一种基于速率约束的OFDMA中继系统的资源分配方法

摘要

本发明公开了OFDMA中继系统中一种基于速率约束的资源分配方法，其通过在建立优化资源分配模型时加入了用户间速率成比例约束条件，利用松弛用户速率比例约束条件确定各用户应至少分配到的子载波个数，然后为速率约束比最小的用户优先分配子载波，这样可使得本发明方法保证了用户间比例公平性；将剩余子载波根据信道增益最大分配给相应的用户，能够最大化系统总容量；在假定平均功率分配条件下，进行子载波分配和中继选择，然后在完成子载波分配和中继选择的基础上进行子载波上的优化功率分配，有效降低了计算复杂度。

主权项

一种基于速率约束的OFDMA中继系统的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：①根据OFDMA中继系统中用户间速率成比例约束条件，建立优化资源分配模型：$max[\underset{i=1}{\overset{M_0}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_{i,n}{R}_{i,n}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{j=M_0+1}{\overset{M_0+M_1}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{j,k,n}{R}_{j,k,n}]$满足的约束条件：$\begin{array}{c}A1:{\rho }_{i,n}\in \{0,1\};{\delta }_{j,k,n}\in \{0,1\}\\ A2:\underset{i=1}{\overset{M_0}{\Sigma }}{\rho }_{i,n}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{j=M_0+1}{\overset{M_0+M_1}{\Sigma }}{\delta }_{j,k,n}=1\\ A3:\underset{j=M_0+1}{\overset{M_0+M_1}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{j,k,n}{p}_{j,k,n}\le P_{T_1}\\ A4:\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\underset{i=1}{\overset{M_0}{\Sigma }}{\rho }_{i,n}{p}_{s,i,n}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{j=M_0+1}{\overset{M_0+M_1}{\Sigma }}{\delta }_{j,k,n}{p}_{s,M_0+k,n})\le P_{T_2}\\ A5:R_1:R_2:...R_i...:R_{M_0+M_1}={\gamma }_1:{\gamma }_2:...{\gamma }_i...:{\gamma }_{M_0+M_1}\end{array}$其中，max( )为取最大值函数，K表示OFDMA中继系统中的中继个数，K≥1，M₀表示OFDMA中继系统中的直传用户个数，M₀>1，M₁表示OFDMA中继系统中的中继用户个数，M₁>1，N表示OFDMA中继系统中的总子载波个数，N>1；表示在第一时隙中继用户总发送功率，表示在第二时隙直传用户和中继总发送功率；约束条件A1中的ρ_i,n表示子载波分配因子，其用于表征第n个子载波是否被第i个直传用户占用，ρ_i,n＝0表征第n个子载波未被第i个直传用户占用，ρ_i,n＝1表征第n个子载波被第i个直传用户占用，δ_j,k,n是子载波中继分配因子，其用于表征第n个子载波和第k个中继是否被第j个中继用户占用，δ_j,k,n＝0表征第n个子载波和第k个中继未被第j个中继用户占用，δ_j,k,n＝1表征第n个子载波和第k个中继被第j个中继用户占用；约束条件A2表示一个子载波最多只能被一个直传用户或者一个中继用户及相应的中继占用；约束条件A3用于表征在第一时隙中继用户总发送功率约束；约束条件A4表示在第二时隙直传用户和中继总发送功率约束；约束条件A5中R_i(i＝1,2,...M₀+M₁)表示第i个用户的速率，γ_i(i＝1,2,...M₀+M₁)表示用户i的传输速率对应的比值，表示用户间速率成比例约束；R_i,n表示第i个直传用户在第n个子载波上的瞬时速率且R_i,n＝log₂(1+p_s,i,nl_s,iH_s,i,n)，p_s,i,n表示第i个直传用户和基站这条通信链路在第n个子载波上的发送功率，l_s,i表示第i个直传用户和基站这条通信链路上的路径损耗，H_s,i,n表示第i个直传用户和基站这条通信链路在第n个子载波上的信道增益；R_j,k,n表示第j个中继用户通过第k个中继在第n个子载波上的瞬时速率且$R_{j,k,n}=\frac{1}{2}min\{{\log }_2(1+p_{j,k,n}{l}_{j,k}{H}_{j,k,n}),{\log }_2(1+p_{s,M_0+k,n}{l}_{s,M_0+k}{H}_{s,M_0+k,n})\},$min( )为取最小值函数，p_j,k,n表示第j个中继用户通过第k个中继在第n个子载波上的发送功率，l_j,k表示第j个中继用户和第k个中继这条通信链路上的路径损耗，H_j,k,n表示第j个中继用户经过第k个中继在第n个子载波上的信道增益，表示第k个中继和基站在第n个子载波上的发送功率，表示第k个中继和基站这条通信链路上的路径损耗，表示第k个中继和基站这条通信链路在第n个子载波上的信道增益；②根据上述优化资源分配模型中的约束条件A5及OFDMA中继系统中中继用户向基站发送信息需要两个时隙，确定OFDMA中继系统中各用户应至少分配的子载波数：i≤M₀M₀+1≤i≤M₀+M₁，其中，在信息传输过程中，直接与基站进行通信的用户称之为直传用户，通过中继与基站通信的用户称之为中继用户，i≤M₀表示用户i是直传用户，M₀+1≤i≤M₀+M₁表示用户i是中继用户；③在假定平均功率分配条件下，为速率约束比R_i/γ_i最小的用户优先分配子载波，使各用户分配到步骤②中确定的子载波个数，然后将剩余子载波分配给其对应信道增益最大的用户，以最大化系统总容量；④根据步骤③中各个用户实际分配到的子载波个数以及第二时隙发送总功率约束，利用拉格朗日算法进行子载波上的优化功率分配，具体过程为：④‑1、在步骤③中完成子载波分配和中继选择的基础上，考虑第二时隙的功率分配，功率优化问题为：$\begin{array}{c}\underset{p_{s,i,n}}{\max }[\underset{i=1}{\overset{M_0}{\Sigma }}\underset{n\in C_i}{\Sigma }{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})+\underset{i=M_0+1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}\underset{n\in C_i}{\Sigma }\frac{1}{2}{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})]\\ subjectto:\\ B1:\underset{i=1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{s,i,n}\le P_{T_2}\\ B2:R_1:R_2:...R_i...:R_{M_0+K}={\gamma }_1:{\gamma }_2:...{\gamma }_i...:{\gamma }_{M_0+K}\end{array},$其中，表示优化变量为p_s,i,n的取最大值函数，C_i表示用户i分配到的子载波集合，约束条件B1表示第二时隙发送功率约束，约束条件B2表示用户间速率成比例约束条件；④‑2、构造一个与上述功率优化问题相关的拉格朗日方程，表示为：$\begin{array}{c}L(p_{s,i,n},\beta ,{\mu }_i)=\underset{i=1}{\overset{M_0}{\Sigma }}\underset{n\in C_i}{\Sigma }{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})+\underset{i=M_0+1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}\underset{n\in C_i}{\Sigma }\frac{1}{2}{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})+\\ \beta (\underset{i=1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{s,i,n}-P_{T_2})+\underset{i=2}{\overset{M_0}{\Sigma }}{\mu }_i[\underset{n\in C_i}{\Sigma }{\log }_2(1+p_{s,1,n}{l}_{s,1}{H}_{s,1,n})-\frac{{\gamma }_1}{{\gamma }_i}\underset{n\in C_i}{\Sigma }{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})]\\ +\underset{i=M_0+1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}{\mu }_i[\underset{n\in C_i}{\Sigma }{\log }_2(1+p_{s,1,n}{l}_{s,1}{H}_{s,1,n})-\frac{{\gamma }_1}{{\gamma }_i}\underset{n\in C_i}{\Sigma }\frac{1}{2}{\log }_2(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})]\end{array},$其中，β表示的拉格朗日算子，μ_i(2≤i≤M₀)表示的拉格朗日算子，μ_i(M₀+1≤i≤M₀+K)表示的拉格朗日算子；④‑3、将L(p_s,i,n,β,μ_i)对p_s,i,n进行求导，并令其导函数为0，则有：$\frac{\partial L(p_{s,i,n},\beta ,{\mu }_i)}{\partial p_{s,i,n}}=\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n}}{(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})\ln 2}+\beta -{\mu }_i\frac{{\gamma }_1}{{\gamma }_i}\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n}}{(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})\ln 2}=0,i\in {\Omega }_{M_0}$$\frac{\partial L(p_{s,i,n},\beta ,{\mu }_i)}{\partial p_{s,i,n}}=\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n}}{(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})2ln2}+\beta -{\mu }_i\frac{{\gamma }_1}{{\gamma }_i}\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n}}{(1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n})2ln2}=0,i\in {\Omega }_K$根据上述两个式子得到：然后再根据$\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n^{\prime }}}{1+p_{s,i,n^{\prime }}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n^{\prime }}}=\frac{l_{s,i}{H}_{s,i,n}}{1+p_{s,i,n}{l}_{s,i}{H}_{s,i,n}}$和$\underset{i=1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{s,i,n}=P_{T_2}$得到子载波上优化功率分配值为：$p_{s,i,n}=a_i{l}_{s,1}{p}_{s,1,1}/l_{s,i}+b_i+\frac{1}{l_{s,i}{H}_{s,i,1}}-\frac{1}{l_{s,i}{H}_{s,i,n}},p_{s,1,1}=\frac{P_{T_2}-\underset{i=1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}(N_i^{\prime }{b}_i+e_i)}{\underset{i=1}{\overset{M_0+K}{\Sigma }}{N}_i^{\prime }{a}_i{l}_{s,1}/l_{s,i}};$对于中继传输链路，根据最优功率分配应满足的条件p_j,k,nl_j,kH_j,k,n＝p_s,i,nl_s,iH_s,i,n(M₀+1≤i≤M₀+K)以及$p_{s,i,n}=a_i{l}_{s,1}{p}_{s,1,1}/l_{s,i}+b_i+\frac{1}{l_{s,i}{H}_{s,i,1}}-\frac{1}{l_{s,i}{H}_{s,i,n}},$得到p_j,k,n＝p_s,i,nl_s,iH_s,i,n/l_j,kH_j,k,n；其中，$a_i=2^{\frac{N_i^{\prime }{W}_1-N_1^{\prime }{W}_i}{N_1^{\prime }{N}_i^{\prime }}},b_i=\frac{a_i}{l_{s,i}{H}_{s,1,1}}-\frac{1}{l_{s,i}{H}_{s,i,1}},e_i=\underset{n\in C_i}{\Sigma }\frac{H_{s,i,n}-H_{s,i,1}}{l_{s,i}{H}_{s,i,n}{H}_{s,i,1}},$其中，N′_i(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户实际分配到的子载波数，N′_i(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继实际分配到的子载波数，N′₁表示第1个直传用户实际分配到的子载波数；W_i(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户在其实际分配到的子载波上的信道增益之和，W_i(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继在其实际分配到的子载波上的信道增益之和，C_i(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户实际分配到的子载波集合，C_i(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继实际分配到的子载波集合，H_s,i,n(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户在其第n个子载波上的信道增益，H_s,i,n(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继在其第n个子载波上的信道增益；l_s,1表示第1个直传用户与基站这条通信链路的路径损耗，p_s,1,1表示第1个直传用户的第1个子载波上分配的功率值，l_s,i(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户与基站这条通信链路的路径损耗，l_s,i(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继与基站这条通信链路的路径损耗，H_s,i,1(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户在其第1个子载波上的信道增益，H_s,i,1(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继在其第1个子载波上的信道增益，p_s,i,n(1≤i≤M₀)表示第i个直传用户的第n个子载波上分配的功率值，p_s,i,n(M₀+1≤i≤M₀+K)表示第i‑M₀个中继的第n个子载波上分配的功率值，p_j,k,n表示第j个中继用户经过第k个中继的第n个子载波上分配的功率值，H_j,k,n表示第j个中继用户经过第k个中继在其第n个子载波上的信道增益。