[发明专利]一种提高蜂窝网通信系统中双向中继传输容量的方法

权利要求书

1.一种提高蜂窝网通信系统中双向中继传输容量的方法，其特征在于具体步骤为：

第一步 建立蜂窝网通信系统中双向中继传输容量模型

双向中继系统所采用的传输协议分为两个阶段：多接入阶段MA，Multiple Access和广播阶段BC，Broadcast；

第一个用户节点的功率限制条件分别表示为：

                                      （1）

第二个用户节点的功率限制条件分别表示为：

                                      （2）

中继节点的功率限制条件分别表示为：

                                     （3）

其中，为第一个用户节点处的功率限制，为第二个用户节点处的功率限制，为中继节点处的功率限制；表示第一个用户节点在子载波的第个空间子信道上的功率分配变量，表示第二个用户节点在子载波的第个空间子信道上的功率分配变量，表示中继节点在子载波的第个空间子信道上的功率分配变量；

蜂窝网通信系统中双向中继MIMO-OFDM传输容量模型表示为： 

                  （4）  

其中，，表示子载波和空间子信道配对方案下对应的速率，，，，，，对于，和；二元变量，当时，表示MA阶段中的子载波和BC阶段中的子载波配对，则表示并未配对；二元变量，表示空间子信道的配对情况；表示MA阶段子载波的第个空间子信道与BC阶段子载波的第个空间子信道配对，而则表示并未配对；

第二步 通过拉格朗日对偶分解将双向中继传输容量模型简化为多个子链路传输容量模型

双向中继传输容量模型所对应的拉格朗日对偶问题模型为： 

                        （5）

其中，是拉格朗日对偶函数，表达式为：

         

为双向中继传输容量模型中第一个用户节点功率限制条件所对应的拉格朗日乘子，为双向中继传输容量模型中第二个用户节点功率限制条件所对应的拉格朗日乘子，为为双向中继传输容量模型中继节点处功率限制条件所对应的拉格朗日乘子；

将拉格朗日对偶函数划分为多个子链路问题相加的形式，表示为：

  （6）

第三步  提高子链路传输容量

通过划分拉格朗日对偶函数所得到的子链路问题模型表示为：

                       （7）

通过对子链路问题模型的三维可行解空间域进行离散搜索获得最优功率分配因子；

       将所求得的优化功率分配变量代入拉格朗日对偶函数得到

      （8）

其中，是将功率分配变量代入子链路问题模型所得；

假设子载波与子载波配对，即；为的矩阵(9),

                               （9）       

根据Hungarian算法，从中获得最优空间资源分配因子；

将最优空间资源分配因子代入拉格朗日对偶函数模型可得

                    （10）  

是由子链路问题模型得到的最大化合利润；令为矩阵，如下式所示

                                （11）     

与求解最优子空间资源分配因子的方法相同，通过Hungarian算法求得最优频谱配置因子；

       综上，将最优功率分配因子，最优子空间资源分配因子，最优频谱配置因子代入拉格朗日对偶函数模型，并且初始化拉格朗日对偶乘子，得到蜂窝网通信中双向中继传输容量模型对应的拉格朗日对偶函数，如下式所示：

     （12）

第四步 最大化蜂窝网通信系统中双向中继传输容量

据凸函数定义可知，系统传输容量模型所对应的对偶函数是关于，和的凸问题，但是由于原始系统传输容量模型表达式中含有整数变量，不可微，因而采用次梯度求解；拉格朗日对偶乘子初始点为，和；根据次梯度法，拉格朗日对偶乘子在第次的迭代更新为： 

                  （13）

                        （14）

                        （15）

其中，是第次迭代的步长，；拉格朗日乘子第次迭代更新为，，；在拉格朗日乘子每次更新，，，，，都需要重新计算，直到收敛条件满足时，迭代更新停止；然后将最优功率分配因子，，进行归一化，从而使得每个节点处的功率限制条件能够满足。