改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法

摘要

本发明公开一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法，其中：一个具有解码—转发机制的中继站协助信源向多个用户进行通信；采用双时隙传输方式实现系统的联合资源分配，包括系统子载波匹配、子载波对—用户分配以及子载波功率分配；基于中枢控制单元对信道状态信息的分析，系统实现工作模式的切换；当系统的某个子载波对处于空闲模式时，允许信源第二时隙的空闲子载波进行额外传输。相比传统的基于OFDM的多用户中继协作系统，本发明有效地克服了传统OFDM系统中继子载波在第二时隙不能被充分利用的缺陷，显著地提高了频谱效率。

主权项

一种改进型多用户OFDM DF系统的联合资源分配方法，其特征在于，所述系统中采用具有解码—转发功能的中继R，协助信源S向多个目的节点D_k(k＝1,...,K)于多个正交子载波信道中同时传送数据，且系统采用双时隙传输方式实现中继通信流程；所述方法包括以下步骤：第一步，系统中枢控制单元对系统信道状态信息进行综合分析，通过最优化个体功率受限条件下的系统容量，获得最优资源分配策略；所述最优资源分配策略包括子载波匹配策略、子载波对—用户分配策略、子载波功率分配策略以及最优工作模式策略；第二步，在一个完整通信周期的第一时隙，信源根据其当前最优发射策略中的子载波功率分配策略进行信息广播，各个用户D_k与中继R分别进行独立接收；第三步，在一个完整通信周期的第二时隙，系统依据最优发射策略中的子载波匹配策略对两跳子载波进行匹配，依据最优发射策略中的最优工作模式策略对各个用户—子载波对的工作模式进行切换，即当中继R能够给系统带来有益的容量提升时，切换到中继模式，此时R对其收到的信号进行解码，在重新编码后向目的节点转发；而当中继R不能给系统带来有益的容量提升时，系统切换至空闲状态，此时R在该第二跳的子载波信道中保持安静，信源S则利用此空闲子载波进行额外的信息传输；系统的子载波匹配、子载波对分配以及子载波功率分配的最优化目标函数是改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率；对于给定的用户—子载波对SP(k,mn)，改进型多用户DF中继协作系统的端到端速率表现为：$R^{k,\mathrm{mn}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\gamma }_{S,D_k}^m{P}_{S,D_k}^m)+\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\gamma }_{S,D_k}^n{P}_{S,D_k}^n),& \mathrm{idle}\mathrm{mode},\\ \frac{1}{2}\min \{{\log }_2(1+P_S^m{\gamma }_{S,D_k}^m+P_{R,D_k}^n{\gamma }_{R,D_k}^n),{\log }_2(1+P_S^m{\gamma }_{\mathrm{SR}}^m),& \mathrm{relaying}\mathrm{mode}.\end{array}\right.$式中，SP(k,mn)指系统第一跳的子载波m与第二跳的子载波n匹配，且此子载波对(m,n)分配给了用户k；${\gamma }_{S,D_k}^m={\left|h_{{\mathrm{SD}}_k}^m\right|}^2/{\sigma }_k^2,{\gamma }_{S,D_k}^n={\left|h_{{\mathrm{SD}}_k}^n\right|}^2/{\sigma }_k^2,{\gamma }_{R,D_k}^n={\left|h_{{\mathrm{RD}}_k}^n\right|}^2/{\sigma }_k^2$以及分别指相应子载波链路上的归一化信道增益，其中，以及分别指相应的信道增益，与则分别指中继与D_k处的噪声功率，和分别指当系统处于中继模式时，信源S和中继R在SP(k,mn)所对应子载波信道中的发射功率，和则分别指当中继R处于空闲模式时，信源S于第一时隙、第二时隙的发射功率；此时，该系统的端到端总速率为：式中，t_m,n∈{0,1}为子载波匹配因子，当第一跳的子载波m与第二跳的子载波n匹配时，t_m,n＝1，否则取值为0；π_k,mn∈{0,1}为子载波对—用户分配因子，当子载波对(m,n)分配给了用户k时，π_k,mn取值为1，反之为0；为工作模式选择因子，当其取值为1时，系统处于中继协作模式，即在此SP(k,mn)中，中继于第二时隙在子载波n上进行转发操作，反之，中继保持安静，源节点则利用子载波n进行额外的信息传输。