基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，原无线组播中由于各个节点信道状态的不均匀性和波动性，导致各个节点接收的信息不一样，对于短期内处于较差链路环境的用户无法保证其公平性，同时覆盖盲区中节点往往无法正确接收数据，得不到有效地反馈处理。基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法可综合考虑地理位置与信道状态，利用一定的反馈信息，在需要协同时选择合适的正确接收用户充当中继进行重传。该方法首先让基站接入点以一定速率广播数据包，而后被选定的中继同时协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。该方法可以提高协同传输的有效性，最大化地利用无线资源，达到在不消耗额外功率的前提下，降低组播的中断概率，从而有效缓解无线组播中节点信道状态的不均匀性和波动性。

Opportunistic cooperative multicast based on geographic location and channel state

The invention discloses an opportunistic cooperative multicast method based on geographic location and channel state. In the original wireless multicast, due to the heterogeneity and fluctuation of channel state of each node, the information received by each node is different, and the fairness of each node can not be guaranteed for users in poor link environment in a short period of time. Blind nodes often fail to receive data correctly, and can not get effective feedback. Opportunistic cooperative multicast based on geographic location and channel state can consider both geographic location and channel state comprehensively. With certain feedback information, the correct receiver can be selected as a relay to retransmit when cooperation is needed. Firstly, the base station access point broadcasts the packet at a certain rate, then the selected relay simultaneously retransmits the data, and finally merges the data in the receiver. This method can improve the effectiveness of cooperative transmission, maximize the use of wireless resources, reduce the probability of interruption of multicast without consuming additional power, thus effectively alleviating the heterogeneity and fluctuation of node channel state in wireless multicast.

【技术实现步骤摘要】
基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及利用无线资源管理技术提高无线组播的网络性能。
技术介绍
无线组播技术是一种在无线环境下用于一对多数据传输的高效机制，组播形式是点到多点的数据服务，单一的数据被多个用户共同接收，在电视节目、现场赛事转播等直播类业务具有广泛应用。但目前的组播技术由于各个节点信道状态的不均匀性和波动性，导致各个节点接收的信息不一样，因此组播技术需要首先考虑节点信息公平性，其次为多用户，最后考虑覆盖范围及盲区。如由于各节点信道信息不同，不能保证每个用户都能正确接收数据，而现在的组播技术大多采用最低链路速率发送数据，此时组播的吞吐量就受到最差链路节点的限制。再者面向用户多，现有的组播技术大多不采用回馈重传机制，一旦出现链路中断，数据丢失后不再重传，这样对于短期内处于较差链路环境的用户无法保证其公平性。同时，紧靠组播源发送数据，覆盖范围有限且存在覆盖盲区，这样导致节点往往无法正确接收数据，得不到有效地反馈处理。
技术实现思路
本专利技术的目的是，通过节点之间的协同传输，使节点共享彼此的无线资源，最大化地利用无线资源，可获得空间分集增益，对抗信道衰落，同时能均衡节点处理能力和网络负载，综合考虑地理位置和信道状态信息，采用机会协同的方式，来节约功率消耗，达到不消耗额外功率的前提下，降低组播的中断概率，提高组播的性能，从而有效缓解无线组播中节点信道状态的不均匀性和波动性。为了解决上述专利技术目的，本专利技术采用的策略包括：将组播分为两个阶段，第一阶段，基站接入点以一定速率广播数据包；第二阶段，被选定的中继同时协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。考虑在如图1所示的机会协同组播模型中，半径为R的圆形区域内单个无线网络基站或者接入点位于圆心位置，M个用户均匀分布在此圆形区域内。网络内无固定中继，而且如果需要，用户节点可以充当半双工模式的中继使用。在基站/接入点广播数据包后，M个用户被分为两组，正确译码的用户组Cs和剩余的用户组Cus，下标“s”和“us”分别表示“译码成功”和“译码失败”的意思。这样用户组Cus中的用户需要请求附近中继协助重传数据。用户组Cus中的一用户j未能在第一阶段正确接收数据，在下行数据链路上向其半径r周边区域广播一个请求协同的信号(RTBC)。覆盖半径可以通过信号的发送功率PTX来控制。表达式(1)和(2)给出了覆盖半径控制的详细描述，其中PL(d0)表示近距离d0以内的衰落，k为路径损耗指数。为保证RTBC包的正确传输，我们假设距离r以内的Cus组内用户轮流发送请求包。当用户组Cs中的一用户i接收到来自用户组Cus中的用户j的RTBC请求包时，用户i获得链路ij的信道增益hi,j。如果链路增益hi,j超过我们预先规定的门限值Th，则用户i同意用户j的协同请求，参与协同传输。既然中继获得了自身与需要协同用户间链路的增益，我们可以通过控制中继的发送功率来确保接收用户正确译码。这里我们假设当接收端的信噪比高于门限值γ0时，用户可以正确接收数据，错误概率可以忽略不计。用户i在接收到来自中继j的转发数据时，其接收信噪比为γij＝Prjdij-ηhij2/N0，Prj是中继j的信号发送功率，dij表示用户i与中继j之间的距离，N0为高斯白噪声的功率，η是路径损耗指数。因此，设定中继j上的发送功率为γ0N0dijη/hij2。表1不同情况下的中继发送功率设置用户组Cs中的用户可能在回馈阶段先后接收到多个协同请求数据包，也有可能检测到信号冲突。这种情况显示该用户对于其他组播用户的重要性，也就是说他的协同传输可以同时支持多个未正确译码用户，协同效率很高，显然这种用户必须参与协同传输。表1给出了四种情况下的中继发送功率设置。如果只接收到一个协同请求数据包，中继发送功率设为γ0N0dijη/hij2。而当K个请求包到达时，发送功率得能满足信道增益最低的用户。第三种情况，检测到冲突，功率设置为满足覆盖范围r以内的最大功率prmax。以下分析了机会协同组播策略的中断概率和功率消耗的性能，从而给出了最优的功率分配策略。1.中断概率第一阶段，基站/接入点以单位功率广播信号x给所有用户。坐标为(ri,θi)的用户i，其接收信号可表示为PBS表示第一阶段基站/接入点的发送功率，hi为用户i与基站间的链路增益，di表示两者间的距离，ni是高斯白噪声，η同样是指路径损耗指数。这里上标“ocm,1”表示“机会协同组播策略的第一阶段”。计算可得用户i的接收信噪比该接收信噪比是一个服从指数分布的随机变量，概率密度函数为因此，坐标为(ri,θi)的用户，输入x与输出yiocm,1间的最大互信息，即信道容量为其中，归一化因子1/2是表示协同传输采用两个时隙传输一份数据，降低了信道速率。给定用户的坐标(ri,θi)和业务速率的门限值TR，用户i第一阶段的中断概率为其中假定，所有的信道增益{hi}独立同分布，第一阶段中，正确译码用户组和译码失败的用户组Cus＝{i1,i2,···,iM}\Cs出现的概率为由于用户都是均匀分布在半径为R的圆形区域内，用户出现在一个半径为r的小圆形区域的概率可表示为下标“L,r”表示位于半径为r的圆形区域内。因此，给定(ri,θi)，其他用户位于用户i的请求包覆盖范围内的概率为第一阶段未能正确译码的用户ij∈Cus，给定(ri,θi)，Cs和第二阶段的接收信噪比为其中，表示中继ik上的发送功率。因此，第一阶段与第二阶段的合并信噪比可表示为可得两阶段的最大互信息这样，给定(ri,θi)，Cs和用户ij的条件中断概率为接下来，给定用户坐标(ri,θi)，我们推导其在所有可能的译码结果(Cs,Cus)和所有可能的分布情况(Li,in,Li,out)条件中断概率，详细的过程在式(15)给出。其中，和分别在(14)(8)和(10)给出。上标“ocm′”表示机会协同组播的条件中断概率。p1是指一个第一阶段正确译码的用户存在于区域中的概率，已在式(16)给出。当半径ri≤r时，可近似认为任一用户出现的概率为r2/R2。因此，基于式(15)的条件中断概率，系统的平均中断概率为2.功率消耗机会协同组播机制中，功率消耗由第一阶段基站的发送功率和第二阶段中继协同的功耗两部分组成。两阶段的平均功率消耗可写为PBS+E[Prtotal]，其中，E[Prtotal]表示第二阶段中继的平均传输功率。由于信道独立同分布，可得其中为第n个中继上的传输功率，注意n也是一个随机变量。首先我们求在所有可能的距离dij和所有的信道增益hij上的平均值，基于均匀分布和独立同分布的信道增益，可得其中式中第二个等号是由于距离dij与信道增益hij是两个相互独立的随机变量。接下来给出参与协同的中继数目的平均值为了分析方便，这里只给出了中继数目的近似平均值，认为对于一个处于译码错误组的用户只需要一个用户来协同传输。其实只要门限值取的合适，基本可以保证一个用户一个协同点，而这样的策略正是我们期待的最完美的机会协同机制。因此，机会协同组播机制的平均功率消耗为3.功率分配上述分析了机会协同组播方法的功率消耗，为了公平的与一般的组播策略对比，我们要求平均功率消耗相同，即要求PBS+E(Prtotal)＝2P。而合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征是无线网络中基站/接入点以一定速率广播数据包后，通过地理位置与信道信息来选择合适的用户中继节点，通过限定请求协同的信号的发送功率来保证在仅在周围一定区域内被选定的中继节点进行协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。

【技术特征摘要】
1.基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征是无线网络中基站/接入点以一定速率广播数据包后，通过地理位置与信道信息来选择合适的用户中继节点，通过限定请求协同的信号的发送功率来保证在仅在周围一定区域内被选定的中继节点进行协同重传数据，最后在接收端进行多路数据合并。2.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，确定请求协同的信号发送功率PTX的具体过程为：在半径为R的圆形区域内，单个无线网络基站或者接入点位于圆心位置，M个用户均匀分布在此圆形区域内。网络内无固定中继，而且如果需要，用户节点可以充当半双工模式的中继使用。在基站/接入点广播数据包后，M个用户被分为两组，正确译码的用户组Cs和剩余的用户组Cus，下标“s”和“us”分别表示“译码成功”和“译码失败”的意思。这样用户组Cus中的用户需要请求附近中继协助重传数据。用户组Cus中的一用户j未能在第一阶段正确接收数据，在下行数据链路上向其半径r周边区域广播一个请求协同的信号(RTBC)。控制覆盖半径的发送功率PTX为PTX(dB)＝PRX(dB)+PL＝PRX(dB)+PL(d0)+10klog(r/d0)3.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，所述选取进行协同重传数据的中继节点的具体步骤如下：当用户组Cs中的一用户i接收到来自用户组Cus中的用户j的RTBC请求包时，用户i获得链路ij的信道增益hi,j。如果链路增益hi,j超过我们预先规定的门限值Th，则用户i同意用户j的协同请求，参与协同传输。Cus组中的三个用户{i1,i2,i3}通过发送协同请求数据包，在区域内选定中继。用户处于用户i2的覆盖范围内，计算出他们之间的信道增益，经判断大于预先设定的门限值Th，决定作为中继为用户i2协同传输数据。用户也同样接收用户i2的协同请求。同理，用户用户分别为用户i1和i3重传数据。4.如权利要求1所述的基于地理位置和信道状态的机会协同组播方法，其特征在于，设定中继节点的发送功率的具体做法如下：既然中继获得了自身与需要协同用户间链路的增益，我们可以通过控制中继的发送功率来确保接收用户正确译码。这里我们假设当接收端的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱赟，陈明真，曾广娟，
申请(专利权)人：赣南师范大学，
类型：发明
国别省市：江西,36