一种基于OFDM的中继系统能效优化方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于OFDM的中继系统能效优化方法，属于移动通信技术领域。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。本发明专利技术在最大总功率和最小用户瞬时速率的约束下，结合完整的信道状态信息，考虑使能量效率最大化的兼顾公平性的联合优化问题，并给出用户公平性的数学表达式。本发明专利技术针对最优化问题的求解，采用凸优化处理，转化优化问题的目标函数，不经过近似计算，不影响问题的精度的同时极大的降低的计算复杂度，减少系统开销产生的时延。本发明专利技术算法设计合理，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动通信
，更具体地说，涉及一种基于OFDM的中继系统能效优化方法。
技术介绍
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。对OFDM技术的研究早在20世纪末期便趋于成熟，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。OFDM与中继的结合保证了无线通信的有效性和可靠性的平衡，已获得广泛研究和认可。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。随着通信业务需求增长以及人们环保意识的加强，运营商不得不开始考虑基站功耗的影响，有估计表明，信息及通信技术产业(InformationCommunicationTechnology，ICT)的能耗占世界总能耗的2％-10％，设计低污染的无线通信系统迫在眉睫。绿色通信概念就是在这种严峻背景下提出来的，旨在通过节能减排，提高资源利用率，使得通信网络能够可持续发展。在绿色通信系统中，主要通过功率控制来进行能量效率的优化。最大化系统能量效率模型与RA模型和MA模型不同之处在于，目标函数的建立过程中，能效优化以最大化单位功率所得到的系统容量为目标，在能耗与系统容量之间做一个折中，而后两者都是以提高频谱利用率为目标。解决能效模型的方法一般有拉格朗日松弛法(Lagrangianrelaxation)，分数规划Dinkelbach算法，对偶求解，二分法等。现有的研究根本理念都围绕系统容量最大化问题，让性能好的中继和子载波优先分配给条件好的用户，一味追求系统容量最大化将引起用户资源分配不均，条件差的用户分不到所需资源，因此为了兼顾公平性必须设计更加合理的资源分配算法。现有的一些文献构建了多用户场景下，以系统容量最大值为目标的最优化问题，同时考虑了与用户之间公平性的折中。LiG和LiuH在2016年IEEEJSAC中提出以最大化吞吐量为目标，同时以每个中继分配到的子载波作为标准，在多个源节点、多个中继和一个目的用户的场景下确保中继端的公平性。在多跳场景下，BaeC和ChoDH.在2007年IEEEComm.Letter中则通过在限制条件中加入用户最低速率限制的方法提升公平性。LiH，LuoH和WangX在2009年ICC会议中为了使得每个用户的速率相同，采用最大化系统中最小用户的速率的限制条件，虽然保障了用户间的公平却以损失系统容量为代价。最近的一些文献提出基于比例公平(ProportionalFair)的资源分配算法因能兼顾系统容量与用户公平性而得到广泛应用，但是多数研究都是在场景和优化方法相对简单的环境下进行，也都没有考虑到能耗的问题。比如B.Fan等在2009年IEEEICC会议中指出比例公平资源分配算法应用的场景是单中继场景，用户之间的功率分配采用平均分配，这不利于提高系统性能。
技术实现思路
针对现有基于OFDM的中继系统能效优化方法未充分考虑考虑系统用户能效对数和最优、保证用户资源分配的公平性、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OFDM的中继系统能效优化方法，在最大总功率和最小用户瞬时速率的约束下，结合完整的信道状态信息，考虑使能量效率最大化的兼顾公平性的联合优化问题，为了降低该问题的复杂度，先采用Dinkelbach方法将该优化模型变为线性凸规划，然后基于对偶规划对简化后的线性规划问题进行求解，最后结合注水算法与次梯度算法循环迭代算出最优解。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OFDM的中继系统能效优化方法，包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个基站位于圆心，小区辐射半径是R，K个中继节点距离中心为r(r＜R)，M个用户节点，传输带宽被分为N个子载波，每个子载波均分WHz的系统带宽并且经历独立的瑞利衰落，AGWN功率谱密度为N0，所有中继节点都应用半双工的AF中继方式，并且可以获得不同子载波下的瞬时信道信息，每一对子载波只能由一个用户所使用；定义基站节点为S，M表示用户节点的集合，M＝{1,2,3,...M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于OFDM的中继系统能效优化方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个基站位于圆心，小区辐射半径是R，K个中继节点距离中心为r(r＜R)，M个用户节点，传输带宽被分为N个子载波，每个子载波均分WHz的系统带宽并且经历独立的瑞利衰落，AGWN功率谱密度为N0，所有中继节点都应用半双工的AF中继方式，并且可以获得不同子载波下的瞬时信道信息，每一对子载波只能由一个用户所使用；定义基站节点为S，M表示用户节点的集合，M＝{1,2,3,...M}，N表示子载波的集合N＝{1,2,3,...N}，K表示中继节点的集合，K＝{1,2,3,...K}，S到k在子载波n上的信道增益为k到m在子载波n上的信道增益为基站和各个中继处的最大发射功率分别为与S到k在子载波n上的功率为k到m在子载波n上的功率为m到k的链路对m‑k对子载波n的占用情况表示为1表示链路得到子载波，0表示未得到；基站S到中继k在子载波m链路S‑k‑m上的速率为其中系统总功率消耗为S到k和k到m在子载波n上的SNR为与每个用户节点的速率可以表示为步骤2:系统场景分析，问题归结；定义比例公平算法数学模型以最大化用户瞬时速率对数和为目标，在考虑功率因素的情况下，该场景下的最优化问题归结为：P1:maxps,kn,pk,mn,ρΣm=1Mln RmP=maxps,kn,pk,mn,ρΣm=1Mln(Σk=1KΣn=1Nρk,mnRs,k,mn)PC+Σk=1KΣn=1NΣm=1M(ps,kn+pk,mn)s.t.C1:ρk,mn=P{0,1},∀k,m,nC2:Σk=1KΣm=1Mρk,mn≤1,∀nC3:ps,kn≥0,∀k,nC4:pk,mn≥0,∀k,m,nC5:Σk=1KΣn=1NΣm=1Mps,kn≤PSmaxC6:Σn=1NΣm=1Mpk,mn≤Pkmax,∀k;]]>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,kn,pk,mn,ρk,mn,βρ,n,βs,βr,k)=Σm=1Mln(Σk=1KΣn=1Nρk,mnRs,k,mn)PC+Σk=1KΣn=1NΣm=1M(ps,kn+pk,mn)-βρ,n(Σk=1KΣm=1Mρk,mn-1)-βs(Σk=1KΣn=1NΣm=1Mps,kn-PSmax)-βr,k(Σn=1NΣm=1Mpk,mn-Pkmax)]]>再联立和并用次梯度方法迭代求解，其中βρ,n,βs,βr,k是相应的拉格朗日因子。...

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDM的中继系统能效优化方法，其特征在于：包括步骤1:建立系统模型；系统中存在一个基站位于圆心，小区辐射半径是R，K个中继节点距离中心为r(r＜R)，M个用户节点，传输带宽被分为N个子载波，每个子载波均分WHz的系统带...

【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