一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的mimo中繼資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種通信系統(tǒng)資源分配技術(shù)，尤其是設(shè)及一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量 怕〇巧的MIMO(Multiple-I噸utMultiple-〇u1:put，多輸入多輸出）中繼資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] MIM0技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的。MIM0技術(shù)通過在發(fā)射端和接收 端布置多根天線來抑制信道衰落，可W使MIM0通信系統(tǒng)獲得更高的空間復(fù)用和空間分集 增益，因而在相同的發(fā)射功率和誤比特率限制下，MIM0通信系統(tǒng)能夠獲得比單輸入單輸出 (SIS0)通信系統(tǒng)更高的系統(tǒng)容量。中繼（Relay)技術(shù)是LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一， 將無線中繼技術(shù)引入到蜂窩網(wǎng)中，能夠起到擴(kuò)大基站覆蓋范圍、提高邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)、增大系統(tǒng)容量等作用。
[0003] 基于(FDMA(OrthogonalRrequen巧DivisionMultipleAccess,正交頻分多址） 的無線通信系統(tǒng)中的資源分配問題是指根據(jù)用戶的特點(diǎn)和信道的差異，自適應(yīng)地調(diào)整用戶 的子載波分配和功率分配，比較經(jīng)典的有注水算法、貪婪算法、最大最小算法等。在基于 0FDMA的無線通信系統(tǒng)中引入中繼后，由于信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時經(jīng)過的中繼不同，接收端信號 的衰減和誤碼率有所差異，此時通過中繼進(jìn)行信號傳輸時，還需要合理的選擇轉(zhuǎn)發(fā)中繼，因 此，基于(FDMA的無線通信系統(tǒng)中的傳統(tǒng)資源分配算法不能直接用于基于中繼技術(shù)和MIM0 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中。在無線通信中，用戶之間的業(yè)務(wù)差異使得不同用戶對速率的要求 是不同的，因此，進(jìn)行資源分配時還應(yīng)充分考慮到每個用戶的服務(wù)質(zhì)量要求。目前，基于中 繼技術(shù)和MIM0技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中的資源分配問題得到了越來越多的關(guān)注，已經(jīng)提出 了一些基于速率最大化準(zhǔn)則下的中繼選擇、子載波分配與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法，然而 該些算法很少考慮不同業(yè)務(wù)用戶的服務(wù)質(zhì)量問題，使得某些用戶能夠得到較高的傳輸速 率，而一些信道較差的用戶有可能永遠(yuǎn)不能進(jìn)行通信；而且該些算法是通過將子載波分配 與功率分配聯(lián)合求解，通過連續(xù)迭代來得到最優(yōu)資源分配的，因此其計(jì)算復(fù)雜度相對較高， 使得硬件實(shí)現(xiàn)的難度增大，可靠性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的MIM0中繼資源分配 方法，其計(jì)算復(fù)雜度低，且易于實(shí)現(xiàn)子載波、中繼及功率的分配，使得在保證用戶的最低要 求速率的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)總的系統(tǒng)容量最大化。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為；一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的MIM0 中繼資源分配方法，其特征在于包括W下步驟：
[0006] ①假設(shè)基站與每個用戶之間的直傳鏈路處于深衰落狀態(tài)；并假設(shè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略為 解碼轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸過程分為兩個時隙；第一時隙，基站向中繼發(fā)送數(shù)據(jù)；第二時隙，中繼將解 碼后的信號轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶端采用最大比合并方式接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號；
[0007] ②在下行鏈路的(FDMA系統(tǒng)的最優(yōu)資源分配模型的基礎(chǔ)上，建立MIM0中 繼系統(tǒng)的最優(yōu)資源分配模型為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的ΜΙΜΟ中繼資源分配方法，其特征在于包括以下步驟： ① 假設(shè)基站與每個用戶之間的直傳鏈路處于深衰落狀態(tài)；并假設(shè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略為解碼 轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸過程分為兩個時隙：第一時隙，基站向中繼發(fā)送數(shù)據(jù)；第二時隙，中繼將解碼后 的信號轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶端采用最大比合并方式接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號； ② 在下行鏈路的OFDMA系統(tǒng)的最優(yōu)資源分配模型的基礎(chǔ)上，建立MMO中繼系 統(tǒng)的最優(yōu)資源分配模型為：
且該最 優(yōu)資源分配模型滿足以下約束條件：約束條件；約束條 佴
；約束條件
；約束條件
Vm ;約束條件;其中，max()為取最大 值函數(shù)，K表示MMO中繼系統(tǒng)中的中繼的數(shù)目，K彡1，1彡k彡K，M表示MMO中繼系統(tǒng)中 的用戶的數(shù)目，M彡1，1彡m彡M，N表示MMO中繼系統(tǒng)中的可用子載波的數(shù)目，N彡1且 N>M，1彡η彡N，P k，m，n的取值為1或0, P k，m，n= 1表示第m個用戶通過第k個中繼在第η 個可用子載波上傳輸信息，P tm，n= 〇表示第m個用戶不是通過第k個中繼在第η個可用 子載波上傳輸信息，B表示MMO中繼系統(tǒng)的總可用帶寬，Β>0, 表示基站BS通過第k 個中繼與第m個用戶在第η個可用子載波上傳輸信息時分配的功率，表示基站BS通 過第k個中繼與第m個用戶在第η個可用子載波上傳輸信息時的等效信道增益，約束條件 Al表示P 的取值只能為〇或1，約束條件Α2表示每個可用子載波最多只能被一個中 繼和一個用戶使用以避免干擾，約束條件A3表示MIMO中繼系統(tǒng)的總發(fā)送功率約束，P表示 MIMO中繼系統(tǒng)的總發(fā)送功率，P彡0,約束條件A4用于保證每個用戶滿足其服務(wù)質(zhì)量要求，
，Qm表示第m個用戶的最低要求速率，約束條 件A5表示/4 的限制； ③ 假設(shè)每個可用子載波等功率分配，為每個用戶選擇好最優(yōu)的中繼和分配好最優(yōu)的可 用子載波，具體過程為： ③-1、按照從大到小的順序排列所有用戶各自的最低要求速率，并構(gòu)成用戶速率集合； 令1^表不第m個用戶的傳輸速率，并令ω 1]1表不第m個用戶的選擇優(yōu)先性因子，RdP ω ^勺 初始值為〇 ; ③-2、按序?yàn)橛脩羲俾始现械拿總€最低要求速率對應(yīng)的用戶選擇最優(yōu)的中繼和分配 最優(yōu)的可用子載波，將用戶速率集合中的第m'個最低要求速率對應(yīng)的用戶定義為當(dāng)前用 戶，其中，m' e [1，M]; ③-3、假設(shè)當(dāng)前用戶為第個用戶，并假設(shè)為當(dāng)前用戶選擇的最優(yōu)的中 繼為第k#個中繼，且分配的最優(yōu)的可用子載波為第，個可用子載波，則有：
其中，m*e [l，M]，k *e [1，K]，n *e [1，N]， 表示求取使得孖二；，最大的k和n，,,表示基
nS .k.m ES .k,m 站BS通過第k個中繼與第nf個用戶在第n個可用子載波上傳輸信息時的等效信道增益， Ωκ表示MIMO中繼系統(tǒng)中的所有中繼的集合，Ω Ν的初始值為MIMO中繼系統(tǒng)中的所有可用 子載波的集合； ③-4、將已分配的第11#個可用子載波從Ω 刪除； ③-5、更新當(dāng)前用戶的傳輸速率
然后計(jì)算當(dāng) 前用戶的選擇優(yōu)先性因子
中的
"="為賦值符號， .表示基站BS通過第k#個中繼與第m #個用戶在第η #個可 η. 用子載波上傳輸信息時的等效信道增益，α,/表示當(dāng)前用戶的最低要求速率； ③ -6、$m' =m'+1，然后將用戶速率集合中的下一個最低要求速率對應(yīng)的用戶作為當(dāng) 前用戶，再返回步驟③-3繼續(xù)執(zhí)行，直至為每個用戶選擇好最優(yōu)的中繼和分配好最優(yōu)的可 用子載波，此時Ω Ν中剩余N-M個可用子載波，其中，m' = m'+l中的"="為賦值符號； ④ 找出值最大的選擇優(yōu)先性因子對應(yīng)的用戶，假設(shè)找出的用戶為第/?個用戶，則 繼續(xù)為該用戶選擇一個中繼和分配一個可用子載波，假定選擇的中繼為第5個中繼，且 分配的可用子載波為第g個可用子載波，則有：
然后將已分配的第/?個可用子載波從ΩΝ*刪除；再更新該用戶的傳輸速率，
，并更新該用戶的選擇優(yōu)先性因子，％ -? ;其中， ηιφ,Μ] ^ ^e[l, K], Hg[1, N]
表示求取使得 最
大的k和n，#】",,;,表示基站BS通過第k個中繼與第兩個用戶在第n個可用子載波上傳輸 信息時的等效信道增益 中的"="為賦值符號，表 BS 'k Jh 示基站BS通過第$個中繼與第兩個用戶在第f個可用子載波上傳輸信息時的等效信道增 益，表示第而個用戶的最低要求速率； ⑤ 判斷所有用戶的選擇優(yōu)先性因子中值最大的選擇優(yōu)先性因子是否小于或等于〇,如 果是，則表明所有用戶各自的即時速率都能達(dá)到各自的最低要求速率，然后執(zhí)行步驟⑥；否 貝1J，表明存在用戶的即時速率還沒有達(dá)到最低要求速率，然后返回執(zhí)行步驟④； ⑥ 判斷ΩΝ是否為空集，若Ω Ν為空集，則執(zhí)行步驟⑧，若Ω 為空集，則執(zhí)行步驟⑦； ⑦ 按照基于系統(tǒng)容量最大化原則，對ΩΝ*的所有可用子載波進(jìn)行分配，在Ω N中的所 有可用子載波被分配完畢后執(zhí)行步驟⑧； ⑧采用線性注水法進(jìn)行優(yōu)化功率分配，將基站BS通過第{個中繼與 第&個用戶在第i個可用子載波上傳輸信息時分配的功率表示為，
，其中，\<&<K , l<m<M , TV, max ()為取最大值函數(shù)，λ表示拉格朗日因子表示基站BS通過第^個中 繼與第?個用戶在第A個可用子載波上傳輸信息時的等效信道增益。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的MIMO中繼資源分配方法，其特征在 于所述的步驟⑦中對ΩΝ*的所有可用子載波進(jìn)行分配的具體過程為： ⑦-1、從ΩΝ中取出一個可用子載波； ⑦-2、假設(shè)該可用子載波為第I個可用子載波，則為該可用子載波尋找最優(yōu)的中繼 和最優(yōu)的用戶，假定為該可用子載波尋找到的最優(yōu)的中繼為第€個中繼，且為該可用子載 波尋找到的最優(yōu)的用戶為第兩個用戶，那么有：
實(shí)中，
復(fù)示求取使得hi最大的k 和m，表示基站BS通過第k個中繼與第m個用戶在第f個可用子載波上傳輸信息時 的等效信道增益； ⑦-3、將該可用子載波分配給第6個用戶，然后將已分配的第/?個可用子載波從Ων* 刪除，接著從Ων中取出下一個可用子載波，再返回步驟⑦-2繼續(xù)執(zhí)行，直至Ω 的所有 可用子載波被分配完畢，即直至ΩΝ*空集。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量的MIMO中繼資源分配方法，其在基于速率最大化準(zhǔn)則下的資源分配問題中引入了用戶的最低要求速率的限制條件，根據(jù)用戶的最低要求速率的限制條件設(shè)定用戶的選擇優(yōu)先性因子，并且在每個可用子載波的分配過程中都會自適應(yīng)的調(diào)整用戶的選擇優(yōu)先性因子的值，從而能夠保證不同業(yè)務(wù)用戶的不同傳輸速率要求；在滿足用戶的最低要求速率的前提下，剩余的可用子載波傾向于分配給使得總的系統(tǒng)容量能夠提高最大的用戶，即該剩余的可用子載波相對應(yīng)的最大等效信道增益的用戶，從而提高了整個MIMO中繼系統(tǒng)的頻譜效率，避免了頻譜資源的浪費(fèi)；此外，本發(fā)明方法計(jì)算復(fù)雜度低，保證了硬件可實(shí)現(xiàn)性以及實(shí)現(xiàn)的可靠性。
【IPC分類】H04W72-04, H04L5-00
【公開號】CN104767600
【申請?zhí)枴緾N201510102609
【發(fā)明人】李有明, 郭濤, 徐文豪, 李婷, 閆玉芝
【申請人】寧波大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月10日