CN102164413A - 基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法 - Google Patents

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本发明公开了一种基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法。发明考虑多用户的队列长度和等待时间
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的用户公平权重因子排序法，以用户公平权重因子排序来决定用户选择子载波的优先权，用户每次在可用子载波集合里选择信道增益值最大的。中继站根据每个用户分配到的子载波集合得到每个用户的可达速率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，对中继和基站之间的N个子载波进行匹配，从所有用户中找出
Figure 4238DEST_PATH_IMAGE006
最大的，再寻找使得用户与载波之间速率差绝对值最小的子载波，将该子载波分配给该用户，同时更新该用户的速率为两者的差值，直到这里的用户速率变为负数或者子载波全部分配完毕为止。本发明在不考虑功率约束情况下给出了多用户上行正交频分多址的中继系统中子载波分配的低复杂度的启发式算法。

Description

基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法。
背景技术
正交频分多址技术是未来第四代移动通信领域的主要多载波传输技术，它能提供很高的频谱效率和数据速率，同时对于信道的时间弥散性不敏感。在正交频分多址系统中，不同用户选择不同的子载波会经历不同的衰落，每个子信道可以被建模成一个慢速时变增益的加性高斯白噪声信道。对于正交频分多址系统的子载波分配有两种不同的形式，一种是固定的信道分配，另一种是动态的信道分配。对于信道状态会改变的系统，固定信道分配不是最优的方法，相反动态的信道分配会根据不同用户对不同信道的增益变化来分配，因此利用多用户分集来提升系统性能。
对于用户来说，动态的子载波分配，可达的最大数据速率是随时间变化的，这样的系统要达到信道容量不能采用传统的固定速率的编码方法。要达到信道容量必须采用具有自适应速率特性和逐次译码的编码方法，最佳的编码方法是采用无速率码，无速率码具有桶积水效应，只要收到的编码包所含互信息量达到一定门限值，就一定可以成功译码，避免的固定码率所带来的速率损失，更加适应这种动态的信道分配系统。
中继速率匹配要求中继两侧速率达到最佳匹配度，最大程度的满足传输需求，匹配后用户最终获得的速率是中继两侧速率的最小值。对于中继场景，一般考虑两类传输方式，直接传输和解码传输，解码传输要求计算量非常大，复杂度高，本文研究的策略采用的是基于用户包的直接传输。在多用户上行接入的正交频分多址中继场景中，中继子载波配对的选择目标是使整个系统获得的速率最大化。
发明内容
本发明的目的是是克服现有技术的不足，提供一种基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法。
基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法是：多用户单中继系统由K个用户和一个非再生中继站及一个基站组成，多用户到基站没有直接传输的链路，通过中继站中转发送数据，用户到基站的传输包括两个时隙，采用时分方式，第一个时隙是用户到中继站，第二个时隙是中继站到基站。中继站是一个集中的控制器，确知两段链路的信道状态信息，中继站和K个用户之间以及中继站和基站之间包含共同的N条子载波，总的传输带宽为B，所有载波上有着相同的噪声功率谱密度                                                
Figure 2010105982910100002DEST_PATH_IMAGE001
，不同用户出现在中继站覆盖小区的不同位置，每个用户与中继站的N条子信道都有着不同的信道增益，每个子载波上每个时隙只能传输同一个用户的数据，所有用户在所有子载波的上用相同的功率
Figure 714443DEST_PATH_IMAGE002
发送数据，中继站与基站之间的N条子信道也有着不同的信道增益，这N条子载波上的发送功率同样为
Figure 699716DEST_PATH_IMAGE002
，待分配的可用子载波集合为
Figure 2010105982910100002DEST_PATH_IMAGE003
，用户集合为
Figure 389236DEST_PATH_IMAGE004
，在
Figure 2010105982910100002DEST_PATH_IMAGE005
时长内，多用户单中继系统的接入用户数目保持不变，每个用户到达多用户单中继系统提交接入请求开始计算等待时间
Figure 273009DEST_PATH_IMAGE006
，用户包的队列长度为，这两个参数都是随着时间变化更新的，更新公式为：
Figure 388733DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法的具体步骤如下：
1）用户通过控制信道发送接入网络请求，发送用户队列长度
Figure 540097DEST_PATH_IMAGE007
信息；
2）中继站计时，每个
Figure 83074DEST_PATH_IMAGE005
时间点，根据用户的当前包队列长度
Figure 375515DEST_PATH_IMAGE007
和等待时间
Figure 45662DEST_PATH_IMAGE006
，计算更新每个用户的公平权重因子
Figure 739948DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 453827DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是队列长度的最小单位，
Figure 810727DEST_PATH_IMAGE014
是等待时间的最小单位，两者用来归一化队列长度和等待时间；
3）接入时刻不是
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，则中继站将用户放入接入等待表中，同时记录接入时间；
4）中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配；
5）用户按照中继节点的分配进行接入。
所述的中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配步骤，包括：
1)计算每个用户的公平权重因子，初始化可用子载波集合为 
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
2)把所有用户按照这个公平因子由大到小排序；
3)基于步骤2）的排序结果，所有用户循环选择，用户k在A中选择一条信道增益最大的子载波n，然后将n从A中去除，直到可用子载波集合A变为空集，得到每个用户分配到的子载波集合，计算第一阶段每个用户速率
Figure 780455DEST_PATH_IMAGE018
；
4)中继与基站之间每个子载波的信道容量为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，为第二阶段每一个用户设置
Figure 359072DEST_PATH_IMAGE018
，第二阶段用户集合
Figure 292393DEST_PATH_IMAGE020
，第二阶段可用子载波集合
Figure 890166DEST_PATH_IMAGE017
；
5）找到用户集合
Figure DEST_PATH_IMAGE021
中
Figure 341919DEST_PATH_IMAGE018
最大的用户k；
6）为用户k选择一条与其速率差的绝对值最小的子载波n，将n从A中去除，将用户速率减去子载波信道容量；
7）如果用户速率小于零，则将该用户从集合U中去除；
8）如果用户集合U变为空集或者可用子载波集合变为空集，则分配完毕，否则回到步骤5）。
本发明提供了一种对于多用户上行OFDMA中继系统的简单低复杂度启发式的子载波调度和分配策略。在第一阶段，该策略在考虑到用户公平的前提下，提出了用户公平因子排序的方法选择子载波。在第二阶段，提出了与第一阶段得到速率最大匹配策略的具体实现步骤。本发明具有算法简单可行，复杂度低的特点，为中继的联合资源优化和分配问题提供了一个子载波分配的具体策略。
附图说明
图1是多用户单中继系统的示意图；
图2是中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配步骤的流程图；
图3是该发明中方法与最大速率选择法得到的速率上界和固定子载波分配法的对比，系统带宽为10MHz，传输的信噪比为13dB，系统的总速率随用户数增多的变化曲线；
图4是在系统带宽为10MHz，传输的信噪比为13dB情况下，在得到该方法与直接配对法和排序配对法的总速率对比。
具体实施方式
如图1、2所示，基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法是：多用户单中继系统由K个用户和一个非再生中继站及一个基站组成，多用户到基站没有直接传输的链路，通过中继站中转发送数据，用户到基站的传输包括两个时隙，采用时分方式，第一个时隙是用户到中继站，第二个时隙是中继站到基站。中继站是一个集中的控制器，确知两段链路的信道状态信息，中继站和K个用户之间以及中继站和基站之间包含共同的N=32条子载波，总的传输带宽为B=10MHz，所有载波上有着相同的噪声功率谱密度
Figure 892986DEST_PATH_IMAGE001
，不同用户出现在中继站覆盖小区的不同位置，每个用户与中继站的N条子信道都有着不同的信道增益，每个子载波上每个时隙只能传输同一个用户的数据，所有用户在所有子载波的上用相同的功率发送数据，中继站与基站之间的N条子信道也有着不同的信道增益，这N条子载波上的发送功率同样为
Figure 605913DEST_PATH_IMAGE002
，待分配的可用子载波集合为
Figure 832495DEST_PATH_IMAGE022
，用户集合为
Figure 385705DEST_PATH_IMAGE020
，在
Figure 988725DEST_PATH_IMAGE015
时长内，多用户单中继系统的接入用户数目保持不变，每个用户到达多用户单中继系统提交接入请求开始计算等待时间
Figure 366616DEST_PATH_IMAGE006
，用户包的队列长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，这两个参数都是随着时间变化更新的，更新公式为：
Figure 842728DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法的具体步骤如下：
1）用户通过控制信道发送接入网络请求，发送用户队列长度
Figure 617655DEST_PATH_IMAGE023
信息；
2）中继站计时，每个
Figure 24366DEST_PATH_IMAGE015
时间点，根据用户的当前包队列长度和等待时间
Figure 841460DEST_PATH_IMAGE006
，计算更新每个用户的公平权重因子
Figure 57678DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 2500DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 996647DEST_PATH_IMAGE013
是队列长度的最小单位，
Figure 985200DEST_PATH_IMAGE014
是等待时间的最小单位，两者用来归一化队列长度和等待时间；
3）接入时刻不是
Figure 236184DEST_PATH_IMAGE015
，则中继站将用户放入接入等待表中，同时记录接入时间；
4）中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配；
5）用户按照中继节点的分配进行接入。
所述的中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配步骤，包括：
1)计算每个用户的公平权重因子
Figure 922380DEST_PATH_IMAGE016
，初始化可用子载波集合为 
Figure 191688DEST_PATH_IMAGE017
；
2)把所有用户按照这个公平因子
Figure 616722DEST_PATH_IMAGE016
由大到小排序；
3)基于步骤2）的排序结果，所有用户循环选择，用户k在A中选择一条信道增益最大的子载波n，然后将n从A中去除，直到可用子载波集合A变为空集，得到每个用户分配到的子载波集合，计算第一阶段每个用户速率
Figure 541952DEST_PATH_IMAGE018
；
4)中继与基站之间每个子载波的信道容量为
Figure 828577DEST_PATH_IMAGE019
，为第二阶段每一个用户设置
Figure 968702DEST_PATH_IMAGE018
，第二阶段用户集合
Figure 253053DEST_PATH_IMAGE020
，第二阶段可用子载波集合
Figure 462318DEST_PATH_IMAGE017
；
5）找到用户集合
Figure 801901DEST_PATH_IMAGE021
中
Figure 983484DEST_PATH_IMAGE018
最大的用户k；
6）为用户k选择一条与其速率差的绝对值最小的子载波n，将n从A中去除，将用户速率减去子载波信道容量；
7）如果用户速率小于零，则将该用户从集合U中去除；
8）如果用户集合U变为空集或者可用子载波集合变为空集，则分配完毕，否则回到步骤5）。
图3是该发明中方法与最大速率选择法得到的速率上界和固定子载波分配法的对比，系统带宽为10MHz，传输的信噪比为13dB，系统的总速率随用户数增多的变化曲线。由于用户的增多，系统获得的总的容量会有所增大，这是因为更多的用户带来更多的信道条件的选择，而本文的选择策略与相同条件下系统用最大速率选择法得到的可达最大速率，相差不大；图4是在系统带宽为10MHz，传输的信噪比为13dB情况下，在得到该方法与直接配对法和排序配对法的总速率对比，可以看出随着用户数量的增大，每个用户可分配的子载波变少，这样由于不匹配带来的差异更大，因此获得的系统速率渐渐减少。当用户数目等于子载波数32时，该方法退化成排序配对法。

Claims (2)

1.一种基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法，其特征在于，多用户单中继系统由K个用户和一个非再生中继站及一个基站组成，多用户到基站没有直接传输的链路，通过中继站中转发送数据，用户到基站的传输包括两个时隙，采用时分方式，第一个时隙是用户到中继站，第二个时隙是中继站到基站，中继站是一个集中的控制器，确知两段链路的信道状态信息，中继站和K个用户之间以及中继站和基站之间包含共同的N条子载波，总的传输带宽为B，所有载波上有着相同的噪声功率谱密度                                                ，不同用户出现在中继站覆盖小区的不同位置，每个用户与中继站的N条子信道都有着不同的信道增益，每个子载波上每个时隙只能传输同一个用户的数据，所有用户在所有子载波的上用相同的功率
Figure 400279DEST_PATH_IMAGE002
发送数据，中继站与基站之间的N条子信道也有着不同的信道增益，这N条子载波上的发送功率同样为
Figure 765270DEST_PATH_IMAGE002
，待分配的可用子载波集合为
Figure 667367DEST_PATH_IMAGE003
，用户集合为
Figure 148027DEST_PATH_IMAGE004
，在
Figure 253517DEST_PATH_IMAGE005
时长内，多用户单中继系统的接入用户数目保持不变，每个用户到达多用户单中继系统提交接入请求开始计算等待时间，用户包的队列长度为
Figure 867218DEST_PATH_IMAGE007
，这两个参数都是随着时间变化更新的，更新公式为：
Figure 824504DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 932138DEST_PATH_IMAGE009
，
基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法的具体步骤如下：
1）用户通过控制信道发送接入网络请求，发送用户队列长度
Figure 327347DEST_PATH_IMAGE007
信息；
2）中继站计时，每个
Figure 689189DEST_PATH_IMAGE005
时间点，根据用户的当前包队列长度和等待时间
Figure 106581DEST_PATH_IMAGE006
，计算更新每个用户的公平权重因子
Figure 617066DEST_PATH_IMAGE010
： 
Figure 82682DEST_PATH_IMAGE011
                                                  
其中
Figure 341625DEST_PATH_IMAGE012
是队列长度的最小单位，
Figure 909004DEST_PATH_IMAGE013
是等待时间的最小单位，两者用来归一化队列长度和等待时间；
3）接入时刻不是
Figure 708333DEST_PATH_IMAGE014
，则中继站将用户放入接入等待表中，同时记录接入时间；
4）中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配；
5）用户按照中继节点的分配进行接入。
2.  根据权利要求1所述的一种基于正交频分多址的多用户接入单中继的传输方法，其特征在于所述的中继节点根据用户和信道状态信息执行子载波分配步骤，包括：
1)计算每个用户的公平权重因子
Figure 543302DEST_PATH_IMAGE015
，初始化可用子载波集合为 
Figure 973147DEST_PATH_IMAGE016
；
2)把所有用户按照这个公平因子
Figure 11510DEST_PATH_IMAGE015
由大到小排序；
3)基于步骤2）的排序结果，所有用户循环选择，用户k在A中选择一条信道增益最大的子载波n，然后将n从A中去除，直到可用子载波集合A变为空集，得到每个用户分配到的子载波集合，计算第一阶段每个用户速率
Figure 365262DEST_PATH_IMAGE017
；
4)中继与基站之间每个子载波的信道容量为，为第二阶段每一个用户设置
Figure 406216DEST_PATH_IMAGE017
，第二阶段用户集合
Figure 446722DEST_PATH_IMAGE019
，第二阶段可用子载波集合
Figure 525537DEST_PATH_IMAGE016
；
5）找到用户集合
Figure 85831DEST_PATH_IMAGE020
中最大的用户k；
6）为用户k选择一条与其速率差的绝对值最小的子载波n，将n从A中去除，将用户速率减去子载波信道容量；
7）如果用户速率小于零，则将该用户从集合U中去除；
8）如果用户集合U变为空集或者可用子载波集合变为空集，则分配完毕，否则回到步骤5）。
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