本發(fā)明涉及一種基于ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)調(diào)制的af(amplify-and-forward)雙向中繼通信系統(tǒng)子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制的聯(lián)合實現(xiàn)方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

本世紀初研究人員針對小型移動終端無法配置多天線的難題，提出協(xié)作分集(中繼)技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的點到點通信，協(xié)作分集技術(shù)允許無線網(wǎng)絡(luò)中不同用戶節(jié)點共享彼此的天線和其它網(wǎng)絡(luò)資源，有望大大提高無線網(wǎng)絡(luò)容量和復(fù)用增益。同時在抗信道衰落、覆蓋陰影區(qū)域、擴大無線蜂窩系統(tǒng)的有效覆蓋半徑,增強特定區(qū)域數(shù)據(jù)速率等方面也有很大的發(fā)展?jié)摿?，已?jīng)成為4g系統(tǒng)演進的重點方向。然而，由于實際中繼通信系統(tǒng)的半雙工限制，使得傳統(tǒng)的單向協(xié)作中繼技術(shù)在提高無線通信性能的同時也帶來了頻譜效率的損失。為此，科研人員針對經(jīng)典的三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward，af)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward，df)協(xié)議提出了一種稱之為雙向中繼的協(xié)作中繼機制。雙向中繼作為一種特殊的協(xié)作傳輸形式，能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和提高頻譜利用率，為無線通信網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò))中的高效數(shù)據(jù)通信提供了一種有效的技術(shù)手段，已經(jīng)得到學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。

功率控制作為一種重要的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過對用戶發(fā)射功率的有效控制，可以有效地提升系統(tǒng)整體傳輸性能，提高能量利用率，達到綠色節(jié)能和高效的目的。一般而言，功率控制對應(yīng)于兩類優(yōu)化問題：1)以系統(tǒng)qos(qualityofservice)為目標，系統(tǒng)功率為約束條件；2)以系統(tǒng)功率為目標，系統(tǒng)qos為約束條件。學術(shù)界針對第一類功率控制優(yōu)化問題，已經(jīng)展開了廣泛而又深入的研究工作。隨著“綠色無線電”概念的提出，如何節(jié)能減排，降低無線通信系統(tǒng)的能量消耗，提高移動終端的電池使用周期，吸引了科技人員越來越多的關(guān)注。

正交頻分復(fù)用ofdm技術(shù)，是一種多載波調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)拵诺婪殖扇舾烧蛔有诺?，將高速?shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行并行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦衰落，從而可以消除碼間干擾，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡也變得相對容易。由于ofdm技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

目前，對于基于ofdm調(diào)制的雙向中繼系統(tǒng)比特分配和功率控制問題，科技人員已開展了廣泛的研究工作。但是，很少從綠色節(jié)能的角度來考慮這兩者的聯(lián)合問題。因此，非常有必要，從“綠色無線電”的角度，研究高能效的比特分配和功率控制的聯(lián)合實現(xiàn)技術(shù)，以便具體應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于ofdm調(diào)制的af雙向中繼通信系統(tǒng)子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制的聯(lián)合實現(xiàn)方法，利用瞬時信道狀態(tài)信息，根據(jù)源節(jié)點的目標速率，聯(lián)合實現(xiàn)子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制，使得系統(tǒng)總發(fā)射功率最小化。本方法適用于采用ofdm調(diào)制的af雙向中繼通信系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種ofdm雙向中繼系統(tǒng)比特分配和功率控制實現(xiàn)方法，其特征在于：以最小化系統(tǒng)發(fā)射功率為目標，以源節(jié)點目標速率為限制條件，根據(jù)信道狀態(tài)信息，同時進行子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率的調(diào)整，在滿足源節(jié)點目標速率的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)總發(fā)射功率的最小化；

對于采用ofdm調(diào)制的af雙向中繼系統(tǒng)，兩個源節(jié)點na和nb通過位于兩者之間的中繼節(jié)點nr進行信息的互換，源節(jié)點na和nb之間的一次信息交互分兩個階段完成，在時分雙工模式下，源節(jié)點na和nb之間的一次信息交互將占用兩個連續(xù)并等長的時隙，第一個時隙初，源節(jié)點na和nb將各自的二進制信息編碼調(diào)制生成ofdm信號和其中k為子載波數(shù)，然后源節(jié)點na和nb同時將各自的ofdm信號sa和sb發(fā)送給中繼節(jié)點nr，則中繼節(jié)點nr接收的兩路合并信號為：

其中分別為源節(jié)點na和nb到中繼節(jié)點nr的信道增益，和分別為源節(jié)點na和nb的發(fā)射功率，為中繼節(jié)點nr處的高斯白噪聲；

在第一時隙末，中繼節(jié)點nr對接收的兩路合并信號yr進行縮放，即乘上縮放因子其中f(k)為：

k∈{1,2,…,k}，然后，在第二時隙廣播給兩個源節(jié)點na和nb，在第二時隙末，源節(jié)點na和nb接收到中繼廣播來的信號分別為：

這里，假設(shè)信道具有互易性，即，中繼節(jié)點到源節(jié)點的信道增益與源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益相同，并且接收機能夠獲得理想的信道狀態(tài)信息，那么，在第二時隙末，源節(jié)點na和nb能夠利用自干擾消除技術(shù)，將自己在第一時隙發(fā)送的信號項和去除，得

最后，源節(jié)點na和nb再通過解調(diào)、解碼得到對方發(fā)送的信息，完成信息的互換；

這樣，在第二時隙末，源節(jié)點na和nb能夠獲得的互信息量分別為：和其中γa(k)和γb(k)分別為源節(jié)點na和nb在第k個子載波上的接收信噪比：

對于一個采用ofdm調(diào)制的af雙向中繼系統(tǒng)，以最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率為目標，建立子載波分配和節(jié)點功率控制聯(lián)合優(yōu)化問題，得

min(ia,ib)3θ(9c)

r(1),r(2),…,r(k)≥0(9d)

式(9b)中的θ是源節(jié)點需要分配到k個子載波上的比特數(shù)，r(k)是分配到第k個子載波的比特數(shù)；

為了解問題(9)，即式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)組成的聯(lián)合優(yōu)化問題，采用下面兩階段的方法：

第一階段，僅考慮單載波上的發(fā)射功率最小化問題：

subjecttomin[ia(k),ib(k)]≥r(k)(10b)

需要說明的是，式(10b)中的r(k)為定值；

第二階段，將第一階段問題解的和作為目標函數(shù)，研究比特分配問題：

z(k)＝2^2r(k)-1(11c)

r(1),r(2),…,r(k)≥0(11d)

式(11a)表示所有節(jié)點在所有子載波上的發(fā)射功率和，其中表示問題(10)的最優(yōu)解，即式(10a)和式(10b)組成的優(yōu)化問題的最優(yōu)解，

問題(10)的最優(yōu)解，即式(10a)和式(10b)組成的聯(lián)合優(yōu)化問題的最優(yōu)解為：

這里z(k)＝2^2r(k)-1；

那么，在第k個子載波上，源節(jié)點na、nb和中繼節(jié)點nr的發(fā)射功率總和為：

將式(15)代入式(11a)然后解優(yōu)化問題(11)，即式(11a)、式(11b)、式(11c)和式(11d)組成的優(yōu)化問題，可得分配到k個子載波上的最佳比特數(shù)，使得系統(tǒng)總發(fā)射功率進一步降低，具體解由下面的四步算法給出：

步驟1，設(shè)l＝k，

步驟2，按照式(16)、式(17)和式(18)計算r(i)，i∈{1,2,…,l}；

若i＝1，

若1<i<l，

若i＝l，

這里ξ(t)，t∈{1,2,…,l-1}，定義為：

其中har(t)和hbr(t)分別為源節(jié)點na和nb到中繼節(jié)點nr在第k個子載波上的信道增益；

步驟3，若對于任意的i∈{1,2,…,l}，r(i)≥0成立，則跳轉(zhuǎn)到步驟4，否則計算具有最小值的r(i)，記為r(j)，并令然后回到步驟2；

步驟4，算法結(jié)束，完成比特分配；

上述式(9a)、式(9b)、式(9c)和式(9d)組成的優(yōu)化問題的最優(yōu)解由下面的兩階段計算得到：首先，源節(jié)點na和nb按照上述的四步算法將θ個比特分配到k個子載波中，即得到r^*(k)，然后源節(jié)點na、nb和中繼節(jié)點nr分別根據(jù)式(12)、式(13)和式(14)計算出各自的最佳發(fā)射功率和

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果：本發(fā)明利用瞬時信道狀態(tài)信息，根據(jù)源節(jié)點的目標速率，同時進行子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率的調(diào)整，聯(lián)合實現(xiàn)子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制，使得系統(tǒng)總發(fā)射功率最小化。仿真實驗也表明，該聯(lián)合實現(xiàn)方法在總發(fā)射功率上具有優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法示意圖；

圖2為不同信道條件下的比特分配示意圖；

圖3為系統(tǒng)總發(fā)射功率比較。

具體實施方式

如圖1所示，源節(jié)點na和nb完成一次信息的互換需要占用兩個連續(xù)并等長的時隙。第一時隙初，na和nb設(shè)置數(shù)組并令l＝k，其中k為子載波總數(shù)，然后根據(jù)自己的目標速率，按照上述的三步算法將θ個比特分配到k個子載波中，然后根據(jù)式(12)和式(13)計算各自的發(fā)射功率。接著，源節(jié)點na和nb再同時將各自的信息發(fā)送給中繼節(jié)點nr。

在第二時隙，中繼節(jié)點nr需要對接收信號進行縮放(af協(xié)議固有的操作流程)，然后根據(jù)式(14)計算自己的發(fā)射功率，再廣播給源節(jié)點na和nb。為了完成上述的操作，中繼節(jié)點nr需要知道每個子載波分配的比特數(shù)。為此，這里提出：在信道估計階段，源節(jié)點na和nb將θ值包括在導(dǎo)頻信號中。這樣，當中繼節(jié)點nr獲得信道信息后，可以執(zhí)行一次上述的四步算法，從而得知每個子載波分配的比特數(shù)。

第二時隙末，源節(jié)點na和nb分別對接收到的中繼廣播信號進行干擾自消除，再解調(diào)、解碼得到對方發(fā)送的信息，完成信息的互換。

對本發(fā)明提出的子載波比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制的聯(lián)合實現(xiàn)方法，我們對子載波分配和系統(tǒng)總發(fā)射功率進行了仿真實驗，并且與傳統(tǒng)的“比特平均分配，節(jié)點發(fā)射功率相同”、“用四步算法進行比特分配，節(jié)點發(fā)射功率相同”和“比特平均分配，對節(jié)點發(fā)射功率進行控制”三種模式進行了比較，實驗環(huán)境為matlab環(huán)境。假設(shè)源節(jié)點na和nb的距離dab＝1，中繼節(jié)點nr位于源節(jié)點na和nb的連線上，即dar+dbr＝dab，其中dar和dbr分別是na和nb到nr的距離，無線信道衰落因子設(shè)置為4。

圖2給出了三種情況下的比特分配結(jié)果。設(shè)待分配比特數(shù)θ＝10，子載波數(shù)k＝16，中繼節(jié)點nr可能位于三個不同的位置，即dar＝0.1、dar＝0.3或dar＝0.5。如圖2所示，有些子載波上分配的比特數(shù)多，有些子載波上分配的比特數(shù)少，有些子載波根本不用，即使nr位于na和nb的中間，比特也不是均勻的分配到每個子載波上，所有這些取決于實際的傳輸條件。

圖3給出了四種雙向中繼傳輸模式的總發(fā)射功率比較。設(shè)θ＝10，k＝16。如圖3所示，與傳統(tǒng)的“比特平均分配，節(jié)點發(fā)射功率相同”傳輸模式相比，所提聯(lián)合實現(xiàn)算法優(yōu)勢顯著。與“用四步算法進行比特分配，節(jié)點發(fā)射功率相同”和“比特平均分配，對節(jié)點發(fā)射功率進行控制”相比，所提聯(lián)合實現(xiàn)算法也有較大的優(yōu)勢，說明對比特分配和節(jié)點發(fā)射功率控制進行聯(lián)合實現(xiàn)的必要性和優(yōu)越性。