CN106936555B - 基于ofdm的双向中继系统比特分配和功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM双向中继系统比特分配和功率控制的实现方法，以最小化系统发射功率为目标，以源节点目标速率为限制条件，根据信道状态信息，同时进行子载波比特分配和节点发射功率的调整，在满足源节点目标速率的条件下，实现系统总发射功率的最小化。

Description

基于OFDM的双向中继系统比特分配和功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制的AF(Amplify-and-Forward)双向中继通信系统子载波比特分配和节点发射功率控制的联合实现方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

本世纪初研究人员针对小型移动终端无法配置多天线的难题，提出协作分集(中继)技术。不同于传统的点到点通信，协作分集技术允许无线网络中不同用户节点共享彼此的天线和其它网络资源，有望大大提高无线网络容量和复用增益。同时在抗信道衰落、覆盖阴影区域、扩大无线蜂窝系统的有效覆盖半径,增强特定区域数据速率等方面也有很大的发展潜力，已经成为4G系统演进的重点方向。然而，由于实际中继通信系统的半双工限制，使得传统的单向协作中继技术在提高无线通信性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此，科研人员针对经典的三节点网络，基于放大转发(Amplify-and-Forward，AF)和解码转发(Decode-and-Forward，DF)协议提出了一种称之为双向中继的协作中继机制。双向中继作为一种特殊的协作传输形式，能够显著提升网络吞吐量和提高频谱利用率，为无线通信网络(如蜂窝移动通信网络和无线传感器网络)中的高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已经得到学术界和产业界的高度重视。

功率控制作为一种重要的链路自适应技术，通过对用户发射功率的有效控制，可以有效地提升系统整体传输性能，提高能量利用率，达到绿色节能和高效的目的。一般而言，功率控制对应于两类优化问题：1)以系统QoS(Quality of Service)为目标，系统功率为约束条件；2)以系统功率为目标，系统QoS为约束条件。学术界针对第一类功率控制优化问题，已经展开了广泛而又深入的研究工作。随着“绿色无线电”概念的提出，如何节能减排，降低无线通信系统的能量消耗，提高移动终端的电池使用周期，吸引了科技人员越来越多的关注。

正交频分复用OFDM技术，是一种多载波调制技术，能够将宽带信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行并行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦衰落，从而可以消除码间干扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡也变得相对容易。由于OFDM技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

目前，对于基于OFDM调制的双向中继系统比特分配和功率控制问题，科技人员已开展了广泛的研究工作。但是，很少从绿色节能的角度来考虑这两者的联合问题。因此，非常有必要，从“绿色无线电”的角度，研究高能效的比特分配和功率控制的联合实现技术，以便具体应用。

发明内容

本发明提供一种基于OFDM调制的AF双向中继通信系统子载波比特分配和节点发射功率控制的联合实现方法，利用瞬时信道状态信息，根据源节点的目标速率，联合实现子载波比特分配和节点发射功率控制，使得系统总发射功率最小化。本方法适用于采用OFDM调制的AF双向中继通信系统。

本发明的技术方案如下：

基于OFDM的双向中继系统比特分配和功率控制方法，其特征在于：以最小化系统发射功率为目标，以源节点目标速率为限制条件，根据信道状态信息，同时进行子载波比特分配和节点发射功率的调整，在满足源节点目标速率的条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于采用OFDM调制的AF双向中继系统，两个源节点N_A和N_B通过位于两者之间的中继节点N_R进行信息的互换，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互将占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点N_A和N_B将各自的二进制信息编码调制生成OFDM信号

和其中K为子载波数，然后源节点N_A和N_B同时将各自的OFDM信号s_A和s_B发送给中继节点N_R，则中继节点N_R接收的两路合并信号为：

其中和分别为源节点N_A和N_B到中继节点N_R的信道增益，

和

分别为源节点N_A和N_B的发射功率，

为中继节点N_R处的高斯白噪声；

在第一时隙末，中继节点N_R对接收的两路合并信号y_R进行缩放，即乘上缩放因子

其中f(k)为：

k∈{1,2,…,K}，然后，在第二时隙广播给两个源节点N_A和N_B，在第二时隙末，源节点N_A和N_B接收到中继广播来的信号分别为：

设信道具有互易性，即，中继节点到源节点的信道增益与源节点到中继节点的信道增益相同，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末，源节点N_A和N_B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项

和

去除，得

最后，源节点N_A和N_B再通过解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换；

这样，在第二时隙末，源节点N_A和N_B能够获得的互信息量分别为：

和

其中γ_A(k)和γ_B(k)分别为源节点N_A和N_B在第k个子载波上的接收信噪比：

对于一个采用OFDM调制的AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，建立子载波分配和节点功率控制联合优化问题，得

min(I_A,I_B)≥θ (9c)

r(1),r(2),…,r(K)≥0 (9d)

式(9b)中的θ是源节点需要分配到K个子载波上的比特数，r(k)是分配到第k个子载波的比特数；

为了解问题(9)，即式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)组成的联合优化问题，采用下面两阶段的方法：

第一阶段，仅考虑单载波上的发射功率最小化问题：

subject to min[I_A(k),I_B(k)]≥r(k) (10b)

需要说明的是，式(10b)中的r(k)为定值；

第二阶段，将第一阶段问题解的和作为目标函数，研究比特分配问题：

z(k)＝2^2r(k)-1 (11c)

r(1),r(2),…,r(K)≥0 (11d)

式(11a)表示所有节点在所有子载波上的发射功率和，其中

表示问题(10)的最优解，即式(10a)和式(10b)组成的优化问题的最优解，

问题(10)的最优解，即式(10a)和式(10b)组成的联合优化问题的最优解为：

这里z(k)＝2^2r(k)-1；

那么，在第k个子载波上，源节点N_A、N_B和中继节点N_R的发射功率总和为：

将式(15)代入式(11a)然后解优化问题(11)，即式(11a)、式(11b)、式(11c)和式(11d)组成的优化问题，可得分配到K个子载波上的最佳比特数，使得系统总发射功率进一步降低，具体解由下面的四步算法给出：

步骤1，设L＝K，

步骤2，按照式(16)、式(17)和式(18)计算r(i)，i∈{1,2,…,L}；

若i＝1，

若1<i<L，

若i＝L，

这里ξ(t)，t∈{1,2,…,L-1}，定义为：

其中h_AR(t)和h_BR(t)分别为源节点N_A和N_B到中继节点N_R在第k个子载波上的信道增益；

步骤3，若对于任意的i∈{1,2,…,L}，r(i)≥0成立，则跳转到步骤4，否则计算具有最小值的r(i)，记为r(j)，并令

L＝L-1，然后回到步骤2；

步骤4，算法结束，完成比特分配；

上述式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)组成的优化问题的最优解由下面的两阶段计算得到：首先，源节点N_A和N_B按照上述的四步算法将θ个比特分配到K个子载波中，即得到r^*(k)，然后源节点N_A、N_B和中继节点N_R分别根据式(12)、式(13)和式(14)计算出各自的最佳发射功率

和

本发明的优点及有益效果：本发明利用瞬时信道状态信息，根据源节点的目标速率，同时进行子载波比特分配和节点发射功率的调整，联合实现子载波比特分配和节点发射功率控制，使得系统总发射功率最小化。仿真实验也表明，该联合实现方法在总发射功率上具有优势。

附图说明

图1为本发明方法示意图；

图2为不同信道条件下的比特分配示意图；

图3为系统总发射功率比较。

具体实施方式

如图1所示，源节点N_A和N_B完成一次信息的互换需要占用两个连续并等长的时隙。第一时隙初，N_A和N_B设置数组

并令L＝K，其中K为子载波总数，然后根据自己的目标速率，按照上述的三步算法将θ个比特分配到K个子载波中，然后根据式(12)和式(13)计算各自的发射功率。接着，源节点N_A和N_B再同时将各自的信息发送给中继节点N_R。

在第二时隙，中继节点N_R需要对接收信号进行缩放(AF协议固有的操作流程)，然后根据式(14)计算自己的发射功率，再广播给源节点N_A和N_B。为了完成上述的操作，中继节点N_R需要知道每个子载波分配的比特数。为此，这里提出：在信道估计阶段，源节点N_A和N_B将θ值包括在导频信号中。这样，当中继节点N_R获得信道信息后，可以执行一次上述的四步算法，从而得知每个子载波分配的比特数。

第二时隙末，源节点N_A和N_B分别对接收到的中继广播信号进行干扰自消除，再解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换。

对本发明提出的子载波比特分配和节点发射功率控制的联合实现方法，我们对子载波分配和系统总发射功率进行了仿真实验，并且与传统的“比特平均分配，节点发射功率相同”、“用四步算法进行比特分配，节点发射功率相同”和“比特平均分配，对节点发射功率进行控制”三种模式进行了比较，实验环境为Matlab环境。假设源节点N_A和N_B的距离d_AB＝1，中继节点N_R位于源节点N_A和N_B的连线上，即d_AR+d_BR＝d_AB，其中d_AR和d_BR分别是N_A和N_B到N_R的距离，无线信道衰落因子设置为4。

图2给出了三种情况下的比特分配结果。设待分配比特数θ＝10，子载波数K＝16，中继节点N_R可能位于三个不同的位置，即d_AR＝0.1、d_AR＝0.3或d_AR＝0.5。如图2所示，有些子载波上分配的比特数多，有些子载波上分配的比特数少，有些子载波根本不用，即使N_R位于N_A和N_B的中间，比特也不是均匀的分配到每个子载波上，所有这些取决于实际的传输条件。

图3给出了四种双向中继传输模式的总发射功率比较。设θ＝10，K＝16。如图3所示，与传统的“比特平均分配，节点发射功率相同”传输模式相比，所提联合实现算法优势显著。与“用四步算法进行比特分配，节点发射功率相同”和“比特平均分配，对节点发射功率进行控制”相比，所提联合实现算法也有较大的优势，说明对比特分配和节点发射功率控制进行联合实现的必要性和优越性。

Claims (1)

1.基于OFDM的双向中继系统比特分配和功率控制方法，其特征在于：以最小化系统发射功率为目标，以源节点目标速率为限制条件，根据信道状态信息，同时进行子载波比特分配和节点发射功率的调整，在满足源节点目标速率的条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于采用OFDM调制的AF双向中继系统，两个源节点N_A和N_B通过位于两者之间的中继节点N_R进行信息的互换，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互将占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点N_A和N_B将各自的二进制信息编码调制生成OFDM信号

和

其中K为子载波数，然后源节点N_A和N_B同时将各自的OFDM信号s_A和s_B发送给中继节点N_R，则中继节点N_R接收的两路合并信号为：

其中

和

分别为源节点N_A和N_B到中继节点N_R的信道增益，

和

分别为源节点N_A和N_B的发射功率，

为中继节点N_R处的高斯白噪声；

在第一时隙末，中继节点N_R对接收的两路合并信号y_R进行缩放，即乘上缩放因子

其中f(k)为：

k∈{1,2,…,K}，然后，在第二时隙广播给两个源节点N_A和N_B，在第二时隙末，源节点N_A和N_B接收到中继广播来的信号分别为：

设信道具有互易性，即，中继节点到源节点的信道增益与源节点到中继节点的信道增益相同，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末，源节点N_A和N_B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项

和

去除，得

最后，源节点N_A和N_B再通过解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换；

这样，在第二时隙末，源节点N_A和N_B能够获得的互信息量分别为：

和其中γ_A(k)和γ_B(k)分别为源节点N_A和N_B在第k个子载波上的接收信噪比：

对于一个采用OFDM调制的AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，建立子载波分配和节点功率控制联合优化问题，得

min(I_A,I_B)≥θ (9c)

r(1),r(2),…,r(K)≥0 (9d)

式(9b)中的θ是源节点需要分配到K个子载波上的比特数，r(k)是分配到第k个子载波的比特数；

为了解问题(9)，即式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)组成的联合优化问题，采用下面两阶段的方法：

第一阶段，仅考虑单载波上的发射功率最小化问题：

subject to min[I_A(k),I_B(k)]≥r(k) (10b)

需要说明的是，式(10b)中的r(k)为定值；

第二阶段，将第一阶段问题解的和作为目标函数，研究比特分配问题：

z(k)＝2^2r(k)-1 (11c)

r(1),r(2),…,r(K)≥0 (11d)

式(11a)表示所有节点在所有子载波上的发射功率和，其中

表示问题(10)的最优解，即式(10a)和式(10b)组成的优化问题的最优解，

问题(10)的最优解，即式(10a)和式(10b)组成的联合优化问题的最优解为：

这里z(k)＝2^2r(k)-1；

那么，在第k个子载波上，源节点N_A、N_B和中继节点N_R的发射功率总和为：

将式(15)代入式(11a)然后解优化问题(11)，即式(11a)、式(11b)、式(11c)和式(11d)组成的优化问题，可得分配到K个子载波上的最佳比特数，使得系统总发射功率进一步降低，具体解由下面的四步算法给出：

步骤1，设L＝K，

步骤2，按照式(16)、式(17)和式(18)计算r(i)，i∈{1,2,…,L}；

若i＝1，

若1<i<L，

若i＝L，

这里ξ(t)，t∈{1,2,…,L-1}，定义为：

其中h_AR(t)和h_BR(t)分别为源节点N_A和N_B到中继节点N_R在第k个子载波上的信道增益；

步骤3，若对于任意的i∈{1,2,…,L}，r(i)≥0成立，则跳转到步骤4，否则计算具有最小值的r(i)，记为r(j)，并令

L＝L-1，

然后回到步骤2；

步骤4，算法结束，完成比特分配；

上述式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)组成的优化问题的最优解由下面的两阶段计算得到：首先，源节点N_A和N_B按照上述的四步算法将θ个比特分配到K个子载波中，即得到r^*(k)，然后源节点N_A、N_B和中继节点N_R分别根据式(12)、式(13)和式(14)计算出各自的最佳发射功率

和

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