專利名稱：一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法
技術領域：
本發明屬于移動通信、無線通信領域，涉及中繼協作系統，具體涉及一種應用于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法。
背景技術：
近年來，隨著無線通信的迅猛發展，無線系統所產生的碳排放逐年增高，同時，其運營成本也在大幅攀升。于是，在追求高頻譜效率的同時，人們越來越關注無線系統的能量效率。能量效率通常被定義為每消耗單位能量所能傳輸的比特數，在計算能量效率時， 不僅要考慮為了發送信息比特所消耗的能量，同時也要考慮無線系統的訓練信令以及電路所產生的能耗。中繼協作系統可以通過在源節點與目的節點間插入中繼節點，將一個長距傳輸化為幾個短距傳輸，節省發射能耗，因而被認為一種能量有效的傳輸方案。實際無線系統中的中繼節點多為半雙工節點，需要占用兩組正交信道，分別分配給源-中繼鏈路以及中繼-目標鏈路，才能將一組信息從源節點傳輸給目的節點，因此，在高信噪比下，單向中繼系統的頻譜效率與直接傳輸相比大約下降1/2。雙向中繼系統通過借助網絡編碼技術，同樣占用兩組正交信道，卻可同時完成兩個信息節點間兩組信息的雙向交互，避免了單向中繼系統中 1/2的頻譜效率損失，因而，雙向中繼系統與單向中繼系統相比，頻譜效率更高。延時受限業務是指系統周期性地產生一組信息比特，并且每組信息比特必須在規定時長內傳輸完畢。這種業務類型應用較為廣泛，例如無線傳感網，IP語音業務等都是典型的延時受限業務。延時受限業務只限制每組信息比特的最長傳輸時間，因此，在滿足最長傳輸時間約束的前提下，延時受限系統允許調整每組信息比特的傳輸時間。在給定待傳輸數據量時，系統發射數據所產生的能耗隨傳輸時間的增長而降低，而系統電路所產生的能耗隨傳輸時間的增長而增長，因此通過調整傳輸時間，延時受限系統可以對發射能耗和電路能耗進行折衷，從而降低無線系統的總能耗。當兩個信息節點通過一個放大轉發中繼進行雙向信息交互，且業務類型為延時受限業務時，當前的研究結果表明，若無線系統以最優的傳輸時間和最優的發射功率進行傳輸，雙向中繼的能量效率并不一定總是高于單向中繼。當兩個方向上待傳輸數據量相同時， 雙向中繼的能量效率總是優于單向中繼，但是當兩個方向上待傳輸數據量相差較大時，單向中繼的能量效率可能優于雙向中繼。根據目前的研究結果，從最大化無線系統能量效率的角度出發，單向中繼和雙向中繼各自適用于不同的應用場景。目前，亟待一種中繼傳輸方案可以在各種不同的應用場景下均提供較高的能量效率。
發明內容
本發明所要解決的問題是提供一種可以在各種不同的應用場景下均具有較高的能量效率的中繼傳輸方案。本發明提出一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，將每組待傳輸信息比特被分為兩部分，分別使用單向和雙向中繼傳輸方式進行傳輸， 通過優化這兩部分的比特分配，使得無線系統的能量效率高于單純的采用單向中繼傳輸方式或米用雙向中繼傳輸方式。本發明提出一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，應用于如下場景兩個信源節點A和B通過一個放大轉發中繼節點交互信息，在每段時間T內，信源節點A傳輸Bab個比特信息量，信源節點B傳輸Bba個比特信息量；具體步驟如下步驟I :判斷兩個信源節點的待傳輸數據量Bab和Bba的大小關系，將待傳輸信息數據量較大的信源節點標記為信源I，另一個信源節點標記為信源2,令Bmax = max {Bab, BbJ , Bfflin = min {Bab, BbJ，則信源I的待傳輸信息的數據量為Bmax個比特，信源2的待傳輸信息的數據量為Bmin個比特。 步驟2 :將信源I待傳輸信息分為兩部分，第一部分信息為Bmin個比特，第二部分信息為(Bniax-Bniin)個比特。步驟3 :設定待傳輸信息的傳輸方式將信源2的全部待傳輸的Bmin個比特信息設定采用雙向中繼傳輸方式；將信源I的第一部分Bmin個比特信息設定采用雙向中繼傳輸方式，將第二部分(Bmax-Bmin)個比特信息設定采用單向中繼傳輸方式。步驟4:使用經典的凸優化方法確定單、雙向中繼傳輸階段各自的最優傳輸時長 ΓΓ,Γ:，以及單、雙向中繼傳輸階段中信源1、2和中繼節點的最優發射功率。步驟5 :按照步驟3設定的傳輸方式以及步驟4確定的最優發射功率，在時長內，使用雙向中繼傳輸方式分別在兩個方向傳輸Bmin個比特信息，然后在Τ；:時長內，使用單向中繼傳輸方式將待傳輸數據量較大的節點，即信源I的剩余的(Bmax-Bmin)個比特信息傳輸給其目的節點，即信源2。本發明提出的一種混合中繼傳輸方法,其優點和積極效果在于通過比特分配，將雙向待傳輸信息分割為兩部分，分別使用雙向和單向中繼傳輸方式進行傳輸，其中雙向中繼傳輸的部分，兩個方向的傳輸數據量相等，單向中繼傳輸的部分，只有一個方向上有數據傳輸。這樣同時利用了雙向中繼在雙向數據量相等的場景下能量效率高的優勢，以及單向中繼在雙向數據量不對稱的場景下能量效率高的優勢，因而可以大大提高無線系統的能量效率。
圖I為本發明混合中繼傳輸方法所應用的場景示意圖；圖2為本發明混合中繼傳輸方法的整體步驟流程圖；圖3為本發明混合中繼傳輸方式的比特劃分及傳輸方式框圖；圖4為采用本發明混合中繼傳輸方式與采用單純的單向或雙向中繼傳輸方式的能量效率對比示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明的技術方案做進一步的說明。分析目前中繼協作系統的實際應用情況，會發現當兩個方向上待傳輸數據量相同時，雙向中繼能量效率更高，而當兩個方向上待傳輸數據量相差較大時，單向中繼能量效率更高。基于這一分析，本發明提供的混合中繼傳輸方案，通過將待傳輸比特分配為兩部分， 分別通過單向、雙向中繼傳輸方式進行傳輸，高能效地完成兩個信息節點間的雙向信息交互。如圖I所示，兩個信源節點A和B通過一個放大轉發中繼節點交互信息，本發明針對延時受限業務，即信源處的信息周期性地產生且每組信息必須在一定的時長T內傳輸完畢。在每段時長T內，信源節點A傳輸Bab個比特，信源節點B傳輸Bba個比特，圖I中A — B 表示信源A經中繼向信源B傳輸數據，B — A表示信源B經中繼向信源A傳輸數據。數據傳輸占用的帶寬為W。信源節點A、B與中繼節點間的信道系數分別為與hfc，各節點接收機噪聲方差均為Ntl，各個節點在發射狀態、接收狀態以及空閑狀態中的電路功耗都分別為P' Par以及Fi,各節點最大發射功率均為Pmax，各節點發射機功放效率因子為ε。如圖2所示，為本發明提出的基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法的整體步驟流程圖，具體對各步驟說明如下。步驟I :判斷雙向中繼傳輸方式下，每組待傳輸數據量Bab和Bba的大小，Bfflax = max {Bab, BbJ，Bmin = min {Bab, BbJ ;若 Bab 彡 Bba,則令 Ii1 = har, h2 = hbr,重命名信源 A、B 分別為信源1、2 ;反之,令Ii1 = hbr, h2 = hm,重命名信源B、A分別為信源1、2。用hp h2分別表示信源1、2與中繼節點間的信道系數。步驟2:將比特數較多的一組信息，即包含Bmax個比特的信息分為兩部分，第一部分和比特數較少的一組信息的比特數相同，即Bmin個比特，第二部分為剩余比特，即 (B--Bmin)個比特。步驟3 :對于待傳輸信息的數據量較少的信源節點，也就是信源2，設定其全部待傳輸信息總共Bmin個比特采用雙向中繼傳輸方式；對于待傳輸比特數較多的信源節點，也就是信源1，在步驟2的比特分割后，設定第一部分的Bmin個比特信息采用雙向中繼傳輸方式，設定第二部分的(Bmax-Bmin)個比特信息采用單向中繼傳輸方式。如此可以使用雙向中繼傳輸方式在兩個方向上均傳輸Bmin個比特,使用單向中繼傳輸方式由信源I向信源2傳輸剩余的(Bmax-Bmin)個比特，由于雙向中繼傳輸方式在雙向數據量對稱時能量效率較高，單向中繼傳輸方式在雙向數據量不對稱時能量效率較高，因此，這樣的比特分配可以充分利用單向、雙向中繼傳輸方式的優點，提高無線系統的整體能量效率。步驟4:使用經典的凸優化方法，確定單向、雙向中繼傳輸階段的最優傳輸時長以及各個節點的發射功率，以最小化無線系統的總能耗。經典的凸優化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛頓法等。本發明實施例中以二分法為例介紹此步驟的具體實現流程步驟4-1 :計算單向中繼、雙向中繼傳輸階段的最短傳輸時間，并判斷所需最短傳輸時間是否滿足最長傳輸時間約束；在單向中繼傳輸階段，當源節點和中繼節點使用最高發射功率進行傳輸時，無線系統達到最高數據率，此時所需發射時間為單向中繼傳輸階段所需的最短傳輸時間，可由式⑴計算得到
權利要求
1.一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，應用場景為兩個信源節點A和B通過一個放大轉發中繼節點交互信息，在每段時長T內，信源節點A傳輸Bab個比特信息，信源節點B傳輸Bba個比特信息；其特征在于，該混合中繼傳輸方法包括如下步驟:步驟I :比較兩個信源節點A和B的待傳輸信息數據量Bab和Bba的大小，將待傳輸信息數據量較大的信源節點標記為信源I，另一個信源節點標記為信源2，令Bmax = max {Bab, BbJ， Bfflin = min {Bab, BbJ，則信源I的待傳輸信息的數據量為Bmax個比特，信源2的待傳輸信息的數據量為Bmin個比特；步驟2 :將信源I待傳輸信息分為兩部分,第一部分信息為Bniin個比特，第二部分信息為 (Bmax-Bmin)個比特；步驟3 :設定待傳輸信息的傳輸方式將信源2的全部待傳輸的Bmin個比特信息設定采用雙向中繼傳輸方式；將信源I的第一部分Bmin個比特信息設定米用雙向中繼傳輸方式,將第二部分(Bmax-Bmin)個比特信息設定采用單向中繼傳輸方式；步驟4 :使用經典的凸優化方法確定單、雙向中繼傳輸階段的最優傳輸時長ΓΓ,Γ:，以及單、雙向中繼傳輸階段中信源1、2和中繼節點的最優發射功率；步驟5 :按照步驟3設定的傳輸方式和步驟4確定的最優發射功率，在時長內使用雙向中繼傳輸方式分別在兩個方向傳輸Bmin個比特信息,在時長內使用單向中繼傳輸方式將信源I的(Bmax-Bmin)個比特信息傳輸給信源2。
2.根據權利要求I所述的一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，其特征在于，步驟4中所述的經典的凸優化方法包括二分法、梯度下降法、最速下降法以及牛頓法。
3.根據權利要求I所述的一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，其特征在于，所述的步驟4采用二分法的具體實現方法為步驟4-1 :根據式(I)確定單向中繼傳輸階段的最短傳輸時間T__min
4.根據權利要求3所述的一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，其特征在于，所述的步驟4-1中采用二分法確定無線系統在雙向中繼傳輸階段所能支持的最高雙向數據率，具體過程為步驟4-1-1 :雙向中繼傳輸階段兩個方向上的數據率相等，初始設置雙向數據率下限為Rlrarer = 0，上限為
5.根據權利要求4所述的一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，其 特征在于，步驟4-1-4中所述的閾值5為10_3bps。
全文摘要
本發明提出一種基于延時受限業務的高能量效率混合中繼傳輸方法，應用在無線中繼協作系統中。兩個信源節點通過一個放大轉發中繼節點交互信息，將具有較大待傳輸信息量的節點的信息按照比特數分為兩部分，一部分的信息量等于較小傳輸信息量的節點的信息量，兩個信息源節點采用雙向中繼傳輸方式分別傳輸等量的信息，具有較大待傳輸信息量的節點的第二部分剩余信息通過單向中繼傳輸方式傳輸信息，在傳輸中，使用經典的凸優化方法確定單、雙向中繼傳輸階段的最優傳輸時長。本發明方法利用了雙向中繼在雙向數據量相等的場景下能量效率高的優勢，以及單向中繼在雙向數據量不對稱的場景下能量效率高的優勢，因而可以大大提高無線系統的能量效率。
文檔編號H04W52/02GK102612125SQ201210073750
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者孫璨, 楊晨陽 申請人:北京航空航天大學