CN101702825A - 下行ofdma蜂窝系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，包括：分别收集直传信道增益和中继信道增益；将子载波平均分配给所有用户，并确定各子载波对应的直传模式或中继模式，当子载波采用中继模式，则确定对应该子载波的中继号；为所有用户分别分配下行发射功率并为各个子载波分别分配发射功率。本发明通过将基站以最大化所有用户中的最小速率为目标，将子载波分配给各个用户。对分配给用户的各子载波，根据信道增益择优选取中继链路，并与直传链路比较，以确定采用何种传送方式。最后，将总发射功率按照一定方式分配给中继与各子载波，以提高系统的吞吐量。

Description

下行OFDMA蜂窝系统的优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的优化方法，具体是一种下行OFDMA蜂窝系统的优化方法。

背景技术

当今无线通信发展极其迅猛，各种无线业务的用户数目不断增加，对无线通信的吞吐量，稳定性等要求也越来越高。目前，无线通信面临的主要挑战依然是无线业务能否提供高速率和高性能的服务，人们通过正交频分复用(OFDM)技术来克服无线信道的多径干扰，通过多输入多输出天线(MIMO)技术来提高无线信道的容量，因此如何在确保服务质量(QoS)的基础上提高无线小区的数据吞吐量成为衡量蜂窝通信系统性能的重要指标。

MIMO能够很大程度地改善无线通信系统的容量以及可靠性，但是由于终端尺寸、成本的限制，给多天线技术的引入带来了实际困难。在蜂窝小区中，各终端通过相互协作，形成虚拟天线阵的协作通信技术最早由A.Sendonaris等于1998年提出了在蜂窝系统中通过用户之间的协作提升系统吞吐量(参见文献：A.Sendonaris，E.Erkip，and B.Aazhang，“Increasing uplink capacity viauser cooperation diversity，”in Proc.IEEE Int.Symp.Information Theory(ISIT)，Cambridge，MA，Aug.1998，p.156.)。在蜂窝通信系统中，可以专门设置中继站或者由空闲的用户终端提供中继服务，协作基站与用户之间完成通信。在蜂窝系统中采用中继技术，可以提高基站与用户之间的通信可靠性与吞吐量，提高小区的覆盖面积，并且能够改善小区边缘用户的服务质量。因此，于2008年4月在中国深圳召开的“3GPP TSG RAN IMT Advanced Workshop”上，有很多设备商与运营商如Nokia、Qualcomm、AT&T、Vodafone、华为等都提出了采用中继来提升网络覆盖与吞吐量等系统性能(参见文献“Report of the 3GPPTSG RAN IMT Advanced Workshop，Shenzhen，China，April 7-8，2008”)。

在下行OFDMA蜂窝系统中，由于基站同时需要与多个用户发送信息，因此要将有限的子载波与功率分配给多个用户。在多用户系统中，进行子载波与功率分配不仅要提高系统的吞吐量，更要考虑到各个用户之间的公平性。在多用户OFDM(MU-OFDM)系统中，典型的资源分配方法有最大信干比方法、比例公平方法等，其中最大信干比方法仅以提升系统吞吐量为目标(参见文献Ofuji，Y.Morimoto，A.Abeta，S.Sawahashi，M.″Comparison of packet scheduling algorithmsfocusing on user throughput in high speed downlink packet access″，The13th IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile RadioCommuni cat ions，VOL.3，Sept.2002page(s)：1462-1466)。在基站对各用户进行资源分配时，应该保证各个用户都有均等的机会享受基站提供的服务，即需要保证各个用户之间的公平性。尤其对于处在小区边缘的用户，由于其信道条件较差，应该分配更多的子载波与功率，以提高蜂窝通信系统的服务质量与用户体验。

经对现有技术的文献检索发现，斯坦福大学的Wonjiong Rhee与JonM.Cioffi于“Increase in Capacity of Multiuser OFDM System Using DynamicSubchannel allocation”文中提出了动态分配子载波的方法来提升多用户OFDM系统的容量(参见文献“Vehicular Technology Conference Proceedings，2000.VTC 2000-Spring Tokyo，Volume：2，On page(s)：1085-1089vol.2)，但是该方法各载波间采用的是平均功率分配。Seungho Song等人在“OpportunisticRelaying in Cellular Network for Capacity and Fairness Improvement”(Proceeding of IEEE GLOBECOM’07，26-30Page(s)：4407-4412)文中提出了在蜂窝网络中，采用机会中继的方法来提升系统容量与公平性，但是该方法主要针对TDMA系统，并不能适用与OFDMA系统中。目前，在下行OFDMA蜂窝系统中，还没有采用中继提升系统吞吐量与公平性的资源分配方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，采用中继提升多用户间的公平性与系统吞吐量的中继选择、子载波分配与功率分配，即基站以最大化所有用户中的最小速率为目标，将子载波分配给各个用户。对分配给用户的各子载波，根据信道增益择优选取中继链路，并与直传链路比较，以确定采用何种传送方式。最后，将总发射功率按照一定方式分配给中继与各子载波，以提高系统的吞吐量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一：分别收集直传信道增益和中继信道增益；

所述的直传信道增益是指：基站到各用户间的各子载波的信道增益

其中：k∈K表示用户编号，n∈N表示子载波序号；

所述的中继信道增益是指：基站到各中继在各子载波上的信道增益

以及各中继到各用户在各子载波上的信道增益

其中：

标志中继编号。

步骤二：将子载波平均分配给所有用户，并确定各子载波对应的直传模式或中继模式，当子载波采用中继模式，则确定对应该子载波的中继号，具体步骤如下：

2.1)设定可用子载波集合□＝{1，2，…N}，各用户速率R_k＝0，所分配得到的子载波集S_k＝φ，P_avr＝P_total/N，其中：P_total为总发射功率，P_avr为子载波的平均发射功率；

2.2)找出当前传输速率最小的用户k，满足R_k≤R_j，

2.2.1)对于用户k，在可用子载波集合中，找出其直传信道增益最大的子载波编号：

并且依此计算中继门限值：

${\mathrm{Th}}_r=\frac{P_{\mathrm{avr}}}{N_{0}W}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}^2\left(n_1\right)+2G_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right),---\left(2\right)$

其中：N₀为白噪声功率谱密度，W为子载波带宽。

2.2.2)对于用户k，在可用子载波集合中，找出中继信道增益最大的子载波编号，方法如下：

$G_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{2}{{(\frac{1}{\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)}}+\frac{1}{\sqrt{G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}})}^2},$

n∈□

(3)

其中：n₂，i^*分别表示子载波编号以及该子载波所采用的中继编号。

2.3)当中继信道增益高于中继门限，即 $G_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n_2\right)<{\mathrm{Th}}_r,$ 则S_k＝S_k∪n₁，□＝□-n₁，更新用户速率

$R_k=R_k+{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right)}{N_{0}W});---\left(5\right)$

否则，S_k＝S_k∪n₂，□＝□-n₂，并更新用户速率

$R_k=R_k+\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n_2\right)}{N_{0}W}).---\left(6\right)$

2.4)当□≠φ，则返回步骤2.1)继续分配子载波；否则，子载波分配完毕。

步骤三：为所有用户分别分配下行发射功率并为各个子载波分别分配发射功率：

所述的分配下行发射功率是指：

$P_k=P_{\mathrm{total}}\&CenterDot;\frac{\left|s_k\right|}{N},---\left(7\right)$

其中：|S_k|表示分配给用户k的子载波数目，即按照各用户分配得到子载波数目的比例分配发射功率。

所述的分配发射功率包括：

(1)根据步骤二确定各子载波分配的用户编号以及中继编号，分配给用户k的各子载波等效信道增益为：

$G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=1\\ G_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=0\end{array}\right.,---\left(8\right)$

其中：当采用中继信道时，Δ_k(n)＝1，否则Δ_k(n)＝0，由式(3)得到；

(2)对各用户所分配得到的子载波，按如下注水方式分配功率：

$P\left(n\right)={({\mathrm{\&lambda;}}_k(1+{\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right))-\frac{N_{0}W}{G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)})}^{+},$ n∈S_k     (9)

其中：(x)⁺表示取值max{x，0}，λ_k为用户k对应的水平面，可以通过迭代方式搜索得到，需满足条件

$\underset{n\&Element;S_k}{\mathrm{\&Sigma;}}P\left(n\right)=P_k,$ $\&ForAll;k\&Element;K---\left(10\right)$

其中：P(n)表示子载波n所分配的功率。

(3)对于采用中继方式的子载波，该子载波上的分配给基站与中继的发射功率分别为：

$P_s\left(n\right)=2P\left(n\right)\frac{1}{1+\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)/G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}},$ P_R(n)＝2P(n)-P_s(n)，(11)

(4)对于采用直传方式的子载波，所有功率均分配给基站，即

P_s(n)＝0，P_R(n)＝0。(12)

其中：P_s(n)、P_R(n)分别表示源节点与中继节点在子载波n上的发射功率。

本发明提出了在采用中继的下行OFDMA蜂窝系统中，分配子载波以及为各子载波择优选择传输方式和中继节点的方法。通过将下行发射总功率按照各用户载波数目的比例分配给各用户，进一步通过注水方法分配各子载波的发射功率以及用于中继和基站的发射功率。

本发明的优点在于：在分配子载波的过程中，当前速率最小的用户优先选择与其对应信道增益最高的子载波，从而保证了资源分配的公平性；各子载波择优传输模式以及中继节点，并且通过注水方法分配基站与中继节点在各子载波上的发射功率，提升信道容量；在子载波分配过程中，假定各子载波功率为平均分配，再以给定子载波分配方式分配功率，计算复杂度低。

附图说明

图1采用中继的蜂窝小区下行链路示意图。

图2本发明子载波分配流程图。

图3本发明功率分配流程图。

图4用于AF-DSTC协作通信协议的四种功率分配方案中断概率性能比较。

图5实施例最小用户速率性能。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例实施环境包括：设有中继的OFDMA蜂窝系统下行链路中，其中BS表示基站，UE表示用户终端，R表示所设置的中继节点。

本实施例具体通过以下步骤实现：

步骤一：分别收集直传信道增益和中继信道增益；

所述的直传信道增益是指：基站到各用户间的各子载波的信道增益

其中：k∈K表示用户编号，n∈N表示子载波序号；

所述的中继信道增益是指：基站到各中继在各子载波上的信道增益

以及各中继到各用户在各子载波上的信道增益

其中：

标志中继编号。

步骤二：将子载波平均分配给所有用户，并确定各子载波对应的直传模式或中继模式，当子载波采用中继模式，则确定对应该子载波的中继号，具体步骤如下：

2.1)设定可用子载波集合□＝{1，2，…N}，各用户速率R_k＝0，所分配得到的子载波集S_k＝φ，

P_avr＝P_total/N，其中：P_total为总发射功率，P_avr为子载波的平均发射功率；

2.2)找出当前传输速率最小的用户k，满足R_k≤R_j， $\&ForAll;j\&Element;K.$

2.2.1)对于用户k，在可用子载波集合中，找出其直传信道增益最大的子载波编号：

并且依此计算中继门限值：

${\mathrm{Th}}_r=\frac{P_{\mathrm{avr}}}{N_{0}W}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}^2\left(n_1\right)+{2G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right),---\left(2\right)$

其中：N₀为白噪声功率谱密度，W为子载波带宽。

2.2.2)对于用户k，在可用子载波集合中，找出中继信道增益最大的子载波编号，方法如下：

$G_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{2}{{(\frac{1}{\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)}}+\frac{1}{\sqrt{G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}})}^2},$ n∈□

(3)

其中：n₂，i^*分别表示子载波编号以及该子载波所采用的中继编号。

2.3)当中继信道增益高于中继门限，即

则S_k＝S_k∪n₁，□＝□-n₁，更新用户速率

$R_k=R_k+{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right)}{N_{0}W});---\left(5\right)$

否则，S_k＝S_k∪n₂，□＝□-n₂，并更新用户速率

$R_k=R_k+\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n_2\right)}{N_{0}W}).---\left(6\right)$

2.4)当□≠φ，则返回步骤2.1)继续分配子载波；否则，子载波分配完毕。

步骤三：为所有用户分别分配下行发射功率并为各个子载波分别分配发射功率：

所述的分配下行发射功率是指：

$P_k=P_{\mathrm{total}}\&CenterDot;\frac{\left|s_k\right|}{N},---\left(7\right)$

其中：|S_k|表示分配给用户k的子载波数目，即按照各用户分配得到子载波数目的比例分配发射功率。

所述的分配发射功率包括：

(1)根据步骤二确定各子载波分配的用户编号以及中继编号，分配给用户k的各子载波等效信道增益为：

$G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=1\\ G_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=0\end{array}\right.,---\left(8\right)$

其中：当采用中继信道时，Δ_k(n)＝1，否则Δ_k(n)＝0，

由式(3)得到；

(2)对各用户所分配得到的子载波，按如下注水方式分配功率：

$P\left(n\right)={({\mathrm{\&lambda;}}_k(1+{\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right))-\frac{N_{0}W}{G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)})}^{+},$ n∈S_k    (9)

其中：(x)⁺表示取值max{x，0}，λ_k为用户k对应的水平面，可以通过迭代方式搜索得到，需满足条件

$\underset{n\&Element;S_k}{\mathrm{\&Sigma;}}P\left(n\right)=P_k,$ $\&ForAll;k\&Element;K---\left(10\right)$

其中：P(n)表示分配给子载波n的发射功率。

(3)对于采用中继方式的子载波，该子载波上的分配给基站与中继的发射功率分别为：

$P_s\left(n\right)=2P\left(n\right)\frac{1}{1+\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)/G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}},$ P_R(n)＝2P(n)-P_s(n)，(11)

(4)对于采用直传方式的子载波，所有功率均分配给基站，即

P_s(n)＝0，P_R(n)＝0。(12)

其中：P_s(n)、P_R(n)分别表示源节点与中继节点在子载波n上的发射功率。

采用中继的蜂窝小区下行链路如图1所示。由于在OFDMA系统中，子载波可以各自独立的分配给用户，并选择中继或直传的传输方式，因此用户可能与基站直接相连(如UE4)，可能仅与中继直接相连(如UE3)或者同时与中继、基站相连(如UE1)，并且一个中继可能同时为多个用户服务。

各子载波可以采用中继模式与直传模式。若采用直传方式，则信道容量为：

$R_{s{d}_k}\left(n\right)={\log }_2(1+\frac{P_s\left(n\right)G_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n\right)}{N_{0}W}),$ (13)

其中P_s(n)为基站的发射功率，

为基站到用户k在该子载波的信道增益，N₀为白噪声功率谱密度，W为子载波带宽。

在中继模式时，传输时间均分为两个时隙，在时隙1中继节点收到来自基站的信号为：

$y_r\left(n\right)=\sqrt{P_s\left(n\right)}{h}_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)x_s+n_r,---\left(14\right)$

其中：

表示从基站到第i个中继的信道系数，x_s表示基站的发送信号，n_r为加性白噪声；在时隙2，中继以功率P_r(n)将收到的信号转发，用户在该时隙的接受信号为：

$y_d\left(n\right)=\sqrt{\frac{P_R\left(n\right)}{P_s\left(n\right){\left|h_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)\right|}^2+N_{0}W}}{h}_{r_i{d}_k}\left(n\right)y_r\left(n\right)+n_d,---\left(15\right)$

其中

表示中继i到用户k的信道系数。由于两个时隙发送的信息相同，采用中继方式的信道容量(比特/秒/赫兹)为：

$R_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{\frac{P_s\left(n\right)P_R\left(n\right)G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}{P_s\left(n\right)G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)+N_{0}W}}{N_{0}W(1+\frac{P_R\left(n\right)G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}{P_s\left(n\right)G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)+N_{0}W})})---\left(16\right)$

为了提升中继方式的信道容量，应该在基站与中继之间合理分配发射功率。设在该子载波分配给基站的发射功率比例为θ，并且P_s(n)＝2θP(n)，P_R(n)＝2(1-θ)P(n)以保证两个时隙的平均发射功率为P(n)，则式(16)可以表示成

$R_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P\left(n\right)}{N_{0}W}\frac{2\mathrm{\&theta;}(1-\mathrm{\&theta;})G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}{{\mathrm{\&theta;G}}_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)+(1-\mathrm{\&theta;})G_{r_i{d}_k\left(n\right)}}).---\left(17\right)$

对θ求偏导并取零点可得最佳分配比例

$\mathrm{\&theta;}=\frac{1}{1+\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)/G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}},---\left(18\right)$

将其代入式(17)可以得到中继方式下的等效信道增益

$G_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{2}{{(\frac{1}{\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)}}+\frac{1}{\sqrt{G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}})}^2}.---\left(19\right)$

结合式(13)，可知在分配给子载波的发射功率为P时，当中继信道等效增益满足条件

$G_{\mathrm{srd}}>\frac{P}{N_{0}W}{G}_{\mathrm{sd}}^2+2G_{\mathrm{sd}},---\left(20\right)$

则采用中继方式。

在本实施例步骤二中，需要将子载波按公平性原则分配给各用户，并且确定各子载波在采用的传输方式以及中继节点编号。为了保证公平性，在分配子载波的迭代过程中，当前速率最小的用户在可用子载波集中首先选择其直传增益最高的子载波，并计算中继门限值；然后寻找等效增益最高的中继信道，并与中继门限值比较，由此确定分配的子载波编号、中继模式以及中继编号。该步骤的流程如图2所示。

在本实施例步骤三，将总发射功率分配到各个用户。由于在步骤二中，已经以公平性为准则将子载波分配给了各用户，因此在本步中，继续假定各子载波分配所得功率相等，将发射总功率按照各用户所分配得到的子载波数目分配给各用户。

对分配给各用户的子载波集，以提升吞吐量为目标，解决独立的功率分配优化问题

$\max \underset{n\&Element;S_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1+{\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)}{2}{\log }_2(1+\frac{P\left(n\right)G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)}{N_{0}W})$

$s.t\underset{n\&Element;S_k}{\mathrm{\&Sigma;}}P\left(n\right)=P_k,$

P(n)≥0， $\&ForAll;n\&Element;S_k,---\left(21\right)$

其中Δ_k(n)在载波n采用中继方式时为1，G_eq(n)表示子载波的等效增益。该问题的解如式(9)。本实施例实际将子载波的功率分配问题简化为若干个独立的吞吐量最优化问题求解，降低了方法的复杂度。对于采用中继方式的子载波，则进一步按照式(18)分配用于基站与中继的发射功率。结合步骤三，本实施例的功率分配流程如图3。

下面给出一个具体的下行OFDMA蜂窝系统参数配置，并通过实验仿真来阐述本实施例的性能。

下行OFDMA蜂窝系统的参数	设置
		蜂窝系统模型	圆形，半径1km
用户分布	随机均匀分布
		中继分布	距离基站0.5km的圆周上均匀分布
信号功率随用户与基站的距离的衰减函数	L＝128.1+37.6log10(R)，单位dB，R是用户与基站的距离，单位Km

下行OFDMA蜂窝系统的参数	设置
		阴影衰落标准差	8dB
加性噪声功率谱密度	-154dBm/Hz
		用户与基站间的最小距离	＞＝35m
基站发射天线数	1
		中继发射天线数	1
用户接收天线数	1
		系统带宽	1MHz
子载波间隔fo	15.625KHz
		使用子载波总数	64

仿真信道为瑞利衰落信道，并且各子载波间衰落相互独立。

图4中，比较了在有4个中继，8个用户的蜂窝小区下行链路中，本实施例方案、传统的Round-Robin时分方案以及文章“Increase in Capacity ofMultiuser OFDM System Using Dynamic Subchannel allocation”(参见“Vehicular Technology Conference Proceedings，2000.VTC 2000-SpringTokyo，Volume：2，On page(s)：1085-1089vol.2)中提出的非中继max-min子载波分配方案三者的最小用户速率性能。可以看出，本实施例提出的方案要明显优于其它两种方案，这一方面是因为本实施例中采用了中继提升了链路的等效增益从而提升了信道容量，另一方面是由于中继的存在使得原本位于小区边缘的用户也可能通过中继来接收下行信息，使小区的资源分配更加均匀。

为进一步阐明本实施例对多用户间公平性的提升，下表给出了在总发射功率为20dBm，采用4个中继时，各方案中各用户得到的速率：

用户编号	Round-Robin时分方案	非中继max-min分配方案	本实施例方案
				1	41.0129	8.0322	8.0334
2	10.0683	2.9193	3.1057

用户编号	Round-Robin时分方案	非中继max-min分配方案	本实施例方案
				3	3.2898	1.6115	2.9148
4	2.8979	1.5156	2.9055
				5	1.796	1.334	3.1461
6	1.0582	1.2426	2.8309
				7	0.7027	1.2128	2.9524
8	0.5931	1.207	3.3274

上表中，用户编号按照用户距离基站的远近排序。可看出，采用本实施例方案，虽然对于距离基站较近的用户其速率有所损失，但是小区边缘用户的速率有大幅提升，用户2～8的速率基本相等。由此可见，通过在小区中采用中继，采用本方案可将资源更加公平的分配给小区中各用户，并且大幅提升了处于小区边缘用户的速率，改善了用户体验。

图5中给出了在采用不同中继数目时的最小用户速率性能。可以看出，中继数量越多，则系统可能得到的吞吐量越高，但是其相应的成本与复杂度也就更高。因此，在实际系统中，应该权衡考虑，合理设置中继数量。

通过本例说明，本实施例通过在蜂窝小区中采用中继，并合理分配子载波与发射功率，达到了提高系统吞吐量与公平性的目的。本实施例能够较大的提升处于小区边缘用户的服务质量，进行资源的公平分配，改善用户体验，在实际的蜂窝通信系统中，具有很高的应用价值。

Claims (7)

1.一种下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：分别收集直传信道增益和中继信道增益；

步骤二：将子载波平均分配给所有用户，并确定各子载波对应的直传模式或中继模式，当子载波采用中继模式，则确定对应该子载波的中继号；

步骤三：为所有用户分别分配下行发射功率并为各个子载波分别分配发射功率。

2.根据权利要求1所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的直传信道增益是指：基站到各用户间的各子载波的信道增益

其中：k∈K表示用户编号，n∈N表示子载波序号。

3.根据权利要求1所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的中继信道增益是指：基站到各中继在各子载波上的信道增益

以及各中继到各用户在各子载波上的信道增益

其中：

标志中继编号。

4.根据权利要求1所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的步骤二具体包括以下操作：

2.1)设定可用子载波集合□＝{1，2，…N}，各用户速率R_k＝0，所分配得到的子载波集S_k＝φ，

P_avr＝P_total/N，其中：P_total为总发射功率，P_avr为子载波的平均发射功率；

2.2)找出当前传输速率最小的用户k，满足R_k≤R_j，

2.3)当中继信道增益高于中继门限，即

则S_k＝S_k∪n₁，□＝□-n₁，更新用户速率

$R_k=R_k+{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right)}{N_{0}W});$

否则，S_k＝S_k∪n₂，□＝□-n₂，并更新用户速率

$R_k=R_k+\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{avr}}{G}_{s{r}_i^{*}{d}_k}\left(n_2\right)}{N_{0}W});$

2.4)当□≠φ，则返回步骤2.1)继续分配子载波；否则，子载波分配完毕。

5.根据权利要求4所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的找出当前传输速率最小的用户k，具体操作为：

2.2.1)对于用户k，在可用子载波集合中，找出其直传信道增益最大的子载波编号：

并且依此计算中继门限值：

${\mathrm{Th}}_r=\frac{P_{\mathrm{avr}}}{N_{0}W}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}^2\left(n_1\right)+2G_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n_1\right),$

其中：N₀为白噪声功率谱密度，W为子载波带宽；

2.2.2)对于用户k，在可用子载波集合中，找出中继信道增益最大的子载波编号，方法如下：

$G_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{2}{{(\frac{1}{\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)}}+\frac{1}{\sqrt{G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}})}^2},$

n∈□

其中：n₂，i^*分别表示子载波编号以及该子载波所采用的中继编号。

6.根据权利要求1所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的分配下行发射功率是指：

$P_k=P_{\mathrm{total}}\&CenterDot;\frac{\left|s_k\right|}{N},$

其中：|s_k|表示分配给用户k的子载波数目，即按照各用户分配得到子载波数目的比例分配发射功率。

7.根据权利要求4所述的下行OFDMA蜂窝系统的优化方法，其特征是，所述的分配发射功率包括：

1)根据步骤二确定各子载波分配的用户编号以及中继编号，分配给用户k的各子载波等效信道增益为：

$G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{{\mathrm{sd}}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=1\\ G_{{\mathrm{sr}}_i^{*}{d}_k}\left(n\right)& {\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right)=0\end{array}\right.,$

其中：当采用中继信道时，Δ_k(n)＝1，否则Δ_k(n)＝0，

由式：

$G_{{\mathrm{sr}}_i{d}_k}\left(n\right)=\frac{2}{{(\frac{1}{\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)}}+\frac{1}{\sqrt{G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}})}^2},$

n∈□

得到；

2)对各用户所分配得到的子载波，按如下注水方式分配功率：

$P\left(n\right)={({\mathrm{\&lambda;}}_k(1+{\mathrm{\&Delta;}}_k\left(n\right))-\frac{N_{0}W}{G_{\mathrm{eq}}\left(n\right)})}^{+},$ n∈S_k

其中：(x)⁺表示取值max{x，0}，λ_k为用户k对应的水平面，可以通过迭代方式搜索得到，需满足条件

$\underset{n\&Element;S_k}{\mathrm{\&Sigma;}}P\left(n\right)=P_k,\&ForAll;k\&Element;K$

其中：P(n)表示分配给子载波n的发射功率；

3)对于采用中继方式的子载波，该子载波上的分配给基站与中继的发射功率分别为：

$P_s\left(n\right)=2P\left(n\right)\frac{1}{1+\sqrt{G_{{\mathrm{sr}}_i}\left(n\right)/G_{r_i{d}_k}\left(n\right)}},$ P_R(n)＝2P(n)-P_s(n)，

其中：P_s(n)、P_R(n)分别表示源节点与中继节点在子载波n上的发射功率；

4)对于采用直传方式的子载波，所有功率均分配给基站，即

P_s(n)＝0，P_R(n)＝0；

其中：P_s(n)、P_R(n)分别表示源节点与中继节点在子载波n上的发射功率。

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