一种基于能效最优的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能效最优的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。本发明专利技术考虑时间平均下的系统能效，基于时间平均的能效算法不仅考虑当前系统性能，同时将当前时刻之前时刻系统性能考虑在内，保证系统资源分配的公平性，并给出用户公平性的数学表达式，同时能够通过运算巧妙地得到更简单的功率子载波自适应分配公式。本发明专利技术把最优化问题分成两个子问题解决，通过循环迭代获取子载波上功率分配，在子载波分配过程中不仅考虑当前信道状态信息，同时考虑之前信道状态，通过巧妙的转换降低本发明专利技术算法复杂度，并给出了复杂度的数学表达式。本发明专利技术算法设计合理，易于实现。

Resource allocation method for cooperative communication system based on energy efficiency optimization

The invention discloses a resource allocation method for cooperative communication system based on energy efficiency optimization, 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 considers the time average system efficiency, time average energy efficiency algorithm not only the current system performance based on the consideration of time before the current time, the performance of the system, ensure the fairness of resource allocation, and the mathematical expressions of user fairness are given, and can skillfully get more simple adaptive subcarrier power allocation formula through the operation. The optimization problem into two sub problems to solve, obtaining power allocation sub carrier through iteration, not only consider the current channel state information in the subcarrier allocation process, at the same time before considering the channel state, through the ingenious invention transform to reduce the complexity of the algorithm, the complexity of mathematical expressions are given. The algorithm of the invention is reasonable in design and easy to realize.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于协作通信
，更具体地说，涉及一种基于能效最优的协作通信系统资源分配方法。
技术介绍
未来的无线通信网络将向用户提供诸如互联网的宽带服务。那些宽带业务要求在恶劣的移动环境下提供可靠并且高速率的通信，这种移动环境的频谱是有限的，还伴随着多径衰落引起的码间干扰。正交频分复用(OFDM)是解决这种码间干扰的最有前途的方案之一。OFDM的概念很早就被提出，它的根本理念是用相互重叠、相互独立的子载波使用频分复用技术并行传输。早期的OFDM系统结构相当复杂，并且成本很高，因此应用范围很小。1972年，使用离散傅立叶变换进行调制解调，打开了OFDM系统应用的一片新天地。OFDM技术已经被选为欧洲数字音频广播、视频广播和无线局域网标准，比如，802.11a标准。进入80-90年代后，OFDM技术逐渐应用于各种通信系统中。目前OFDM作为4GLTE的基础技术之一，同时也是IEEE部分无线局域网标准的物理层核心技术。对OFDM技术的研究早在20世纪末期便趋于成熟，然而传统蜂窝网络有两大缺点，一方面基站端信号发送功率较高使得整个系统能耗过高，另一方面，在路径损耗严重的网络环境中，信号传输功率会逐渐衰减，可能会引起信号失真，因此会导致接收错误。这些缺点使得以中继为基础的协作技术进入人们视野，它不仅价格低廉，而且灵活性与延展性极高，能间接延长网络距离，进一步保障边缘用户的服务质量(QoS)，提升传统通信网络的系统性能。随着无线通信系统更高的速率要求以及更广阔的覆盖需求，中继的出现被看作是紧密连接基站端与移动台的便捷低耗的好方式，被视为LTE-A最关键的技术，并被写入到IEEE802.16j无线通信标准中。在近几年的研究中，多数文章的优化目标都是最大限度提升OFDM中继系统的容量，优化模型由优化目标以及约束条件组成，常见的约束条件有功率限制和需求限制。如：基站发射功率，中继转发功率，最小传输速率，用户优先级，系统公平性等。随着智能手机、平板电脑等移动设备的广泛使用，人们对高速率无线服务的需求迅速增加，相应地也增加了无线网络的能耗。蜂窝网络的能耗的增加无形中会给运营商开支带来不小的影响。因此能量效率技术成为关键的研究领域。现有的关于能量效率算法的研究，多数以最大化单位能耗上的系统容量为目标，也就是用单位焦耳能耗上的比特数代替吞吐量或者峰值速率成为系统优化目标，除了考虑传输功率的消耗，兼顾了电路功率损耗。C.Sun和C.Yang在2012年EURASIP J.Wireless Commun.Networking中通过优化各个节点处传输时间和传输功率来实现能效优化，分别从单向中继和双向中继两个场景模型进行分析，系统是最基础的三个节点中继网络。M.Zhou，Q.Cui，R.Jantti和X.Tao在2012年IEEE Commuication Letters中指出通过中继选择和功率分配，提出一种最小化传输功率的算法。但是该算法没有考虑系统容量和传输功率消耗之间的平衡。C.Y.Ho和C.-Y.Huang在2011年IEEE InternationalConference on Communications中选用译码转发中继模式，通过联合子载波分配、功率分配以及中继选择最大化单个用户的能量效率。Y.Jiang，J.Zhang，X.Li和W.Xu在2012年IEEE InternationalConference onVTC上还考虑了用户之间的公平性问题，但是上述场景都是在OFDM上行链路中的研究。Cheung,K.T.K.在2013年在IEEE Transactions on Communications提出下行链路中能效问题最经典的求解方法，在下行多中继多用户OFDM蜂窝网络场景中最大化单位传输功率上的频谱效率，在最优功率分配求解的过程中使用分数规划算法来降低运算复杂度。以上文献均未考虑时间平均下的系统能效，基于时间平均的能效算法不仅考虑当前系统性能，同时将当前时刻之前时刻系统性能考虑在内，保证系统资源分配的公平性，同时能够通过运算巧妙地得到更简单的功率子载波自适应分配公式。
技术实现思路
针对现有蜂窝网络的中继协作能量效率优化方法未充分考虑考虑时间平均下的系统能效最优、保证系统资源分配的公平性、联合子载波分配与功率分配、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能效最优的协作通信系统资源分配方法，通过子载波分配与功率分配，实现整个协作网络单位时间内每焦耳能量所传输的比特数的最大化，同时考虑系统比例公平性。把最优化问题分成两个子问题解决，通过循环迭代获取子载波上功率分配，在子载波分配过程中不仅考虑当前信道状态信息，同时考虑之前信道状态，通过巧妙的转换降低本专利技术算法复杂度。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；系统由基站S，M个用户以及N个中继组成，用户自由分布在小区内中继以外的圆环内，用户与基站距离较远，用户无法直接接收基站传输的信号，信号传输分为两个时隙，第一个时隙基站通过子载波发送信号给中继，下个时隙中继接收到基站传过来的信号放大并进行转发，两个时隙相互正交，记在t时刻被第n个中继服务的用户集为：在S→R链路中，全部K个正交的子载波被分配给N个中继，所有子载波的集合表示为ξ＝{1,2,...K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能效最优的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；系统由基站S，M个用户以及N个中继组成，用户自由分布在小区内中继以外的圆环内，用户与基站距离较远，用户无法直接接收基站传输的信号，信号传输分为两个时隙，第一个时隙基站通过子载波发送信号给中继，下个时隙中继接收到基站传过来的信号放大并进行转发，两个时隙相互正交，记在t时刻被第n个中继服务的用户集为：且i≠j在S→R链路中，全部K个正交的子载波被分配给N个中继，所有子载波的集合表示为ξ＝{1,2,...K}，在R→D链路中，所有的用户共享中继的全部K个正交的子载波，每个用户在一个时刻与最近的中继形成链路，在两跳链路中信号在同一个子载波上进行传输，假设所有节点之间的衰落是独立同分布的瑞利衰落，用户m在t时刻第k个子载波上瞬时速率可以表示为：rm,k(t)=12B log2(1+ηs,k(t)ηm,k(t)1+ηs,k(t)+ηm,k(t)),ηs,k(t)=ps,k|hs,k(t)|2N0B,ηm,k(t)=pr,k(t)|hm,k(t)|2N0B]]>其中ηs,k(t)和ηm,k(t)分别为S→R链路和R→D链路在t时刻的信噪比(SNR)，ps,k(t)为t时刻基站S到与它相连的中继在子载波k上的发射功率，pr,k(t)为t时刻基站在子载波k上的发射功率，hs,k(t)和hm,k(t)分别为t时刻基站S到中继，中继到用户Dm在子载波k上的信道增益，N0为噪声功率谱密度，子载波带宽用B表示；步骤2:系统场景分析，问题归结；对于用户Dm来说，单位时间内的能量效率表示为平均数据速率与平均功率消耗之比：um(t)=Rm(t)Pm(t)=(1-1T)Rm(t-1)+1Tsm(t)(1-1T)Pm(t-1)+1Tpm(t)]]>其中Τ为加窗长度，R(0)＝0，sm(t)表示用户Dm在t时刻的瞬时数据速率：sm(t)=Σk=1Kρm,k(t)rm,k(t)]]>令ρm,k(t)表示子载波分配参数，当在t时刻用户Dm分配到子载波k时，ρm,k(t)＝1，否则ρm,k(t)＝0，在t时刻的瞬时功率消耗表示为其中pcm(t)表示用户端电子设备的电路功率消耗，从而该场景下的最优化问题可以表示为：P1:maxps,k(t),pr,k(t),ρm,k(t)U(t)=Σm=1Mlog um(t)s.t.Σm=1Mρm,k(t)=1,∀k∈(1,2,...K)Σk=1Kps,k(t)≤Ps,ps,k≥0Σk=1KΣm∈Ψn(t)ρm,k(t)pr,k(t)≤Pr,n,pr,k(t)≥0,∀n∈{1,2,...N};]]>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(ps,k(t),pr,k(t),ρm,k(t),βk,βs,βr,n)=Σm=1Mlog um(t)-βk(Σm=1Mρm,k(t)-1)-βs(Σk=1Kps,k(t)-P)-βr,n(Σk=1KΣm∈Ψn(t)ρm,k(t)pr,k(t)-Pr,n)]]>再联立和并用次梯度方法迭代求解，其中βk,βs,βr,n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；系统由基站S，M个用户以及N个中继组成，用户自由分布在小区内中继以外的圆环内，用户与基站距离较远，用户无法直接接收基站传输的信号，信号传输分为两个时隙，第一个...

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