[发明专利]一种OFDM多中继网络中功率分配和子载波配对联合方法

摘要

本发明公开了一种OFDM多中继网络中功率分配和子载波配对联合方法，在该中继网络中，一个子载波对可以分配给源节点和多个中继节点，以此来为系统提供空间分集。然后本发明在系统总功率受限的条件下提出一个子载波配对和功率分配联合算法来最大化端到端系统容量。通过定义等效信道增益和使用本发明提出的新的、基于柯西-施瓦兹不等式的功率分配方法，该最优化问题模型被简化为典型的二维分配问题并通过匈牙利算法求解。本发明提出的联合资源分配算法在系统容量性能上优于传统的、有空间分集或无空间分集的资源分配方法。

主权项

一种OFDM多中继网络中功率分配和子载波配对联合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取瞬时信道信息：目的节点通过训练序列获得各信道的瞬时信道信息，其中包括源节点S到目的节点D的信道在第i个子载波上的瞬时信道增益S到中继节点R_k的信道在第i个子载波上的瞬时信道增益以及中继节点R_k到目的节点D的信道在第j个子载波上的瞬时信道增益各个中继节点通过训练序列获取各自前向和后向信道的瞬时信道增益以及目的节点获取系统中加性高斯白噪声的功率N₀，并初始化对偶变量μ；2)计算子载波对SP(i,j)的等效信道增益${\mathrm{\γ}}_{(i,j)}=\frac{1}{N_0}[{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}{\left|h_i^{s,d}\right|}^2+(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}){\left|h_j^{s,d}\right|}^2+{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*})\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}{{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2+(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}){\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}],$其中SP(i,j)表示在一个时隙通过第i个子载波发送的信息在第二个时隙在第j个子载波上进行转发，K为系统中可用的中继节点个数，是使得等效信道增益γ_(i,j)取得最大值的最优解，其值可以通过对上述γ_(i,j)的表达式在区间(0,1]上使用二分法求解得到；3)计算子载波配对决策因子其中x⁺＝max(0,x)，定义矩阵L＝{L_i,j}，通过匈牙利算法得到决策矩阵t＝{t_(i,j)}使得从L中每一行每一列取出一个元素的和最大，其中t_(i,j)＝1表示第i个子载波和第j个子载波对进行配对，t_(i,j)＝0表示第i个子载波不和第j个子载波对进行配对；4)更新μ，其中μ通过二分法计算得到来使得总功率受限条件以等号成立，其中P为系统最大可输出功率；5)重复步骤3)和步骤4)直到相邻两次的μ值的差值的绝对值小于ε或迭代次数大于50次，其中ε是常数，同时最优决策矩阵t也被确定，即子载波配对过程完成；6)用二分法更新μ以使得总功率受限条件以等号成立，计算其中P_(i,j)为子载波对SP(i,j)在两个时隙消耗的总功率，根据公式$P_i^{s1}={\mathrm{\τ}}_{(i,j)}{P}_{(i,j)},{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}\∈\left(\mathrm{0,1}\right]$和公式$P_{(i,j)}^{p2}=(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)})P_{(i,j)}$分别计算以及其中Pis1表示在第一个时隙子载波对SP(i,j)上分配给源节点S的功率，表示第二个时隙分配给子载波对SP(i,j)的总功率；7)根据公式$l_{(i,j)}=\sqrt{\frac{1}{P_{(i,j)}^{p2}(\frac{{\left|h_j^{s,d}\right|}^2}{P_i^{s1}}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|h_{(i,k)}^{s,r}{h}_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k}{(1+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2{P}_{(i,j)}^{p2}{)}^2})}},$公式$P_{(i,j,k)}^r=\frac{l_{(i,j)}^2{\left({\mathrm{\β}}_{(i,j)}^k\right)}^2}{1/P_{(i,j)}^{p2}+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}$以及公式$P_j^{s2}=l_{(i,j)}^2{\left({\mathrm{\β}}_{(i,j)}^{K+1}\right)}^2{P}_{(i,j)}^{p2}$对满足t_(i,j)＝1的所有子载波对SP(i,j)计算l_(i,j)、以及以获得功率分配信息，其中表示在第二个时隙在子载波对SP(i,j)上分配给源节点S的功率，表示在子载波对SP(i,j)上分配给中继节点R_k的功率，并且${\mathrm{\β}}_{(i,j)}^k=\left\{\begin{array}{c}\frac{\left|h_{(i,k)}^{s,r}{h}_{(j,k)}^{r,d}\right|\sqrt{{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k}}{\sqrt{1/P_{(i,j)}^{p2}+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}},k\≤K\\ \sqrt{P_{(i,j)}^{p2}/P_i^{s1}}\left|h_j^{s,d}\right|,k=K+1\end{array}\right.,$${\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k=\left\{\begin{array}{c}1/(P_i^{s1}{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2+N_0),k\≤K\\ 0,k=K+1\end{array}\right.;$8)目的节点将子载波配对信息以及功率分配信息通过广播信道广播给源节点和各中继节点。