CN102781101A - 一种ofdma中继系统的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDMA中继系统的资源分配方法，包括以下处理步骤：(1)计算得到每个用户可分配的子载波数以及初始未被分配的子载波数；（2）把子载波和相应的中继分配给每个用户；首先给每个用户分配足可分配的子载波数，然后将初始未被分配的子载波数进行分配；（3）根据步骤（2）中各个直传用户分配到的子载波、经过各个中继传输的子载波和总发送功率核定的条件下，利用拉格朗日乘数法，得到每个子载波上分配到的功率值；这种方法满足了各个用户的速率要求，避免了无线通信中的远近效应，能很好的适应无线通信环境的快速变化，降低了计算的复杂度，同时有效的提高了系统资源利用率。

Description

一种OFDMA中继系统的资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交频分多址接入)中继系统的资源分配方法。

背景技术

OFDMA是基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex，正交频分复用)调制方式的一种无线接入方式，它具有传输速率高、资源分配灵活、能同时支持多个用户等特点，被认为是下一代宽带无线接入方式的关键技术，已经应用于IEEE802.16d/e等标准中。OFDMA系统将传输宽带划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。

含有中继的OFDMA系统的资源分配问题是一种子载波分配、功率分配、比特分配、自适应调制和中继选择的联合优化问题，这是一个NP问题(多项式复杂程度的非确定性问题)。传统的解决方法是为各个用户分配固定的子载波和中继，然后根据子载波和中继的分配方案进行功率分配、比特分配和自适应调制，由于该解决方法分配的子载波和中继是固定的，所以不能很好的适应无线通信环境的变化，如障碍物的影响、环境温度的变化等情况，从而导致部分用户通信不畅，系统资源利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种保证各用户获得的速率满足不同的业务需求、有效避免远近效应，且资源利用率高的OFDMA中继系统的资源分配方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种OFDMA中继系统的资源分配方法，包括以下具体处理步骤：

(1)获得OFDMA中继系统的每个用户的可分配的子载波数和初始未被分配的子载波数：根据比例速率约束

OFDMA中继系统的中继用户通过中继从基站获得子载波需要两个时隙和OFDMA中继系统的子载波总数N，求得每个用户的可分配的子载波数为

以及初始未被分配的子载波数N^*，

其中，M₁为OFDMA中继系统的直传用户总数，M为OFDMA中继系统的用户总数，R_m′为第m，m∈[1，M]个用户的业务需要的传输速率，θ_m为R_m′对应的比值，i∈[1，M₁]，N_i′为第i个直传用户的可分配的子载波数，j∈[M₁+1，M]，N_j′为第j个中继用户的可分配的子载波数，

为取下整；

 (2)将子载波及其相应的中继分配给各个用户：

(a)先给每个直传用户分配一个最优子载波；第i个直传用户获得的最优子载波为

第i个直传用户按平均功率法获得的理论传输速率为R_i，

其中，arg()为取参数函数，max()为取最大值函数，Ω_N为OFDMA中继系统中的所有的子载波集合，H_S，i，n为第i个直传用户通过直传链路S-i从基站S获得的第n个子载波上的信道增益，B为OFDMA中继系统可用带宽，p为OFDMA中继系统分给每个子载波上的平均功率，

P_T为OFDMA中继系统的总发送功率；

(b)接着给每个中继用户分配一个最优子载波和传输该最优子载波的相应中继；第j个中继用户获得的最优子载波和传输该最优子载波的相应中继对为

第j个中继用户按平均功率法获得的理论传输速率为R_j，

其中，Ω_K为OFDMA中继系统中的所有中继的集合，

为第j个中继用户经过接入链路k-j从中继k获得第n个子载波的等效接收信噪比，

根据用户速率最大化要求需要满足的条件

获得，

为中继k通过中继链路S-k从基站S获得的第n个子载波上的功率，

为中继k通过中继链路S-k从基站S获取的子载波n上的信道增益，p_k，j，n为第j个中继用户通过接入链路k-j从中继k获得的第n个子载波上的功率，H_k，j，n为中继用户j通过接入链路k-j从中继k获得的第n个子载波上的信道增益；

(c)然后给每个用户分配足可分配的子载波数；具体为：根据条件给第m，m∈[1，M]个用户分配子载波及其相应的中继，若第m，m∈[1，M]个用户为直传用户，则给该直传用户分配一个最优子载波n_m ^*，

用户m的传输速率为

若第m，m∈[1，M]个用户为中继用户，则给该中继用户分配一个最优子载波和传输该最优子载波的相应中继对 $({n_m^{*}}^{\′},{k^{*}}^{\′})=\underset{n\∈{\mathrm{\Ω}}_N,k\∈{\mathrm{\Ω}}_K}{\arg \max }{H}_{k,m,n}^{\mathrm{equ}},$ 用户m的传输速率为 $R_m=R_m+\frac{B}{2N}{\log }_2(1+p{H}_{S,M_1+{k^{*}}^{\′},{n_m^{*}}^{\′}});$ 其中，Ω_M为OFDMA中继系统中的所有用户的集合，min()为取最小值函数，R_m，m∈[1，M]为第m个用户按平均功率法获得的理论传输速率；

(d)再接着将初始未被分配的子载波进行分配；将初始未被分配的子载波n′分配给直传用户中的最优用户i^*，

一个直传用户只能获取一次分配，如果初始未被分配的子载波分配完毕，则子载波分配结束；否则将剩余的初始未被分配的子载波n″及传输子载波n″的相应中继k*分配给中继用户中的最优用户j^*，

一个中继用户只能获取一次分配，直到分配结束；其中，

为OFDMA中继系统中的所有直传用户的集合，

为OFDMA中继系统中的所有中继用户的集合；

(3)根据步骤(2)中各个直传用户实际获得的子载波、实际通过各个中继传输的子载波和OFDMA中继系统的总发送功率PT核定的条件，利用拉格朗日乘数法，获得每个子载波上的功率分配值为 $\left\{\begin{array}{c}{p}_{S,\mathrm{1,1}}=(P_T-\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}(N_{m^{\′}}{b}_{m^{\′}}+V_{m^{\′}}))/\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{m^{\′}}{a}_{m^{\′}}\\ p_{S,m^{\′},n}=a_{m^{\′}}{p}_{S,\mathrm{1,1}}+b_{m^{\′}}+\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}}\end{array}\right.,$ m′∈[1，M₁+K]；其中，N_m′，m′∈[1，M1]为第m′个直传用户接实际获到的子载波数，N_m′，m′∈[M₁+1，M₁+K]为实际通过第m′-M个中继传输的子载波数， $W_{m^{\′}}=\underset{n\∈{\mathrm{Dm}}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2{H}_{S,m^{\′},n},$ $V_{m^{\′}}=\underset{n\∈D_{m^{\′}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}},$ $a_{m^{\′}}=2^{\frac{N_{m^{\′}}{W}_1-N_1{W}_{m^{\′}}}{N_{m^{\′}}{N}_1}},$ $b_{m^{\′}}=\frac{a_{m^{\′}}}{H_{S,\mathrm{1,1}}}-\frac{1}{H_{S,m^{\′},1}}.$

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)在子载波分配时加入了各用户业务的比例速率约束条件，保证了分配给用户的子载波集满足该用户的业务需求；

(2)根据速率最大化要求，计算得到接入链路的等效接收信噪比，中继用户根据最大的等效接收信噪比来选择子载波和传输该子载波的中继，有效避免远近效应；

(3)根据子载波的实际分配情况和OFDMA中继系统的总发送功率PT核定的条件，利用拉格朗日算法获得功率分配的表达式，降低了算法的计算复杂度、提高了计算速度，并提高了系统资源利用率。

附图说明

图1为一个多中继的单蜂窝通信系统；

图2为本发明的系统容量随用户数变化的关系图；

图3为本发明的128子载波条件下，各用户归一化速率的关系图；

图4为本发明的1000子载波条件下，各用户归一化速率的关系图；

图5为本发明的子载波分配与中继选择的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示一种OFDMA中继系统中基于速率成比例约束的资源分配方法，包括以下处理步骤：

(1)首先给OFDMA中继系统的每个用户设置一个可分配的子载波数：根据比例速率约束

OFDMA中继系统的中继用户通过中继从基站获得信息需要两个时隙和OFDMA中继系统的子载波总数N，求得每个用户的可分配的子载波数为

以及初始未被分配的子载波数N^*，

其中，θ_m，m∈[1，M]为整数；

(2)将子载波和中继分配给每个用户，如图5所示，包括以下步骤：

(a)给每个直传用户分配一个最优子载波：

通过公式

求得第i个直传用户从基站s获得信道增益最大的子载波

同时更新第i个直传用户的参数值N_i＝1、

和N_i′＝N_i′-1，并记录

其中，N_i为第i个直传用户实际分配到的子载波数，D_i为第i个直传用户实际获得的子载波集合；

(b)给每个中继用户分配一个最优子载波及传输该最优子载波的中继：

通过公式

求得中继用户j从所有中继中获得信道增益最大的子载波

及传输子载波

的中继k^*，同时更新第j个中继用户的参数值N_j＝1、

和N_j′＝N_j′-1，并记录

和其中，N_j为第j个中继用户的实际分配到的子载波数，C_j为第j个中继用户实际获得的子载波集合，

为通过第k^*个中继传输的子载波的集合；

(c)自适应的给每个用户分配足可分配的子载波数，具体步骤如下：

c1.判断||Ω_N||是否大于N^*，若||Ω_N||＞N^*，则进入步骤c2；若||Ω_N||＝N^*，则跳转步骤(d)；

c2.根据公式

求得用户m，如果用户m的可分配子载波数N_m′＞0，则进一步判断用户m是否为直传用户，如果是，则进入步骤c3；否则用户m为中继用户，进入步骤c4；如果用户m的可分配子载波数N_m′＝0，则进入步骤c5；

c3.根据公式

求得直传用户m从基站s获得的信道增益最大的子载波n_m ^*，更新直传用户m的参数值N_m＝N_m+1、

D_m＝D_m+{n_m ^*}和N_m′＝N_m′-1，并记录Ω_N＝Ω_N-{n_m ^*}，跳转步骤c1；

c4.根据公式

求得中继用户m从基站s获得的信道增益最大的子载波及传输该子载波的中继对

更新中继用户m的参数值N_m＝N_m+1、 $R_m=R_m+\frac{B}{2N}{\log }_2(1+p{H}_{S,M_1+{k^{*},n}_m^{*}}),$ $C_m=C_m+\left\{{n_m}^{*}\right\}$ 和N_m′＝N_m′-1，并记录 $D_{M_1+k^{*}}=D_{M_1+k^{*}}+\left\{n_m^{*}\right\}$ 和 ${\mathrm{\Ω}}_N={\mathrm{\Ω}}_N-\left\{n_m^{*}\right\},$ 跳转步骤c1；

c5.记录Ω_M＝Ω_M-{m}，跳转步骤c2；

其中，“||||”为求集合长度，N_m为用户m实际分配到的子载波数，D_m为直传用户m实际分配到的子载波的集合，C_m为中继用户m实际分配到的子载波的集合；

(d)对初始未被分配的子载波进行分配

d1.重新设置 ${\mathrm{\Ω}}_{M_1}=\{\mathrm{1,2},...,M_1\},$ ${\mathrm{\Ω}}_{M_2}=\{M_1+1,...,M\};$

d2.通过公式

将初始未被分配的子载波n′，n′∈Ω_N分配给直传用户i^*，更新第i^*个直传用户的参数值

和

并记录Ω_N＝Ω_N-{n′}，每个直传用户只能获得一次分配；其中，

为第i^*个直传用户的实际分配到的子载波数，

为第i^*个直传用户的实际传输速率，

为第i^*个直传用户的实际分配到的子载波的集合；

d3.判断Ω_N是否为φ，如果Ω_N＝φ，则子载波分配和中继选择结束；否则继续；

d4.通过公式

把剩余的初始未被分配的子载波n″，n″∈Ω_N分配给等效接收信噪比最大的中继用户j^*，并分配传输n″的中继k^*；将第j^*个中继用户的参数值更新为 $N_{j^{*}}=N_{j^{*}}+1,$ $R_{j^{*}}=R_{j^{*}}+\frac{B}{2N}{\log }_2(1+p{H}_{S,M_1+{k^{*},n}^{\′\′}})$ 和 $C_{j^{*}}=C_{j^{*}}+\left\{n^{\′\′}\right\},$ 并记录

和Ω_N＝Ω_N-{n″}，每个中继用户只能获得一次分配，直到Ω_N＝φ时，子载波分配和中继选择结束；其中，

为第j^*个中继用户实际分配到的子载波数，

为第j^*个中继用户的实际传输速率，

为第j^*个中继用户实际分配到的子载波的集合；

(3)结合步骤(2)子载波的实际分配情况和OFDMA中继系统的总发送功率PT核定的条件，利用拉格朗日乘数法，得到功率分配的表达式；

首先，建立功率分配的优化模型：

$\max [\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\∈D_{m^{\′}}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+p_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},n})+\underset{m^{\′}=M_1+1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n\∈D_{m^{\′}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{2}{\log }_2(1+p_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},n})]$

$s.t.\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{S,m^{\′},n}\≤P_T$

其中，p_S，m′，n为基站s分配给用户或中继的在第n个子载波上的功率，s.t.为约束条件，m′∈[1，M₁]为第m′个直传用户实际接受到的子载波数N_m′相应的比值，

m′∈[M₁，M₁+K]为实际通过第m′-M₁个中继传输的子载波数N_m′的二分之一相应的比值，

m′∈[M₁，M₁+K]为整数；然后，构造拉格朗日方程：

其中，λ₁，λ_m′(m′＝2，3，LM₁+K)为各个表达式的拉格朗日算子；

接着，L分别对功率求导，并令导函数的值为0，得到各个子载波上功率的线性关系：

$p_{S,m^{\′},1}=a_{m^{\′}}{p}_{S,\mathrm{1,1}}+b_{m^{\′}}$ 和 $P_{S,m^{\′},n}=p_{S,m^{\′},1}+\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}};$

再接着将上述的线性关系代入总功率约束条件

计算得到功率分配的闭式表达式： $\left\{\begin{array}{c}{p}_{S,\mathrm{1,1}}=(P_T-\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}(N_{m^{\′}}{b}_{m^{\′}}+V_{m^{\′}}))/\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{m^{\′}}{a}_{m^{\′}}\\ p_{S,m^{\′},n}=a_{m^{\′}}{p}_{S,\mathrm{1,1}}+b_{m^{\′}}+\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}}\end{array}\right..$

本发明的资源分配算法的可行性和有效性通过以下仿真结果进一步说明。

图1是一个含有多个中继的单蜂窝通信系统，定义蜂窝覆盖范围以内的用户为直传用户，蜂窝覆盖范围以外的用户为中继用户，基站与直传用户的通信链路为直传链路，基站与中继的通信链路为中继链路，中继与中继用户的通信链路为接入链路。

仿真条件：仿真环境选择多中继的单蜂窝OFDMA系统下行链路数据传输，仿真信道采用6径衰落信道，最大多普勒频移为30Hz，时延拓展为5μs，系统可用带宽B＝1MHz，总发送功率为1W，误比特率BER＝10^-3，高斯白噪声单边功率谱密度N₀＝10^-8，子信道上的平均发射信噪比为38dB，中继个数为6。

附图中的英文标示的含义如下：

PSARS：本发明的子载波分配和中继选择方案；

Static：传统的子载波分配和中继选择方案；

PPA：本发明的功率分配方案；

APA：平均功率分配方案；

Proportional Fairness：速率公平因子。

图2给出了100次重复实验得到的四种方法下获得的系统容量的比较结果，系统可用子载波数为128，本方法获得较传统算法的系统容量随着用户数的增加系统的总容量也逐渐增加。该仿真结果说明本发明是一种有效的适应高速率传输的自适应算法。

图3给出了系统可用子载波数为128时，提出的两种算法下各用户的归一化速率与比例约束条件的比较关系，可以看出本发明的各用户的归一化速率逼近比例速率约束。该仿真结果表明本发明是一种有效的适应不同业务需求的资源分配方法。

图4给出了系统可用子载波数为1000时，两种算法下各用户的归一化速率与比例约束条件的比较关系，可以看出本发明各用户的归一化速率约等于预设的比例速率约束条件。

由仿真结果可以看出，本发明的资源分配方法能够充分利用空间和多用户分集，在获得高的系统容量的情况下满足不同业务的速率需求，随着系统可用子载波数的增加，本发明的各用户的归一化速率逼近比例速率约束。

Claims (1)

1.一种OFDMA中继系统的资源分配方法，其特征在于包括以下具体处理步骤：

(1)获得OFDMA中继系统的每个用户的可分配的子载波数和初始未被分配的子载波数：根据比例速率约束

OFDMA中继系统的中继用户通过中继从基站获得子载波需要两个时隙和OFDMA中继系统的子载波总数N，求得每个用户的可分配的子载波数为

以及初始未被分配的子载波数N^*，

其中，M₁为OFDMA中继系统的直传用户总数，M为OFDMA中继系统的用户总数，R_m′为第m，m∈[1，M]个用户的业务需要的传输速率，θ_m为R_m′对应的比值，i∈[1，M₁]，N_i′为第i个直传用户的可分配的子载波数，j∈[M₁+1，M]，N_j′为第j个中继用户的可分配的子载波数，

为取下整；

(2)将子载波及其相应的中继分配给各个用户：

(a)先给每个直传用户分配一个最优子载波；第i个直传用户获得的最优子载波为

第i个直传用户按平均功率法获得的理论传输速率为R_i，

其中，arg()为取参数函数，max()为取最大值函数，Ω_N为OFDMA中继系统中的所有的子载波的集合，H_S，i，n为第i个直传用户通过直传链路S-i从基站S获得的第n个子载波上的信道增益，B为OFDMA中继系统可用带宽，p为OFDMA中继系统分给每个子载波上的平均功率，

P_T为OFDMA中继系统的总发送功率；

(b)接着给每个中继用户分配一个最优子载波和传输该最优子载波的相应中继；第j个中继用户获得的最优子载波和传输该最优子载波的相应中继对为

第j个中继用户按平均功率法获得的理论传输速率为R_j，其中，Ω_K为OFDMA中继系统中的所有中继的集合，

为第j个中继用户经过接入链路k-j从中继k获得第n个子载波的等效接收信噪比，

根据用户速率最大化要求需要满足的条件

获得，

为中继k通过中继链路S-k从基站S获得的第n个子载波上的功率，为中继k通过中继链路S-k从基站S获取的子载波n上的信道增益，p_k，jn为第j个中继用户通过接入链路k-j从中继k获得的第n个子载波上的功率，H_k，j，n为中继用户j通过接入链路k-j从中继k获得的第n个子载波上的信道增益；

(c)然后给每个用户分配足可分配的子载波数；具体为：根据条件

给第m，m∈[1，M]个用户分配子载波及其相应的中继，若第m，m∈[1，M]个用户为直传用户，则给该直传用户分配一个最优子载波nm*，

用户m的传输速率为

若第m，m∈[1，M]个用户为中继用户，则给该中继用户分配一个最优子载波和传输该最优子载波的相应中继对 $({n_m^{*}}^{\′},{k^{*}}^{\′})=\underset{n\∈{\mathrm{\Ω}}_N,k\∈{\mathrm{\Ω}}_K}{\arg \max }{H}_{k,m,n}^{\mathrm{equ}},$ 用户m的传输速率为 $R_m=R_m+\frac{B}{2N}{\log }_2(1+p{H}_{S,M_1+{k^{*}}^{\′},{n_m^{*}}^{\′}});$ 其中，Ω_M为OFDMA中继系统中的所有用户的集合，min()为取最小值函数，R_m，m∈[1，M]为第m个用户按平均功率法获得的理论传输速率；

(d)再接着将初始未被分配的子载波进行分配；将初始未被分配的子载波n′分配给直传用户中的最优用户i^*，

一个直传用户只能获取一次分配，如果初始未被分配的子载波分配完毕，则子载波分配结束；否则将剩余的初始未被分配的子载波n″及传输子载波n″的相应中继k^*分配给中继用户中的最优用户j^*，

一个中继用户只能获取一次分配，直到分配结束；其中，

为OFDMA中继系统中的所有直传用户的集合，

为OFDMA中继系统中的所有中继用户的集合；

(3)根据步骤(2)中各个直传用户实际获得的子载波、实际通过各个中继传输的子载波和OFDMA中继系统的总发送功率P_T核定的条件，利用拉格朗日乘数法，获得每个子载波上的功率分配值为 $\left\{\begin{array}{c}{p}_{S,\mathrm{1,1}}=(P_T-\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}(N_{m^{\′}}{b}_{m^{\′}}+V_{m^{\′}}))/\underset{m^{\′}=1}{\overset{M_1+K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{m^{\′}}{a}_{m^{\′}}\\ p_{S,m^{\′},n}=a_{m^{\′}}{p}_{S,\mathrm{1,1}}+b_{m^{\′}}+\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}}\end{array}\right.,$ m′∈[1，M₁+K]；其中，N_m′，m′∈[1，M₁]为第m′个直传用户接实际获到的子载波数，N_m′，m′∈[M₁+1，M₁+K]为实际通过第m′-M个中继传输的子载波数， $W_{m^{\′}}=\underset{n\∈{\mathrm{Dm}}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2{H}_{S,m^{\′},n},$ $V_{m^{\′}}=\underset{n\∈D_{m^{\′}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{H_{S,m^{\′},n}-H_{S,m^{\′},1}}{H_{S,m^{\′},n}{H}_{S,m^{\′},1}},$ $a_{m^{\′}}=2^{\frac{N_{m^{\′}}{W}_1-N_1{W}_{m^{\′}}}{N_{m^{\′}}{N}_1}},$ $b_{m^{\′}}=\frac{a_{m^{\′}}}{H_{S,\mathrm{1,1}}}-\frac{1}{H_{S,m^{\′},1}}.$

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