异构无线通信系统的融合机制和协同功率分配算法研究

第31卷第10期电子与信息学报Vol.31No.102009年10月JournalofElectronics&InformationTechnologyOct.2009异构无线通信系统的融合机制和协同功率分配算法研究彭木根王文博(北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室北京100876)摘要：该文提出了一种基于协同通信和无线中继技术的融合机制，以实现异构无线接入网的互联互通和融合。为了最大化所提异构协同网络方案的协同容量，从理论上给出了协同功率分配优化理论模型，并介绍了一种不同于传统注水理论的基于效用函数的协同功率分配算法，该算法在合理设置发射功率保证第1跳和第2跳链路的传输速率匹配的前提下能够优化系统性能。仿真结果表明所提协同功率分配算法有显著的性能增益。关键词：异构无线通信系统；协同通信；协同功率分配中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：1009-5896(2009)10-2348-06InvestigationofConvergenceMechanismsandCooperativePowerAllocationAlgorithmsinHeterogeneousWirelessCommunicationSystemsPengMu-genWangWen-bo(KeyLaboratoryfUniversalWirelessCommunications,MinistryofEducation,BeijingUniversityofPostsandTelecom.Beijing100876,China)Abstract:Acooperativecommunicationandwirelessrelaytechniquesbasedconvergencemechanismfortheheterogeneouswirelesscommunicationsystemispresentedtofulfillthefunctionalitiesofconvergenceandinterworking.Inordertomaximizethecapacityoftheproposedheterogeneouscooperativenetwork,theutilityfunctionbasedcooperativepowerallocationstrategyisproposed.Thispapergivesthetheoreticaloptimummodelforthepowerallocation,andpresentsthedetailedcooperativepowerallocationalgorithmdifferentfromtheconventional“water-filling”algorithm,inwhichtheglobaloptimizationisguaranteedundertheconditionsofequivalenttransmissionratesbetweenthefirstandsecondhops.Thesimulationresultsdemonstratethattheproposedcooperativepowerallocationalgorithmhasasignificantperformancegain.Keywords:Heterogeneouswirelesscommunicationsystem;Cooperativecommunication;Cooperativepowerallocation1引言异构无线通信网络的互联互通成为目前业界研究的焦点，目的在于充分利用已经存在的各种无线网络，在只使用一种模式终端的前提下就能够接入各种异构无线接入网络，以实现便捷通信，获得最佳的服务质量。异构无线网络的融合可分为核心网的融合和接入网的融合。核心网的融合主要是基于全IP网络的融合，它对现有无线接入网改动较小，但存在传输时延大、经过网络通信实体多、需要占用有限的接入网和传输网资源等缺点[1]。目前大部分研究集中在接入网侧的融合，研究热点包括异构无线资源管理和异构移动性管理等。例如，IEEE802.21正在开展异构无线网络的移动性管理研究，通过研究网络发现、网络选择和异构寻呼等机制，2008-04-28收到，2009-06-24改回国家863计划项目(2009AA01Z244)资助课题保证异构网络的无缝切换[2]。文献[3]对异构无线网络的无线资源管理和服务质量(QoS)保证机制进行了研究，提出了相应的解决方案。然而，目前大部分研究都假设两个异构无线网络是对等网络，没有考虑移动运营商希望以目前的蜂窝移动网络为主要架构，各种短程的宽带无线接入网络作为一种补充方式的需求。实际上，以现有的蜂窝无线接入网络为网络主体，无线局域网、无线数字家庭网络、无线传感器网络等短程无线接入网为补充覆盖，在蜂窝移动网络处进行整个通信系统的集中控制和管理，从而实现异构无线网络的互联互通。这种异构网络组网方案能够充分保护现有蜂窝无线通信系统的投资，并且有效地提高网络性能，同时简化未来蜂窝移动网络的网络设计等。无线中继节点上的功率分配是目前研究热点，它对无线中继网络的性能有直接影响。文献[4]讨论了在AF(放大转发)中继链路场景下的中断概率以第10期彭木根等：异构无线通信系统的融合机制和协同功率分配算法研究2349及理想的功率分配机制。在文献[5]分析了在分布式无线中继网络中的功率分配算法。但目前已有文献并没有讨论异构协同通信系统的功率分配算法。本文提出了一种通过中继节点实现异构无线网络互联互通的通信机制，通过采用协同通信技术解决异构无线接入网间的传输瓶颈。为了证明所提方案的正确性，对系统容量进行了理论建模。考虑到功率分配将直接影响异构协同容量，对异构协同容量进行了数学建模，从理论上给出了最优化的功率分配数学模型，并给出了和传统注水理论不同的协同功率分配算法。2系统模型为了保证高速数据传输，特别是保证无论处于离基站近还是离基站远的用户都能获得一样的业务和服务质量，B3G/4G建议采用无线中继和协同通信技术。中继技术的引入主要源于未来采用高频(如5GHz)使得基站的覆盖范围大幅度下降，为了扩展基站覆盖范围和不大幅度增加基站的控制和管理复杂度而专门提出来的。协同通信技术是为了生成单一无线接入网络或者单一无线传输技术所不具有的能力，通过协同处理后的网络或者技术的功能大于每个组成部分的功能之和，即追求信息理论中的“涌现”效应。通过两个或者多个异构无线中继节点的相互协同，可以实现异构无线通信系统间的高速数据传输和无缝融合。本文所提的异构无线接入网络的融合方案如图1所示，通过采用无线中继技术和协同通信技术来解决异构无线接入网络的互联互通问题。无线接入网1(WAN1)表征具有大覆盖范围的蜂窝移动小区，其采用的无线接入技术(RAT1)是支持全移动的蜂窝移动多址接入技术，而无线接入网2(WAN2)表示短程无线宽带接入网，主要是作为补充覆盖提供高速无线接入，其对应的无线传输技术RAT2可以是为实现高速数据传输的WLAN或者UWB等。通过两个接入网络重叠区域布置的“异构协同中继节点”(如图中的HCRN1和HCRN2)可以实现WAN1和WAN2间的高速无线互联互通，通过HCRN1和HCRN2中继的无线传输链路使用协同处理技术提高传输速度，解决两种无线接入网传输性能的不匹配，从而实现无缝自适应融合。WAN2中的用户WAN2_UE1如果希望和WAN2网络外的用户通信，可以通过HCRN1和HCRN2的中接入WAN1_BS，从而实现无缝漫游。需要注意的是，所提方案中的异构协同中继节点(HCRN)具有两种无线模式，为了解决异构无线图1异构无线通信系统的协同通信结构接入网的传输瓶颈，异构无线中继节点需要协同以保证第1跳和第2跳的传输速率匹配。本文所述的异构协同中继节点将采用解码转发(DF)机制，WAN1_BS根据终端的反馈信息进行HCRN的选择和两跳传输链路的资源集中调度。为了简化设计，WAN2网络的终端配置为单模，它需要接入WAN1才能和其他小区或者其他系统的用户进行通信。HCRN在接收到同构源节点发送来的信号之后，将接收到的信息进行解码，然后再进行编码发送给异构目标终端。为了获得分集增益，在对解码后的信号进行编码时，HCRN可以选择不同的码本发送，从而获得协同分集增益。为了获得复用增益，可以在不同的中继链路传输不同的信息，在目标终端采用类似多输入多输出(MIMO)的原理进行数据信息恢复。从WAN1基站的下行链路来看，WAN1把信息组播或者点播给HCRN，HCRN把解码后的信息再通过另外一种通信模式进行编码再发送出去，则目标用户可能收到来自HCRN的单个或者多个数据流。从WAN1基站的上行链路来看，HCRN将接收到来自WAN2目标终端用户发来的信息后进行解码再进行编码处理，然后再发送给BS，在BS处进行信息的恢复。考虑到上下行链路处理差异不大，本文将以下行链路为例说明系统的理论优化模型以及相应的协同功率分配机制。本文假设异构协同中继节点具有双模，并且能够和两个异构网络同时无线通信，即具有异构双工通信制式。在上面所述的异构协同通信方案中，有两方面的问题需要研究：(1)异构协同协议设计，即如何设计异构中继节点的空中接口协议规范，保证完成异构协同通信功能外，还和现有的无线协议兼容；(2)异构协同关键机制，包括异构协同中继节点的选择以及功率分配。基于文献[6]所述的异构协同2350电子与信息学报第31卷中继节点选择算法，本论文侧重研究协同中继节点的功率分配机制，从理论上给出最优化理论模型，并且给出相应的算法设计。3理论分析假设发射端i到接收端j的信道增益为hij，背景噪声为N0，发射机的等效发射功率为Pij，则接收端的信噪比可以表示为0/ijijijPhNρ=(1)对于数据业务来说，理论传输速率可以表示为220log(1)log(1/)ijijijijCPhNβρβ=+=+(2)其中参数β和业务的服务质量(即传输要求的误码率BER)密切相关，在瑞利信道中，其可以表征为1.5ln(5BER)β−=⋅(3)如果采用链路自适应技术，如自适应编码调制等，信道的实际传输速率可以表示为20(log(1/))ijijijcfPhNβ=+(4)其中函数()f⋅和采用的调制编码方式密切相关。如果采用分集传输技术，则为用户i服务的中继节点集合表示为Di。为了简化中继节点的设计和减小干扰，本文假设一个协同异构中继节点只能为一个目标用户服务。假设共有K个需要中继的终端，且能够提供异构中继服务的协同中继节点数量为MR，则有[]1,,0,ijKiRkDDijDM=∩=∅≠⊆∪(5)通过协同中继集合(表征为Di)传输后的目标用户传输速率可以表征为20(log(1/))iiijijijijDDrcfPhNβ==+∑∑(6)对于如图1所示的异构协同通信系统下行链路来说，第1跳采用广播通信，第2跳采用多址分集传输，经过第j个异构协同中继的目标用户k单条链路传输速率可以表征为()SR2SR0RD2RD0()min{log(1/),(log(1/))}kssjjkjkcjfPhNfPhNββ=++(7)其中Ps为基站的等效发射功率，hsj为基站到中继节点j的信道增益，Pjk为中继节点j到目标用户k的等效发射功率，hjk为中继节点j到目标用户k的信道增益，SRf和RDf分别代表基站到中继节点和中继节点到终端的()f⋅函数，而SRβ和RDβ分别代表基站到中继节点和中继节点到终端的β值。如果经过多个中继节点进行分集传输，则总传输速率可以表示为()SR2SR0RD2RD01minlog(1/),log1/kkkssjkjDjkjkjDrfPhNDfPhNββ∈∈⎧⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪⎪⎩⎫⎛⎞⎛⎞⎪⎟⎪⎜⎟⎜⎪⎟⎟⎜⎜+⎟⎬⎟⎜⎜⎟⎟⎜⎪⎜⎟⎟⎜⎟⎜⎝⎠⎪⎝⎠⎪⎭∑∑(8)为了追求系统整体性能最佳，除了要考虑用户的传输速率外，还需要考虑传输成本，功耗等，这时可以采用效用(Ut