[发明专利]多用户协作中继系统中基于功率最小化的资源分配方法

摘要

本发明公开了一种多用户协作中继系统中基于功率最小化的资源分配方法，其利用等效信道增益将系统中的两跳链路转换为虚拟的直传链路，然后将涉及子载波分配、中继选择和功率分配的联合优化问题分解为三个子问题：第一，根据用户的平均信道增益以及目标速率，运用功率最小化准则确定各用户所占用的子载波数目；第二，以信道条件最佳为原则，同时考虑用户的目标速率，采用子载波选择用户和中继的形式进行子载波分配，避免了一个子载波分配给多个用户，并降低了计算复杂度；第三，运用注水算法并结合信道环境，进行功率分配，保证了系统总功率最小；此外，在进行子载波分配和中继选择的过程中，使得各子载波上加载的能量最小，从而降低了系统的能耗。

主权项

1.一种多用户协作中继系统中基于功率最小化的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：①假设多用户协作中继系统的上行链路中存在K个用户和M个中继，且每个用户和每个中继均只安装有一根天线，每个用户在N个子载波中的若干个子载波上通过若干个中继向基站传输数据，其中，K≥1，M≥1，N≥1；假设任意一个用户向基站传输数据的过程分为两个阶段：第一阶段，该用户向所有中继广播其数据；第二阶段，能够对该用户所广播的数据进行译码的中继向基站转发其接收到的数据，其中，假设能够对该用户所广播的数据进行译码的其中一个中继为第m个中继，则第m个中继向基站转发其接收到的数据所占用的子载波与该用户向第m个中继广播数据时所占用的子载波相同，1≤m≤M；假设每个用户通过反馈信道将信道的瞬时状态信息反馈给基站，基站已知所有信道的瞬时状态信息；②根据香农定理，计算每个用户通过中继的转发在各个子载波上达到的速率，将第k个用户通过第m个中继的转发在第n个子载波上达到的速率记为r_k,m,n，rk,m,n=12min(log2(1+Pk,m,nHk,m,n),log2(1+Pm,B,nHm,B,n)),]]>其中，1≤k≤K，1≤m≤M，1≤n≤N，min()为取最小值函数，P_k,m,n表示在第一阶段第k个用户到第m个中继在第n个子载波上的发射功率，H_k,m,n表示在第一阶段第k个用户到第m个中继在第n个子载波上的信道增益，P_m,B,n表示在第二阶段第m个中继到基站在第n个子载波上的发射功率，H_m,B,n表示在第二阶段第m个中继到基站在第n个子载波上的信道增益；然后将功率最小化优化问题表述为：minΣn=1NΣm=1Mρk,m,n(Σk=1KPk,m,n+Pm,B,n)s.t.C1.ρk,m,n∈{0,1},∀k,m,n;C2.Σk=1KΣm=1Mρk,m,n=1∀n;C3.Pk,m,n≥0,Pm,B,n≥0,∀k,m,n;C4.Σm=1MΣn=1Nrk,n≥Rk,∀k;,]]>其中，ρ_k,m,n用于表示第n个子载波是否分配给第k个用户和第m个中继，表示任意存在，在约束条件C1中，ρ_k,m,n=1表示第n个子载波分配给第k个用户和第m个中继，ρ_k,m,n=0表示第n个子载波未分配给第k个用户和第m个中继；约束条件C2表示每个子载波最多只能分配给一个用户-中继对；在约束条件C3中，P_k,m,n≥0表示P_k,m,n是非负的，P_m,B,n≥0表示P_m,B,n是非负的；在约束条件C4中，R_k表示第k个用户的目标速率；③首先计算每个用户到基站在各个子载波上的总发射功率，将第k个用户到基站在第n个子载波上的总发射功率记为P_k,B,n，P_k,B,n=P_k,m,n+P_m,B,n；然后根据等效信道增益的定义，计算每个用户到中继在各个子载波上的等效信道增益，将第k个用户到第m个中继在第n个子载波上的等效信道增益记为Hk,m,nequ=Hk,m,n×Hm,B,n/(Hk,m,n+Hm,B,n);]]>再根据每个用户到中继在各个子载波上的等效信道增益，重新表示每个用户通过中继的转发在各个子载波上达到的速率，对于r_k,m,n，根据r_k,m,n最大化时需满足的条件P_k,m,nH_k,m,n=P_m,B,nH_m,B,n和将r_k,m,n重新表示为接着根据平均信道增益的定义，计算每个用户的平均信道增益，将第k个用户的平均信道增益记为H_k，Hk=Σn=1NΣm=1MHk,m,nequ/(M×N);]]>最后根据目标函数确定每个用户所占用的子载波数目，将第k个用户所占用的子载波数目记为m_k，其中，B_max为最大调制比特数，符号为向上取整符号；④根据每个用户到中继在各个子载波上的等效信道增益，并采用子载波选择用户和中继的形式进行子载波分配，具体过程为：④-1、计算每个用户在各个子载波上的最大等效信道增益值，并由各个子载波选择中继，将第k个用户在第n个子载波上的最大等效信道增益值记为H_k,n，并将第n个子载波分配给对应的中继，其中，max()为取最大值函数；④-2、根据每个用户在各个子载波上的最大等效信道增益值，计算各个子载波的平均信道增益，将第n个子载波的平均信道增益，记为④-3、按各个子载波的平均信道增益从小到大的顺序，将每个用户在各个子载波上的最大等效信道增益值以列向量形式排列构成最大等效信道增益矩阵，记为H(K,N)；④-4、在H(K,N)中为每个子载波找到所有用户在该子载波上的最大等效信道增益值中的最大值对应的用户，并将该子载波分配给找到的用户；⑤根据注水算法的原理，结合多用户协作中继系统的信道环境，进行子载波上的功率分配，具体过程为：⑤-1、从H(K,N)中提取出每个用户在其所占用的子载波上的最大等效信道增益值，并针对任意一个用户，将该用户在其所占用的子载波上的最大等效信道增益值按从大到小的顺序排列构成一个行向量，将第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值按从大到小的顺序排列构成的行向量记为h(k,m_k)，h(k,m_k)=[h_k,1,h_k,2,...,h_k,n',...,h_k,mk],(h_k,1>h_k,2>...>h_k,n'>...>h_k,mk)，其中，h_k,1表示第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中的最大值，h_k,2表示第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中的次大值，h_k,n'表示第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中按从大到小的顺序排列第n'位的值，1≤n'≤m_k，表示第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中的最小值；⑤-2、计算每个用户的注水线，将第k个用户的注水线记为K_MA,k，⑤-3、根据每个用户的注水线，计算每个用户在其所占用的最大等效信道增益值最小的子载波上加载的能量，将第k个用户在其所占用的最大等效信道增益值最小的子载波上加载的能量记为；⑤-4、根据每个用户在其所占用的最大等效信道增益值最小的子载波上加载的能量，确定是否减少每个用户所占用的子载波数目，在减少子载波数目的情况下返回步骤⑤-2继续执行；对于第k个用户，判断是否成立，如果成立，则将h(k,m_k)中第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中的最小值删除，并令m_k=m_k-1，然后返回步骤⑤-2继续执行，否则，执行步骤⑤-5，其中，m_k=m_k-1中的“=”为赋值符号；⑤-5、根据注水算法的原理，计算每个用户在其所占用的子载波上加载的能量以及每个用户在其所占用的子载波上加载的比特数，将第k个用户在其所占用的m_k个子载波上的最大等效信道增益值中按从大到小的顺序排列第n''位的值h_k,n″对应的子载波上加载的能量和比特数对应记为ε_k,n″和b_k,n″，ε_k,n″=K_MA,k-1/h_k,n″，其中，1≤n''≤m_k。