专利名称：改进型多用户ofdm df系统的联合资源分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，具体是一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法，即基于OFDM调制和改进型DF中继协作的多用户下行链路的联合资源分配技术。
背景技术：
伴随着无线技术的飞速发展以及无线应用的不断普及，人们对通信多样化的业务需求和期望也与日俱增，为了使无线通信系统具有更高的可靠性和更高的频谱效率，解决由于不断扩大的通信范围以及更加复杂多样的通信环境而导致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。在各种无线解决方案中，以OFDM为代表的多载波调制技术和能显著提高系统容量和可靠性的中继协作技术脱颖而出，近年来引起了广泛的关注。 无线通信系统中，功率控制技术被广泛应用于提高系统容量及管理干扰。它在实现有效和可靠通信的前提下，力求使功率更加合理地分配到各网络节点，从而尽可能地提高系统容量。另一方面，由于中继通信的各跳子载波上的信道衰减相互独立，所以联合功率分配子载波匹配可以进一步提升OFDM中继协作网络的系统性能。然而，在功率分配与子载波匹配联合优化问题中，由于每个子载波只能同时被一条链路使用，且经常实现一对一匹配，因而这种联合资源优化问题中会出现二值离散变量的限制条件，通常属于NP-Hard问题。多个用户的存在更是大大复杂了联合资源分配问题的优化，因为除了功率分配与子载波匹配，还需要额外考虑子载波的用户分配问题，因而迄今为止，对基于OFDM中继协作的多用户系统的联合资源分配的研究还并不成熟。B. Da在IEEE APCC2008的会议文献“Subcarrier and Power Allocation in Relay-assistant OFDMA Cellular System，，中，提出了一种基于OFDM AF协作网络，以多用户系统容量最大化为目标的资源联合分配策略，G. A. Sidhu 等在 IEEE WCNC2010 的会议文献 “Resource Allocation for Relay AidedUplink Multiuser OFDMA System”中，对两跳多用户上行传输模型的子载波匹配、子载波分配以及功率分配进行了联合优化，H. Jeong在IEEE VTC2009的会议文献“ResourceAllocation for Uplink Multiuser OFDM Relay Networks with Fairness Constraints，，中讨论了相似的问题，但其分析是基于多中继信道进行的，M. Hajiaghayi等在2011年发表的文章“Optimal channel assignment and power allocation for dual-hopmulti-channel multi-user relaying”中考虑了具有多个用户的下行链路的联合资源分配，J. Yuan等在 2010年 IEEE ICC会议文献“Adaptive Resource Allocation Schemes forMultiuser OFDMA Nonregenerative Relay Networks” 中也考虑了具有多个用户的下行链路的资源分配，但其模型所采用的中继为放大转发中继。此外，所有这些联合资源分配方案均基于传统中继协作的假设，即第二时隙只允许中继节点进行转发传输，但由于在DF中继协作网络中，中继在某些信道状态下并不参与转发，因而上述方案均没有充分利用第二时隙的空闲子载波频谱资源，这显然在一定程度上限制了系统性能的提升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法。本发明充分放宽了传统中继通信的转发限制，中枢控制单元通过对系统最优工作模式的判断及切换，当中继R在某些子载波对中保持安静时，允许信源在这些空闲子载波信道进行额外的信息传输，来实现系统性能的进一步提高。与传统的转发策略相比，本发明技术可以获得更高的信道容量。本发明通过将中继模式下的用户一子载波对等效为一个点到点通信模型，利用多载波系统的时域共享特性，将原NP-Hard问题对偶化为标准的凸对偶目标函数优化问题，大大降低了运算复杂度。本发明采用以下技术方案实现—种多用户OFDM中继系统下行链路联合资源分配方法，所述系统中采用具有解码一转发功能的中继R，协助信源S向多个目的节点Dk(k=l，. . .，K)于多个正交子载波信道中同时传送数据，且系统采用双时隙传输方式实现中继通信流程；所述方法包括以下步骤第一步，系统中枢控制单元对系统信道状态信息进行综合分析，通过最优化个体功率受限条件下的系统容量，获得最优资源分配策略，所述最优资源分配策略包括子载波匹配策略、子载波对一用户分配策略、子载波功率分配策略以及最优工作模式策略；第二步，在一个完整通信周期的第一时隙，信源根据其当前最优发射策略中的子载波功率分配策略进行信息广播，各个用户Dk与中继R分别进行独立接收；第三步，在一个完整通信周期的第二时隙，系统依据最优发射策略中的子载波匹配策略对两跳子载波进行匹配，依据最优发射策略中的最优工作模式策略对各个用户一子载波对的工作模式进行切换，即当中继R能够给系统带来有益的容量提升时，切换到中继模式，此时R对其收到的信号进行解码，在重新编码后向目的节点转发；而当中继R不能给系统带来有益的容量提升时，系统切换至空闲状态，此时R在该第二跳的子载波信道中保持安静，信源S则利用此空闲子载波进行额外的信息传输。上述方法中，中枢控制单元对系统进行集中式联合资源优化，获得的最优资源分配策略决定系统的工作模式，即源和中继在第二时隙的动作。上述方法中，系统最优资源分配策略包括两跳的子载波匹配策略、子载波对一用户分配策略、子载波功率分配策略以及最优工作模式策略。进一步的，系统的子载波匹配、子载波对分配以及子载波功率分配的最优化目标函数是改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率。进一步的，对于给定的用户一子载波对SP (k, mn)，改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率表现为
权利要求
1.一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法，其特征在于，所述系统中采用具有解码一转发功能的中继R，协助信源S向多个目的节点Dk(k=l，..., K)于多个正交子载波信道中同时传送数据，且系统采用双时隙传输方式实现中继通信流程；所述方法包括以下步骤 第一步，系统中枢控制单元对系统信道状态信息进行综合分析，通过最优化个体功率受限条件下的系统容量，获得最优资源分配策略；所述最优资源分配策略包括子载波匹配策略、子载波对一用户分配策略、子载波功率分配策略以及最优工作模式策略； 第二步，在一个完整通信周期的第一时隙，信源根据其当前最优发射策略中的子载波功率分配策略进行信息广播，各个用户Dk与中继R分别进行独立接收； 第三步，在一个完整通信周期的第二时隙，系统依据最优发射策略中的子载波匹配策略对两跳子载波进行匹配，依据最优发射策略中的最优工作模式策略对各个用户一子载波对的工作模式进行切换，即当中继R能够给系统带来有益的容量提升时，切换到中继模式，此时R对其收到的信号进行解码，在重新编码后向目的节点转发；而当中继R不能给系统带来有益的容量提升时，系统切换至空闲状态，此时R在该第二跳的子载波信道中保持安静，信源S则利用此空闲子载波进行额外的信息传输。
2.如权利要求I所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，中枢控制单元对系统进行集中式联合资源优化，获得的最优资源分配策略决定系统的工作模式，即源和中继在第二时隙的动作。
3.如权利要求I所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，系统的子载波匹配、子载波对分配以及子载波功率分配的最优化目标函数是改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率。
4.如权利要求3所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，对于给定的用户-子载波对SP (k，mn)，改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率表现为 [每 1Og2 (I + TloPsmDt ) + 每 1Og2 (I + rlDt Ps,Dt )， idle mode, R1 m =\ 2L 每 min |log2 (I + Psfs,Dt + Plot fR,Dk)，Iog2 (I + Psmfs'R )}，relaying mock式中，SP(k，mn)指系统第一跳的子载波m与第二跳的子载波n匹配，且此子载波对(m，η)分配给了用户 k ; YlDl =I hmSDi I2 !σ;，fS Dt =\ hnSDt |2 !σ\ , fR Di =| hnRDt |21σ；以及/<分别指相应子载波链路上的归一化信道增益，其中,^、KDk、/^以及/ 分别指相应的信道增益，A2与of则分别指中继与Dk处的噪声功率，/f和Ga分别指当系统处于中继模式时，信源S和中继R在SP (k, mn)所对应子载波信道中的发射功率，则分别指当中继R处于空闲模式时，信源S于第一时隙、第二时隙的发射功率；此时，该系统的端到端总速率为
5.如权利要求3或4所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，系统的最优资源分配策略最优化的条件包括源节点和中继节点分别受到功率限制，子载波匹配限制以及子载波对一用户分配限制，具体表现为
6.如权利要求5所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，系统总速率最优化问题基于限制条件C4的二值整数特性，被建模为一个混合整数规划问题，通过对子载波一用户对的等效信道增益模型进行整数限制条件连续化以及拉格朗日对偶化，将该混合整数规划问题进行转化并有效地求解。
7.如权利要求6所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，子载波一用户对SP(k，mn)在中继模式下被等效为一个点到点通信模型，该模型的总功率为,且有
8.如权利要求6所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，对限制条件C4连续化，具体为
9.如权利要求5所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，对条件C5和C6进行对偶化，使得原问题的优化变为优化对偶目标函数
10.如权利要求9所述的改进型多用户OFDMDF系统的联合资源分配方法，其特征在于，SP(k,mn)在中继模式下等效信道增益模型中源节点和中继节点发射功率是成比例的，且}= IR_Dim ，此特征大大简化了对偶目标函数的优化。
全文摘要
本发明公开一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法，其中一个具有解码—转发机制的中继站协助信源向多个用户进行通信；采用双时隙传输方式实现系统的联合资源分配，包括系统子载波匹配、子载波对—用户分配以及子载波功率分配；基于中枢控制单元对信道状态信息的分析，系统实现工作模式的切换；当系统的某个子载波对处于空闲模式时，允许信源第二时隙的空闲子载波进行额外传输。相比传统的基于OFDM的多用户中继协作系统，本发明有效地克服了传统OFDM系统中继子载波在第二时隙不能被充分利用的缺陷，显著地提高了频谱效率。
文档编号H04W72/04GK102724157SQ20121018964
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者刘永, 陈文 申请人:上海交通大学