一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，该方法针对车载移动基站的通信架构，在OFDMA的调制方式下，通过资源分配，最大化通信系统的容量。主要包括：建立高铁车载移动基站通信架构下的容量函数，分配子载波给多个用户，实现基站端和车载移动基站端的子载波配对，分别在基站端和车载基站端分配子载波功率。该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】
一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法
：本专利技术涉及无线移动通信
，特别是涉及一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法
技术介绍
：作为一种快捷、方便、绿色的公共交通工具，速度在300km的高速铁路在世界范围内快速发展并取得了举世瞩目的成绩。随着高速铁路的发展，高速铁路上的无线数据传输需求也越来越高。一方面，不断增长的铁路安全控制信息需要在车地之间传输；另一方面，旅客希望在旅途中享受到实时的信息服务，例如查收邮件，下载文件，视频会议等。据统计，列车上的数据传输速率需求为37.5Mbps，未来将达到0.5-5Gpbs。同时，第四代移动通信（LTE-A）已被标准化。其中，正交频分复用接入（Orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess——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，被选为LTE-A的下行链路传输技术。但是，OFDM对于时变信道很敏感，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（inter-carrierinterference——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。在高铁通信场景下，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）。与传统的通信架构相比，这种“两跳”的通信架构具有以下优点：首先可以避免由车厢带来的穿透损耗。另外，地面基站只需与列车上的一个移动终端通信，而不是车厢内部的所有用户，降低车地之间的通信费用，且降低了小区切换的复杂性。最后，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。由上述分析，可以看到高铁场景下车载基通信架构的瓶颈是BS-MBS链路，该链路中由Doppler产生的ICI将降低系统性能。在本专利技术中将通过资源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，本专利技术在高铁车载基站的通信架构下，以最大化系统容量为目标函数，提出一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法。本专利技术的技术方案如下：一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立高铁车载基站通信架构下的系统模型，计算目标函数。步骤202：对OFDM中的子载波进行资源块化。资源块的长度与信道的时域相关性有关，满足Ε[h(l,w1)hH(l,w2)]≥ε。步骤203：计算资源块长度Ns。步骤204：设置用户资源穷搜索的长度Tc。步骤205：进入对用户资源块分配的搜索，确定MBS-UE的信道响应。步骤206：初始化BS与MBS端的功率。步骤207：设置循环优化的初始值lp=1。步骤208：计算BS端的SINR和MBS端的SNR。步骤209：资源块配对。步骤210：资源块对内的子载波进行配对。步骤211：优化BS端与MBS端功率。步骤212：判断优化功率是否收敛，如果否，则返回步骤208，如果是，则进入步骤213。步骤213：若步骤212判断BS端与MBS端功率收敛，输出功率，并返回步骤204。步骤214：比较不同用户资源分配条件下的系统容量，系统容量最大的即为得到的资源优化条件。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。本专利技术产生的有益效果：在高铁场景通信架构下，通过对BS端和MBS端的子载波分配给多个用户，实现基站端和车载移动基站端的子载波配对以及BS端和MBS端分配子载波功率，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是示出高铁场景下车载移动基站通信架构图；图2是示出高铁车载移动基站通信架构下的资源分配流程图；图3是示出本专利技术实施例中，在不同归一化Doppler条件下，采用本专利技术的资源分配算法系统性能改进对比图；图4是示出本专利技术实施例中，在不同平均SNR条件下，采用本专利技术的资源分配算法时，不同资源块长度对系统性能的影响。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车载基站通信架构下的资源分配方法流程示意图，包括：步骤201：建立系统模型，计算目标函数。一个高铁车载基站通信架构下的OFDMA系统，含有N个子载波，K个用户。地面上的BS通过车厢顶部的MBS与车厢内部的几个用户通信。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，在此过程中考虑载波分配和功率分配。在第二跳中，MBS重新分配载波和功率，并将信号转发给K个用户。用SP(k,m,n)表示第一跳中的子载波m(m=1,2,...,N)与第二跳中的子载波n(n=1,2,...,N)配对，同时子载波对(m,n)分配给用户。子载波对SP(k,m,n)的功率包括和分别表示分配给第k个用户的BS端第m个子载波的功率和MBS端第n个子载波的功率。我们进一步定义和是子载波对SP(k,m,n)在BS-MBS链路和MBS-UE链路的信道系数。则相应的信道系数与干扰噪声的比值分别为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σICI2=E[|Σj=1j≠mNαjpj(1)|2]=(NTsfd)22Σj=1j≠mNpj(1)(j-m)2---(1)]]>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系统容量可表示为Cm,nk=12log2(1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)rm,n,k(2)pm,n,k(2)1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)+rm,n,k(2)pm,n,k(2))=12log2(1+pm,n,k(1)pm,n,k(2)(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)·bm,n,k+bm,n,kpm,n,k(1)+(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)pm,n,k(2))---(2)]]>其中am,n,k=σB2|hm,n,k1|2,bm,n,k=σR2|hm,n,k(2)|2]]>且ρm,n,k=(NTsfd)22|hm,n,k1|2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立高铁车载基站通信架构下的系统模型，计算关于系统容量的目标函数，关于系统容量的目标函数为C=maxpm,n,k(1)pm,n,k(2),SP(m,n,k)(Σk=1kωk,mnΣm=1NΣn=1Nφm,nCm,nk)---(a)]]>服从C1:Σm=1Nφm,n=1,∀n,Σn=1Nφm,n=1,∀m,φm,n∈[o,1]]]>C2:Σk=1Kωk,mn=1,∀m,n,ωk∈[0,1]]]>C3:Σk=1KΣm=1NΣN=1Npm,n,k(1)≤PB,pm,n,k(1)≥0]]>C4:Σk=1KΣm=1NΣN=1Npm,n,k(2)≤PR,pm,n,k(2)≥0]]>其中，PB和PR分别表示BS端和MBS端总的发射功率，约束条件C1和C2保证在第一跳中的第m个子载波只能有第二跳中的第n个子载波配对，约束条件C3保证每一个子载波对只能分配给一个用户，C4和C5分别是BS端和MBS端总的功率约束;表达式（a）中σICI2E[|Σj=1j≠mNαjpj(1)|2]=(NTsfd)22Σj=1j≠mNpj(1)(j-m)2---(b)]]>表达式（b），fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期，表达式（a）中，Cm,nk=12log2(1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)rm,n,k(2)pm,n,k(2)1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)+rm,n,k(2)pm,n,k(2))=12log2(1+pm,n,k(1)pm,n,k(2)(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)·bm,n,k+bm,n,kpm,n,k(1)+(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)pm,n,k(2))---(c)]]>表达式（c）中，am,n,k=σB2|hm,n,k1|2,bm,n,k=σR2|hm,n,k(2)|2,ρm,n,k=(NTsfd)22|hm,n,k1|2;]]>步骤202：对OFDMA中的子载波进行资源块化，资源块的长度与信道的时域相关性有关，满足Ε[h(l,w1)hH(l,w2)]≥ε，其中h(l,w1)和h(l,w2)分别表示BS‐MBS链路中信道抽头l在时刻w1和w2的系数，ε是0到1范围内的相关度参数，ε=0.993；步骤203：计算资源块长度，信道服从Jake’s模型，资源块的长度Ns满足其中表示一阶贝塞尔函数；步骤204：设置用户资源穷搜索的范围lk=1:Tc；连续子载波组成的资源块长度为Ns，则一个OFDM符号可分成个资源块，每个用户占用个资源块，则以资源块为单位进行分配的方式的可能性有Tc=WNcNcperuWNc-NcperuNcperu...WNcperuNcperu---(e)]]>其中，表示从R个数中取r个数的组合可能；步骤205：对用户资源块分配的搜索，确定MBS‐UE链路的信道响应矩阵；K个用户的信道响应矩阵为，其中h(k)是第k个用户的信道系数矩阵，表示为h(k)=[h1(k),...,hn(k),...,hN(k)]，其中hn(k)表示MBS到用户k的信道中，第n个子载波的信道系数；若将子载波以资源块为单位进行分配，则K个用户的信道响应矩阵为HKc=hc(1)···hc(k)···hc(K),]]>其中hc(k)=[h1c(k),...,hncc(k),...,hNcc(k)],]]>且hncc(k)=[h(nc-1)Ns+1(k),h(nc-1)Ns+2(k),...,hncNs(k)],]]>设NC_ID=[1,2,...,Nc]，则矩阵Ic=I1···Ilk···ITc]]>是一个Tc×Nc的矩阵，其中(lk=1,2,...,Tc)是NC_I...

【技术特征摘要】
1.一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立高铁车载基站通信架构下的系统模型，计算关于系统容量的目标函数，所述高铁车载基站通信架构下的系统模型为：一个高铁车载基站通信架构下的OFDMA系统，含有N个子载波，K个用户，地面上的BS通过车厢顶部的MBS与车厢内部的多个用户通信，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，在此过程中考虑载波分配和功率分配，在第二跳中，MBS重新分配载波和功率，并将信号转发给K个用户，用SP(k,m,n)表示第一跳中的子载波m(m＝1,2,...,N)与第二跳中的子载波n(n＝1,2,...,N)配对，同时子载波对(m,n)分配给用户，子载波对SP(k,m,n)的功率包括和分别表示分配给第k个用户的BS端第m个子载波的功率和MBS端第n个子载波的功率，进一步定义和是子载波对SP(k,m,n)在BS-MBS链路和MBS-UE链路的信道系数，则相应的信道系数与干扰噪声的比值分别为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，定义子载波配对参数φm,n∈{0,1}，当φm,n为1是表示BS端的子载波m与MBS端的子载波n配对，否则φm,n为0，进一步定义ωk,mn为用户分配参数，其中ωk,mn为1表示子载波对(m,n)分配给用户k，否则为0；关于系统容量的目标函数为服从其中，PB和PR分别表示BS端和MBS端总的发射功率，约束条件C1和C2保证在第一跳中的第m个子载波只能有第二跳中的第n个子载波配对，约束条件C3保证每一个子载波对只能分配给一个用户，约束条件C4和C5分别是BS端和MBS端总的功率约束；ICI产生的干扰功率的表达式如下表达式(b)，fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期，αj为第j个子载波对第m个子载波的功率干扰系数，为第一跳中第j个子载波的功率；表达式(a)中，

【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