专利名称：基于有限反馈的ofdm-af系统联合资源分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域的联合资源分配方法，具体是OFDM放大-转发(Amplify-and-Forward, AF)中继分集系统中基于有限反馈的联合资源分配。
背景技术：
伴随着人们对高精度、高可靠性、强灵活性等通信要求的不断提高，解决由于通信范围的不断扩大以及通信环境的更加复杂多样而导致的严重的衰落和码间干扰等其非理想特性问题便显得尤为重要。其直接解决方案就是在无线通信系统中采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的无线传输技术。在多种无线解决方案中，以能够显著提高系统容 量的中继技术与以OFDM为代表的多载波调制技术与能脱颖而出。在中继协作通信系统中，信源在向信宿发送消息的同时，中继节点也会同时接收到这个消息，在将其直接放大或者解码重新编码之后转发给信宿。信宿再联合利用所有收到的消息进行解码。中继网络等同于在不需要配置多天线的条件下，提供了一定的中继协作分集，在扩大通信的同时提高了通信质量。基于OFDM技术高效的频谱利用率，以及优越的抗多径衰落能力，基于OFDM调制的中继技术已成为未来移动通信系统的物理层关键技术。基于系统发送功率预算的有限性，以及中继网络中多跳中的子载波信道衰落的独立性，功率分配和子载波匹配已成为OFDM中继系统中亟待解决的问题。然而，无论是功率分配，抑或是子载波匹配，都需要在获得网络信道信息的前提下才能实现。由于通信环境的复杂性和终端的随机移动性，功率分配向量与子载波匹配向量必须随着信道状态的改变而发生变化。由于传统的信道互易方法在载频分系统中已不再奏效，当前业界主要考虑的是通过反向链路将前向信道状态信息反馈回发射端。但是在多载波系统中，由于存在迂回滞后，信道估计误差、反馈链路有限的容量以及码本规模限制等因素的制约，完整信道信息反馈很难实现，有限反馈技术的提出，有效地克服了这一问题。由于中继协作网络与生俱来的分布式特性，针对于OFDM中继网络的有限反馈研究还并不成熟。N. Zhou 及 X. Zhu 等在 2009 年 IEEE International Conference onCommunications 会议文章“Dynamic Resource Allocation with Limited Feedback forOFDM Based CooperativeNetworks”中，考虑了一种基于有限反馈的非对称中继传输结构，增加了系统功率分配的自由度，但作者针对该模型只考虑了功率分配。他们又于2010年将上述成果进行拓展至IEEETrans. Commun.期刊的论文“Optimal asymmetric resourceallocation with limited feedback for OFDM based relay systems，，中。Hajiaghayi等人在 2009 年的 IEEE International Conference on Communications 会议文献“UsingLimited Feedback in Power Allocation Design for a Two-Hop Relay OFDM System，，中，讨论了基于OFDM调制的两跳AF中继网络的功率分配，作者分别以最大化系统容量和最小化误符号率作为目标来设计算法。尽管该文献没有对两跳的子载波匹配进行讨论，但其基于Lloyd算法的思想被广泛采用。利用相似的方法，Zhang在Chinese Journal ofElectronics 上的文章“Power Allocation in Decode-and-Forward Cooperative OFDMSystems Using Perfect and Limited Feedback”中提出了类似的功率分配算法,但其讨论对象是基于OFDM的DF中继网络。F. Li，X. Ke等人在2010 IEEE Youth Conference onInformation Computing and Telecommunications会议中发表的文章“A relay selectionscheme with limit feedback in OFDM relay networks based onsubcarrier mapping”讨论了基于有限反馈的中继选择方案，尽管该文献涉及了子载波的匹配，但作者并没有分析系统中有限的功率分配。刘永和陈文在2011年IEEE International Conference onCommunications 会议文章 “Capacity Based Adaptive Power Allocation for the OFDMRelay Networks with Limited Feedback”中考虑了基于有限反馈的AF网络的功率分配，但在该篇文献中，作者并没有考虑子载波匹配。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种OFDM放大-转发(AF)中继分、集系统中基于有限反馈的联合资源分配方法，该方法利用迭代Lloyd算法对信道矩阵空间进行划分为独立的子空间，利用整数限制连续化以及拉格朗日对偶分解的方法，巧妙地对待优化的混合整数规划问题进行了求解，并基于此构造出算法中心准则，最终通过信宿有限比特的反馈来实现系统功率分配及子载波匹配。本发明具有实时操作简单、复杂度低、系统开销少等特点，数据显示只需要很少的比特数，便可以弥补系统绝大部分的性能损耗。本发明的中继分集系统是一种单天线通信系统，该通信系统由三个节点组成，即I个信源S，I个AF中继R和I个信宿D。信源、信宿和中继均为单天线配置。本发明还假设信源与信宿之间存在着直接链路。信宿在选择好资源分配向量的下标后，通过反馈链路将下标发送给信源与中继。为了充分利用中继所带来的额外信道自由度，本发明所述的协作网络的整个传输过程分为两个时隙。信源在第一时隙广播传输信号，信宿与中继分别接收，两者接收信号为 y2 = ^+^Z其中z为各个节点所引入的噪声，上标“I”表示第一时隙。在第二时隙中，S保持安静，中继R对y 进行放大后转发，信宿进行接收，其接收信号为
_31 # = J +fT2^yrm + f，
SPS \hSR I +°V信宿对两个时隙接收到的信号进行最大比合并(MRC)，将两个时隙内收到的信号合并，再解码还原发送信号。此外，信宿的另一个工作便是根据其估计出的瞬时信道状态信息，在预设的资源分配码本中搜索到最优码字，并将其下标反馈给发送端。本发明是采用以下技术方案实现的一种基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，包括以下步骤步骤I :联合资源分配策略码本的设计码本中的每个码字为一种独立、完善的功率分配和子载波匹配方案，通过整数限制连续化以及拉格朗日对偶分解，巧妙地对原混合整数规划问题进行求解，并以此构造Lloyd算法的中心准则；步骤2 :信宿D根据估计获知的所有信道矩阵，通过将信道状态估计值与资源分配码本进行匹配，在当前最优的资源分配码本中遍历搜索选择最优码字，即最优的功率分配和子载波匹配方案，记录该码字下标；步骤3 :信宿D将最优码字下标进行广播，具有相同码本副本的信源S及中继节点R同时进行接收；步骤4 :信源S依据步骤I所提示的最优的功率分配和子载波匹配方案，进行调制信号序列的发送；步骤5 :中继R对步骤2所接收到的信号依因子」,7进行放大处理，然
\PS I hSR I +<Jr
后向信宿D转发；步骤6:信宿D通过对两个时隙内收到的信号进行最大比合并(MRC)，还原发送信号，同时将这一传输过程中信道状态信息对应的最优码字下标进行反馈处理。步骤2中所述的最优码字c = {(P f，if人. )丨/ - = 1，...，况}获得过程如下在基于系统总功率受限的AF协作中继网络中，对应于子载波对(m，η)的可达速率近似为
I (pm PrtVm Vn \Rmn ^-Iog2 I +Psfsn + rs 1^7sr7rd ，
L」饼,打 ry^jym in , Tyn n以最大此可达速率作为目标函数，系统总功率受限作为条件，可以得到，在子载波对(m，n)总功率为Pm, =iT+G时,最大可达速率:
去log小 + y: γ^μρΛ ifr:<‘，iC= 2 V {Ι+μ^μ + Υ,η) )
|iog2(i+ ,, ),^ rmSD^ Ylo-若定义等效信道增益
YnSD^ifsRU + Ylp) + Υ^/'κρβ γΜ <νηΓ'Η = (i + ")(r> + 4) ’ ,SD ,RD,
rmSD,Ysn^rlnRm, n可以统一表示为< = Iog2 (ι+Pmjlrm-n)的形式。在对整数限制条件tm,n e {O, 1}进行松弛至《之后，使得子载波匹配因子tm,n成为系统每个子载波对的时域共享因子，则此时原最优化问题可以变为
N NIi、max^ ^η,η-1oS2 l +Sn,η-~ ,
{S'tj =ι ^=I 2 VJ
N Nsj. tm n > O, Vm, η, [ ^ ^ Ρ> ’^ 0，V/”,《，
m=l w二I1χ =1，ν , Y^tmn=Iym,
m=l =1
其中Sm，n = tm,nPm，n指系统在子载波对(m，n)中所消耗的实际功率。本发明将限制条件
权利要求
1.一种基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，其特征在于，所述中继系统是ー种单天线通信系统，该系统包括一个信源S，一个放大-转发中继R，一个信宿D ;所述方法步骤包括 步骤I :联合资源分配策略码本的设计码本中的每个码字为ー种独立、完善的功率分配和子载波匹配方案，通过整数限制连续化以及拉格朗日对偶分解，对原混合整数规划问题进行求解，并以此构造Lloyd算法的中心准则； 步骤2 :信宿D根据估计获知的所有信道矩阵，通过将信道状态估计值与资源分配码本进行匹配，在当前最优的资源分配码本中遍历搜索选择最优码字，即最优的功率分配和子载波匹配方案，记录该码字下标； 步骤3 :信宿D将最优码字下标进行广播，具有相同码本副本的信源S及中继节点R同时进行接收； 步骤4 :信源S依据步骤I所提示的最优的功率分配和子载波匹配方案，进行调制信号 序列的发送； 步骤5 :中继R对步骤2所接收到的信号进行放大处理，然后向信宿D转发； 步骤6 :信宿D通过对两个时隙内收到的信号进行最大比合并(MRC)，来试图还原原发送信号，同时将这一传输过程中信道状态信息对应的最优码字下标进行反馈处理。
2.根据权利要求I所述的基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，其特征在于信宿D作为中枢节点，在对信道状态进行估计并与码本中码字匹配后，将下标反馈给中继R和信源S，从而决定前向传输的资源分配因子。
3.根据权利要求I或2所述的基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，其特征在于，码本设计与码字更新过程，具体表示为 步骤I :随机产生大量前向信道矩阵h=(hSD，hSK，hKD)做为训练序列构成信道的样本空间 H- {h_ {1} ,1-1，...，M}，其中，hS￡) —hSDj，hSR — (hSR”.”— Ihm,...^hm)分力 ij指某ー传输周期内S-D，S-R及R-D的信道状态，N为该OFDM系统的子载波数； 步骤2 :基于信道矩阵样本空间随机产生初始化的码本，即码字集合Ci =W，C!，…，4丨，其中j为迭代次数此时取j=0,B为码本规模,取决于系统反馈比特数k,二者关系为k=log2B，c =《i^,if，し)I为码字，其中分别指信源s在第m个子载波信道上以及中继R在第n个子载波信道上的发送功率，{0,1}为子载波匹配因子，当其取值为I吋，子载波m与n匹配，否则，二者不进行匹配； 步骤3 :根据既定的码本，把信道矩阵空间划分为B个互不重合的子信道空间(ノk=l， ,B，且有
4.如权利要求3所述的基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，其特征在干，码字的更新体现于优化下述的混合整数规划问题
5.如权利要求4所述的基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，其特征在干，对偶化方法将上述混合整数规划问题变为优化对偶目标函数
全文摘要
本发明公开一种基于有限反馈的OFDM-AF系统联合资源分配方法，方法为设计有限反馈所需要的资源分配策略码本，码本中的每个码字为一种独立、完善的功率分配和子载波匹配方案；信宿D基于其对通信系统的信道估计，将估计值与已设计的码本进行匹配，在码本中遍历搜索并选择最优码字；信宿D将具有最优码字下标进行广播；具有相同码本副本的信源S及中继R分别按照接收到的下标所对应的码字进行传输。本发明能在极少的反馈比特条件下大幅提高系统性能，弥补发送端无信道信息时的性能损耗，同时克服了传统OFDM系统中完全信道信息反馈无法实现的缺点，适用于更为实际的通信场景。
文档编号H04W72/04GK102739383SQ20121017044
公开日2012年10月17日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者刘永, 陈文 申请人:上海交通大学