高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开一种高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法，主要为了解决在高铁场景下现有技术不能满足车载用户通信需求的问题。本发明专利技术将车载用户同时产生的不同信息流所形成的复合流基于对延时敏感的程度分为实时业务流和非实时业务流，并根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解系统所需最小瞬时发送功率。本发明专利技术根据车载用户的业务QoS需求，将车载用户发出的复合流分为了实时业务流和非实时业务流，根据两者的平均传输速率，也就是传输需求，求取支持该传输需求的最小发送功率，然后系统按照这个最小发送功率进行工作，从而保证了系统的能量利用效率在一个比较合理的水平之上。

【技术实现步骤摘要】
高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法
本专利技术涉及一种高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法。
技术介绍
近几年来，无论是在
还是在产业应用方面，中国的高速铁路事业均取得了飞速的发展。截止到2013年底，中国已经建成的高速铁路运营里程1.1万公里，另外还有1.2万公里处于在建状态。随着中国高速交通网的初具规模和新线路的通车，高铁日益成为人们远程出行的首选交通工具。目前，中国高铁的日均发送量已经达到了上百万人次。尤其对于商旅人士来说，乘坐高铁已经成为日常生活工作中的一个重要部分。另一方面，无线移动通信服务作为现代信息化社会最重要的基础设施之一，极大的提高了社会的运行效率，方便了人们的生活。人们在享受便利的同时，也变得越来越离不开通信服务，因此人们希望能够得到全方位任何时间任何地点互联互通的接入服务，这也是未来蜂窝移动通信移动系统所期望能够达到的目标。但是，在高速铁路场景下，相关的无线移动通信技术还没有得到相匹配的发展。目前，绝大多数铁路通信系统依然是上个世纪末提出的GSM-R标准，其峰值传输速率仅为200Kkbps，主要用来传输铁路系统的控制信号，根本无法满足当前的旅客通信需求。此外，依赖于传统的地面2G/3G蜂窝覆盖支持的单用户通信模式，由于没有考虑到高铁通信场景的具体特征，往往会出现语音通话中断，短数据通信的连续重发等现象，这些问题严重困扰着众多的高铁乘客，极大了影响了用户的通信服务体验。因此，有必要针对高速铁路通信场景的具体特征，设计了相匹配的宽带无线移动通信系统，提供高速移动场景下的宽带无线接入服务，来满足人们日益增长的通信需求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法，以解决在高铁场景下现有技术不能满足车载用户通信需求的问题。为达到上述目的，本专利技术高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法包括将车载用户同时产生的不同信息流所形成的复合流基于对延时敏感的程度分为实时业务流和非实时业务流，并根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解系统所需最小瞬时发送功率。本专利技术根据车载用户的业务QoS需求，将车载用户发出的复合流分为了实时业务流和非实时业务流，根据两者的平均传输速率，也就是传输需求，求取支持该传输需求的最小发送功率，然后系统按照这个最小发送功率进行工作，从而保证了系统的能量利用效率在一个比较合理的水平之上。附图说明图1是在高铁场景下的一种典型的基站部署图；图2是四种不同的功率分配方法对应的信息传输速率的容量域；具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术做进一步的描述。图1示出了在在高铁场景下的一种典型的基站部署图。在列车的顶部安装了一部无线中继设备，该中继设备与车载用户、基站之间形成了两跳中继结构，用来对车载用户的多路信息流进行复用和中继，以便减轻信息流在列车金属车体的穿透损耗和群切换对控制信道的巨额开销。当中继节点上仅安装了一部天线时，中继节点可以等效的看作车顶上的一个质点。至此，从车载用户到基站间信息的传输过程可以分为两部分：从车载用户到中继节点的传输以及从中继节点到基站的传输。由于车载用户和中继节点之间保持相对静止，传统的无线局域网覆盖技术就可以胜任这一工作，因此本专利技术讨论的是基站和中继节点间的功率分配方法。在正常运行阶段，基站等间隔的布置在列车轨道沿线的一侧，其距离轨道的距离为d0，即|OA|＝d0；列车在轨道上以v0做匀速直线运动，每个基站在轨道沿线上的有效覆盖半径为L，即|OD|＝|OE|＝L,基站上收发天线的高度为h0,即|AB|＝h0，规定列车经过图1中的O点时，系统时间t为0，当系统时间为t时，列车运行距离为v0t，即|OC|＝V0t,中继节点与基站收发天线之间的距离为基站与中继节点之间是一个典型的点对点通信场景，假设发射信号和接收信号分别为x(t)和y(t)，则其中x(t)为零均值单位方差的随机信号；a为无线电传播的路径损耗因子；G表示基站收发天线的功率增益；h(t)表示信道的衰落系数，其在直射链路非常强烈的地方可以等效为1；n(t)表示信道的加性高斯白噪声，其均值为零方差p(t)为系统的瞬时发送功率。相应信道的瞬时传输容量R(t)可以表示为：其中B为系统的频带宽度。可以看出当列车做匀速直线运动时，信道的瞬时传输容量是一个具有周期性的时变函数，因此可通过在时域上进行功率分配来提高信息传输的可靠性和有效性。针对时变信道环境下的功率分配问题，传统的功率分配方法有：基于吞吐率最大化的注水功率分配方法和基于中断容量最大化的信道反转功率分配方法。不过，这两种方法都是针对QoS需求比较单一的业务设计的。例如注水功率分配方法的注水算法主要关注的是信息的传输速率，而信道反转功率分配方法的信道反转算法主要关注的是信息的传输时延要为零。然而在高铁移动场景下，基站和中继节点之间传输的是列车上众多用户的信息流混合汇聚而成的复合流，其具有多种QoS需求。因此，传统的针对单一业务QoS需求的功率分配方法不适用于高铁移动场景。而本专利技术的出发点是兼顾传输的吞吐量要求和时延要求，提供一种与复合流的混合业务相匹配的功率分配方法，从而达到更好的传输效果，提高整体的传输效率。基站和中继节点之间传输的信息流是大量的车载用户同时产生的不同信息流汇聚形成的复合流，其中每个信息流都有不同的传输延时要求。根据不同的传输延时要求，将复合流分为两部分，一是对延时敏感的实时业务流，二是对延时不敏感的非实时业务流。具体来讲，将众多车载用户在同一时刻产生的不同信息流按照其业务QoS需求建模为N路信息流，各信息流的传输速度要求和最大可容忍延时分别为和图1中列车在轨道上以v0做匀速直线运动，每个基站在轨道沿线上的有效覆盖半径为L，则列车经过每一个基站的覆盖范围的时间为2L/v0，即一个运行周期为2L/v0。针对第i路信息流，如果其最大可容忍延时τi>2L/v0，则只要信道的遍历传输容量足够大，便可以在一个运行周期内将信息可靠送出，而不会出现延时超过最大可容忍延时的情况，因此这种信息流为对延时不敏感的非实时业务流。反之，如果τi≤2L/v0，则这一路信息流就必须在收到之后立即发送出去，以防止出现超出最大可容忍延时的情况，因此称这种信息流为对延时敏感的实时业务流。在基站和中继节点之间非实时业务流和实时业务流的平均传输速率分别为Rdi和Rds，两者的计算公式分别为：在实际系统中，系统需要传输的业务量可以预先确定，即Rdi和Rds的值已知。下面根据Rdi和Rds的值计算实时业务流对应的最小瞬时发射功率pmin1(t)和非实时业务流对应的最小瞬时发射功率pmin2(t)，并根据上述两最小瞬时发射功率确定系统的最小瞬时发射功率pmin(t)，从而确定系统所需最小平均发射功率Pmin。具体步骤如下：根据公式和不等式0≤Rds≤R(t)求解出实时业务流对应的瞬时发射功率因此得到实时业务流对应的最小瞬时发射功率其中根据公式和不等式求解出非实时业务流对应的瞬时发射功率因此得到非实时业务流对应的最小发射功率其中利用可行的数值计算方案例如二分搜索法，确定上式中的常数变量λ"的大小，使λ"满足以下约束关系：由于系统的瞬时发射功率p(t)既本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括将车载用户同时产生的不同信息流所形成的复合流基于对延时敏感的程度分为实时业务流和非实时业务流，并根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解系统所需最小瞬时发送功率。

【技术特征摘要】
1.一种高铁场景下基站与列车间基于业务QoS需求的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括将车载用户同时产生的不同信息流所形成的复合流基于对延时敏感的程度分为实时业务流和非实时业务流，并根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解系统所需最小瞬时发送功率；所述根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解系统所需最小发送功率，具体为：根据实时业务流和非实时业务流的传输需求求解出相对应的最小瞬时发送功率pmin1(t)和pmin2(t)，然后得到系统所需最小瞬时发送功率pmin(t)＝[pmin1(t),pmin2(t)]+；其中，所采用的计算式组为：其中R(t)为信道的瞬时传输容量，B为系统的频带宽度，G为基站收发天线的功率增益，h(t)为信道的衰落系数，p(t)为瞬时发送功率，d(t)为基站收发天线与列车上中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，樊平毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11