CN101557641B - 一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法。基站通过专用控制信道收集系统中所有链路的信道状态信息，根据蜂窝中继系统的帧结构特点以及子载波和功率资源配置特点，分别完成下行接入域和下行中继域的子载波和功率联合分配，并通过专用控制信道将分配结果反馈给中继站，然后基站和中继站使用分配的子载波和发射功率完成数据传输。采用本发明所公开的方法，在下行接入域子载波分配过程中同时考虑了链路在子载波上的信道状态和接入站可供分配的发射功率，有效地提高了资源的利用效率；下行中继域在下行接入域分配基础上最大化系统有效吞吐量，系统总有效吞吐量有较大提高。

Description

一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线数字通信技术领域，具体涉及一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法。

背景技术

未来无线通信系统的一个显著特点是高速的数据传输能力。为了满足高速数据传输需求，未来无线通信系统分配的频率更高，高频电磁波的传播衰减大，小区覆盖范围相对现有网络变小，需要更多的基站满足系统吞吐量和覆盖的需求，由此就带来了高额的网络基础设备资金投入。为了解决这个问题，不仅需要采用更先进的物理层传输技术，更需要采用新的网络体系结构来支持。在传统蜂窝系统中引入智能中继技术，不仅能够提升用户的数据传输速率，还能有效扩大无线通信的覆盖范围，从而弥补现有系统不足，降低网络基础设施投资和运营成本，是一种极具吸引力和竞争力的未来无线通信网络架构。

蜂窝中继系统的网络元素，包括基站、中继站和移动用户，网络元素的增加，带来了更加复杂的网络拓扑结构。中继站将基站与用户之间的无线链路拆分为距离较短的两跳链路，有效地减少了总的路径损耗，但是由于中继链路的资源开销，如果不能对子载波和功率进行有效利用，则可能无法达到提升系统性能的初衷，针对这一问题已有大量文献就蜂窝中继系统中的子载波和功率分配方法进行了研究。现有方法，一般采用两步完成无线资源分配：子载波分配和功率调整。其中，对于子载波分配，采用接入站(包括基站和中继站)与用户之间链路在具体子载波上的信道增益作为子载波分配的决策依据，然后将发射功率在子载波分配结果上进行分配，并在问题建模中以所有接入站总发射功率大小受限作为约束条件。而实际系统中，基站与中继站在空间上彼此间隔一定距离分布在小区内，各自具有独立的电力能源供应，因此基站和中继站具有各自独立的发射功率资源，且无法实现共享。另一方面，小区内所有接入站都可以占用所有分配给该小区的子载波资源。在这样的资源结构特点条件下，仅以信道增益作为子载波分配决策依据，无法充分利用系统资源，考虑这样一种情况，对于某一信道条件足够好的接入站与用户之间的链路，在极端情况下则将会获得所有子载波，但由于该接入站发射功率有限，此时获得系统总吞吐量，与将部分子载波分配给其它信道条件较差链路的分配结果相比，后者更好地利用了系统的功率资源，也更可能获得较大的系统总吞吐量增益。所以，蜂窝中继系统的子载波和功率分配，需要同时考虑子载波的信道增益和可供分配的发射功率量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述方法中无线资源没有得到充分利用的问题，提供一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法。

适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法包括下行接入域分配阶段和下行中继域分配阶段：

下行接入域分配阶段包括如下步骤：

1)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，接入站m，包括基站和中继，m＝0表示基站，m≠0表示中继站，子载波分配集合

置 $d_{m,k,n}=0,\∀m,\∀k,\∀n;$

2)子载波分配包括如下步骤：

a)接入站m将子载波集合 $N_m^{\mathrm{available}}=N_m\∪N_{\mathrm{blank}}$ 内的子载波n分配给接入站m与用户k之间的链路(m，k)＝argmaxg_m，k，n，直至N_m ^available内子载波被全部分配，并将接入站总功率P_m在子载波分配结果基础上进行分配，即：

$p_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线，g_m，k，n为接入站m与用户k之间链路在子载波n上的信道增益，σ²为热噪声功率谱密度；

b)选择 $(m^{*},k^{*},n^{*})=\underset{(m,k,n)}{\arg \max }{p}_{m,k,n}{g}_{m,k,n};$

c)将子载波n^*分配给接入站m^*与用户k^*之间的链路，置 $d_{m^{*},k^{*},n^{*}}=1,$ 同时更新未分配子载波集合N_blank＝N_blank-n^*，接入站m^*子载波分配集合 $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n^{*};$

d)重复过程步骤a)到步骤c)，直至

时转入步骤3)。

3)功率分配

将接入站m的发射功率P_m分配到子载波分配集合N_m的所有子载波上，接入站m与用户之k间链路在子载波n上发射功率为：

$P_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线；

4)中继站m，在下行中继域的速率需求：

$r_m=\underset{k\∈U_m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{m,k,n}\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{m,k,n}{g}_{m,k,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，Γ为信噪比差，U_m为附着在中继站m上的用户集合，转入下行中继域分配阶段；

下行中继域分配阶段包括如下步骤：

5)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，中继站m的子载波分配集合

当前分配过程已经获得的速率R_m＝0，基站的发射功率在每个子载波上平均分配；

6)子载波分配包括如下步骤：

e)中继站m使用未分配子载波集合N_blank内子载波n时，获得的传输速率：

$R_{m,n}=\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{0,m,n}{g}_{0,m,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

f)将子载波n分配给基站与中继站 $m^{*}=\underset{m\∈\{\mathrm{1,2},...,M\}}{\arg \max }\left(\min (R_{m,n},r_m-R_m)\right)$ 之间的链路；

g)更新N_blank＝N_blank-n， $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n,$ R_m＝R_m+R_m，n；

h)重复步骤e)到步骤g)，直至未分配子载波集合

本发明给出了一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法，分别完成下行接入域和下行中继域的子载波分配。在子载波分配过程中，同时考虑了接入站与用户之间链路的信道增益和接入站可供分配的发射功率，提高了资源的利用效率，并在子载波分配基础上完成了发射功率的最优分配，实现了系统的吞吐量增益。

附图说明

图1是蜂窝中继系统网络下行传输部分结构图；

图2是本发明的性能曲线。

具体实施方式

下面根据附图以及一个实例对本发明所公开方法做一个详细的描述。

适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法包括下行接入域分配阶段和下行中继域分配阶段：

下行接入域分配阶段包括如下步骤：

1)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，接入站m，包括基站和中继，m＝0表示基站，m≠0表示中继站，子载波分配集合

置 $d_{m,k,n}=0,\∀m,\∀k,\∀n;$

2)子载波分配包括如下步骤：

a)接入站m将子载波集合 $N_m^{\mathrm{available}}=N_m\∪N_{\mathrm{blank}}$ 内的子载波n分配给接入站m与用户k之间的链路(m，k)＝argmaxg_m，k，n，直至N_m ^available内子载波被全部分配，并将接入站总功率P_m在子载波分配结果基础上进行分配，即：

$p_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线，g_m，k，n为接入站m与用户k之间链路在子载波n上的信道增益，σ²为热噪声功率谱密度；

b)选择 $(m^{*},k^{*},n^{*})=\underset{(m,k,n)}{\arg \max }{p}_{m,k,n}{g}_{m,k,n};$

c)将子载波n^*分配给接入站m^*与用户k^*之间的链路，置 $d_{m^{*},k^{*},n^{*}}=1,$ 同时更新未分配子载波集合N_blank＝N_blank-n^*，接入站m^*子载波分配集合 $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n^{*};$

d)重复过程步骤a)到步骤c)，直至

时转入步骤3)。

3)功率分配

将接入站m的发射功率P_m分配到子载波分配集合N_m的所有子载波上，接入站m与用户之k间链路在子载波n上发射功率为：

$P_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线；

4)中继站m，在下行中继域的速率需求：

$r_m=\underset{k\∈U_m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{m,k,n}\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{m,k,n}{g}_{m,k,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，Γ为信噪比差，U_m为附着在中继站m上的用户集合，转入下行中继域分配阶段；

下行中继域分配阶段包括如下步骤：

5)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，中继站m的子载波分配集合

当前分配过程已经获得的速率R_m＝0，基站的发射功率在每个子载波上平均分配；

6)子载波分配包括如下步骤：

e)中继站m使用未分配子载波集合N_blank内子载波n时，获得的传输速率：

$R_{m,n}=\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{0,m,n}{g}_{0,m,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

f)将子载波n分配给基站与中继站 $m^{*}=\underset{m\∈\{\mathrm{1,2},...,M\}}{\arg \max }\left(\min (R_{m,n},r_m-R_m)\right)$ 之间的链路；

g)更新N_blank＝N_blank-n， $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n,$ R_m＝R_m+R_m，n；

h)重复步骤e)到步骤g)，直至未分配子载波集合

实施例

蜂窝中继系统网络结构图如图1所示，基站部署在小区中央位置，M个中继站分布在小区内，并且摆放在距离基站2/3小区半径的位置上，K个用户均匀分布在小区内，根据附着接入站的不同，分别为通过直连传输方式接入基站的直连用户和通过中继传输方式接入中继站的中继用户。本实例中，蜂窝中继系统采用IEEE 802.16j协议草案中带内非透明中继模式的帧结构，小区内所有用户在下行接入域内接入系统，基站在下行中继域将中继用户的下行数据转发到中继用户附着的中继站；系统所使用的总带宽为B，分成N个子载波。基站的总发射功率为P₀，中继站的总发射功率为P_m，m＝1，…，M。在本实例中，M＝6，K∈{1，5，10，15，20，25，30，35，40，45}，N＝96，P₀＝43dBm，P_m＝33dBm，接收机热噪声功率谱密度σ²＝-174dBm，信噪比差Γ≈5.48dB，在小区内随机产生K用户，并由路径损耗模型PL_BS-MS＝128.1+37.6logd(dB)和PL_RS-MS＝128.1+28.8logd(dB)计算接入站m与用户k之间链路的路径增益g_m，k，n。根据本发明提供的方法，具体步骤如下：

下行接入域分配阶段包括如下步骤：

1)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，接入站m，包括基站和中继，m＝0表示基站，m≠0表示中继站，子载波分配集合

置 $d_{m,k,n}=0,\∀m,\∀k,\∀n;$

2)子载波分配包括如下步骤：

a)接入站m将子载波集合 $N_m^{\mathrm{available}}=N_m\∪N_{\mathrm{blank}}$ 内的子载波n分配给接入站m与用户k之间的链路(m，k)＝argmaxg_m，k，n，直至N_m ^available内子载波被全部分配，并将接入站总功率P_m在子载波分配结果基础上进行分配，即：

$p_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线，g_m，k，n为接入站m与用户k之间链路在子载波n上的信道增益，σ²为热噪声功率谱密度；

b)选择 $(m^{*},k^{*},n^{*})=\underset{(m,k,n)}{\arg \max }{p}_{m,k,n}{g}_{m,k,n};$

c)将子载波n^*分配给接入站m^*与用户k^*之间的链路，置 $d_{m^{*},k^{*},n^{*}}=1,$ 同时更新未分配子载波集合N_blank＝N_blank-n^*，接入站m^*子载波分配集合 $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n^{*};$

d)重复过程步骤a)到步骤c)，直至

时转入步骤3)。

3)功率分配

将接入站m的发射功率P_m分配到子载波分配集合N_m的所有子载波上，接入站m与用户之k间链路在子载波n上发射功率为：

$P_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线；

4)中继站m，在下行中继域的速率需求：

$r_m=\underset{k\∈U_m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{m,k,n}\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{m,k,n}{g}_{m,k,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，Γ为信噪比差，U_m为附着在中继站m上的用户集合，转入下行中继域分配阶段；

下行中继域分配阶段包括如下步骤：

5)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，中继站m的子载波分配集合当前分配过程已经获得的速率R_m＝0，基站的发射功率在每个子载波上平均分配；

6)子载波分配包括如下步骤：

e)中继站m使用未分配子载波集合N_blank内子载波n时，获得的传输速率：

$R_{m,n}=\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{0,m,n}{g}_{0,m,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

f)将子载波n分配给基站与中继站 $m^{*}=\underset{m\∈\{\mathrm{1,2},...,M\}}{\arg \max }\left(\min (R_{m,n},r_m-R_m)\right)$ 之间的链路；

g)更新N_blank＝N_blank-n， $N_{m^{*}}=N_{m^{*}}+n,$ R_m＝R_m+R_m，n；

h)重复步骤e)到g)，直至未分配子载波集合

图2中给出了本发明所提供的蜂窝中继系统子载波和功率分配方法在不同用户数时，系统总吞吐量性能变化情况，可以看出随着用户数目的增加，系统总吞吐量也随之增加，并且相对于对比方法，本发明所提供方法均取得了较明显的吞吐量增益，其中作为对比算法的是蜂窝中继系统基于子载波固定分配的方法。

Claims (1)

1.一种适用于蜂窝中继系统的子载波和功率分配方法，其特征在于包括下行接入域分配阶段和下行中继域分配阶段：

下行接入域分配阶段包括如下步骤：

1)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，其中N为子载波的个数，接入站m，包括基站和中继站，m＝0表示基站，m≠0表示中继站，子载波分配集合

置

2)子载波分配包括如下步骤：

a)接入站m将子载波集合

内的子载波n分配给接入站m与用户k之间的链路(m，k)＝argmaxg_m，k，n，直至

内子载波被全部分配，并将接入站总发射功率P_m在子载波分配结果基础上进行分配，即：

$p_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中p_m，k，n为接入站m与用户k之间链路在子载波n上的发射功率，λ_m为注水线，g_m，k，n为接入站m与用户k之间链路在子载波n上的信道增益，σ²为热噪声功率谱密度；

b)选择 $(m^{*},k^{*},n^{*})=\underset{(m,k,n)}{\arg \max }{p}_{m,k,n}{g}_{m,k,n};$

c)将子载波n^*分配给接入站m^*与用户k^*之间的链路，置同时更新未分配子载波集合N_blank＝N_blank-n^*，接入站m^*子载波分配集合

d)重复过程步骤a)到步骤c)，直至

时转入步骤3)；

3)功率分配

将接入站m的总发射功率P_m分配到子载波分配集合N_m的所有子载波上，接入站m与用户k之间链路在子载波n上发射功率为：

$P_{m,k,n}=\max ({\mathrm{\λ}}_m-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{g_{m,k,n}},0)$

其中λ_m为注水线；

4)中继站m，在下行中继域的速率需求：

$r_m=\underset{k\∈U_m}{\mathrm{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{m,k,n}\frac{B}{N}\log (1+\frac{P_{m,k,n}{g}_{m,k,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，B为系统所使用的总带宽，Г为信噪比差，U_m为附着在中继站m上的用户集合，转入下行中继域分配阶段；

下行中继域分配阶段包括如下步骤：

5)参数初始化

未分配子载波集合N_blank＝{1，2，…，N}，中继站m的子载波分配集合当前分配过程已经获得的速率R_m＝0，基站的发射功率在每个子载波上平均分配；

6)子载波分配包括如下步骤：

e)中继站m使用未分配子载波集合N_blank内子载波n时，获得的传输速率：

$R_{m,n}=\frac{B}{N}\log (1+\frac{p_{0,m,n}{g}_{0,m,n}}{\frac{B}{N}\mathrm{\Γ}{\mathrm{\σ}}^2})$

其中p_0，m，n为基站与中继站m之间链路在子载波n上的发射功率，g_0，m，n为基站与中继站m之间链路在子载波n上的信道增益；

f)将子载波n分配给基站与中继站

之间的链路，M为中继站的个数；

g)更新N_blank＝N_blank-n，

R_m＝R_m+R_m，n；

h)重复步骤e)到步骤g)，直至未分配子载波集合

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