兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法

摘要

本发明公开了一种用于协作通信系统中兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法。目的用户选择；目的用户初始化候选中继集合；目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率；MS

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及公平中继选择方法，具体是一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，用于协作通信系统中的中继选择。

背景技术

为了解决传统的点对点无线传输在系统容量、覆盖范围和对抗多径衰落等方面存在的局限，以及对多天线通信系统提供的空间分集加以利用，协作通信(Cooperative communication)技术应运而生。采用该技术，多个单天线的终端相互协作形成虚拟天线阵列，从而获得通信性能的改善。典型的中继协作方式包括放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和译码转发(Decode-and-Forward,DF)。

在实际的协作通信系统中，往往存在多个候选的的中继节点，如何选择合适的中继是该领域一个重要的问题。中继选择策略的设计可以基于可达数据速率、节点功率/能量消耗、误码率等性能。如Barus B等在“On the SEP ofcooperative diversity with opportunistic relaying”(IEEE Communications Letters,2008)中提出了机会式中继选择策略，以端到端传输速率最大化准则对中继节点进行选择；Altubaishi E S等在“A novel distributed fair relay selection strategy forcooperative wireless system”(IEEE International Conference on Communications,2012)中基于AF设计了一种分布式的中继选择策略，在中继节点平均功率相等且中断概率约束的条件下实现低复杂度的中继选择；Li P Q等在“Transmit power minimization for outage-constrained relay selection overRayleigh-fading channels”(IEEE Communications Letters,2014)中提出一种基于DF的中继选择策略，在中断概率和能量约束的条件下，以最小化系统发射功率为优化目标实现中继选择。

在移动台作为中继的协作通信系统中，由于移动用户通常是能量受限的，因此移动用户在协作其它用户完成数据通信时，其自身业务的传输与总的能量消耗的比值，即能量效率也是一项重要的性能指标。并且，参与中继的节点消耗自身能量帮助其他用户传输数据，导致自身的能量消耗加快，系统生存时间降低。

现有协作通信研究中，在用户/中继联合选择及公平调度等方面存在不足，具体包括：网络生存时间较低，用户能量效率不高，不能综合考虑速率和能量效率两方面。

发明内容

本发明针对现有技术中存在不能优化速率和能量的综合考虑，提出一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法。

1.一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，其特征在于，以第t个时隙为例，包括如下步骤：

(1)基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选择，选定目的用户MS_k。

(2)用目的用户来初始化候选中继集合Ω：

MS_k统计其与基站内可用的中继MS_i之间的信道状态，目的用户MS_k对其周围可用的中继进行筛选，即比较MS_i与MS_k之间的信道状态h_k,i，基站与MS_k间的信道状态h_k,0，仅保留满足条件|h_k,i|＞|h_k,0|的可用中继作为候选中继，并将h_k,i反馈给基站BS，|·|表示求模值运算。

(3)目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率：

(3a)候选中继MS_i计算基站BS到MS_i的链路速率,并反馈给目的用户MS_k；

(3b)MS_k计算其与MS_i的链路速率,并将该信息反馈给基站；

(3c)根据上述两个速率数值，MS_k计算确定时隙划分因子α_i的值，时隙划分因子α_i将一个传输时隙划分为两个阶段，其中,第一阶段基站向MS_i传输数据，时长为α_iT_S，第二阶段MS_i向MS_k传输数据，时长为(1-α_i)T_S,T_S为一个时隙的长度；

(3d)MS_k根据时隙划分因子α_i的值得到MS_i作为中继时,基站经MS_i向MS_k传输的可达速率；

(3e)MS_k判断目的用户自身是否获取系统中所有候选中继参与协作时链路的可达速率，如果已经全部获得，则执行步骤(4)，否则，返回执行步骤(3a)。

(4)目的用户MS_k计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继：

(4a)MS_k根据基站经MS_i向MS_k传输的可达速率和目的用户MS_k的前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比，以及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度权重；

(4b)MS_k比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中继,记作MS_l，计算基站直接向MS_k传输的直达速率比较基站经中继向MS_k传输的可达速率与基站直接向MS_k传输的直达速率若转至步骤5，反之转至步骤6。

(5)根据步骤4选定的中继MS_l所对应的α_l，将一个传输周期划分成两个阶段；在第一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MS_l；在第二个阶段，MS_l向目的用户MS_k转发数据，完成本时隙数据传输，转至步骤7。

(6)MS_k直接接收基站发送的数据。

(7)目的用户MS_k采用比例公平算法更新所有移动终端的平均传输速率。

(8)本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复以上步骤。

本发明实现的基本思路是，基站首先进行目的用户选择，然后获取并分析目的用户信道状态，将信道状态优于目的用户信道状态的终端作为候选中继，其次根据各个候选中继的调度权重进行中继选择。传输过程分为两个阶段，按照时隙划分因子将一个传输周期划分成两个阶段。第一阶段，基站向选定的中继发送数据；在第二阶段，中继向其服务的目的用户转发数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明中能够在维护中继间公平性的前提下，获得中继能量效率和系统生存时间方面的性能改善。

一.由于本发明对中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，避免了以往中继调度权重中仅考虑数据速率信息，使得系统的候选中继的能量效率得到提高。

二.由于本发明对中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，通过将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，从而避免了这些节点过度地为其他用户提供协助，所以延长了网络生存时间。

附图说明

附图1为本发明适用系统模型的示意图；

附图2为本发明的流程图；

附图3为在不同信噪比的情况下本发明方法与比例公平中继选择方法的速率比较仿真图；

附图4为在SNR＝10dB情况下本发明方法与比例公平中继选择方法的生存时间随初始化总能量的变化情况仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明适用的系统模型示意图如图1所示，其中包括一个基站(Base station,BS)，L个移动台(Mobile station,MS)，均配置单天线，所有用户按照时分多址(Time division multiple access,TDMA)的方式对下行广播信道进行共享，即在一个传输时隙内BS仅向一个用户发送数据，假设所有的MS均可以作为中继节点帮助其它用户转发数据，并且一个中继最多服务一个用户。假设系统处于平坦衰落的工作状态，从而蜂窝小区的移动用户(Mobile station,MS)和中继节点都可以获得完全的信道状态信息(CSI)。中继节点采用半双工通信方式。将每个传输时隙(T_S)分为α_i(t)T_S和(1-α_i(t))T_S两个部分，协作方式采用译码转发(DF)，在α_i(t)T_S时隙内，BS向中继发送数据x_k；在(1-α_i(t))T_S时隙内，中继对接收的信号进行解码，然后向目的用户转发经过重新编码的数据满足其中下标k表示发送给的目的用户MS_k的数据，E(·)表示求数学期望。基站的发射功率为P_T，中继用于数据转发的功率为P_R。

本发明是一种兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，参见图2，以第t个时隙为例，包括如下步骤：

(1)基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选择，选定目的用户MS_k。

(2)用目的用户MS_k来初始化候选中继集合Ω：

MS_k统计其与基站BS内可用的中继MS_i之间的信道状态，目的用户MS_k对其周围可用的中继进行筛选，即比较MS_i与MS_k之间的信道状态h_k,i，基站与MS_k间的信道状态h_k,0，仅保留满足条件|h_k,i|＞|h_k,0|的可用中继作为候选中继，并将h_k,i反馈给基站BS，也就是此步骤完成时，候选中继集合Ω应包含所有满足条件|h_k,i|＞|h_k,0|的中继，|·|表示求模值运算。

(3)目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率，也就是说目的用户需要计算步骤1中所有候选中继的可达速率：

(3a)候选中继MS_i计算基站BS到MS_i的链路速率,并反馈给目的用户MS_k；

(3b)MS_k计算其与MS_i的链路速率,并将该信息反馈给基站；

(3c)MS_k根据基站BS到MS_i的链路速率和MS_k与MS_i的链路速率这两个速率数值，MS_k计算确定时隙划分因子α_i的值，时隙划分因子α_i将一个传输时隙划分为两个阶段，其中,第一阶段基站向MS_i传输数据，时长为α_iT_S，第二阶段MS_i向MS_k传输数据，时长为(1-α_i)T_S,T_S为一个时隙的长度；也就是说，系统的一个传输时隙长度为T_S，一个时隙长度就是两阶段的时长之和：α_iT_S+(1-α_i)T_S＝T_S；

(3d)MS_k根据时隙划分因子α_i的值计算得出MS_i作为中继时,基站经候选中继MS_i向目的用户MS_k传输的可达速率；

(3e)MS_k判断目的用户自身是否获取系统中所有候选中继参与协作时链路的可达速率，如果已经全部获得，则执行步骤(4)，否则，返回执行步骤(3a)。即目的用户必须获得全部候选中继的可达速率才可，以便计算候选中继调度权重。

(4)目的用户MS_k计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继，即最终所选定的中继在候选中继中进行选择：

(4a)MS_k根据基站经候选中继MS_i向目的用户MS_k传输的可达速率和目的用户MS_k的前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比，以及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度权重，也就是调度权重的计算中综合了速率和能量两方面的因素。

(4b)MS_k比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中继,记作MS_l，此时最终选定了中继，计算基站直接向MS_k传输的直达速率比较基站经中继向MS_k传输的可达速率与基站直接向MS_k传输的直达速率若即经中继协作传输的可达速率更大，转至执行步骤5，反之，即基站直接向目的用户传输的直达速率更大，则转至执行步骤6。

(5)根据步骤4选定的中继MS_l所对应的α_l，将一个传输周期划分成两个阶段:在第一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MS_l；在第二个阶段，MS_l向目的用户MS_k转发数据，完成本时隙数据传输，本步骤即为基站经选定中继向目的用户进行数据传输，转至执行步骤7。

(6)MS_k直接接收基站发送的数据。

(7)目的用户MS_k采用比例公平算法更新所有移动终端的平均传输速率。

(8)本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复以上步骤。

本发明中在中继调度权重的计算中将该中继节点的转发能量消耗信息纳入调度权重的计算，对中继节点的调度机会进行补偿，维护了中继选择的公平性，从而改善其能量效率，实现中继用户的公平性，并延长了网络生存时间。

实施例2

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1，其中，步骤(3c)中MS_k根据BS到MS_i的链路速率和MS_k与MS_i的链路速率，MS_k计算确定时隙划分因子α_i的值，时隙划分因子α_i将一个传输时隙划分为两个阶段，其中,第一阶段基站向MS_i传输数据，时长为α_iT_S，第二阶段MS_i向MS_k传输数据，时长为(1-α_i)T_S,T_S为一个时隙的长度：

当MS_i作为中继时，由BS经中继MS_i至目的用户MS_k的可达速率受限于BS至MS_i和MS_i到MS_k两跳传输中较差的一跳，较差的一跳也称为链路速率的瓶颈，其表达式为，

$\left(\begin{array}{c}{R}_{k,i}^{\Delta }=\frac{1}{T_S}\min \{{\alpha }_i{T}_S{R}_i^D,(1-{\alpha }_i)T_S{R}_{k,i}\}\\ =\min \{{\alpha }_i{\log }_2(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0}),(1-{\alpha }_i){\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})\}\end{array}\right)$

为了消除瓶颈，根据两跳链路的信道状态自适应地调整时隙划分因子，按下式调整，

${\alpha }_i{\log }_2(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0})=(1-{\alpha }_i){\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})$

化简后得到α_i的表达式如下，

${\alpha }_i={\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})/\left({\log }_2\right(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0})+{\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,,i}{|}^2}{N_0}\left)\right)$

时隙划分因子α_i与信道状态和噪声方差等因素有关。其中，用h_i,0表示BS与MS_k(i∈Ω)间的信道状态；用h_k,i表示MS_i(i∈Ω)与MS_k间的信道状态；基站的发射功率为P_T；中继转发数据的功率为P_R；N₀表示高斯白噪声方差；|·|²表示求模值平方操作；log₂(·)表示求以2为底的对数操作。在本实例中P_T＝P_R＝100mw。

本例对时隙划分因子α_i的动态调整，BS经MS_i至MS_k的可达速率不再受限于两跳较小速率，而瓶颈的存在会导致通信资源的浪费，本发明根据两跳链路的信道状态自适应地调整时隙划分因子α_i，也使通信资源得到了充分利用。

实施例3

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-2，步骤(3d)中所述的MS_k根据时隙划分因子的值得到MS_i作为中继时,基站经MS_i向MS_k传输的可达速率,该链路可达速率的计算步骤如下：

当瓶颈消除时，计算链路可达速率选用下式中任意一个公式均可：

或者

其中，用h_i,0表示BS与MS_i(i∈Ω)间的信道状态；用h_k,i表示MS_i(i∈Ω)与MS_k间的信道状态；基站的发射功率为P_T；中继转发数据的功率为P_R；N₀表示高斯白噪声方差；|·|²表示求模值平方操作；log₂(·)表示求以2为底的对数操作。

当α_i确定之后，链路可达速率地计算公式得以简化，可以根据实际情况选取上述公式中任意一个进行计算。

实施例4

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-3，步骤(4a)MS_k根据基站经MS_i向MS_k传输的可达速率和目的用户MS_k的前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比及传输过程最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度权重，中继的调度权重按照如下公式得到：

$w_i\left(t\right)=(1-{\gamma }_i)·\frac{R_k\left(t\right)}{{\bar{R}}_k(t-1)}+{\gamma }_i·\frac{P_R{T}_s}{E_{i,k}\left(t\right)}$

其中，w_i(t)第t个传输周期中候选中继MS_i的调度权重；R_k(t)表示基站经MS_i向MS_k传输的可达速率也即是实施例三中的表示前(t-1)个传输周期目的用户MS_k平均传输速率，γ_i为权重因子，γ_i∈(0,1),γ_i为选定中继为MS_i时，使得调度权重最大的值；也就是在工程实现过程中各个候选中继的权重因子γ_i不同，需要针对每个候选中继找出使其的调度权重最大所对应的γ_i；

E_i,k(t)＝P_R[1-α_i(t)]T_S

E_i,k(t)表示在第t个传输周期中中继用户转发数据所消耗的能量；基站的发射功率为P_T；中继转发数据的功率为P_R；

本发明中继调度权重的计算中综合考虑了数据速率和能量效率，将候选中继用户能量信息纳入调度权重的计算，未参与数据协作的用户调度权重有所增加，调度机会相应增大，即获得了一定报偿，从而避免信道状态好的节点过度地为其他用户提供协助，从而改善其能量效率，所以延长了网络生存时间。

实施例5

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-4，参照附图2对本发明实现的步骤进行具体描述。

步骤1，基站根据终端可达速率和传输周期内的平均传输速率之比进行目的用户选择：

$k=\mathrm{argmax}\frac{R_i\left(t\right)}{{\bar{R}}_i\left(t\right)}$

k表示被选择的用户的标号，R_i(t)表示用户可达速率，表示前(t-1)个传输周期内的平均传输速率。

步骤2，目的用户初始化候选中继集合Ω：

MS_k统计其与基站内可用的中继MS_i之间的信道状态，目的用户MS_k对其周围可用的中继进行筛选，即比较MS_i与MS_k之间的信道状态h_k,i和基站与MS_k间的信道状态h_k,0，仅保留满足条件|h_k,i|＞|h_k,0|的候选中继，并将h_k,i反馈给BS，|·|表示求模值运算。

步骤3，目的用户遍历候选中继，并计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率：

(3a)MS_i计算BS到MS_i的链路速率,并反馈给MS_k,该链路速率信息的计算公式如下，

BS至MS_i的数据速率为：

$R_i^D={\log }_2(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0})$

其中，用h_i,0表示BS与MS_i(i∈Ω)间的信道状态；基站的发射功率为P_T；N₀表示高斯白噪声方差；|·|²表示求模值平方操作；log₂(·)表示求以2为底的对数操作。

(3b)MS_k计算其与MS_i的链路速率,并将该速率信息反馈给基站，该链路速率信息的计算公式如下：

$R_{k,i}={\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})$

其中，用h_k,i表示MS_i(i∈Ω)与MS_k间的信道状态；中继转发数据的功率为P_R；N₀表示高斯白噪声方差。

(3c)根据基站BS到MS_i的链路速率和MS_k与MS_i的链路速率这两个速率数值，MS_k计算确定时隙划分因子α_i的值，时隙划分因子α_i与本时隙信道状态状态相关，时隙划分因子α_i将一个传输时隙划分为两个阶段，其中,第一阶段基站向MS_i传输数据，时长为α_iT_S，第二阶段MS_i向MS_k传输数据，时长为(1-α_i)T_S,T_S为一个时隙的长度：

当MS_i作为中继时，由BS经中继MS_i至目的用户MS_k的可达速率受限于BS至MS_i和MS_i到MS_k两跳传输中较差的一跳，较差的一跳也就是链路传输速率的瓶颈，其表达式为，

$\left(\begin{array}{c}{R}_{k,i}^{\Delta }=\frac{1}{T_S}\min \{{\alpha }_i{T}_S{R}_i^D,(1-{\alpha }_i)T_S{R}_{k,i}\}\\ =\min \{{\alpha }_i{\log }_2(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0}),(1-{\alpha }_i){\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})\}\end{array}\right)$

为了消除瓶颈，根据两跳链路的信道状态自适应地调整时隙划分因子，按下式调整，

${\alpha }_i={\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0})/\left({\log }_2\right(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0})+{\log }_2(1+\frac{P_R|h_{k,i}{|}^2}{N_0}\left)\right)$

其中，用h_i,0表示BS与MS_i(i∈Ω)间的信道状态；用h_k,i表示MS_i(i∈Ω)与MS_k间的信道状态；基站的发射功率为P_T；中继转发数据的功率为P_R；N₀表示高斯白噪声方差。

(3d)MS_k根据时隙划分因子α_i的值得到MS_i作为中继时,基站经MS_i向MS_k传输的可达速率,该链路可达速率的计算公式如下：

当瓶颈消除时，按照下式中任何一个计算链路可达速率均可：

或者

其中，用h_i,0表示BS与MS_i(i∈Ω)间的信道状态；基站的发射功率为P_T；用h_k,i表示MS_i(i∈Ω)与MS_k间的信道状态；中继转发数据的功率为P_R；N₀表示高斯白噪声方差；|·|²表示求模值平方操作。

(3e)判断目的用户MS_k是否获取系统中所有链路的平均传输速率，也就是目的用户必须遍历候选中继集合中的每个元素，若是，则执行步骤4，否则，执行步骤(3a)。

步骤4，目的用户计算调度权重并最终选定中继：

(4a)MS_k根据基站经MS_i向MS_k传输的可达速率和目的用户MS_k的前(t-1)个传输周期内的平均传输速率之比及传输过程中继最大能耗和中继转发能耗之比来确定各个候选中继的调度权重，中继的调度权重按照如下公式得到：

$w_i\left(t\right)=(1-{\gamma }_i)·\frac{R_k\left(t\right)}{{\bar{R}}_k(t-1)}+{\gamma }_i·\frac{P_R{T}_s}{E_{i,k}\left(t\right)}$

其中，w_i(t)第t个传输周期中协作中继MS_i的调度权重；R_k(t)表示基站经MS_i向MS_k传输的可达速率；表示前(t-1)个传输周期目的用户MS_k平均传输速率，γ_i为权重因子，γ_i∈(0,1),γ_i为选定中继为MS_i时，使得调度权重最大的值。

E_i,k(t)＝P_R[1-α_i(t)]T_S

E_i,k(t)表示在第t个传输周期中中继用户转发待传数据所消耗的能量；基站的发射功率为P_T；中继转发数据的功率为P_R。

(4b)MS_k比较候选中继集合中各个中继的调度权重，选择调度权重中最大候选中继,记作MS_l，中继MS_l也就是最终选定的中继，计算基站直接向MS_k传输的直达速率直达速率计算公式如下：

$R_k^D={\log }_2(1+\frac{P_T|h_{i,0}{|}^2}{N_0})$

比较基站经中继向MS_k传输的可达速率与基站直接向MS_k传输的直达速率若转至步骤5，反之转至步骤6。

步骤5，根据步骤4选定的中继MS_l所对应的α_l，将一个传输周期划分成两个阶段；在第一个阶段，基站将数据发送给步骤4选定的MS_l；在第二个阶段，MS_l向目的用户MS_k转发数据，转至步骤7。

步骤6，MS_k直接接收基站传送数据，目的用户直达速率大于经中继协作的传输速率，此时不需要中继协作。

步骤7，采用比例公平算法，MS_k更新所有移动终端MS_i的平均传输速率

速率更新的公式如下：

其中，表示在第t个传输周期时移动用户MS_i的平均传输速率；R_i(t)表示移动终端被选作中继时的传输速率；移动终端也就是移动用户；δ_c∈[0,1]表示第t个传输周期内MS_k的数据速率R_k(t)对其平均速率或调度权重的影响程度；取δ_c＝0.99,K表示系统中协作中继的个数；本发明取-(1-η_c)R_k(t)作为参与数据协助的用户平均速率的修正值，η_c∈[0,1]称为激励因子，反映对移动用户参与数据协助的激励强度，η_c越小，激励强度越大。其中，E_i(0)为移动用户的初始能量，为第t个时隙起始时刻的剩余能量。

步骤8，本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复以上步骤，完成公平中继选择。

本发明实现了兼顾速率和能量效率的公平中继选择，综合考虑了速率和能量两方面的因素，提高了网络生存时间。

实施例6

兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法同实施例1-5，下面结合本发明仿真效果图做进一步描述。

结合以下仿真实验对本发明实施例的使用效果做进一步的说明：

仿真条件：协作中继系统的P_T＝P_R＝P_R＝100mw，全部节点采用单天线配置，由于T_S的长度与实际应用有关，为了适应不同的通信系统，本发明将统计时间对时隙长度进行归一化处理；用户信道系数采用Jakes仿真模型产成，其中最大多普勒频移取6Hz，合成路径数N为514；

附图3是本发明实施例提供的用户总数L＝10用户初始能量E_k(0)＝10³J，信噪比(SNR)不同时采用不同方法获得的系统速率示意图；在附图3中，带星号的曲线表示本发明方法的仿真，带圆圈的曲线表示比例公平方法的仿真。附图3中，比例公平中继选择方法以系统速率最大化为目标调度用户，能够得到最佳的速率性能，本发明提出的方法——兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法能获得次于比例公平中继选择方法的系统速率，这是由于该机制将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，协作中继转发待传信息的能耗这一因素在调度权重的占比中增加，目的用户更加倾向于选择能耗低的协作中继，则协作中继的能量效率会增加，因此目的用户的信息速率会相应的降低。

附图4是本发明实施例提供的用户数L＝10，SNR＝5dB时采用不同方法的网络生存时间示意图；

网络生存时间(Lifetime,LT)的定义为，当网络中出现第一个节点能量耗光或者小于传输信号所需的能量时，网络正常运行的总时间；

假设任一移动用户MS_i的初始能量为E_i(0)，第t个时隙起始时刻的剩余能量为在时隙t内MS_i所需(消耗的)能量为，

其中，P_R表示中继的发射功率，P_C表示终端进行数据发送/接收期间电路消耗的平均功率，T_s为一个时隙的长度。当λ＝1时，目的用户直接从BS接收信号；当λ＝1-α_k(t)时，用户经过中继接收来自BS的数据。用户MS_k的剩余能量成为

附图4给出用户数K＝10，SNR＝5dB时不同中继选择机制获得的系统生存时间。横坐标为系统中全体用户的初始化总能量，设置为P_RT_s的整数倍，纵坐标表示对T_s归一化的系统生存时间，归一化的网络生存时间，与传输次数等效。在附图4中，带星号的曲线表示本发明方法的仿真，带圆圈的曲线表示比例公平方法的仿真。由附图4可见，采用比例公平中继选择方法，信道质量好的协作中继可能会以高概率频繁被调用，则这个节点能量消耗较大，导致其系统生存时间短。根据的计算公式，目的用户在一个时隙接收数据所消耗的能量少于中继用户接收基站数据并向目的用户转发所消耗的能量，因此采用兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法，通过将中继用户能量信息纳入调度权重的计算，通过合理降低这些中继用户的调度权重，从而避免了这些节点过度地为其他用户提供协助，延长系统生存时间。因此，兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法的系统生存时间优于比例公平中继选择方法。

综上，本发明的一种用于协作通信系统中兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法。目的用户选择；目的用户初始化候选中继集合；目的用户遍历候选中继，计算基站经候选中继向目的用户传输时的可达速率；目的用户MS_k计算所有候选中继的调度权重并最终选定中继；根据所选中继进行数据传输；MS_k不经中继协作直接接收基站发送的数据；采用比例公平算法，目的用户MS_k更新所有移动用户的平均传输速率本时隙传输结束，进入下一个传输周期，重复以上步骤，完成公平中继选择。本发明在中继调度权重中考虑了能量信息，避免了这些节点过度地为目的用户提供协助，从而改善了能量效率，因此，系统生存时间得以延长，可用于协作通信系统中继选择，保证用户通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。