一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法，属于协作通信技术领域。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。本发明专利技术以最大化系统频谱效率，针对特殊的应用场景，来源实际应用，场景设置细致、合理联合考虑多个中继和多个用户的OFDM中继网络场景下的联合中继选择、载波配对和功率分配问题，具有现实的指导意义。

Resource allocation method for multi relay cooperative communication system based on Fractional Programming

The invention discloses a resource allocation method for multi relay cooperative communication system based on fractional programming, which belongs to the technical field of cooperative communication. Including the steps: the establishment of the system model, system analysis, problem resolution, the use of convex optimization method to solve the optimization problem. The invention distinguishes the traditional relay protocol, which allows the base station to transmit the information of the first time slot through the idle subcarriers in second time slots, and can reduce the transmitting power of the base station and the relay, and improve the system capacity. The invention is to maximize the system spectrum efficiency, according to special application scenarios, sources, setting a detailed and reasonable joint consideration of joint relay selection, subcarrier pairing and power allocation problem for multiple users and multiple relays OFDM relay network scenarios, has practical guiding significance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于协作通信
，更具体地说，涉及一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法。
技术介绍
随着社会经济的发展，信息化已经遍布了各个产业与各个领域，无线通信技术起到了越来越重要的作用，和人们的日常生活息息相关。与有线网络相比，无线通信技术带给人们的不仅仅是随时随地可以进行通信的便利性，它更是提高了人们的生活效率和生活质量，并随着网络内容的丰富，满足了人们生活、工作与娱乐的全方面需求。无线网络存在很多有线网络中没有的新问题，如信号的快慢衰落问题、信号的多径传播问题以及移动通信的问题，这些问题都造成了无线信道的带宽比较有限，制约了通信质量和信息的传输速率。然而，无线通信网络具有非常多的用户，不同用户拥有不同的丰富的业务需求，这些都要求较好的通信质量与较高的信息传输速率。因此，目前的无线通信技术需要寻求不断的创新与改变来满足用户日益增长的业务需求。传统的无线通信技术采用端到端信号直传的方式，在理论上已经达到了信道的香农极限，想要进一步提升系统的信道容量，需要研究新的技术与方法。和有线通信相比，无线网络中的信道具有开放性以及广播特性，围绕这两个特点进行创新，充分利用不同通信节点之间的协作特性与分集特性，就产生了协作通信技术。协作通信是指在无线网络中，不同的通信节点以一定方式进行协作，从而产生额外的分集增益，并且合理分配系统资源，最大化系统的信道容量的一种技术。辅助信号进行传输的节点被称为中继节点，这些中继节点可以通过专门建设，也可以让用户节点在空闲时作为中继来进行信号转发，节省成本资源。系统中的所有中继节点可以看做多天线阵列，为系统提供多天线与多跳传输的性能增益。在包含中继的OFDM系统中，如何更为高效的利用有限的系统资源一直是人们研究的重点。在传统的中继网络中，人们对于功率分配算法的研究已经趋于成熟，但是由于结合OFDM传输技术，包括子载波配对，中继选择与用户选择在内的多种系统资源使单纯的功率分配算法不再适用，只有同时考虑到系统的多种资源，将多种资源联合分配才能达到最优的分配结果，充分利用有限的资源，提高系统性能。在多中继OFDM系统中，对于中继的利用一般有两种方式。一是中继分用子载波的方式，在这种方式下，不同的中继将应用不同子载波对，同一子载波对仅通过某一个中继进行转发，这种方式虽然对中继的分集增益利用率较低，但却避免了多路子载波之间的相互干扰。另一种方式则是中继合用子载波，即所有中继都可以参与所有子载波对的转发，为了避免子载波对之间的干扰，这种情况一般应用在单用户场景中。WenbingDang在2010年IEEETWC中研究了两跳多中继OFDM场景下三种系统资源的联合优化问题，提出一种系统资源分配的联合算法，但是该算法没有考虑到多用户的情况。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。ChenY在2013年IETCommunication中提出了一种改进型的AF中继方式，以最大化系统能量效率为目标提出一种找资源分配的联合算法，但该算法中，中继合用子载波，不适用于多用户场景。M.Hajianghayi在2011年IEEEIFCOM中提到在中继OFDM系统中，结合子载波配对，提出一种用户选择算法，但其没有考虑到多中继的场景。
技术实现思路
针对现有多中继协作通信系统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，本专利技术提出一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法，在综合考虑以最大化用户系统频谱效率的载波-功率分配和中继选择，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：一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法，包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个源节点S1，N个中继节点，K个用户节点，传输带宽被分为M个子载波，每个子载波均分系统带宽并且经历独立的瑞利衰落，所有中继节点都应用半双工的DF中继方式，并且可以获得不同子载波下的瞬时信道信息，系统的通信过程分为两个时隙，在第一时隙内，所有中继节点和用户节点接收从源节点S1广播发送的信号，并且每对子载波只能由一个中继使用，在第二时隙内，所有中继节点解码接收到的信号，然后通过与第一时隙配对的子载波转发给用户节点，源节点在第二时隙再次通过另一个子载波将信号发送给用户节点；针对第n个中继Rn，假设其第一个时隙内用第i个子载波接收信号，第二个时隙内用第j个子载波转发信号给用户k，并将这一子载波、中继与用户的配对记为SP(i,j,n,k)，该中继Rn在第一个时隙内收到的信号为用户k在第一时隙内接收到的信号为其中，s1表示源节点发送的信号，且功率均为1，表示源节点的发送功率，hi,j,n与hi,j,k分别表示源节点到中继Rn与源节点到用户k之间的信道增益，假设其均服从零均值的复高斯分布，方差分别为与ni,j,n与ni,k为中继Rn处与用户节点k处的加性高斯白噪声，其方差为与在第二个时隙，源节点以功率在第j路子载波上重新发送其在第一个时隙发送的信号，同时中继节点Rn将在第一时隙从源节点接收到的信号解码转发给用户节点k，那么用户节点k在第二时隙收到的两路信号分别为：yi,j,n,k=Pi,j,n,krgi,j,n,ks2+ni,j,n,k,yi,j,k2=Pi,j,n,ks2gi,j,ks1+nj,k]]>其中，s1分别表示源节点与中继节点发送的信号，且功率均为1，表示源节点的发送功率，表示中继节点Rn的发送功率，gi,j,n,k与gi,j,k分别表示中继Rn到用户节点k与源节点到用户节点k之间的信道增益，假设其均服从零均值的复高斯分布，方差分别为与ni,j,n,k与nj,k为用户节点k处的加性高斯白噪声，其方差为与假设所有的噪声方差均为N0，并定义：则传统DF中继模式下的接受信噪比为源节点在第二时隙重新发送的信号的接受信噪比为步骤2:系统场景分析，问题归结；根据香农定律，对于配对SP(i,j,n,k)，用户k在子载波对(i,j)上接收到的的信号容量是定义一个四维决策矩阵t＝{ti,j,n,k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个源节点S1，N个中继节点，K个用户节点，传输带宽被分为M个子载波，每个子载波均分系统带宽并且经历独立的瑞利衰落，所有中继节点都应用半双工的DF中继方式，并且可以获得不同子载波下的瞬时信道信息，系统的通信过程分为两个时隙，在第一时隙内，所有中继节点和用户节点接收从源节点S1广播发送的信号，并且每对子载波只能由一个中继使用，在第二时隙内，所有中继节点解码接收到的信号，然后通过与第一时隙配对的子载波转发给用户节点，源节点在第二时隙再次通过另一个子载波将信号发送给用户节点；针对第n个中继Rn，假设其第一个时隙内用第i个子载波接收信号，第二个时隙内用第j个子载波转发信号给用户k，并将这一子载波、中继与用户的配对记为SP(i,j,n,k)，该中继Rn在第一个时隙内收到的信号为用户k在第一时隙内接收到的信号为其中，s1表示源节点发送的信号，且功率均为1，表示源节点的发送功率，hi,j,n与hi,j,k分别表示源节点到中继Rn与源节点到用户k之间的信道增益，假设其均服从零均值的复高斯分布，方差分别为与ni,j,n与ni,k为中继Rn处与用户节点k处的加性高斯白噪声，其方差为与在第二个时隙，源节点以功率在第j路子载波上重新发送其在第一个时隙发送的信号，同时中继节点Rn将在第一时隙从源节点接收到的信号解码转发给用户节点k，那么用户节点k在第二时隙收到的两路信号分别为：yi,j,n,k=Pi,j,n,krgi,j,n,ks2+ni,j,n,k,yi,j,k2=Pi,j,n,ks2gi,j,ks1+nj,k]]>其中，s1分别表示源节点与中继节点发送的信号，且功率均为1，表示源节点的发送功率，表示中继节点Rn的发送功率，gi,j,n,k与gi,j,k分别表示中继Rn到用户节点k与源节点到用户节点k之间的信道增益，假设其均服从零均值的复高斯分布，方差分别为与ni,j,n,k与nj,k为用户节点k处的加性高斯白噪声，其方差为与假设所有的噪声方差均为N0，并定义：则传统DF中继模式下的接受信噪比为源节点在第二时隙重新发送的信号的接受信噪比为步骤2:系统场景分析，问题归结；根据香农定律，对于配对SP(i,j,n,k)，用户k在子载波对(i,j)上接收到的的信号容量是定义一个四维决策矩阵t＝{ti,j,n,k}，若ti,j,n,k＝1,则表示配对SP(i,j,n,k)被使用，若ti,j,n,k＝0，则表示SP(i,j,n,k)没有被使用，最优化问题可以归结如下：P1:max R=Σk=1KΣn=1NΣi=1MΣj=1Mti,j,n,kRi,j,n,ks.t.C1:Σk=1KΣn=1NΣi=1MΣj=1Mti,j,n,k(Pi,j,n,ks1+Pi,j,n,kr+Pi,j,n,ks2)≤PtC2:ti,j,n,k∈{0,1},∀i,j=1,2,...NC3:Σk=1KΣn=1NΣi=1Mti,j,n,k≤1,∀j,C4:Σk=1KΣn=1NΣj=1Mti,j,n,k≤1,∀i,C5:Pi,j,n,ks1≥0,Pi,j,n,kr≥0,Pi,j,n,ks2≥0]]>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(Pi,j,n,ks1,Pi,j,n,ks2,Pi,j,n,kr,ti,j,n,k,β0,βm,m)=Σk=1KΣn=1NΣi=1MΣj=1Mti,j,n,kRi,j,n,k-β0(Σk=1KΣn=1NΣi=1MΣj=1Mti,j,n,k(Pi,j,n,ks1+Pi,j,n,kr+Pi,j,n,ks2)-P)-βm,m(Σk=1KΣn=1NΣj=1Mti,j,n,k-1)]]>再联立和n∈{1,2,...,N},k∈{1,2,...,K},m∈{1,2,...,M}，并用次梯度方法迭代求解，其中β0,βm,m是相应的拉格朗日因子。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分式规划的多中继协作通信系统资源分配方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个源节点S1，N个中继节点，K个用户节点，传输带宽被分为M个子载波，每个子载波均分系统带宽并且经历独立的瑞利衰落，所有中继节点都应用半双工的DF中继方式，并且可以获得不同子载波下的瞬时信道信息，系统的通信过程分为两个时隙，在第一时隙内，所有中继节点和用户节点接收从源节点S1广播发送的信号，并且每对子载波只能由一个中继使用，在第二时隙内，所有中继节点解码接收到的信号，然后通过与第一时隙配对的子载波转发给用户节点，源节点在第二时隙再次通过另一个子载波将信号发送给用户节点；针对第n个中继Rn，假设其第一个时隙内用第i个子载波接收信号，第二个时隙内用第j个子载波转发信号给用户k，并将这一子载波、中继与用户的配对记为SP(i,j,n,k)，该中继Rn在第一个时隙内收到的信号为用户k在第一时隙内接收到的信号为其中，s1表示源节点发送的信号，且功率均为1，表示源节点的发送功率，hi,j,n与hi,j,k分别表示源节点到中继Rn与源节点到用户k之间的信道增益，假设其均服从零均值的复高斯分布，方差分别为与n...

【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