一种高铁通信架构下的功率分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种高铁通信架构下的功率分配方法，该方法针对车载移动基站的通信架构，在OFDM的调制方式下，通过分配基站以及车载移动基站的功率，对抗车地之间Doppler对系统的影响，最大化系统容量。主要包括：建立高铁车载移动基站通信架构下的信道容量函数，优化分配车载移动基站端的发射功率，优化分配基站端的发射功率。本发明专利技术的功率分配方法对高速铁路场景通信架构下的系统性能优化具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种高铁通信架构下的功率分配方法
本专利技术涉及无线移动通信
，特别是涉及一种高铁通信架构下的功率分配方法。
技术介绍
最近几年，中国高铁迅速发展并取得了举世瞩目的成就。2011年7月京沪高速开通运营，中国自主创新研制的CRH380系列高速列车在世界规模最大的中国高速铁路网上实现运营，并创造了486.1km/h世界铁路最高运营试验速度。作为旅游及商务最受欢迎的交通工具之一，旅客们希望列车运行中得到丰富的数据服务，包括因特网接入，高品质语音服务和移动视频广播等。因此，在高铁系统中应用宽带无线通信已成为必然的发展趋势。在高铁下，人们已经提出各种通信架构。其中，采用车载移动基站的网络架构得到广泛的认同，如附图1所示。位于车顶的移动基站（mobilebasestation——MBS）将从地面上基站（basestation——BS）接收到的数据转发到车厢内部的用户设备（userequipment——UE）。通过这种“两跳”的通信架构，一方面可以避免由车厢带来的穿透损耗。另一方面，MBS可以通过信号处理（例如：功率分配，载波分配，编码等）来改进系统性能。另一方面，OFDMA由于有良好的抗频率选择性衰落能力，并且易于进行资源分配，已经成为下一代无线通信的下行传输技术。将OFDMA技术与“两跳”的通信架构相结合，引进到高铁下是未来研究的热点之一。但是，OFDM对于时变信道很敏感。在BS-MBS链路，由高速移动产生的Doppler会破坏载波间的正交性，导致产生载波间干扰（intersubcarrierinterference——ICI）。随着移动速度的增加，载波间干扰越来越明显，并会降低系统性能。本专利技术将通过功率分配来改进系统性能。
技术实现思路
针对以上现有技术的不足，本专利技术在高铁的通信架构下，以最大化系统容量为目标函数，提出一种高铁的通信架构下的功率分配方法。本专利技术的技术方案如下：一种高铁的通信架构下的功率分配方法，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立系统模型，计算目标函数步骤202：初始化BS端子载波的功率。步骤203：进入BS端与MBS端的迭代功率优化，初始化迭代次数l=1。步骤204：在MBS端，初始化拉格朗日算子λR，设定步长值sR。步骤205：设MBS端迭代次数为lR=1，最大迭代次数为lR_max。步骤206：采用凸优化方法优化MBS端的子载波功率步骤207：采用次梯度方法计算拉格朗日算子λR。步骤208：在BS端，初始化拉格朗日算子λR，设定步长值sR。步骤209：设BS端的迭代功率优化，设迭代次数为lB，最大迭代次数为lB_max。步骤210：BS端的子载波依次迭代优化，设当前优化的子载波编号m=1:N。步骤211：固定优化BS端第m(m=1,2,...,N)个子载波功率更新第m个子载波的功率值为当前优化得到的功率值，返回步骤210，直至N个子载波的优化功率全部更新完毕，且每个子载波功率收敛于固定值步骤212：计算BS处的拉格朗日算子。步骤213：判断BS与MBS处的和是否收敛于固定值，如果否，返回步骤303，如果是，进入步骤214。步骤214：输出BS与MBS端最终优化得到的各个子载波的功率值。所述步骤201，BS与MBS处的功率分别服从不同的功率约束PB和PR。所述步骤201，MBS只进行每个子载波上功率的重新分布，没有译码和在编码功能。所述步骤201中，在BS端第m个子载波传输的数据，在MBS处仍旧在第m个载波传输。如有完整的载波配对算法，也可以按照载波配对算法，在BS端第m个子载波传输的数据，可以在MBS端第n个子载波传输。所述步骤202中，也可先对MBS端的子载波功率进行初始化，优先的按步骤208-步骤212先对BS端子载波进行功率优化，再按步骤204-步骤207对MBS端子载波进行功率优化。本专利技术产生的有益效果：在高铁通信架构下，通过对BS端和MBS端的子载波功率分配，对抗BS-MBS链路的Doppler干扰，提高系统容量，优化系统性能。附图说明图1是示出高铁下的移动基站通信架构。图2是示出高铁通信架构下的功率分配流程图。图3是示出本专利技术实施例中，在不同的SNR下，采用本专利技术的功率分配算法性能改进对比图。图4是示出本专利技术实施例中，随着BS端和MBS端的功率迭代优化次数，在不同SNR下，系统容量增加对比图。图5是示出本专利技术实施例中，在不同归一化多普勒下，采用本专利技术的功率分配算法性能改进对比图。具体实施方式：为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。参照附图2，示出了本专利技术高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法流程示意图，包括：步骤201：建立系统模型，计算目标函数。我们考虑高铁下的OFDMA系统，含有N个子载波，地面上的BS通过车厢顶部的MBS与车厢内部的UE通信。假设在连续的两跳中，信道的瞬时增益保持不变。在第一跳中，BS将信号发送到MBS，在第二跳中，MBS重新分配载波和功率，并将信号转发给用户。和分别表示分配给BS处第m个子载波的功率和MBS处第m个子载波的功率。我们进一步定义和是第m个子载波在BS-MBS链路和MBS-UE链路的信道系数，。则相应的信干噪比(signal-to-interference-and-noise-ratioSINR)为and其中和分别是两跳链路中加性高斯白噪声的方差，是ICI产生的干扰功率。考虑到的准确表达式较为复杂且不直观，我们利用ICI的统计平均功率值进行计算（参考文献“Wang,Tiejun,etal."PerformancedegradationofOFDMsystemsduetoDopplerspreading."WirelessCommunications,IEEETransactionson5.6(2006):1422-1432.”）表达式如下：其中fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期。则通过子载波对从BS通过MBS到达用户k的OFDMA的系统容量可表示为：其中令则所以总的系统容量优化问题可以表示为：服从其中PB和PR分别表示BS处和MBS处总的发射功率。C4和C5分别是在BS处和MBS处的功率约束。上述的联合优化是一个非凸的函数，尤其是在分母中含有ICI表达式。因此，我们首先固定在BS处的子载波的功率，优化MBS的功率，然后迭代的优化BS的功率直到BS与MBS的子载波功率全部收敛。步骤202：初始化BS端子载波的功率。本实施中，初始化步骤203：BS端与MBS端的迭代功率优化，初始化迭代次数l=1。步骤204：首先进行MBS端的功率优化，初始化拉格朗日算子λR，设定步长值sR，本实施例中，λR的初始化值设为0.0001，步长经验值设为0.0001。步骤205：进入BS端的迭代功率优化，设迭代次数为lR，最大迭代次数为lR_max，本实施例中，lR_max的经验值设为500。步骤206：BS端子载波功率确定后，目标函数（4）相对于功率是凹的。因此可以采用对偶的方法解决优化问题。在OFDM的对偶优化函数与原目标函数之间存在非零间隙，但是文献“Y.WeiandR.Lui."Dualmethodsfornonconvexspectrumoptimizationo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁通信架构下的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立系统模型，计算系统容量，高铁下的OFDM系统，含有N个子载波，地面上的基站BS通过车厢顶部的车载移动基站MBS与车厢内部用户UE通信，假设在连续的两跳中，信道的瞬时增益保持不变，在第一跳中，BS将信号发送到MBS，在第二跳中，MBS重新分配载波功率，并将信号转发给UE，和分别表示分配给BS端第m个子载波的功率和MBS端第m个子载波的功率，则优化的系统容量目标函数表达式为：C=maxpm(1),pm(2)(Σm=1NCm)---(1-1)]]>服从C1:Σm=1Npm(1)≤PB---(1-2)]]>C2:Σm=1Npm(2)≤PR---(1-3)]]>C3:pm(1)≥0,pm(2)≥0---(1-4)]]>其中PB和PR分别表示BS处和MBS处总的发射功率，C4和C5分别是在BS处和MBS处的功率约束，Cm的表达式为：Cm=12log2(1+rm(1)pm(1)rm(2)pm(2)1+rm(1)pm(1)+rm(2)pm(2))=12log2(1+pm(1)pm(2)(am+ρmΣj=1j≠mNpj(1)(j-m)2)·bm+bmpm(1)+(am+ρmΣj=1j≠mNpj(1)(j-m)2)pm(2))=12log2(1+pm(1)pm(2)(am+ρmΣj=1j≠mNpj(1)(j-m)2)(bm+pm(2))+bmpm(1))---(1-5)]]>其中and为BS‑MBS链路和MBS‑UE链路中第m个子载波上的信干噪比，和是第m个子载波在BS‑MBS链路和MBS‑UE链路的信道系数，和分别是BS‑MBS链路和MBS‑UE链路中加性高斯白噪声的方差，是ICI产生的干扰功率表达式为：σICI2=E[|Σj=1j≠mNαjpj(1)|2]=(NTsfd)22Σj=1j≠mNpj(1)(j-m)2---(1-6)]]>其中fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期。且令Am=(am+ρmΣj=1j≠mNpj(1)(j-m)2)(bn+pn(2))+bnpm(1),]]>Cm可重新表示为Cm=12log2(1+pm(1)pm(2)Am)---(1-7)]]>步骤202：初始化BS端每个子载波功率，步骤203：进入BS端与MBS端的迭代功率优化，初始化迭代次数l=1；步骤204：在MBS端，初始化拉格朗日算子λR，设定步长值sR；步骤205：，设MBS端迭代次数为lR=1，最大迭代次数为lR_max；步骤206：采用凸优化方法优化MBS端的子载波功率pm(2)=[bmpm(1)2dm(1+2dmln2bmpm(1)λR-1)-bm]+---(6-1)]]>其中[x]+=max{x,0}，dm=am+ρmΣj=0j≠mNpj(1)(j-m)2;]]>步骤207：采用次梯度方法计算拉格朗日算子λR：λR(lR+1)=[λR(lR)+sR*(Σn=1Npn(2)-PR)]+---(7-1)]]>其中，上标lR表示迭代次数，sR表示步长，利用新得到的λR，返回步骤205，lR=lR+1，MBS处每个子载波的功率可根据公式（6‑1）重新分配，如此反复迭代至最大迭代次数lR=lR_max；步骤208：在BS端，初始化拉格朗日算子λR，设定步长值sR；步骤209：设BS端迭代次数为lB=1，最大迭代次数为lB_max；步骤210：BS端的子载波依次迭代优化，设当前优化的子载波编号m=1:N；步骤211：固定优化BS端第m个子载波上的优化功率pm(1)=[T22-4T1T3-T22T1]+---(11-1)]]>其中，T1=bm(bm+pm(2)),---(11-2)]]>T2=(2bm+pm(2))(Am-bmpm(1)),---(11-3)]]>T3=(Am-bmpm(1))2-pm(2)(Am-bmpm(1))2ln2λB---(11-4)]]>更新第m个子载波的功率值为当前优化得到的功率值，返回步骤210，直至N个子载波的优化功率全部更新完毕，且每个子载波功率收敛于固定值；步骤212：计算BS处的拉格朗日算子λB，λB(lB+1)=[λB(lB)+sB*(Σm=...

【技术特征摘要】
1.一种高铁通信架构下的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立系统模型，计算系统容量，高铁下的OFDM系统，含有N个子载波，地面上的基站BS通过车厢顶部的车载移动基站MBS与车厢内部用户UE通信，假设在连续的两跳中，信道的瞬时增益保持不变，在第一跳中，BS将信号发送到MBS，在第二跳中，MBS重新分配载波功率，并将信号转发给UE，和分别表示分配给BS端第m个子载波的功率和MBS端第m个子载波的功率，则优化的系统容量目标函数表达式为：服从约束条件C1:约束条件C2:约束条件C3:其中PB和PR分别表示BS处和MBS处总的发射功率，Cm的表达式为：其中和分别为BS-MBS链路和MBS-UE链路中第m个子载波上的信干噪比，和分别是第m个子载波在BS-MBS链路和MBS-UE链路的信道系数，和分别是BS-MBS链路和MBS-UE链路中加性高斯白噪声的方差，是ICI产生的干扰功率，表达式为：其中fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期，且令Cm可重新表示为步骤202：初始化BS端每个子载波功率，步骤203：进入BS端与MBS端的迭代功率优化，初始化迭代次数l＝1；步骤204：在MBS端，初始化拉格朗日算子λR，设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱佳慧，林子怀，陶成，谈振辉，刘留，刘扬，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11