一种多小区中继OFDMA系统中分布式资源分配方法

摘要

本发明是提供一种针对带有中继协作的OFDMA多小区系统中的低复杂度分布式资源分配方法。该方法主要包括自适应载波分配和注水功率分配，载波分配和功率分配交替迭代进行，直到算法收敛。在功率分配阶段，给出了一种迭代多平面注水法，通过调节不同的注水平面实现容量的最大化。在系统的公平性方面，可以实现对任意等级用户的灵活覆盖，并可以根据用户的优先等级提供差异化服务。本发明给出的方法收敛性快，并且系统容量得到提高。

主权项

1.一种多小区中继OFDMA系统中分布式资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：a．初始化最大外层循环次数I_max；为第l小区的第k用户设置优先权值初始化外层循环变量i=0；初始化所有基站功率变量和中继功率变量为0，其中：m是小区内中继的编号，n是小区内子载波的编号；b．初始化小区编号l=1；c．对任意子载波n计算链路(m,k)的信道容量，并从中选出具有最大加权数据速率的链路如下式：${(\hat{m},\widehat{k,})}_{l,n}=\underset{m\in {\Phi }_l^r,}{\arg }\underset{k\in {\Phi }_l^u}{\max }\{w_l^k·\min [R_{l,m}^n,R_{m,k}^{l,n}\left]\right\},\forall n$当有多于1条链路的加权数据速率最大时，则选取第1条最大链路；其中：为链路基站l到中继m在子载波n上的数据速率，即：$R_{l,m}^n={\log }_2(1+\frac{p_{l,m}^n{\left|H_{l,m}^l\left(n\right)\right|}^2}{{\sigma }^2+I_{l,m}^n})$其中：为小区l的基站到该小区中继m在第n子载波上的信道增益，为小区l基站在子载波n上为中继m分配的功率，σ²为子载波n上的噪声功率，为小区l第m中继测量得到的来自其他小区在子载波n上的干扰功率；为链路中继m到用户k在子载波n上的数据速率：$R_{m,k}^{l,n}={\log }_2(1+\frac{p_{m,k}^{l,n}{\left|H_{l,k}^{l,m}\left(n\right)\right|}^2}{{\sigma }^2+I_{l,k}^n})$其中：为l小区的中继m到该小区用户k在第n子载波上的信道增益，为l小区中继m在子载波n上为用户k分配的功率，σ²为子载波n上的噪声功率，为l小区第k用户测量得到的来自其他小区在子载波n上的干扰功率；d．采用多平面迭代注水法完成功率分配，步骤如下：d1．初始化最大内层循环次数S_max；设置循环初始变量s=0；随机初始化基站功率对偶变量λ_l和中继功率对偶变量d2.测量当前链路在子载波n上的噪声功率σ²；测量中继m在子载波n上受到的同频干扰功率测量用户k在子载波n上受到的干扰功率测量第一跳链路基站l到中继m在子载波n上的信道增益测量第二跳链路中继m到用户k在子载波n上的信道增益并计算广义信道质量比：${\eta }_l^n=\frac{{\left|H_{l,m}^l\left(n\right)\right|}^2(I_{l,n}^k+{\sigma }^2)}{{\left|H_{l,k}^{l,m}\left(n\right)\right|}^2(I_{l,n}^m+{\sigma }^2)};$d3.计算基站l在子载波n上为中继m分配的最优功率：$p_{l,m}^n={[\frac{w_l^k}{\ln 2·({\lambda }_l+{\mu }_l^m{\eta }_l^n)}-\frac{I_{l,n}^m+{\sigma }^2}{{\left|H_{l,m}^n\right|}^2}]}^{+}$上式是一种多平面注水（multilevel water-filling）形式，其中函数x⁺=max(0,x)，进一步求出中继m在子载波n上为用户k分配的功率$p_{m,k}^{l,n}=p_{l,m}^n{\eta }_l^n;$d4.选取适当的步长ε(s)，为了迭代能够收敛，需要使步长随迭代次数s减小，如可以选择步长为迭代次数s的倒数，ε(s)=1s；然后沿次梯度方向更新对偶变量：${\lambda }_l(s+1)={[{\lambda }_l\left(s\right)+ϵ\left(s\right)·({\Sigma }_{n=1}^N{p}_{l,m}^n-P_B)]}^{+}$${\mu }_l^m(s+1)={[{\mu }_l^m\left(s\right)+ϵ\left(s\right)·({\Sigma }_{n\in {\Psi }_l^m}{p}_{l,m}^n{\eta }_l^n-P_R)]}^{+}$式中：P_B为基站的最大发射功率，P_R为中继的最大发射功率；d5.更新循环变量s=s+1；d6.判断是否终止迭代，如达到功率收敛条件或已达到最大迭代次数S_max，则终止迭代，完成功率分配过程，转步骤e；否则，返回步骤d3；所述达到功率收敛条件的判断标准为对偶变量的相对增加量不大于收敛指标δ₁，max{△λ_lλ_l,△μ_lμ_l}≤δ₁，所述达到最大迭代次数的判断标准为s≥S_max；e．当前小区l资源分配已完成，继续进行下一个小区的分配，更新小区编号l=l+1，转步骤f；f．判断当前小区编号l是否大于小区总数L，若是，则已完成一轮所有小区的资源分配，应结束本轮分配，转步骤g；否则，转步骤c，继续对当前小区l进行子载波和功率分配；g．更新外层循环变量i=i+1；h．判断外层循环是否终止：如达到容量收敛条件或已达到最大迭代次数I_max，则终止外层循环，完成本方法的分配过程；否则，返回步骤b；所述达到容量收敛条件的判断标准为所有小区的总容量的增量不大于收敛指标δ₂，所述达到最大迭代次数的判断标准为i≥I_max。