專利名稱：一種聯合子載波配對的ofdm雙向中繼網絡資源配置方法
技術領域：
本發明屬于無線通信網絡技術領域，涉及無線協作中繼傳輸，特別涉及一種聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法。
背景技術：
中繼技術就是在通信的源節點和目的地節點間引入中繼節點，源節點發給目的地節點的信息，一方面可以在源和目的間直連鏈路上傳輸，另一方面可通過中繼節點進行接力轉發給目的地節點。中繼技術在無線通信中有著廣泛的應用，如衛星通信、蜂窩通信、無線mesh網絡等都可采用中繼傳輸技術用于提高系統的傳輸性能。正交頻分復用(OFDM)是一種多載波調制方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信 號分別調制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。近幾年OFDM在無線通信領域得到了廣泛的應用。網絡編碼技術是一種新興的傳輸技術，通過在網絡節點對信息進行不同級別的運算實現編碼，并在目的地端進行相應的解碼運算。這樣可以有效節省無線傳輸的時隙，提高頻譜利用效率，提升網絡的信息傳輸流量。將網絡編碼與OFDM技術結合，對提高下一代無線通信系統的傳輸性能與效率具有重要的應用前景。目前，還沒有將中繼技術、網絡編碼技術和OFDM技術結合起來的研究。如何將中繼技術、網絡編碼技術和OFDM技術結合，從而實現對OFDM系統的資源進行優化分配，提高雙向中繼系統的傳輸吞吐量是亟需解決的技術問題。

發明內容
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法。為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其包括如下步驟Si:選定初始向量λ = [H, 4·. .，lb(.w卜2丨,所述向量λ的每個元素
都為非負實數，定義載波配對矩陣Θ={Θμ_}Νχν和載波對中繼選擇矩陣V = i>nujMXNXN,并賦給這兩個矩陣初始值，其中，M為中繼節點數，N為子載波數，定義功率分配向量P =,其中，y >和必分別代表源節點S1和S2在上行
子載波i上對中繼節點Rm的發送功率，iC]代表中繼節點Rm在下行子載波j上
2I
的發送功率，定義 Qnj=r，j其中，Σ ;Iog2(I + AG)
k=l5L9
iSk} 一
+ a巧冒++1 _為上行時源節點Sk到中繼節點Rm在子載波i上的載干比，《,^為上行時Sk,到Rm在子載波i上的載干比，其中，k，k' e{l，2HMk#k'，禮 為下行時Rm到Sk在子載波j上的載干比，P,^為Sk,在子載波i上分配的功率。S2 :將初始向量λ代入Qn^j,使得Qn^j達到最大,得到優化的功率分配向量P ；S3 將步驟S3得到的功率分配向量P帶入
N N M2M
辦 λ) = _ΣΣΣ 沒+Σ^.Λ 得到
/=1 j=l h =1k—\m=\
NNM2M 叫+Σ<Α+Σ^其中，Uffl "為將P帶入Qm "后的結果，
r=l j=l m=lk=lm=lIU’ 丄，JIU’ 丄，J
[I, m = m(i，/) = argmax Umjj，V</, j)
對所有θ ,j = i，根據m得到更新的載波對中繼選擇矩
陣Ψ ;
NNM2MS4 :將步驟 S4 得到的 Ψ=+Σ^Ρ^ +Συ..
i=l j—\ Ot--I堯二 I7 =1

N N2M
得到抑)=·ΧΣΣ《 . +Σ4ρ&- +Zn 其中 ULj =argmaxt/,,,.,v，VW> 定義矩陣
i.=l J=I會=1m=lm·
5
U\,l Uh2 …Ui’N
U= U1 T UT并從u選取N個元素，滿足每一行和每一列只能選取I個元素，使
UNI UNa …U[N
」5
得所選的N個元素在所有可能的選取組合中達到和最大，然后更新Θ得到最優的Θ ；S5 更新向量 λ = λ+(5νλ，其中於=[▽▲ ,Vyls2為^..Xi ]lx(M+2)，
▽4 =PRm -Σ二ΣΙ#，Vme{1,2,-Μ}
其中，δ為迭代步長，若νλ達到收斂條件，則計算結束，返回的ρ，Θ和ψ即為系統最終的優化配置值；否則回到步驟S2。本發明通過對信息傳輸過程中上行和下行階段的OFDM子載波的配對、載波對的中繼選擇以及源節點和中繼節點的功率分配，實現了系統的多資源聯合優化配置，提升系統的傳輸吞吐量。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I是本發明聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。本發明考慮了兩個源節點通過多個中繼節點進行信息對傳的場景，其中源節點發出的信號可以通過空中自然合并，在中繼節點進行放大轉發，之后被轉發給兩個源節點，具體的信息傳輸過程涉及到兩個階段的傳輸工作在第一階段，即上行階段，兩個源節點將信息通過已分配的子載波同時傳送給中繼節點；在第二階段，即下行階段，中繼節點接收來自兩個源節點的信號，進行放大轉發，而后根據各自所分配到的子載波廣播給兩個源節點。源節點根據自身傳輸信息的先驗知識，可以解出對方發回的信息。在信息傳輸過程中，通過對上行和下行階段的OFDM子載波的配對、載波對的中繼選擇以及源節點 和中繼節點的功率分配，可實現系統的多資源聯合優化配置，提升系統的傳輸吞吐量。在本實施方式中，兩個源節點為SI和S2，S1和S2之間沒有直連路徑，需要通過M個中繼節點，即Rl，R2，…，RM進行信息對傳。假設源節點SI，S2和中繼節點Rm (I彡m彡M)
的可用發射功率分別為作，^和I，系統的子載波數為N。SI和Rm，S2和Rm，R之間的
上行、下行信道狀態信息都已知。假設通過優化配置，上行的子載波i和下行的子載波j進行了匹配，也就是說上行時源節點SI和S2通過子載波i發送的信號，在下行時中繼節點會通過子載波j廣播給SI和S2。為了避免干擾，在本發明的資源配置方法中，一個上行子載波只能和一個下行子載波配對，且一組上下行子載波對只能選則一個中繼節點使用。每個中繼節點在所有分得的子載波上注入功率之和不能大于節點可得的發射功率限制。本發明的聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法具體如下，如圖I所示，圖中方框內的數字為載波序號SI :選定初始向量1 =，…，Hw+2!，向量λ的每個元素都為非負實數，定義載波配對矩陣9={01,上>^和載波對中繼選擇矩陣Ψ = {>π,μ.}μχνχν，并賦給這兩個矩陣初始值，在本實施方式中，賦給載波配對矩陣Q=Pi jNXN和載波對中繼選擇矩陣ψ={ψπ^}ΜΧΝΧΝ的初始值為Θ的任意一行元素之和為1，Θ的任意
一列元素之和也為1，當若0^ = 0時，乙!>_=()，當若0U = I時，Σ ι "=1。定義功率分配向量ρ =，其中，分別代表源節點S1和S2在上
行子載波i上對中繼節點Rm的發送功率，/C代表中繼節點Rm在下行子載波j上
2 ]
的發送功率，定義 Q咕jhu-m)其中，rHj 二 Σ
k二I,師 2} Z
二巧+++1 為上行時源節點Sk到中繼節點Rm在子載波i上
''' *，以TflJ
的載干比，定義《iff =J^L,其中s、為源節點Sk到中繼節點Rm間載波i的信道增益，，
' σκ,<
為中繼節點Rm接收到的噪聲方差。為上行時Sk,到中繼節點Rm在子載波i上的載干比，定義為其中、為源節點Sk到中繼節點Rm間載波i的信道增益，其中，
’ < e)
k，k' ￡{1，2},但1^古1^ ,具體來講就是當 Sk = S1 時，Sk, =S2,而當 Sk = S2 時，Sk, = Siq
~,s .. 2
為下行時中繼節點^到源節點Sk在子載波i上的載干比，定義為泛；^/ =^—，其中％、祀5)<
為下行時中繼節點Rm到源節點Sk間載波j的信道增益，σξ為源節點Sk接收到的噪聲方差。P、、為Sk,在子載波i上分配的功率，為中繼節點Rm在子載波j上分配的功率。
S2 :將初始向量λ代入Qn^j,使得Qn^j達到最大,得到優化的功率分配向量ρ,在本實施方式中，將初始向量λ代入Qm^得到優化的功率分配向量ρ的方法為對于每組θ i;J vm,i;J = 1，設定功率搜索步長P1,求解,當滿足Who ,O >0，使得Qm,..達到最大時，即得到優化的功率分配P。S3 將步驟S3得到的功率分配向量ρ帶入
NNM2M
^(λ)=_ΣΣΣ 故展 …+Σ 得到
r^lfc=lW=I
N N M2M
= max￡.c/wf .+^mPKif其中為源節點Sk的最大發送功率，
i二I _/=i m—lk— m=lJrit
53k
為中繼節點Rm的最大發送功率，Um^為將P帶入Qm^后的結果，對所有θυ= 1，根據 \l,m = m(i, j) = arg max Umjj，V( :，j)
M得到更新的載波對中繼選擇矩陣ψ ；
NNM2MS4 :將步驟S4得到的Ψ代入ΜΑ = ·ΣΣΣ6
7=1 J-I=!k=\m=\
J *>
N N2M
得到 ^(1) = ιμχΣΣ^+ΣΑΑ+ΣΚ 其中[/ = argmax定義矩陣
—I j-Ιk—If>i —I
5
"1,1 Uls2 ... UiN
= Λ 7 ::: 通過匈牙利算法從U選取N個元素，滿足每一行和每一列只能選
f/_v.i Un2 ■ ■ · UNjN
L-1
取I個元素，使得所選的N個元素在所有可能的選取組合中達到和最大，然后更新Θ得到最優的Θ，在本實施方式中，更新Θ的規則為若Uy被選中，則Qij = I,否則0^=0，，從而得到最優的Θ。S5 更新向量 λ = λ+ 5￥λ，其中 νλ =]叩/十2), =P ^ke {1,2}
=Kt ΣΚ V歷 e {IX-M}，其中，δ為迭代步長,在本實施方式中，δ可以為常數S=a或者和迭代次數有關的函數，如第t輪迭代，與0 = /#。若￥1達到收斂條件，例如νλ*每個元素的絕對值與mm丨對應元素的比值都小于某一設定閾值時，則計算結束，返回的ρ，θ和Ψ即為系統最終的優化配置值；否則回到步驟S2。本發明在信息傳輸過程中，通過對上行和下行階段的OFDM子載波的配對、載波對的中繼選擇以及源節點和中繼節點的功率分配，可實現系統的多資源聯合優化配置，提升系統的傳輸吞吐量。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不 脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其特征在于，包括如下步驟 .51:選定初始向量…，，所述向量λ的每個元素都為非負實數，定義載波配對矩陣9={0"}10<,和載波對中繼選擇矩陣V = {>m，Jmxnxn，并賦給這兩個矩陣初始值，其中，M為中繼節點數，N為子載波數，定義功率分配向量,其中，gy和分別代表源節點S1和S2在上行子載波i上對中繼節點Rm的發送功率 2代表中繼節點Rm在下行子載波j上的發送功率，定義
2.如權利要求I所述的聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其特征在于，賦給載波配對矩陣Q=Pi jNXN和載波對中繼選擇矩陣Ψ = {>Π^}ΜΧΝΧΝ的初始值為Θ的任意一行元素之和為1，Θ的任意一列元素之和也為1，當若9^ = 0時，11% =()，當右 9 i，j = I 時，y, I-, =1。
3.如權利要求I所述的聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其特征在于，將初始向量λ代入Qm^得到優化的功率分配向量P的方法為對于每組θυΨπ& =1，設定功率搜索步長P1,求解舊>和,當滿足Oo ,O ，使得Qm ^達到最大時，即得到優化的功率分配P。
4.如權利要求I所述的聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其特征在于，更新Θ的規則為若Uy被選中，則Θ i；J = 1，否則0^=0。
全文摘要
本發明提出了一種聯合子載波配對的OFDM雙向中繼網絡資源配置方法，其包括如下步驟首先，選定初始向量定義載波配對矩陣θ={θi，j}N×N和載波對中繼選擇矩陣ψ={ψm，i,j}M×N×N，并賦給這兩個矩陣初始值，定義然后，將初始向量λ代入Qm,i,j，使得Qm,i,j達到最大，得到優化的功率分配向量p；隨后，利用功率分配向量p得到更新的載波對中繼選擇矩陣ψ；再后，利用載波對中繼選擇矩陣ψ更新θ得到最優的θ；最后，更新向量返回的p，θ和ψ即為系統最終的優化配置值。本發明通過對信息傳輸過程中上行和下行階段的OFDM子載波的配對、載波對的中繼選擇以及源節點和中繼節點的功率分配，實現了系統的多資源聯合優化配置，提升系統的傳輸吞吐量。
文檔編號H04L27/26GK102868512SQ201210362439
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者熊軻, 樊平毅, 易粟, 雷鳴 申請人:清華大學, 日電(中國)有限公司