多用戶ofdm中繼系統(tǒng)能量效率優(yōu)化算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多用戶0FDM中繼系統(tǒng)能量效率優(yōu)化算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人們對(duì)于高速率的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹碓酱?，隨之帶來的是越來越 大的能量消耗。受限制于移動(dòng)設(shè)備的尺寸以及電池技術(shù)的發(fā)展瓶頸，移動(dòng)通信中的能量效 率問題得到越來越多的重視。同時(shí)，據(jù)報(bào)道，全球9%的二氧化碳排放量是由信息與通信技 術(shù)(ICT)產(chǎn)生的，其中50%的能量消耗是由無線接入部分帶來的，從而對(duì)于移動(dòng)通信中能量 效率的研究對(duì)發(fā)展綠色通信、減緩全球溫室效應(yīng)也有著重大影響。為此，圍繞著無線通信中 的能量效率問題，人們已經(jīng)開始進(jìn)行了一些研究。
[0003] A.Akbari，R.Hoshyar,等人于 2010 年發(fā)表在 IEEE PIMRC 上的論文" Energy-efficient resource allocation in wireless OFDMA systems"，以最大化每焦耳 能量消耗下所獲得的系統(tǒng)傳輸比特?cái)?shù)為目標(biāo)研究了下行OFDM網(wǎng)絡(luò)中帶寬分配問題。 G .Miao，N.Himayat，等人于2010年發(fā)表于IEEE Trans ? Commun ?的論文 "Energy-e.ffici.ent link adaptation in frequency-selective channels"提出了一個(gè)全局最優(yōu)能量效率方 法，并將約束拆分成一系列約束，通過迭代算法來獲取系統(tǒng)的最優(yōu)能量效率。但是，這兩篇 文章都沒有考慮中繼網(wǎng)絡(luò)下的能量效率問題，都是傳統(tǒng)意義上0FDM網(wǎng)絡(luò)的能量效率問題。
[0004] Tao Wang,Yong Fang等人于2013年發(fā)表在IEEE Communications Letters上的論 文"Power Minimization for OFDM Transmission with Subcarrier-Pair Based Opportunistic DF Relaying"針對(duì)單中繼單用戶OFDM網(wǎng)絡(luò)提出了一種以最小化系統(tǒng)功率 為目標(biāo)的算法，文章同時(shí)考慮了系統(tǒng)最小通信速率的要求，通過定義代表載波配對(duì)和傳輸 模型選擇的聯(lián)合變量因子，最后通過黃金分割法求解。Chen Y，F(xiàn)ang X M等人于2013年在 IET Communications上發(fā)表的論文"Energy-efficient adaptive power allocation in orthogonal frequency division multiplexing-based amp1ify-and-forward relay link"指出，雖然傳統(tǒng)的中繼技術(shù)可以大大提高系統(tǒng)的頻譜效率，但與單跳網(wǎng)絡(luò)相比，它同 時(shí)也會(huì)帶來嚴(yán)重的能量效率問題。論文針對(duì)單中繼0FDM網(wǎng)絡(luò)提出了一種最大化能量效率的 子載波功率分配算法，該算法分為兩步，受限通過定義一條虛擬直連鏈路提出一種次優(yōu)的 子載波匹配算法，然后將中繼網(wǎng)絡(luò)的能量最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的不含中繼的0FDM網(wǎng)絡(luò)能 量效率最優(yōu)化問題。但是該方案僅僅保證了系統(tǒng)的能量效率取得最優(yōu)值，卻沒有考慮到用 戶的通信質(zhì)量。Wang Y,Zhang J等人于2013年在IEEE Communications Letters上發(fā)表的 論文 "Low-Complexity Energy-Efficient Power and Subcarrier Allocation in Cooperative Networks"針對(duì)多用戶OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)提出了一種最大化系統(tǒng)各用戶時(shí)間平均 能量效率的對(duì)數(shù)值的總和。算法將最優(yōu)化問題分解為兩個(gè)子問題，首先是獲取基于比例公 平的子載波分配結(jié)果，然后是功率迭代算法。由于這兩個(gè)本應(yīng)相互影響的子問題被獨(dú)立求 解，這使得求得的解缺乏最優(yōu)性。并且在取時(shí)間平均時(shí)會(huì)使用上一個(gè)時(shí)間窗口來近似當(dāng)前 時(shí)間窗口，這種近似帶來的誤差也限制了算法的最優(yōu)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種高效率低復(fù)雜 度的多用戶0FDM中繼系統(tǒng)能量效率優(yōu)化算法。本發(fā)明以最大化系統(tǒng)每焦耳吞吐量為效用函 數(shù)，提出了一種在聯(lián)合功率約束下的最大化系統(tǒng)能量效率的資源分配算法，該模型不是凸 規(guī)劃，因此采用分式規(guī)劃的方法將模型轉(zhuǎn)化為凸規(guī)劃模型。之后將代表載波配對(duì)、載波-用 戶分配的三維分配因子經(jīng)凸優(yōu)化處理之后采用拉格朗日對(duì)偶方法求得最優(yōu)解，同時(shí)兼顧用 戶的公平性。。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種多用戶0FDM中繼系統(tǒng)能量效率優(yōu)化算法，其特征在于，所述算法包括如下步 驟：
[0008] 步驟1:建立系統(tǒng)優(yōu)化模型：
[0009] 步驟1.1:系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，一個(gè)兩跳0FDM單中繼網(wǎng)絡(luò)，基站通過單個(gè)中繼發(fā)送信息 給K個(gè)用戶，通信模式采用TDD模式，系統(tǒng)共劃分為N個(gè)子載波，每一個(gè)子載波的都占用相同 的帶寬并經(jīng)歷相互獨(dú)立的瑞利衰落，假設(shè)每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)可以獲得自己前向和后向的瞬時(shí) 信道信息，并且所有的信道瞬時(shí)信息在源節(jié)點(diǎn)S和K個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)處都是可知的，定義 /f，礦，/f1和/f2分別表示第一跳被占用的子載波i在基站和中繼之間的信道增益，第 二跳被占用的子載波i在中繼和用戶k之間的信道增益，第一跳直接鏈路下占用子載波i基 站和用戶k之間的信道增益以及第二跳直接鏈路下占用的子載波i基站和用戶k之間的信道 增益，中繼和用戶k在每個(gè)子載波上的高斯白噪聲(AWGN)的功率分別為erf和g ;
[0010] 步驟1.2:優(yōu)化指標(biāo)設(shè)定，包括
[0011] a)信道分配
[0012] 如果第一跳基站通過子載波m將信號(hào)發(fā)送給中繼，中繼通過子載波n將信號(hào)發(fā)送給 用戶k，則表示路徑P(m，n，k)存在，那么代表子載波m與n配對(duì)、子載波(m，n)_用戶分配的三 如果路徑岣存在 維分配因子可以表示為：n ，任意用戶可以分配到多個(gè)子
[0.，其他 載波對(duì)，而為防止自干擾，對(duì)于任意子載波對(duì)只能被一個(gè)用戶占用，可以表示為 m-\ k：-l .N K
[0013]
[0014] b)功率分配
[0015] 對(duì)于任意路徑P (m，n，k )，基站第一時(shí)隙、第二時(shí)隙的發(fā)射功率和中繼的發(fā)射功率 分別表示為和^^，任意路徑P(m，n，k)的最優(yōu)功率分配可以描述為 +匕+4，整個(gè)系統(tǒng)的功率限制可以表示為：
[0016] 念[In S iLrf，其中Ptotal表示基站和中繼兩者總的功率之和； m-\ n=\ k-\
[0017] C)中繼策略
[0018]中繼采用DF轉(zhuǎn)發(fā)方式，路徑P(m，n，k)上最大接收速率可以表示為：
，其中
,1/2的意義是1個(gè)信息的傳輸 需要2個(gè)時(shí)隙；
[0020] 步驟1.3:優(yōu)化模型設(shè)定，
[0021] 當(dāng)給定路徑P(m，n，k)上總功率為Pmnk時(shí)，最大接收速率可以轉(zhuǎn)化為：
.其中amnk表示路徑P(m，n，k)上的等效增益，表示為：
整個(gè)系統(tǒng)的速率可以表示為：
，:其中P= [Pmnk]NXNXK，①=[巾 mnk]NXNXK且功率 Pmnk和因子(i>mnk分別滿足先前的約束，相應(yīng)地，基站和中繼所消耗的功率和以及系統(tǒng)由于傳 輸所消耗的總的功率可以分別表示為：
[0024]和，其中Pc是固定為常數(shù)的環(huán)路電流，f >1表示功率 轉(zhuǎn)換效率的倒數(shù)，最大化系統(tǒng)平均能量效率的最優(yōu)化模型可以表示為：
[0026] s.t.(3),(4)and(5)
[0027] 多_4 =樅1} 0, V/b, ?,女
[0028] Rt〇tai(〇 ,S) >R req ；
[0029]步驟2:獲取瞬時(shí)信道信息，目的節(jié)點(diǎn)通過訓(xùn)練序列獲得各信道的瞬時(shí)信道信息； [0030]根據(jù)式
[0032] 計(jì)算子載波用戶對(duì)(m，n，k)的等效信道增益amnk，并使用黃金分割法在區(qū)間（0，1] 求得，使得等效信道增益a mk取得最大值；
[0033] 步驟3:初始化外循環(huán)參數(shù)，包括:初始化外循環(huán)迭代終止常數(shù)eciuter以及外循環(huán)最 大允許迭代次數(shù)C，qo = 〇，n = 0;
[0034]步驟4:內(nèi)循環(huán)算法主體部分；
[0035] 步驟4.1:選取合適的拉格朗日因子A的初始值A(chǔ)(〇);
[0036] 步驟4.2:定義決策矩陣〇 = {巾^*}，巾_1{=1表示第111個(gè)子載波和第11個(gè)子載波對(duì) 進(jìn)行配對(duì)并指派給用戶表示其它情況，計(jì)算子載波配對(duì)決策因子A (1』，然后通過 子載波用戶對(duì)三維分配算法得到?jīng)Q策矩陣? ;
[0037] 步驟4.3:根據(jù)拉格朗日因子算法計(jì)算〇11，11，1〇計(jì)算5_1{、/))：1 (、<;^以及/^^
[0038] 步驟4.4:根據(jù)次梯度算法更新拉格朗日因子；
[0039] 步驟4.5:重復(fù)步驟4.1至步驟4.4直到相鄰兩次的拉格朗日因子的差值的絕對(duì)值 小于或內(nèi)循環(huán)迭代次數(shù)大于AC',*同時(shí)相應(yīng)的決策矩陣〇也被確定；
[0040] 步驟5:外循環(huán)算法收斂判斷；
[0041 ] 步驟5.1:計(jì)算

，然后根據(jù) 公式
來計(jì)算此時(shí)對(duì)應(yīng)的能量效率；
[0043] 步驟5.2:如果相鄰兩次計(jì)算得到的能量效率的差值的絕對(duì)值小于或外循環(huán)迭 代次數(shù)大于，轉(zhuǎn)入步驟6，否則重復(fù)步驟3至步驟5;
[0044] 步驟6:輸出算法計(jì)算結(jié)果，針對(duì)滿足巾mnk = 1的所有子載波用戶對(duì)(m，n，k)計(jì)算 以及以獲得功率分配信息。
[0045] 優(yōu)選的，其特征在于，所述步驟1.1還包括:在