基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配方法技术方案

基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配的解决方法，设计了一种综合考虑中继节点选择、子载波配对和功率控制的资源分配方法。中继节点将计算得到的等效信道增益划分为量化区间，并反馈所属量化区间序列号，使得经过较少比特的信息交互可确定协同节点的选择。基站先分配第二跳时的各中继节点的子载波，各中继节点再选出用户节点。以“强强联合”为宗旨匹配两跳的子载波，利用最大流最小割原理，确定中继节点转发时在相应子载波上的发送功率。特别地，建立基于单位功率上的速率的效用函数，并引入基于链路质量与发射功率的代价机制，且代价因子可根据不同业务需求进行实时调整，实现用户节点在各被选中的子载波上的发送功率的优化配置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种用于正交频分多址接入(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，OFDMA)中继系统中的分布式动态资源分配的解决方法，具体是一种适用于上行链路OFDMA中继系统中兼顾性能优化和公平性保证的基于非合作博弈的中继选择、子载波配对和功率分配的动态资源分配方法。
技术介绍
为了满足下一代宽带移动通信标准(IMT-Advanced)的高传输速率和高频带时宽覆盖范围的要求，人们将协同通信技术视为未来移动通信系统的关键技术之一，以期通过协同技术达到获得协同分集增益，提高数据传输速率，增大系统覆盖范围和节省终端功耗等目的。作为协同通信应用重要场景之一的基于中继的无线通信，目前较为主流的协同方案包括放大转发(Amplify and Forward，AF)方案和译码转发(Decoded and Forward，DF)方案。其中，对于AF方案而言，中继节点直接放大并转发从源节点收到的信号；对于DF方案而言，中继节点对接收到的信号进行译码，并转发译码后的再生信号至目的节点。另外，针对高传输速率需求的与日俱增，人们更加关注OFDM等多载波传输技术，如在无线通信长期演进计划(Long Term Evolution，LTE)中，OFDM技术就作为其设计标准的技术框架之一。它的核心思想是通过采用正交子载波并行发送数据，将宽带信号转化为窄带信号传输，从而能有效地克服信道的频率选择性衰落和码间干扰。鉴于此，结合OFDMA的协同中继系统，将更可能为实现高速通信提供有效的保障。 随着协同通信技术的提出和系统研究的推进，协同系统中的资源分配问题越来越引起人们广泛地关注和研究。在协同系统中，由于需要协同节点辅助信息传输，这将会带来额外的带宽、功率等资源的消耗。因此与发送节点信息的直接传输相比，协同通信需要更加合理高效的资源分配算法，以保证以较低的复杂度和较高的资源利用率获得较好的通信性能。具体到OFDMA中继系统中，涉及到的资源分配包括中继选择、子载波配对和功率分配等。因为在多中继系统中，不辨良莠地利用中继节点参与协同通信，非但不能获得系统性能增益，甚至反而会降低系统性能，导致较低的资源利用率，因此对何时要求中继协同和如何选择协同中继的考虑是具有重要的应用价值的。另外，已有理论研究表明只依靠单个最佳节点协同的机会协同在不降低协同性能的前提下，还能降低接收复杂度，提高频谱效率，更适合实际中的协同系统。同时考虑到发送节点和中继节点之间功率分配的资源优化问题，合理调整它们之间的功率，可以使得协同传输的性能得到进一步提高。另外，值得一提地是子载波配对问题。在OFDMA中继系统中，第一跳和第二跳之间的信道衰落是相互独立的，在第一跳有良好通信质量的子载波可能在第二跳时遭遇深度衰落，这就需要为第一跳的子载波找好合适的“接班人”，以保证下一跳仍具有良好的通信质量。综上所述，在OFDMA中继系统中，中继选择、子载波配对和功率分配等资源优化问题都会对系统性能、通信质量等产生影响，且它们各自的优化过程也是相辅相成的，这其中就涉及到如何选择合适的中继节点，如何在合适的中继节点上为第二跳匹配合适的子载波，以及如何在配对的子载波间实现功率分配等。因此，可以说综合考虑中继选择、子载波配对和功率分配等的动态资源分配将会更契合实际系统应用，并带来系统整体性能的提升。 近年来的研究，主要存在以下方面的不足1)鲜有综合考虑中继选择、子载波配对和功率分配等多方面资源优化问题的动态资源分配算法；2)有很大一部分的研究是针对集中式中继系统或下行OFDMA中继系统；3)在资源分配上，难以依据实际情况建模，以及兼顾性能优化和公平性保证，对于这一点，特别值得介绍非合作博弈，它的引入为解决无线通信系统中的分布式资源分配问题，特别是“自私”的参与者相互之间具有利益冲突和竞争的资源分配问题提供了一种新的方法。非合作博弈假设所有的参与者具有完全理性、只关注自身并相互独立地选择策略，然后通过设计不同的效用函数和代价机制，并对其进行最优化求解使得每个用户“自动”地达到系统所期望的性能，此时也就达到了一种相对稳定的平衡态，即博弈论所说的“纳什均衡”。这种方法能够对系统中的分布式资源分配问题进行合理的建模，通过设计不同的效用函数和代价机制，获得不同方面的性能优化和公平性保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种适用于上行链路的，本专利技术能兼顾性能优化和公平性保证，通过合理地实现中继选择、子载波配对和有效地抑制用户盲目增大发送功率，使得系统资源能获得高效地利用。 本专利技术是通过以下技术方案实现的 第一步在单小区OFDMA中继系统中，包括拥有N个子载波的基站d，在基站d的周围均匀分布有Mr个固定中继节点 ，构成固定中继节点集 其中，Mr为正整数，用以表示系统中的固定中继节点数，j为[1，Mr]范围内任一正整数，且每个固定中继节点rj拥有N个子载波，单小区OFDMA中继系统还包括随机分布的Ms个用户节点 ，构成用户节点集 ，其中，Ms为正整数，用以表示系统所拥有的用户节点数，i为[1，Ms]范围内任一正整数，且每个用户节点si拥有N个子载波，每个用户节点si的最大发射功率为 N为正整数； 第二步用户节点si向所有固定中继节点rj和基站d广播信息，各固定中继节点和基站分别对其进行译码，并判断是否译码正确，当基站d译码正确时，基站d向用户节点si和各固定中继节点rj发送信息“1”，用户节点si在接收到信息“1”后，用户节点si将确定采用直接传输方式传输，采用直接传输方式的用户节点si在单小区中形成采用直接传输方式传输的用户节点集D；当基站译码不正确时，基站d向用户节点si和各固定中继节点发送信息“0”，当各固定中继节点接收到信息“0”后，能正确译码的固定中继节点rj计算自身的等效信道增益 其中， 和 分别为用户节点si与可正确译码的固定中继节点rj之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益， 和 分别为可正确译码的固定中继节点rj与基站d之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益，其中，n为子载波序列号，且为[1，N]范围内任一正整数，为减小反馈量，各固定中继节点预先统一设定好等效信道增益的量化区间和量化区间序列号，量化区间预先统一设定的方法是选取等效信道增益范围，这一范围的上界为0，下界为最优等效信道增益 为利用已有的信道统计模型估算出固定中继节点与基站间的理想信道增益，再将这一范围等间隔划分为m份，m为正整数，从而形成m个量化区间，且将量化区间按照从小到大的顺序依次用自然数1，2，...，m作为序列号对量化区间进行标注，然后，可正确译码的固定中继节点rj根据自身的等效信道增益与量化区间的对应关系，确定可正确译码的固定中继节点rj的等效信道增益所属的量化区间，接着将对应的量化区间序列号作为反馈值反馈给用户节点si，每个用户节点si选取反馈值最大的固定中继节点rj作为帮助其实现协同传输的协同节点，则R中任一固定中继节点rj会同时为若干个用户节点实现协同传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配方法，其特征在于：第一步：在单小区ＯＦＤＭＡ中继系统中，包括拥有Ｎ个子载波的基站ｄ，在基站ｄ的周围均匀分布有Ｍ↓［ｒ］个固定中继节点ｒ↓［１］，ｒ↓［２］，…，ｒ↓［ｊ］，…，ｒ↓［Ｍ↓［ｒ］］，构成固定中继节点集Ｒ＝｛ｒ↓［１］，ｒ↓［２］，…，ｒ↓［ｊ］，…，ｒ↓［Ｍ↓［ｒ］］｝，其中，Ｍ↓［ｒ］为正整数，用以表示系统中的固定中继节点数，ｊ为［１，Ｍ↓［ｒ］］范围内任一正整数，且每个固定中继节点ｒ↓［ｊ］拥有Ｎ个子载波，单小［（ｎ）］｜↓［ｉｄ］↑［２］为利用已有的信道统计模型估算出固定中继节点与基站间的理想信道增益，再将这一范围等间隔划分为ｍ份，ｍ为正整数，从而形成ｍ个量化区间，且将量化区间按照从小到大的顺序依次用自然数１，２，…，ｍ作为序列号对量化区间进行标注，然后，可正确译码的固定中继节点ｒ↓［ｊ］根据自身的等效信道增益与量化区间的对应关系，确定可正确译码的固定中继节点ｒ↓［ｊ］的等效信道增益所属的量化区间，接着将对应的量化区间序列号作为反馈值反馈给用户节点ｓ↓［ｉ］，每个用户节点ｓ↓［ｉ］选取反馈值最大的固定中继节点ｒ↓［ｊ］作为帮助其实现协同传输的协同节点，则Ｒ中任一固定中继节点ｒ↓［ｊ］会同时为若干个用户节点实现协同传输，这些用户节点构成由共享固定中继节点ｒ↓［ｊ］来实现协同传输的用户节点集Ｃ↓［ｒ↓［ｊ］］；第三步：各固定中继节点ｒ↓［ｊ］向基站ｄ发送信息，基站ｄ从中获知其自身与各固定中继节点在各子载波上的信道状态信息，经过比较，由基站ｄ选出对各子载波而言最好的固定中继节点，即ｒ↓［ｊ］↑［（ｎ）］＝ａｒｇ＊｜ｈ↓［ｒ↓［ｊ］，ｄ］↑［（ｎ）］｜↑［２］，ｎ＝１，２，…，Ｎ，基站ｄ将各固定中继节点被分配的子载波数Ｎ↓［ｒ↓［ｊ］］，Ｎ↓［ｒ↓［ｊ］］为［１，Ｎ］范围内的正整数，以及被分配的子载波的序列号ｎ告知各固定中继节点，各固定中继节点以此对其进行标记，即若固定中继节点ｒ↓［ｊ］（＊ｒ↓［ｊ］∈Ｒ）的第ｎ个子载波被选中，则记为ρ↓［ｒ↓［ｊ］，ｄ］↑［（ｎ）］＝１，若未被选中则记为ρ↓［ｒ↓［ｊ］，ｄ］↑［（ｎ）］＝０；第四步：属于由共享固定中继节点ｒ↓［ｊ］来实现协同传输的用户节点集Ｃ↓［ｒ↓［ｊ］］中的用户节点，向对应的作为协同节点的固定中继节点ｒ↓［ｊ］发送确认信息，作为其协同节点的固定中继节点ｒ↓［ｊ］从接收的信息中提取与Ｃ↓［ｒ↓［ｊ...

【技术特征摘要】
1.一种基于博弈论的正交频分多址接入中继系统资源分配方法，其特征在于第一步在单小区OFDMA中继系统中，包括拥有N个子载波的基站d，在基站d的周围均匀分布有Mr个固定中继节点构成固定中继节点集其中，Mr为正整数，用以表示系统中的固定中继节点数，j为[1，Mr]范围内任一正整数，且每个固定中继节点rj拥有N个子载波，单小区OFDMA中继系统还包括随机分布的Ms个用户节点构成用户节点集其中，Ms为正整数，用以表示系统所拥有的用户节点数，i为[1，Ms]范围内任一正整数，且每个用户节点si拥有N个子载波，每个用户节点si的最大发射功率为N为正整数；第二步用户节点si向所有固定中继节点rj和基站d广播信息，各固定中继节点和基站分别对其进行译码，并判断是否译码正确，当基站d译码正确时，基站d向用户节点si和各固定中继节点rj发送信息“1”，用户节点si在接收到信息“1”后，用户节点si将确定采用直接传输方式传输，采用直接传输方式的用户节点si在单小区中形成采用直接传输方式传输的用户节点集当基站译码不正确时，基站d向用户节点si和各固定中继节点发送信息“0”，当各固定中继节点接收到信息“0”后，能正确译码的固定中继节点rj计算自身的等效信道增益其中，和分别为用户节点si与可正确译码的固定中继节点rj之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益，和分别为可正确译码的固定中继节点rj与基站d之间在第n个子载波上的信道状态信息和信道增益，其中，n为子载波序列号，且为[1，N]范围内任一正整数，为减小反馈量，各固定中继节点预先统一设定好等效信道增益的量化区间和量化区间序列号，量化区间预先统一设定的方法是选取等效信道增益范围，这一范围的上界为0，下界为最优等效信道增益为利用已有的信道统计模型估算出固定中继节点与基站间的理想信道增益，再将这一范围等间隔划分为m份，m为正整数，从而形成m个量化区间，且将量化区间按照从小到大的顺序依次用自然数1，2，...，m作为序列号对量化区间进行标注，然后，可正确译码的固定中继节点rj根据自身的等效信道增益与量化区间的对应关系，确定可正确译码的固定中继节点rj的等效信道增益所属的量化区间，接着将对应的量化区间序列号作为反馈值反馈给用户节点si，每个用户节点si选取反馈值最大的固定中继节点rj作为帮助其实现协同传输的协同节点，则中任一固定中继节点rj会同时为若干个用户节点实现协同传输，这些用户节点构成由共享固定中继节点rj来实现协同传输的用户节点集第三步各固定中继节点rj向基站d发送信息，基站d从中获知其自身与各固定中继节点在各子载波上的信道状态信息，经过比较，由基站d选出对各子载波而言最好的固定中继节点，即n＝1，2，...，N，基站d将各固定中继节点被分配的子载波数范围内的正整数，以及被分配的子载波的序列号n告知各固定中继节点，各固定中继节点以此对其进行标记，即若固定中继节点的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为第四步属于由共享固定中继节点rj来实现协同传输的用户节点集中的用户节点，向对应的作为协同节点的固定中继节点rj发送确认信息，作为其协同节点的固定中继节点rj从接收的信息中提取与中的各用户节点在各子载波上的信道状态信息，经过比较，作为协同节点的固定中继节点rj选出对各子载波而言能在该子载波上受到最好帮助的由共享固定中继节点rj来实现协同传输的用户节点，即并依据已获知的由基站d分配给每个固定中继节点rj的子载波数在信道增益从大至小的排列下，保留处于前位的子载波分配情况，然后，固定中继节点rj将各用户节点被分配的子载波数为范围内的正整数，以及被分配的子载波的序列号n告知中的各用户节点，各用户节点以此对其进行标记，即若用户节点的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为同时，属于采用直接传输方式传输的用户节点集中的用户节点，向基站d发送确认信息，基站d从接收的确认信息中提取各用户节点与基站d在各子载波上的信道状态信息，确定用户节点的子载波分配情况，即n＝1，2，...，N，然后，基站d将各用户节点被分配的子载波数以及具体的子载波的序列号n告知采用直接传输方式传输的用户节点集中的各用户节点，各用户节点以此对其进行标注，即若用户节点的第n个子载波被选中，则记为若未被选中则记为第五步建立非合作博弈模型来确定各用户节点被选中的各子载波上的发送功率，每个用户节点以其单位功率上的速率为效用函数，并在效用函数中加入代价机制，以抑制用户节点盲目地增加发送功率，若属于由共...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡跃明，吴丹，徐友云，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]