预估被调度移动接收端的接收信干噪比，并进行自适应的干扰协调；

4）发射端根据预估的信干噪比和传统的链路自适应技术为被调度的移动接收端选择调制和编码方式；

5）发射端和中继转发站根据系统配置以及既定的调制编码方式对需要发送的信号进行相应的处理后，发送给移动接收端；

6）移动接收端接收信号，并进行处理。

所述步骤1）中，移动接收端根据下行链路参考信号的接收功率值确定服务节点和主干扰节点，并将上述节点的相关信息反馈给所属小区的发射端；比如将该节点的索引号和接收功率值（线性量化后）反馈给所属小区的发射端。

所述步骤2）中，各发射端分布式地为所服务的移动接收端分配无线资源，并将该无线资源分配情况的相关信息发送给相邻小区；比如将代表该资源分配情况的信息（所需比特数为小区内的资源块数目）发送给相邻小区。

所述步骤2）中，所述相邻小区为被调度移动接收端所属小区周围的第一层小区。

所述无线资源调度方法中，移动接收端首先需要根据下行链路参考信号的接收功率值，判断某一发射端是否为该移动接收端的主干扰节点，若判断结果为是，即该发射端干扰较大时，则在步骤1）中，移动接收端将该发射端的索引号和相应的接收功率值反馈给所属小区的发射端；步骤3）中，预估移动接收端的接收信干噪比时，需要考虑该发射端的干扰，以更好的进行链路自适应和干扰协调。若判断结果为否，则在步骤1）中，移动接收端不需要反馈该发射端的任何信息，以降低反馈开销；步骤3）中，预估移动接收端的接收信干噪比时，不需要考虑该发射端的干扰。

所述移动接收端可以获取全部的下行链路参考信号，且能得到各发射端下行链路参考信号的接收功率值，并确定服务节点和主干扰节点，再将相应节点的索引号和接收功率值反馈给所属小区的发射端。

所述无线资源调度策略为基于信道状态的无线资源调度策略。

所述各小区均需要使用相同的资源块调度单元，所述资源块调度单元至少包含一个时频资源块；所述步骤2）中，各发射端根据无线资源调度策略和当前信道状态分布式地为所服务的移动接收端分配时频资源块，并将代表各自所属小区时频资源块分配情况的信息发送至相邻小区，所述代表各自所属小区资源分配情况的信息由一连串发射端或中继转发站在本小区的索引号组成。

所述自适应的干扰协调技术为发射端预估被调度移动接收端的接收信干噪比值，并判断该值是否大于系统预设的信干噪比门限值，若判断结果为是，即下一时隙，该移动接收端收到的干扰较大时，则步骤3）中，将改为调度与该移动接收端处于同一服务节点下的信道条件较好的其他移动接收端。若判断结果为否，即下一时隙，该移动接收端受到的干扰较小时，则步骤3）中，对于本次调度不做任何处理。

所述步骤4）中，发射端利用预估的接收信干噪比为被调度的移动接收端自适应的选择调制和编码方式。

所述步骤6）中，移动接收端根据系统配置采用相应的接收机接收信号，并对接收到的信号进行解码和处理。

所述步骤1）中移动接收端经过计算下行链路参考信号接收功率得到的主干扰节点过多时，将选择干扰最大的一个以上干扰节点作为该移动接收端的主干扰节点，以降低反馈开销。

如图2所示为本发明方法的算法流程图。图2中首先由各发射端根据新型的比例公平算法分布式地为所服务小区的移动接收端分配时频资源块；然后，发射端将时频资源块的分配情况发送给相邻小区；再次，各发射端根据相邻小区的资源分配情况和移动接收端的反馈信息预估被调度移动接收端的接收信干噪比，并进行相应的自适应干扰协调；最后，各发射端根据预测的接收信干噪比为被调度的各接收端自适应地选择调制和编码方式。此时一个完整的无线资源调度过程完成：发射端和中继转发站根据系统配置以及确定的调制编码方式对需要发送的信号进行相应的处理后，发送给移动接收端；移动接收端接收信号，并进行处理。具体算法如下：步骤a：确定服务节点和主干扰节点

（a1）移动接收端根据下行链路的参考信号计算各发射端的接收功率值，并选择下行链路参考信号接收功率最大的节点为服务节点；此时服务节点所在的小区即为该移动接收端的所属小区；

（a2）若移动接收端由第K个发射节点得到的参考信号接收功率与其服务节点参考信号接收功率的差值小于预设的门限，此时，即第K个发射节点为移动接收端的主干扰节点；所述第K个发射节点可以为除服务节点外的任一发射节点；若由此计算得到的主干扰节点数目超过了系统所设的上限，则选取对移动接收端干扰最大的一个以上节点作为其主干扰节点；

（a3）移动接收端将服务节点和主干扰节点的索引号和接收功率值反馈给所属小区的发射端。

步骤b：采用扩展的比例公平调度算法分配无线资源

（b1）无线资源分配

（b1-1）对于宏接入链路：

其中为第跳链路的瞬时可达数据速率

（b1-2）对于发射端和移动接收端之间通信需要中继转发站进行转发的两跳链路：

其中为中继转发站所辖移动接收端的瞬时可达速率，为发射端和中继转发站间回程链路的瞬时速率。此时，移动接收端的两跳平均速率将作为该两跳链路的等效速率，回程链路与虚拟链路的映射如图3所示，该等效链路将与宏接入链路一起竞争系统的无线资源，

其中为第条链路在过去一段时间的平均数据速率。

（b2）发射端将本小区时频资源块在发射端和中继转发站间的分配情况发送给相邻小区

步骤c：步骤b根据基于信道状态的无线资源调度算法和当前信道状态信息完成了小区内无线资源的初步分配，为了获得更好的系统性能，需要进一步进行自适应的干扰协调

（c1）各发射端根据相邻小区的资源分配情况和移动接收端的反馈信息，预测被调度移动接收端的接收信干噪比

其中为服务节点的接收功率，为第个主干扰节点的接收功率，类似于ON/OFF开关，当干扰节点在调度该移动接收端的时频资源块上也要发送信号时，值为1；否则，值为0 。是加性高斯白噪声（c2）自适应干扰协调（c2-1）当预测的移动接收端接收信干噪比大于预设门限时：此时，说明被调度的移动接收端信道条件较好，不做任何处理。 （c2-2）当预测的移动接收端接收信干噪比低于预设门限时：则认为被调度的移动接收端信道条件很差。此时发射端将利用步骤a中所采用的调度算法改为调度和该移动接收端处于同一服务节点下的信道条件较好的其余移动接收端。此时，虽然改变了被调度的移动接收端，但是由于其和原移动接收端属于同一服务节点，发射端和中继站间的资源分配情况并没有改变。因此对于其他被调度的移动接收端来说，其干扰情况并没有受到任何影响。需要说明的是，当连续多次调度的移动接收端均因为干扰协调的原因而不被调度时，将不再对该移动接收端进行干扰协调；同时，如果多次干扰协调后，均改为调度相同的某一移动接收端时，以后的干扰协调将不考虑调度该移动接收端；这将保证信道条件极差移动接收端的调度公平性，以及避免多次调度信道条件极好的移动接收端。

图4为不同情况下移动接收端频谱效率的性能比较。仿真参数与3GPP TR36.814技术文档中表A.2.2-1中参数一致。如图所示，本发明的性能曲线与扩展的比例公平算法及传统的比例公平算法的性能曲线趋势相同，故本发明并没有影响移动接收端之间的公平性。干扰状态的不确定性严重影响了比例公平性调度算法的性能。新型比例公平算法综合考虑了两跳链路的信道条件，故性能优于传统的比例公平调度算法。本发明由于合理地避免了干扰不确定性的影响，显著提升了小区总体和边缘移动接收端的频谱效率，很好的获得了引入中继所带来的性能增益。增益主要来自于四个方面，中继的引入提升了边缘移动接收端的信道条件，采用基于小区间有限协作的无线资源调度算法可以有效避免干扰不确定性对调度算法的影响，更加精确的信干噪比估计可以更好的进行链路自适应，发射端处于休眠状态时降低了小区间的干扰。在中继增强型蜂窝网络中，与传统的比例公平算法相比，本发明可以在小区间仅交换有限信息和保证用户公平性的前提下显著提升小区边缘移动接收端频谱效率和小区平均频谱效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。