改进型中继系统的联合功率分配和子载波匹配方法

摘要

本发明公开一种改进型中继协作系统的联合功率分配和子载波匹配方法，步骤为：1：通信系统中枢调控单元对信道状态信息进行分析，通过最优化过程获得最优资源分配策略，再将该信息通知网络内各节点；2：信源S根据当前最优发射策略进行广播，信宿D与中继R接收；3：当中继R能够给系统带来有效性能增益时，R对其接收到的信号进行放大转发，否则中继子载波切换至空闲状态，信源S则利用此空闲子载波进行额外传输；4：信宿D联合其在两个阶段所接收到的信号进行解码。相比传统的OFDM中继网络，本发明所提方案能够有效弥补传统OFDM系统中继子载波在第二时隙不能充分利用的不足，极大地提高了频谱效率。

主权项

一种改进型中继协作系统的联合功率分配和子载波匹配方法，其特征在于：所述中继协作系统是一种中继协作单天线通信系统，该系统包括一个信源S，一个放大‑转发中继R，一个信宿D，所述方法包括以下步骤：步骤1：通信系统中枢控制单元对网络信道状态信息进行分析处理，通过最优化系统端到端总速率，获得最优子载波匹配和子载波功率分配策略，并随之将这些信息通知到通信系统内各节点；所述通信系统端到端总速率最优化问题被建模为一个混合整数规划问题：$\begin{array}{c}\underset{\{P,t,\rho \}}{\max }\frac{1}{2}\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n}\{{\rho }_{m,n}{\log }_2(1+P_S^m{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m+\frac{P_S^m{P}_R^n{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n}{1+P_S^m{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m+P_R^n{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n})\\ +(1-{\rho }_{m,n})[{\log }_2(1+P_{S,1}^m{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m)+{\log }_2(1+P_{S,2}^n{\gamma }_{\mathrm{SD}}^n)]\}\end{array},$D1:t_m,n∈{0,1},D2:$\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n}=1,\forall n,\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n}=1,\forall m,$s.t.D3:ρ_m,n∈{0,1},D4:$\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n}\{{\rho }_{m,n}(P_S^m+P_R^n)P+(1-{\rho }_{m,n})(P_{S,1}^m+P_{S,2}^n)\}\le P_t,$D5:$P_S^m,P_R^n,P_{S,1}^m,P_{S,2}^n\ge 0,\forall mn,$其中，t_m,n∈{0,1}被定义为子载波匹配因子，当其取值为1时，子载波m与n匹配，否则，二者不进行匹配；ρ_m,n∈{0,1}被定义为中继模式选择因子，当其取值为1时，R对子载波对(m,n)处于中继状态，否则，中继处于空闲状态，P_t为系统总功率限制；采用限制条件连续化及拉格朗日对偶化的方法将该混合整数规划问题进行转化并有效地求解；所述连续化及拉格朗日对偶化将上述混合整数规划问题变为优化对偶目标函数：$g(\alpha ,\beta )=\underset{\{P,t\}}{\max }L(P,t,\rho ,\alpha ,\beta ),$及其对偶问题：$\underset{\{\alpha ,\beta \}}{\min }g(\alpha ,\beta ),\begin{array}{cc}s.t.& \alpha \ge 0,\beta \pm 0,\end{array}$其中α,β为对偶变量，且拉格朗日函数L(P,t,α,β)构造为：$\begin{array}{c}L(S,t,\rho ,\alpha ,\beta )=\frac{1}{2}\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n}\{{\rho }_{m,n}{\log }_2(1+S_1^{m,n}\frac{{\overline{{\gamma }_1}}^{m,n}}{t_{m,n}{\rho }_{m,n}})\\ +(1-{\rho }_{m,n})({\log }_2(1+S_2^m\frac{{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m}{t_{m,n}(1-{\rho }_{m,n})})+{\log }_2(1+S_3^n\frac{{\gamma }_{\mathrm{SD}}^n}{t_{m,n}(1-{\rho }_{m,n})}))\\ +\alpha (P_t-\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}(S_1^{m,n}+S_2^m+S_3^n))+\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_n(1-\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{m,n})\end{array},$其中，$S_1^{m,n}=t_{m,n}{\rho }_{m,n}(P_S^m+P_R^n),S_2^m=t_{m,n}(1-{\rho }_{m,n})P_{S,1}^m,S_3^n=t_{m,n}(1-{\rho }_{m,n})P_{S,2}^n$分别表示信源S与中继R在两种模式下实际所消耗的功率，指中继模式下(m,n)子载波对信道所对应的等效信道增益，且有：${\overline{{\gamma }_1}}^{m,n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m\mu ({\gamma }_{\mathrm{SR}}^m\mu +{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n)+{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n\mu }{(1+\mu )({\gamma }_{\mathrm{SR}}^m\mu +{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n)},& {\gamma }_{\mathrm{SD}}^m<{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n,\\ {\gamma }_{\mathrm{SD}}^m,& {\gamma }_{\mathrm{SD}}^m\ge {\gamma }_{\mathrm{RD}}^n\end{array}\right.$其中，$\mu =\frac{{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n+{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n\sqrt{{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n+{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m{\gamma }_{\mathrm{RD}}^n-{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m}}{{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m({\gamma }_{\mathrm{RD}}^n-{\gamma }_{\mathrm{SD}}^m)};$步骤2：在任意通信周期的第一时隙，信源S根据其当前获知的最优子载波匹配和子载波功率分配策略进行信号广播，信宿D与中继R同时进行独立接收；步骤3：在任意通信周期的第二时隙，发送端R和S基于对于任意子载波对当前网络信道状态信息的分析，使得中继R在该子载波切换到最优的工作模式，如当中继R在该子载波转发信号能够给系统带来有效性能增益时，中继R在该子载波切换到转发模式，即对子载波对中前一时隙接收到的信号进行放大、转发，信宿D进行接收；否则，中继R在该子载波切换至空闲状态，此时该子载波对中第二跳子载波保持安静，信源S则利用此空闲子载波进行额外的信息传输；所述的协作中继模型在任一给定的子载波对(m,n)中的任一传输过程包括两个时隙的收发：时隙一：信源S对传输信号进行广播，信宿D与中继R独立进行接收，若它们的接收信号分别用y_rm与表示，则有：$y_{\mathrm{rm}}=\sqrt{P_S^m}{h}_{\mathrm{SR}}^m{s}_m+z_{\mathrm{rm}},y_{\mathrm{dm}}^{\left(1\right)}=\sqrt{P_S^m}{h}_{\mathrm{SD}}^m{s}_m+z_{\mathrm{dm}}^{\left(1\right)},$其中s_m为信源S在第m个子载波上所发送的信号，z_rm及分别指R和D在第一时隙所引入的噪声；时隙二：系统根据中继R最优工作模式的判断来决定这一时隙的传输：当中继R对于(m,n)处于中继模式时，中继R对y_rm进行放大后于第n子载波信道转发，S则于第n子载波信道上保持安静，信宿在此时隙接收信号为：$y_{\mathrm{dn}}^{\left(2\right)}=\sqrt{\frac{P_R^n}{P_S^m{\left|h_{\mathrm{SR}}^m\right|}^2+{\sigma }_r^2}}{h}_{\mathrm{RD}}^n{y}_{\mathrm{rm}}+z_{\mathrm{dn}}^{\left(2\right)};$当继R对于(m,n)处于空闲模式时，中继R则在第n子载波信道保持安静，S则在第n子载波信道中进行新的传输，这种情况下信宿在此时隙接收信号为：$y_{\mathrm{dn}}^{\left(2^{\prime }\right)}=P_{S,2}^n{h}_{\mathrm{SD}}^n{s}_n+z_{\mathrm{dn}}^{\left(2\right)};$步骤4：信宿D联合其在两个时隙阶段所接收到的信号进行解码。