一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法，属于移动通信技术领域。包括步骤：建立系统模型，系统场景分析，问题归结，使用凸优化方法求解最优化问题。本发明专利技术区别与传统的中继协议，允许基站在第二个时隙通过这些空闲的子载波重发第一时隙的信息，能够降低基站和中继的发射功率，提高系统容量。本发明专利技术以能量效率的优化模型为非线性混合整数规划问题，由于无法应用目前的常规方法进行求解，为了降低该问题的复杂度，先采用Dinkelbach方法将该优化模型变为线性凸规划，然后基于对偶规划对简化后的线性规划问题进行求解，最后结合匈牙利算法与次梯度算法算出最优解。本发明专利技术算法设计合理，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动通信
，更具体地说，涉及一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法。
技术介绍
当今社会，4G网络已经开始普及，其中一项关键技术就是正交频分复用(OFDM)技术。OFDM技术起源于上世纪60年代中期，专利发表于70年代，它的基本思想将总传输频段分为多个频谱重叠的子载波，但各个子载波之间互不影响，具有很高的频谱利用率，是一种特殊的频率复用技术。早期的OFDM系统采用传统的模拟信号传输载波，在实现调制，解调，同步等一系列步骤是具有相当大的复杂度，导致使用OFDM系统过于昂贵，故而在当时并没有被广泛应用。直到1971年，离散傅里叶变换(DFT)被提出并应用于多载波调制，OFDM系统才从模拟信号传输技术向数字信号传输技术转变，并由于在调制解调中应用DFT技术，简化了系统复杂度，才逐渐走向实用化。随着数字通信的大力发展，高速调制解调技术也越来越先进，自上世纪90年代起，OFDM技术就在无线通信领域中占到了一席之地，得到了迅速的发展，拥有越来越广泛的应用。近年来，在数字处理技术与大规模集成电路技术的支撑下，OFDM技术在无线通信中更加实用，迅速推广的4G蜂窝网络的核心技术之一就是OFDM技术。如今的OFDM技术已经趋于成熟，人们更多的研究重点逐渐转移到了OFDM技术与其他技术相结合时产生的新问题。例如在中继网络中，子载波配对技术与功率分配方式一直是人们关注的焦点。虽然新问题必然会随着研究的深入逐渐凸显，但是，作为下一代网络核心技术之一的OFDM技术，一定会受到越来越多的人的重视，克服一个又一个不断产生的新问题，为下一代无线通信提供更好的服务。作为现代通信系统中的两种关键技术，OFDM技术与协同通信技术的结合将给无线通信系统的资源分配增加更多样化的选择。OFDM技术可以利用各个子载波信道的不同衰落特性，动态地分配信道资源，由于不同子信道相互独立，OFDM技术可以获得较大的频率分集增益，增加系统的容量；协同通信技术则在系统中引入中继节点，形成两个或多个独立的转发链路，充分利用了中继为整个系统带来的分集增益，提高了系统的频谱利用效率，扩大了系统覆盖范围。将这两种技术结合在一起，可以充分发挥二者的优势，更为有效的应用无线系统资源，具有广泛的研究与应用前景。在下一代无线网络中，中继技术因其可以提供更为可靠地信号传输而被广泛研究，人们提出了很多算法以获取更大的传输速率。然而，随着能源的价格越来越贵，环境污染越来越严重，绿色通信正被更多的人们所关注，传输速率不再是人们唯一的关注目标，节能降耗成为所有厂商发展的重要指标。目前，绿色通信在工业界与学术界均已成为研究热点。G.A.Sidhu在2010年IEEEWCNC会议上指出以系统容量最大值为目标的多用户场景下最优化问题，并给出子载波匹配与功率分配的方法。在此基础上，不同于单中继多用户场景，H.Jeong在2010年IEEEICC会议上提出多中继场景下同样的问题。L.Vandendorpe在2008年ISWPC会议上提出了一种改进的DF中继方式，即在中继转发的同时，源端采用没有被中继占用的子载波再次发送信号给用户，以保证在中继信道较差时用户的通信质量。HaoZhang在2012年IEEEComm.Letter中提出了一种双向多中继多用户OFDM系统下的资源分配算法，该算法仅考虑了AF中继方式，且在功率分配方面只考虑了中继的功率，没有分配源节点功率，并非最优化系统所有资源。随着绿色通信逐渐被人们所重视，人们对通信系统中能量效率的关注越来越高。能量效率问题是一个分式问题，并不利于用常规的数学方法进行求解，D.W.K.Ng在2012年IEEETWC中指出在OFDM系统下，应用Dinkelbach方法将能量效率的分式问题转化为线性规划问题，但其并不是中继场景。K.T.K.Cheung在2013年IEEETC中应用AF中继方式，对多用户OFDM系统中的能量效率问题进行了讨论，但并未包含子载波匹配。
技术实现思路
针对现有基于能效最优的中继系统联合资源分配方法未充分考虑第二时隙基站重发信号带来的性能改善、联合考虑中继选择、载波配对和功率分配、实时性要求、低复杂度算法实际应用等问题，本专利技术提出种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法，在综合考虑以最大化系统能量效率的功率和子载波联合优化，允许基站在第二个时隙通过这些空闲的子载波转发重发信息，辅助低复杂度迭代算法，最大化用户实时通信的网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法，包括步骤1:建立系统模型；系统中有一个中继，K个用户，总带宽被等分成N个子载波，不同子载波之间相互独立，所有子载波的信道均服从瑞利衰落，系统通过两个时隙传输信号，在第一时隙内，信号源通过广播的方式发送信号，中继和用户都接受这一来自源节点的信号，在第二时隙内，中继完成子载波的配对，根据信道状态信息选择出不同子载波的信号分别转发给哪个用户，并决定该子载波对是否采用中继进行转发，若不采用中继，则发送一个信令信号给源节点，源节点通过与第一时隙不同的子载波再次发送信号给用户，设信号传输时，第一时隙用第m个子载波，第二时隙用第n个子载波，用与分别表示源节点到中继节点、源节点到用户节点与中继节点到用户节点的信道增益，与传统的中继方式不同的的是，考虑到信道的极端恶劣情况，每次系统传输信号要先决定是否使用中继，若在第二时隙内，不选择用中继进行信号转发，则信号源再次通过第n条子载波重新发送信号给用户，此时信道增益为假设信道中的噪声为相互独立的零均值高斯白噪声，并用分别表示中继节点与第k个用户节点的噪声方差，1≤k≤K，源节点与中继节点可以获取所有的信道状态信息，定义等效的信道增益与定义决策矩阵s＝{smnk本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中有一个中继，K个用户，总带宽被等分成N个子载波，不同子载波之间相互独立，所有子载波的信道均服从瑞利衰落，系统通过两个时隙传输信号，在第一时隙内，信号源通过广播的方式发送信号，中继和用户都接受这一来自源节点的信号，在第二时隙内，中继完成子载波的配对，根据信道状态信息选择出不同子载波的信号分别转发给哪个用户，并决定该子载波对是否采用中继进行转发，若不采用中继，则发送一个信令信号给源节点，源节点通过与第一时隙不同的子载波再次发送信号给用户，设信号传输时，第一时隙用第m个子载波，第二时隙用第n个子载波，用与分别表示源节点到中继节点、源节点到用户节点与中继节点到用户节点的信道增益，与传统的中继方式不同的的是，考虑到信道的极端恶劣情况，每次系统传输信号要先决定是否使用中继，若在第二时隙内，不选择用中继进行信号转发，则信号源再次通过第n条子载波重新发送信号给用户，此时信道增益为假设信道中的噪声为相互独立的零均值高斯白噪声，并用分别表示中继节点与第k个用户节点的噪声方差，1≤k≤K，源节点与中继节点可以获取所有的信道状态信息，定义等效的信道增益与定义决策矩阵s＝{smnk}来表示路径选择Path(m,n,k)情况，smnk＝1表示路径Path(m,n,k)被选中，smnk＝0表示未被选中，对于某一选定的路径Path(m,n,k)，定义参数tmnk来表示是否使用中继进行信号转发，当使用中继时，tmnk＝1，且此时系统的信号传输速率为当不使用中继时，参数tmnk＝0，则此时的传输速率为其中与表示使用中继模式时源节点和中继节点的发送功率，与则表示不使用中继时，源节点在第一时隙与第二时隙发送的直传信号功率，因此对已选择的路径Path(m,n,k)来说，源节点到用户节点之间的总信息传输速率为步骤2:系统场景分析，问题归结；对某一路径Path(m,n,k)而言，如果使用中继辅助传输信号，优化问题是一个最大‑最小问题，而只有当两个相互比较的多项式相等时，最小值才能取得最大，系统才能获得最大的信道容量，信号传输速率可以改写为其中是改写后的等效信道增益，并用来代替表示原式中的两个功率变量；定义变量wk来表示不同用户的权重，系统在所有子载波对上与所有用户上的总容量为系统所有节点在两个时隙内所使用的总功率为其中PBC与PRC分别表示源节点与中继节点维持设备正常工作所用的环路电流功率，最大化系统能量效率的优化问题可以表示为：P1:maxs,t,PRPs.t.C1:Σk=1KΣm=1Nsmnk=1,∀n,Σk=1KΣn=1Nsmnk=1,∀mC2:Σm=1Ntm,n=1,∀n,Σn=1Ntm,n=1,∀mC3:Σk=1KΣm=1NΣn=1Nsmnk(tmnkPmnk+(1-tmnk)(Pmks+Pnks))≤PtC4:Σk=1KΣm=1NΣn=1Nsmnk2{tmnklog2(1+amnkPmnk)+(1-tmnk)[log2(1+cmkPmks)+log2(1+cnkPnks)]}≥RreqC5:Pmnk≥0,Pms≥0,Pns≥0C6:smnk∈{0,1},tmnk∈{0,1}.;]]>步骤3:使用凸优化方法求解最优化问题；所述优化问题P1的求解可以采用拉格朗日因子方法：L(smnk,tmnk,Pmnk,Pmks,Pnks,βs,n,n,βt,n,n,β0,β1)=RP-βs,n,n(Σk=1KΣm=1Nsmnk-1)-βt,n,n(Σm=1Ntm,n-1)-β0(Σk=1KΣm=1NΣn=1Nsmnk(tmnkPmnk+(1-tmnk)(Pmks+Pnks))-Pt)-β1(Rreq-Σk=1KΣm=1NΣn=1Nsmnk2{tmnklog2(1+amnkPmnk)+(1-tmnk)[log2(1+cmkPmks)+log2(1+cnkPnks)]})]]>再联立和并用次梯度方法迭代求解，其中βs,n,n,βt,n,n,β0,β1是相应的拉格朗日因子。...

【技术特征摘要】
1.一种基于能效最优的中继系统联合资源分配方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中有一个中继，K个用户，总带宽被等分成N个子载波，不同子载波之间相互独立，所有子载波的信道均服从瑞利衰落，系统通过两个时隙传输信号，在第一时隙内，信号源通过广播的方式发送信号，中继和用户都接受这一来自源节点的信号，在第二时隙内，中继完成子载波的配对，根据信道状态信息选择出不同子载波的信号分别转发给哪个用户，并决定该子载波对是否采用中继进行转发，若不采用中继，则发送一个信令信号给源节点，源节点通过与第一时隙不同的子载波再次发送信号给用户，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁广俊，李林国，李淑敬，
申请(专利权)人：梁广俊，
类型：发明
国别省市：安徽;34