一种充分利用时隙传输信息的DF多中继OFDM系统的多种资源优化算法技术方案

本发明专利技术涉及无线通信领域，公开了一种充分利用双时隙传输信息的传输策略，以及该传输策略下的DF(Decode‑and‑Forward,解码转发)协作多中继OFDM(Orthogonal Fequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统中的多种资源的联合优化算法。本发明专利技术所述的多种资源联合优化方法包括：考虑一种时分的半双工中继，源节点在两个时隙在各个子载波上均发送信息，在总功率约束条件下，对多中继的选择与协同传输、时隙自由度、传输模式、子载波配对、功率分配等资源进行联合优化，以最大化系统传输速率。整个系统结构由一个源节点、一个目标节点、K个中继节点组成，通过OFDM技术将选择性传输带宽均匀的分为N个子载波。本发明专利技术所述的优化算法与现有技术相比，具有更高的信息传输速率和频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种充分利用时隙传输信息的DF多中继OFDM系统的多种资源优化算法
本专利技术属于无线协作中继通信技术相关领域，涉及一种以最大化系统容量为目标的DF(Decode-and-Forward，解码转发)多中继OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)系统中的多种资源(包括时间自由度、多中继的选择与协同通信、传输模式的选择、子载波如何配对、功率分配)的联合优化方法。
技术介绍
在传统无线通信蜂窝结构中，为了增强通信容量和扩展信号覆盖范围，需要大量基站，这提高了通信服务成本。无线通信中采用低复杂度的协作中继节点，可以有效扩展蜂窝小区中信号的覆盖范围，增强无线通信可靠性，提高频谱利用率，增大远离基站区域的数据速率，同时有效降低成本；此外，协作无线多中继技术可以获得比单中继技术更多的空间分集增益，带来更多的设计自由度，扩展系统性能的提升空间；OFDM技术具有频谱效率高、抗多径能力强、信道均衡简单、灵活的资源分配等优越性能。因此，基于OFDM的协作中继通信网络结构已被第四代移动通信(4G，FourthGeneration)和后4G标准LTE-A(LongTermEvolutionAdvanced)所采用，此外，以OFDM技术为基础的各种改进型的多载波波形技术成为了5G宽带通信关键技术之一。OFDM协作中继通信系统的网络性能依赖于资源联合优化的精细程度，如子载波配对、功率分配等。本专利技术涉及的系统是一个多中继通信系统，可以优化的资源种类也很多，有功率分配、子载波配对、传输模式、时隙自由度、多中继的选择与协同通信等。功率分配问题主要指功率在两个时隙中的源节点和中继节点之间的分配以及在各子载波之间的分配；子载波配对是在中继节点处，将进、出中继的子载波进行合理配对，以显著提升系统性能；传输模式的选择优化是指根据信道状态的不同，考虑是否需要中继参与协作转发信号；当考虑源节点到目标节点之间的直接链路的情况下，由于源节点在第二个时隙也可以发送信号，那么源节点在第二个时隙在各子载波上以什么形式、以多大功率发送信号来提高系统性能，这也是在联合优化中需要考虑的问题，这在本专利技术中称之为源节点时隙自由度优化问题；对于多中继系统，中继选择或多中继协作的问题是指在某一给定子载波上，可以选择一个或多个中继同时参与协作转发信号。对于中继的中继方式，常见的有AF(Amplify-and-Forward，放大转发)和DF两种方式。对于AF中继方式，由于每个中继节点接收的噪声会被放大并在目的节点处累积，造成系统性能下降，但DF中继方式则不存在这个问题，因此，本专利技术涉及的中继方式均为DF方式。对于DF多中继OFDM系统，现有国内外相关文献已经对功率分配、子载波配对、中继选择等资源中的某一种或两种资源进行了联合优化，比如：《Relayselectionandpowerallocationincooperativecellularnetworks》中仅对功率分配进行了优化，每一个子载波仅选取一个中继来转发信息，但对子载波配对、传输模式、多中继协同、时间自由度等没有进行分析；《SumRateMaximizedResourceAllocationinMultipleDFRelaysAidedOFDMTransmission》与《WSRMaximizedResourceAllocationinMultipleDFRelaysAidedOFDMADownlinkTransmission》对功率分配、多中继选择与协同进行了分析，但对子载波配对、传输模式、时间自由度等没有进行分析；《AsymptoticallyOptimalResourceAllocationinOFDM-BasedCognitiveNetworkswithMultipleRelays》对功率分配、子载波配对进行了分析，每一个子载波对仅选取一个中继来转发信息，但对多中继协同通信、传输模式、时间自由度没有进行分析；本专利技术的第一专利技术人在文献《JointResourceAllocationwithSubcarrierPairinginCooperativeOFDMDFMulti-RelayNetworks》中对多种资源的联合优化进行了进一步的研究，但没有对时间自由度、双时隙信息发送策略等进行分析。因此，本专利技术针对DF多中继OFDM通信系统，对系统的功率分配、子载波配对、传输模式、多中继协同通信、时隙自由度等进行联合优化，目标是提高系统通信容量。
技术实现思路
本专利技术目的：为了尽量提升DF多中继协作OFDM系统的系统容量性能，本专利技术提供一种多种资源联合优化分配的方法。本专利技术的技术方案具体如下。本专利技术中，两跳的DF多中继协作OFDM系统包括一个源节点、一个目标节点、K个中继节点，整个选择性传输带宽被均匀的分为N个子载波。信道状态参数条件：本专利技术中源节点到目标节点之间第i个子载波的信道状态参数记为hi,0,i＝1,2,...,N，源节点到第k个中继、第k个中继到目标节点之间第i个子载波的信道参数分别记为hi,k,1和hi,k,2，k＝1,2,....,K。任意两个节点之间的每一个子载波上的信道是平坦衰落的，而且，整个网络的信道状态信息对所有节点来说是已知的。此外，信道条件是缓变的，也就是说，完成一次资源的联合优化计算以及信息传输的时间内，信道条件是不变的。时隙概念：一个完整的传输周期分为两个相等的时隙，在第一个时隙，源节点在所有的子信道上发送信息给所有的中继节点和目标节点；第二个时隙，如果有中继节点将第一时隙收到的信息成功解码，那么这些中继节点将解码后的信息处理后转发给目标节点，没有正确解码的中继节点不发送任何信息。子载波配对方案：第k(k＝1,2,...,K)个中继节点，第一时隙在第i(i＝1,2,...,N)个子载波上接收到源节点发送的信号后，对其进行解码、放大处理后，在第二个时隙在第j(j＝1,2,...,N)个子载波上转发出去，子载波i和j组成一个子载波对，记为SP(i,j)，此外，为了避免不同子载波信号之间的干扰，所有中继节点的子载波配对情况完全一样。双时隙信息发送策略：以某一给定的子载波对SP(i,j)为例，第一个时隙，源节点在第i个子载波上以一定功率发送信息xi；在第二个时隙，如果有中继参与转发信息，那么源节点将信息xi在第j个子载波上以一定功率重新向目标节点发送一次，否则，源节点在第j个子载波上以一定功率发送新的信息给目标节点。时隙自由度的概念：源节点在各个子载波上发送信息时，采用什么样的信息发送策略，信息发送策略上文已作了描述，其中涉及的发送功率问题在后续描述中，以源节点在两个时隙中的功率分配的形式表现出来。不失一般性，对于给定的子载波对SP(i,j)，中继节点按照源节点到中继节点之间信道参数绝对值由小到大进行排列，即注意，这里的中继节点的排序序号ki,j与具体的子载波对SP(i,j)有关，在本专利技术后续内容中，在不引起混淆的情况下，Ki,j通常记为K。本专利技术提供的多种资源联合优化方法，包括以下主要内容：C1：给定子载波对SP(i,j)，对于中继传输模式，即，第二时隙有中继参与转发信息的传输模式，找到系统容量为：其中，ps,i,1和p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充分利用双时隙传输信息的传输策略，以及该传输策略下的DF(Decode‑and‑Forward,解码转发)协作多中继OFDM(Orthogonal Fequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统中的多种资源的联合优化算法，其特征在于，包括：a.整个系统包括一个源节点、一个目标节点、K个中继节点，整个选择性传输带宽被均匀的分为N个子载波。b.一个完整的传输周期分为两个相等的时隙，在第一个时隙，源节点在所有的子信道上发送信息给所有的中继节点和目标节点；第二个时隙，如果有中继节点将第一时隙收到的信息成功解码，那么这些中继节点将解码后的信息处理后转发给目标节点，没有正确解码的中继节点不发送任何信息。c.中继节点采用的子载波配对方案：第k(k＝1,2,...,K)个中继节点，第一时隙在第i(i＝1,2,...,N)个子载波上接收到源节点发送的信号后，对其进行解码、放大处理后，在第二个时隙在第j(j＝1,2,...,N)个子载波上转发出去，子载波i和j组成一个子载波对，记为SP(i,j)，此外，为了避免不同子载波信号之间的干扰，所有中继节点的子载波配对情况完全一样。*d.双时隙信息传输策略：在第二个时隙，如果有中继参与转发信息，那么源节点将第一时隙发送过的信息以一定的功率重新向目标节点发送一次，否则，源节点发送新的信息给目标节点。...

【技术特征摘要】
1.一种充分利用双时隙传输信息的传输策略，以及该传输策略下的DF(Decode-and-Forward,解码转发)协作多中继OFDM(OrthogonalFequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)系统中的多种资源的联合优化算法，其特征在于，包括：a.整个系统包括一个源节点、一个目标节点、K个中继节点，整个选择性传输带宽被均匀的分为N个子载波。b.一个完整的传输周期分为两个相等的时隙，在第一个时隙，源节点在所有的子信道上发送信息给所有的中继节点和目标节点；第二个时隙，如果有中继节点将第一时隙收到的信息成功解码，那么这些中继节点将解码后的信息处理后转发给目标节点，没有正确解码的中继节点不发送任何信息。c.中继节点采用的子载波配对方案：第k(k＝1,2,...,K)个中继节点，第一时隙在第i(i＝1,2,...,N)个子载波上接收到源节点发送的信号后，对其进行解码、放大处理后，在第二个时隙在第j(j＝1,2,...,N)个子载波上转发出去，子载波i和j组成一个子载波对，记为SP(i,j)，此外，为了避免不同子载波信号之间的干扰，所有中继节点的子载波配对情况完全一样。*d.双时隙信息传输策略：在第二个时隙，如果有...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹为民，余新，
申请(专利权)人：广东创锐电子技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44