两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法和装置 技术领域 本发明实施例涉及通信技术领域， 特别涉及一种两跳多中继的正交频分复用系统 中的资源分配方法和装置。
背景技术 近年来， 无线通信领域的多项技术快速发展， 例如 ： 多处多入 (Multiple-Input Multiple-Out-put ； 简称 ： MIMO) 等新的物理层传输技术有效地提高了无线通信系统的数 据吞吐率、 覆盖范围和传输可靠性。与此同时， 随着用户数量和传输速率需求的进一步增 加， 传统无线网络的单跳架构遇到了很多困难。 因此， 协作通信和中继网络成为无线通信的 研究热点。中继网络可以通过多跳传输有效增强频谱效率、 扩展覆盖面积、 延长网络寿命。 此外， 中继网络在其它无线系统 ( 如 ad-hoc、 mesh 网络等 ) 中也具有很好的应用前景。
图 1 为现有中继系统的示意图。 如图 1 所示， 该中继系统由一个源节点 11、 一个中 继节点 12 以及一个目标节点 13 组成。假设所有的信道占用相同的频段， 且中继节点 12 工 作在半双工模式， 不能同时接收和发送数据。源节点 11 与目标节点 13 虽存在直接链路但 信道状态较弱。在中继系统网络中有多种通信协议。其中解码转发协议的基本原理如下 ：
从源节点到目标节点一次数据的传输通过两个时隙完成。在第一时隙， 源节点广 播数据， 中继节点和目标节点处于监听状态。 中继节点在接收到来自源节点的信号后， 先将 该信号解码， 然后在第二时隙以一定功率将被解码的信号转发至目标节点。之后目标节点 将从第一时隙和第二时隙分别收到的信号联合处理。其中， 若目标节点在第一时隙不接收 信号， 则只在第二时隙接收由中继节点转发的信号。
正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ； 简称 ： OFDM) 技 术已成为宽带无线系统中的主流传输技术。图 2 为现有 OFDM 技术的正交子载波的示意图， 如图 2 所示， OFDM 技术将宽带信道分解为多个正交的子载波， 每个子载波上具有不同的信 道衰落特征， 这样可以有效减弱由频率选择性衰落引起的符号间干扰的影响。图 3 为现有 OFDM 技术的各子载波上动态功率分配的示意图， 如图 3 所示， OFDM 技术能更好地开发频谱 多样性。
在基于中继的 OFDM 通信系统中， 动态的资源分配是一个关键问题。与传统的单 跳 OFDM 或正交分频多工存取 (Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access ； 简称 ： OFDMA) 系统相比， 在多跳 OFDM 中继系统中的资源分配需要协调不同跳间的功率和子载波 自适应。此外， 当基于中继的 OFDM 通信系统中有多个可用的中继节点时， 需要解决如何选 择最佳中继的问题。
基于 OFDM 符号的中继选择起源于对窄带系统中继选择的研究。一种惯常的中继 选择策略为选择具有最优的等效端到端信道增益的中继。 以下介绍在两跳多中继网络中较 为常见的两种中继选择准则。设基于中继的 OFDM 通信系统共有 K 个中继节点， 且源节点到 中继节点 k 的信道增益为 ask， 中继节点 k 到目标节点的信道增益为 akd， 其中 k ＝ 1， K， K。 由于传输中的两跳对于端到端的性能同等重要， 中继节点应当使用与两跳链路增益均有关
的函数来量化其对应的端到端等效增益。具体而言， 准则 1 选用两跳信道增益的最小值作 为端到端的等效增益 ； 准则 2 选用两跳信道增益的调和平均值 (harmonic mean) 作为端到 端的等效增益。设中继节点 k 对应的端到端等效增益为 hk， 可以得到 ：
在准则 1 下采用公式 (1) ：
hk ＝ min{ask， akd} (1)
在准则 2 下采用公式 (2) ：
最大化 hk 数值的中继即为具有最优的等效端到端信道增益的中继， 并在此次传输 过程中被选中参与协作通信。
在分析宽带多中继 OFDM 网络的中继选择时， 可以根据上述窄带系统里中继选择 的方案， 得到基于 OFDM 符号的中继选择。 假设系统子载波数为 N， 且每跳各传输节点在所有 子载波上的功率呈均匀分配。记 γn，k，i 为在第 i 跳、 在子载波 n 上与中继 k 相关的传输信 噪比。不计从源节点到目标节点的直接传输， 在解码转发协议下， 若选取中继节点 k 参与传 输， 则端到端的可实现速率满足以下公式 (3) ：
能够最大化 Rk 的中继作为被选中的中继节点。容易发现， 这种基于 OFDM 符号的 中继选择即为上述准则 1 在宽带 OFDM 系统中的推广。
发明人在实现本发明的过程中至少发现现有技术至少存在如下问题 ：
基于 OFDM 符号的中继选择技术， 根据整体 OFDM 符号的端到端等效增益选择中继 节点， 从而使所有子载波上的信号都通过相同的中继转发， 不能利用频域的多样性， 中继选 择效率低。
基于子载波的中继选择可以利用频域多样性和中继节点的多样性。 基于子载波的 中继选择方式为每个子载波选择最优的中继。例如 ： 假设一个两跳 OFDM 通信系统共有 N 个 正交子载波， 系统中继个数为 K， 且 γn，k，i 是为在第 i 跳、 在子载波 n 上与中继 k 相关的传 输信噪比， 用 k(n) 表示子载波 n 选择的中继节点， 则有满足以下公式 (4) ：
k(n) ＝ argmax{min{γn， γn， (4) k， 1， k， 2}}
发明人在实现本发明的过程中至少发现现有技术至少存在如下问题 ：
基于子载波的中继选择， 同一中继在不同子载波上接收的信号被分开处理， 且默 认在当前一跳子载波 i 上传输的信号在下一跳仍由子载波 i 传输， 因此基于子载波的中继 节点选择方法灵活性差， 频谱效率低， 降低了系统性能。
发明内容 本发明实施例提供一种两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法和装 置， 用以提高频谱效率和系统性能。
本发明实施例提供一种两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法， 包 括：
在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 所述子载波集包括至少
一个子载波， 每个子载波集中的各个子载波互相不重复 ；
为每一个中继节点分配的子载波集进行功率分配。
本发明实施例又提供一种两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法， 包 括：
计算所有子载波对的等效信道增益， 每个所述子载波对包括一个第一时隙的子载 波和一个第二时隙的子载波 ；
根据所述等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波对 ；
为所述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配。
本发明实施例再提供一种两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置， 包 括：
中继分配模块， 用于在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 所述 子载波集包括至少一个子载波， 每个子载波集中的各个子载波互相不重复 ；
功率分配模块， 用于为每一个中继节点分配的子载波集进行功率分配。
本发明实施例还提供一种两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置， 包 括： 计算模块， 用于计算所有子载波对的等效信道增益， 每个所述子载波对包括一个 第一时隙的子载波和一个第二时隙的子载波 ；
中继分配模块， 用于根据所述等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波 对；
功率分配模块， 用于为所述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配。
本发明实施例提供的两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法和装置， 在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 为每一个中继节点分配的子载波 集进行功率分配， 可以为子载波灵活的分配中继节点和功率， 提高了频谱效率和系统性能。
附图说明
图 1 为现有中继系统的示意图 ；
图 2 为现有 OFDM 技术的正交子载波的示意图 ；
图 3 为现有 OFDM 技术的各子载波上动态功率分配的示意图 ；
图 4 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例的 流程图 ；
图 5 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例中 OFDM 系统的结构示意图 ；
图 6 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例中 最优算法的流程图 ；
图 7 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第二实施例的 流程图 ；
图 8 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置第一实施例的 结构示意图 ；
图 9 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置第二实施例的结构示意图。 具体实施方式
下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图 4 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例的 流程图， 如图 4 所示， 该正交频分复用系统中的资源分配方法包括以下步骤 ：
步骤 101、 在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 所述子载波集 包括至少一个子载波， 每个子载波集中的各个子载波互相不重复。
如图 5 所示， 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实 施例中 OFDM 系统的结构示意图， 在两跳多中继的 OFDM 系统中， 包括一个源节点 11、 一个目 标节点 13、 以及一个中继节点 12 的集合 个 OFDM 系统可以获得完全的信道状态信息。记 组成， 其中两跳是指两个时隙。假设这 为在每一时隙中正交子载波的集合。在使用基于时分的半双工解码转发协议时， 两跳多中继的 OFDM 系统中， 在第一个 时隙， 源节点在所有的子载波上发送数据， 同时其它中继节点接听 ； 在第二时隙， 中继节点 将接收到的信号进行译码， 并将其转发至目标节点。图 5 中的集合 Ωi， k 表示在第 i 时隙 (i ＝ 1 或 2) 上分配至中继节点 k 上的子载波集。为避免干扰， 在每一时隙上， 每个子载波只 能分配到一个中继节点上， 即在每一时隙分配到不同中继节点上的子载波集包括的子载波 互相不重复， 为两两互斥的。
在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集的方法具体包括 ：
首先， 根据在每一个时隙为每一个中继节点分配的子载波的信道增益， 获取所述 中继节点在所述子载波上的端到端传输速率。例如 ： 用 在子载波 n 上的信道增益。假定该信道增益 表示 ： 在第 i 时隙， 中继节点 k 在一个传输帧的时间内恒定， 且对于不同的 k 和 i 相互独立。在第 i 时隙， 中继节点 k 在子载波 n 上实现的速率 rn， k， i( 单位为 nat/ sec/Hz) 满足下面的公式 (5) ：
在公式 (5)N0 为噪声的频谱密度， Γ 为信噪比差额， B 为系统带宽， pn，k，i 为当子 载波 n 在第 i 时隙被分配至中继节点 k 时， 分配在子载波 n 上的功率。为简化记法， 定义
为归一化的信道增益。中继节点 k 实现的端到端的传输速率 Rk 为两个 时隙中速率的最小值， 满足下面的公式 (6) ：
然后， 在网络总功率一定的条件下， 将所述中继节点在所述子载波上的端到端传 输速率最大化。其中网络总功率表示为 PT， 将所述中继节点在所述子载波上的端到端传输
速率最大化需要经过以下步骤 ：
步骤一、 建立功率受限约束下的对子载波的中继分配和功率分配的联合优化问 题； 这个联合优化问题可归纳为如下公式 (7) 到公式 (11) 的形式 ：
pn， k， i ≥ 0，在公式 (7) 中 p ＝ {pn， 联合优化问 k， i} 及 Ω ＝ {Ωi， k} 表示联合优化变量的集合， 题 P1 一个混合整数的非线性规划问题。n 为子载波的序号， N 为子载波的数目， k 为中继节 点的序号， K 为中继节点的数目 ； rn， k， 1 在第一时隙为中继节点 k 在子载波 n 上实现的速率， rn，k， Ω1，k 为第一时隙， 中继节点 k 上 2 在第二时隙为中继节点 k 在子载波 n 上实现的速率 ； 的子载波集， Ω2， 中继节点 k 上的子载波集。 k 为第二时隙，
在公式 (8) 中， pn， 分配在 k， i 为在第 i 时隙被分配至中继节点 k 上的为子载波 n 时， 子载波 n 上的功率， 由于 i 的取值为 1 和 2， n 的取值为 1 到 N， 因此公式 (8) 表示在第一时 隙和第二时隙， 所有分派到中继节点 k 上的子载波的功率之和小于或等于网络总功率 PT。
公式 (9) 到公式 (11) 为问题 P1 的限制条件， 其中在公式 (9) 中 k 和 k′分别表示 两个不同的中继节点， 因此公式 (9) 表示， 在同一个时隙， 不同的中继节点分配到的子载波 集是两两互斥的， 没有互相重复的子载波。公式 (10) 表示， 所有中继节点上的子载波的个 数加在一起为 N。公式 (11) 表示， 当在第 i 时隙被分配至中继节点 k 上的为子载波 n 时， 分 配在子载波 n 上的功率 pn， 每个子载波可被分配至 K 个中 k， i 不小于 0。由于在两个时隙中， 2N 继节点中的任意一个， 因而有 K 种子载波 - 中继节点的分配结果。
步骤二、 对所述联合优化问题进行松弛处理。
为了求解联合优化问题 P1， 可以对联合优化问题进行松弛处理， 具体为 ： 松弛子 载波互斥分配的限制条件， 并引入时域共享的参数 {ρn，k，i}。每个 ρn，k，i 的值表示在第 i 跳子载波 n 被中继节点 k 占用的时间比例， 且对任意 n 和 i， 都满足 此外， 引入新的变量 sn， k， i ＝ pn， k， iρn， k， i 表示当子载波 n 在第 i 跳被分配至中继节点 k 时消耗的实 际功率。由于 k ∈ K， 再引入变量 rk， 将原始的最大 - 最小值问题转换为一个凸问题。通过 允许时域共享保证凸问题的最优性。因此， 松弛后的联合优化问题 P2 可以通过以下的公式 (12) 到 (16) 表示 ：
sn， ρn， k， i ≥ 0， k， i ≥ 0， 公式 (12) 中 rk 为中继节点 k 的传输速率， 表示选择 r、 ρ、 s 的值， 使的的值最大化。
由于将归一化的信道增益代 入 公 式 (5) 可 以 得 到 ： 在 且当子载波 n 在第 i 时 隙， 中继节点 k 在子载波 n 上的速率第 i 跳被分配至中继节点 k 时消耗的实际功率 sn，k，i ＝ pn，k，iρn，k，i， 因此， 可以得到 ：公式 (14) 到公式 (16) 为问题 P2 的限制条件， 其中公式 (14) 表示在第一时隙和 第二时隙， 为所有中继节点 (1 到 K) 分配的子载波消耗的实际功率之和小于或等于网络总 功率 PT。公式 (15) 表示在第 i 跳子载波 n 被所述中继节点 k 占用的时间比例的和为 1。公 式 (16) 表示当子载波 n 在第 i 跳被分配至中继节点 k 时消耗的实际功率不小于 0。通过时 域共享达到的最优值和服从整数信道分配下可达到得最优值会非常接近。 经验证明当只有 8 个子载波时， 两个最优值之间的差别趋近于 0。
步骤三、 对松弛处理后的所述联合优化问题进行对偶转化。
从公式 (12) 到公式 (16) 可知 ： 松弛后的联合优化问题 P2 中所有的不等式限制条 件均为凸函数， 等式限制条件和目标函数均为线性函数。因此 P2 为凸优化问题， 且强对偶 性成立。P2 的拉格朗日函数可表示为以下公式 (17) ：
在公式 (17) 中， μ ＝ {μk， μk， β ≥ 0， 且 v ＝ {vn， vn， 1， 2}±0， 1， 2} 为限制条件公式(14) 到公式 (16) 的拉格朗日乘子。定义一个 D 为所有满足 ρn， sn， k， i ≥ 0， k， i ≥ 0 及 rk ≥ 0 的原变量的集合。因此， 公式 (17) 的拉氏对偶目标函数可表示为以下的公式 (18) ：
松弛处理后的联合优化问题 P2 相应的对偶优化问题为以下的公式 (19) ：s.t. μ ≥ 0， β≥0 (19)
步骤四、 求解对偶转化后的对偶问题。
根据公式 (18)， 可以将公式 (19) 中定义的对偶函数分解为如下公式 (20) 的 2N+1 个独立的子函数 ：
其中， g0(μ) 满足公式 (21) ：
并且，经过以上公式 (20) 的分解， 对于给定的对偶变量 μ 和 β， 可以获得关于在第 i 时 隙被分配至中继节点 k 上的为子载波 n 时， 分配在子载波 n 上的功率 pn， k， i 的闭式表达。此 外， 寻找最优的时域共享因子 ρn， k， i 和确定 vn， i 的最优值具有 O(NK) 的复杂度。
在求解对偶问题时， 首先求 g0(μ)。在公式 (22) 中， J0(r， μ) 为 rk 的线性函数。
rk 的最优值 应当满足以下公式 (23) ：
当 μk， g(μ， β， v) ＝∞， 此时无法最小化对偶函数。因此， 最优的 1+μk， 2 ＜ 1 时， μk， 可以 对偶变量不可能分布在区域 {μk， 1， 2|μk， 1+μk， 2 ＜ 1} 中。而当 μk， 1+μk， 2 ≥ 1 时， 使 g0(μ) ≡ 0。
接着， 求解 gn，i(μ， β， v) ： 假设在第 i 时隙， 子载波 n 在时间 ρn，k，i 内被分配至 ρ， μ， β， v) 为 sn， 利用 KKT 条件得到最优原变量。 中继节点 k。由于 Jn， i(s， k， i 的凹函数， 再将公式 (23) 中的 Jn，i(s， ρ， μ， β， v) 对 sn，k，i 求偏导， 令其为零。并考虑到边界限制
获得满足公式 (24) ：
在公式 (24) 中 (·)+ ＝ max(0， .)。 将公式 (25) 代入公式 (23)。
其中，
根据公式 (25) 和 (26) 可知， Jn， μ， β， v) 是关于 ρn， i(ρ， k， i 的线性函数。为了 应当满足公式 (27) ：最大化 Jn， μ， β， v)， 最优值 i(ρ，
从而得到公式 (28) ：将 (29) 代入 (21)， 可以得到对偶函数的闭式。为了在所有的对偶变量 {μ， β， v} 上最小化 g(μ， β， v)， 需要求解 g(μ， β) ＝ minvg(μ， β， v)。从而得到公式 (30) ：
这样， 相应的对偶函数为公式 (31) ：由上可知， 对于第 i 时隙上的子载波 n， 如果存在单独的具有最大 Hn，k，i 的中继节 那么最优的子载波 - 中继分配是 ： 将该子载波分配至中继节点 有 如果同时存在多于一个具有最大 Hn， 子载波 n 应当被这些中继节点 k， i 的中继节点， 时域共享因子 不会影响对偶函数 g(μ， β， v) 上， 其中点对任意
时域共享。但是， 只要满足的值。因此我们可以通过评估对偶函数的最优值 g*(μ， β) 获得由时域共享达到的端到端传输速率。
在获得以下公式 (32) 中对 g(μ， β) 的闭式表达后， 开始求解对偶问题 ：
ming(μ， β)
s.t.μ ≥ 0， β≥0 (32)
由于对偶问题恒为凸问题， 可以通过基于梯度的方法进行求解。下面介绍一种 g(μ， β) 的次梯度。在此基础上， 利用次梯度算法或椭球算法可以搜索到最优的对偶变量 * * β 及μ。
为减少求解变量的数目， 首先引入以下引理 ： 总有最优的对偶变量 (β*， μ*)， 能 对所有 k ∈ K， 满足 μk， 1+μk， 2 ＝ 1。
事实上， 由公式 (27) 可知， Hn，k，i 为 μk，i 的连续函数。计算 Hn，k，i 对于 μk，i 的偏 导数， 得：
由公式 (33) 可知 ： Hn，k，i 即 g(μ， β) 为 μk，i 的非递减函数。且由之前的分析 可知， 最优对偶变量 {μk， μk， μk， 1， 2} 总是位于区域 {μk， 1， 2|μk， 1+μk， 2 ≥ 1} 中。假设在 * 区域 {μk， μk， β*}， 即 g* 1， 2|μk， 1+μk， 2 ≥ 1} 中更新对偶变量 {μk， i} 并达到最优点 {μ ，
＝ g(μ*， β*) ＝ minμ，βg(μ， β)。若对中继 k0， 有 使得 且 显然有则可找到 其中表示除中继 k0 外的所有中继使用 {μ*} 中的对偶变量。由于 g* ＝ minμ，βg(μ， β)， 有 故 这说明 同样为一组能够最小化对偶函数 g(μ， β) 的最优对偶变量。因此引理得证， 可以得到 ： 总有最优的对偶 * * 变量 (β ， μ )， 能对所有 k ∈ K， 满足 μk， 1+μk， 2 ＝ 1。
令为 在 第 i 跳 上 由 中 继 k 达 到 的 传 输 速 率。 令 表示对于固定的 {μ， β}， 在集合 D 上能够最大 J(μ， β， r， s) 的速率和功率。由上述的引理可得到 g(μ， β) 的次梯度满足公式 (34) 和 (35) ：
在寻找问题 P2 的最优对偶变量 β* 和 μ* 之后， 恢复最优的原变量。由于通过时 域共享达到的最优目标值与通过整数信道分配的非常接近， 可以关注整数约束的情形， 即
利用 P2 的最优对偶变量的、 满足问题 P1 中公式 (9)-(11) 的功率和子载波 - 中继分配。将 * * β 和 μ 代入公式 (28)， 不失对偶函数的一般性， 可以简单构造公式 (36) ：
如果存在多于一个达到公式 (37) 中最大值的中继节点， 将该子载波集随机分配 至其中一个中继节点。
步骤 102、 为每一个中继节点分配的子载波集进行功率分配。
获得了中继节点 k 上最优子载波集合和后， 在该子载波 - 中继分配的基础上进行最优的功率分配。此问题 P3 可表示为以下公式 (37) ：
pn， k， i ≥ 0，公式 (37) 中的问题 P3 也是一个凸优化问题。该问题 P3 可由两重的二分搜索方 法求解。 本实施例优选应用于 ： 源节点和目标节点之间不存在直接链路， 必须通过中继节点 通信， 并且只有一个目标节点 ( 用户 ) 的情况下。
在本实施例中， 采用了最优算法， 最优算法的整体计算复杂度主要由解对偶问题 的复杂度决定， 因为对偶问题远高于寻找到最优对偶变量之后恢复最优原变量的复杂度。 并且椭球算法具有对维度 ( 在本算法中为 K+1) 为多项式级别的复杂度。此外， 在椭球算法 的每次迭代中， 计算对偶函数需要 O(NK) 的复杂度。因此， 最优算法的计算复杂度为对中继 和子载波数目的多项式级别。
如图 6 所示， 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实 施例中最优算法的流程图， 如图 6 所示， 该最优算法包括 ：
步骤 201、 给定所有信道的参数和功率上限 PT。
步骤 202、 初始化对偶变量 β 和 μ。
步骤 203、 根据给定的对偶变量计算最优原变量 r*、 p*、 ρ*， 以及对偶函数。
步骤 204、 判断对偶函数是否收敛， 如果是执行步骤 206， 否则执行步骤 205。
步骤 205、 计算对偶变量的子梯度， 并更新对偶变量， 返回执行步骤 203。
步骤 206、 通过获得最优子载波 - 中继分配的结果， 并修正最优的功率分配。
本实施例为正交频分复用系统中的资源分配方法的最优算法， 在两跳多中继的 OFDM 网络中， 在总传输功率受限约束下， 对子载波的中继分配和功率分配进行联合优化， 通 过松弛、 对偶等， 将联合优化问题分解为 2N+1(N 为系统子载波个数 ) 个子问题， 每个子问 题都具有闭式解， 从而实现在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 为每一 个中继节点分配的子载波集进行功率分配， 该方法可以为子载波灵活的分配中继节点和功率， 提高了频谱效率和系统性能。
图 7 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第二实施例的 流程图， 如图 7 所示， 该正交频分复用系统中的资源分配方法包括以下步骤 ：
步骤 301、 计算所有子载波对的等效信道增益， 每个所述子载波对包括一个第一时 隙的子载波和一个第二时隙的子载波。
在两跳多中继的正交频分复用系统中， 假设有 K 个中继节点， 每一跳具有 N 个子载 2 波， 其中一跳代表一个时隙。对于每个中继节点 k， 可能对应所有 N 种可能的子载波对， 每 一个子载波对中都包括一个第一时隙的子载波和一个第二时隙的子载波。 在总功率约束下 的等效信道增益可以通过下面的公式 (38) 计算 ：
在公式 (38) 中，为等效信道增益， n 和 n’ 为分配到中继节点 k 上的一个子载波对， 其中 n 为在第一时隙分配到中继节点 k 上的子载波， n’ 为在第二时隙分配到中继节 αn， 点 k 上的子载波 ； αn， k， 1 为在第一时隙源节点到中继节点的信道增益， k， 2 在第二时隙中 继节点到目标节点的信道增益。
步骤 302、 根据所述等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波对。 具体包 括：
步骤 3021、 选取使每一个子载波对的等效信道增益最大的中继节点。对每个子载 波对 (n， n′ )， 选择中继节点 等效信道增益最大。
占用该子载波对， 使该子载波对的步骤 3022、 根据所述使每一个子载波对的等效信道增益最大的中继节点的最大等 效信道增益， 生成匹配矩阵。 令 建立 N×N 的匹配矩阵 其中 i 为第一时隙的子
载波 n 的序号， j 为第二时隙子载波 n’ 的序号。在第一时隙的第 i 个子载波和第二时隙的 第 j 个子载波分配到中继节点 k 上等效信道增益最大， 匹配矩阵中第 i 行 j 列的元素表示 这个最大等效信道增益。
步骤 3023、 从所述匹配矩阵中为每一个中继节点选取等效信道增益最大的子载波 对， 各个所述子载波对中的子载波互相不重复。由于在每一个时隙一个子载波只能被分配 至一个中继节点， 因此在上述的匹配矩阵中， 每行和每列都只能有一个元素被选中。 利用适 当的算法确定与中继节点的匹配的子载波对， 例如 ： 利用匈牙利算法可以从匹配矩阵中选 取与中继节点匹配的子载波对 ； 或者也可使用贪婪算法， 每次选取匹配矩阵中的最大元素， 从而确定与中继节点匹配的子载波对。 步骤 303、 为所述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配。
得出每一个中继节点上的子载波对后， 完成了子载波 - 中继的分配。在选定的每 个子载波对应的中继节点的基础上进行功率分配。 该功率分配方法可以采用两重的二分搜 索方法， 具体可以参照本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施 例中相关描述。
本实施例为正交频分复用系统中的资源分配方法的次优算法， 计算所有子载波对 的等效信道增益后， 根据所述等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波对， 为所 述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配， 该方法可以灵活为每一个子载波分配中 继节点和功率， 提高了频谱效率和系统性能。
下面通过一个实际测量的例子， 比较上述的最优算法、 次优算法与现有的基于 OFDM 符号或子载波的算法的效果。
例如 ： 基于解码转发协议的两跳 OFDM 系统包含一个源节点、 多个中继节点和一个 目标节点。假设源节点和目标节点间的距离为 2km。所有的中继节点分布在以从源节点到 目标节点连线中点为圆心的圆上， 圆半径为 200m ； 使用中心频率在 1.9GHz 的斯坦福大学中 期 (SUI) 信道模型模拟带宽为 1MHz 的固定宽带无线信道 ； 宽带信道由 6 条径组成， 第一条 径上的信号衰落由 K 因子为 1 的莱斯分布表征， 其他五条径上的衰落服从瑞利分布 ； 不考虑 阴影衰落 ； 噪声谱密度为 4.14×10-21W/Hz， 路径损耗因子设为 3.5 ； 设定子载波的数目为 N ＝ 64。
将基于 OFDM 符号的中继节点选择作为一种基准的对比方案。首先假设均匀的功 率分配， 然后选择能够最大化端到端传输速率的中继节点 k*， 满足下面的公式 (39) ：
在寻找到最大化端到端传输速率的中继节点 k* 之后， 进行最优的功率分配， 可以 采用与两重二分搜索方法相似的方法完成。
尽管基于子载波的次优算法比最优算法复杂度低很多， 但其性能也很理想， 本发 明实施例中的最优算法和次优算法端到端平均传输速率高于基于 OFDM 符号的算法、 基于 子载波的算法。经过仿真可以得到， 最优算法比基于 OFDM 符号的算法能产生 0.5bit/s/Hz 的频谱效率的增益。另外， 当中继数目 (outage probability) 为 K ＝ 8。其中， 最优算法的 性能明显好于基于子载波和 OFDM 符号的中继节点。尤其是， 当中断概率设为 10-3 时， 最优 算法比基于子载波算法节省 0.5dB 的总传输功率， 比基于 OFDM 符号的算法节省 4.5dB 总传 输功率。
图 8 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置第一实施例的 结构示意图， 如图 8 所示， 该正交频分复用系统中的资源分配装置包括 ： 中继分配模块 41 和 功率分配模块 43。其中， 中继分配模块 41， 用于在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应 的子载波集， 所述子载波集包括至少一个子载波， 每个子载波集中的各个子载波互相不重 复。功率分配模块 43， 用于为每一个中继节点分配的子载波集进行功率分配。
进一步地， 中继分配模块 41 包括 ： 速率获取子模块 411 和最大化子模块 412。其 中， 速率获取子模块 411， 用于根据在每一个时隙为每一个中继节点分配的子载波的信道增 益， 获取所述中继节点在所述子载波上的端到端传输速率。最大化子模块 412， 用于在网络 总功率一定的条件下， 将所述中继节点在所述子载波上的端到端传输速率最大化。
再进一步地， 最大化子模块 412 包括 ： 联合优化单元 4121、 松弛单元 4122、 对偶单 元 4123 和求解单元 4124。其中联合优化单元 4121， 用于建立功率受限约束下的对子载波 的中继分配和功率分配的联合优化问题。松弛单元 4122， 用于对所述联合优化问题进行松
弛处理。对偶单元 4123， 用于对松弛处理后的所述联合优化问题进行对偶转化。求解单元 4124， 用于求解对偶转化后的对偶问题。
具体地， 在使用基于时分的半双工解码转发协议时， 两跳多中继的 OFDM 系统中， 在第一个时隙， 源节点在所有的子载波上发送数据， 同时其它中继节点接听 ； 在第二时隙， 中继节点将接收到的信号进行译码， 并将其转发至目标节点。 为避免干扰， 中继分配模块 41 在每一时隙， 将每个子载波对应分配到一个中继节点上， 在每一时隙分配到不同中继节点 上的子载波集包括的子载波互相不重复， 为两两互斥的。其中速率获取子模块 411 根据在 每一个时隙为每一个中继节点分配的子载波的信道增益， 获取所述中继节点在所述子载波 上的端到端传输速率。然后在网络总功率一定的条件下， 最大化子模块 412 将所述中继节 点在所述子载波上的端到端传输速率最大化， 具体方法为 ： 联合优化单元 4121 建立功率受 限约束下的对子载波的中继分配和功率分配的联合优化问题， 参照本发明两跳多中继的正 交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例中的公式 (7) 到 (11) 和相关描述。 松弛单元 4122 对所述联合优化问题进行松弛处理， 参照本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的 资源分配方法第一实施例中的公式 (12) 到 (16) 和相关描述。对偶单元 4123 松弛处理后 的所述联合优化问题进行对偶转化， 参照本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源 分配方法第一实施例中的公式 (17) 到 (19) 和相关描述。求解单元 4124 求解对偶转化后 的对偶问题， 参照本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第一实施例中 的公式 (20) 到 (36) 和相关描述。最后， 功率分配模块 43 采用两重的二分搜索方法， 为每 一个中继节点分配的子载波集进行功率分配， ， 参照本发明两跳多中继的正交频分复用系 统中的资源分配方法第一实施例中的公式 (37) 和相关描述。 本实施例中继分配模块在每一个时隙， 为每一个中继节点分配对应的子载波集， 功率分配模块为每一个中继节点分配的子载波集进行功率分配， 可以为子载波灵活的分配 中继节点和功率， 提高了频谱效率和系统性能。
图 9 为本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配装置第二实施例的 结构示意图， 如图 9 所示， 该正交频分复用系统中的资源分配装置包括 ： 计算模块 51、 中继 分配模块 53 和功率分配模块 55。其中， 计算模块 51， 用于计算所有子载波对的等效信道增 益， 每个所述子载波对包括一个第一时隙的子载波和一个第二时隙的子载波。中继分配模 块 53， 用于根据所述等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波对。功率分配模块 55， 用于为所述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配。
进一步地， 中继分配模块 53 可以包括 ： 第一选取子模块 531、 匹配矩阵子模块 532 和第二选取子模块 533。其中第一选取子模块 531， 用于选取使每一个子载波对的等效信道 增益最大的中继节点。 匹配矩阵子模块 532， 用于根据所述使每一个子载波对的等效信道增 益最大的中继节点的最大等效信道增益， 生成匹配矩阵。第二选取子模块 533， 用于从所述 匹配矩阵中为每一个中继节点选取等效信道增益最大的子载波对， 各个所述子载波对中的 子载波互相不重复。
具体地， 在两跳多中继的正交频分复用系统中， 假设有 K 个中继节点， 每一跳具有 2 N 个子载波， 其中一跳代表一个时隙。对于每个中继节点 k， 可能对应所有 N 种可能的子载 波对， 每一个子载波对中都包括一个第一时隙的子载波和一个第二时隙的子载波。计算模 块 51 可以采用本发明两跳多中继的正交频分复用系统中的资源分配方法第二实施例中的
公式 (38) 计算所有子载波对的等效信道增益。中继分配模块 53 则根据所述等效信道增 益为每一个中继节点选择对应的子载波对， 具体方法包括 ： 第一选取子模块 531 对每个子 载波对 (n， n′ )， 选择中继节点 的等效信道增益最大。令 占用该子载波对， 使该子载波对 匹配矩阵子模块 532 建立 N×N 的匹配矩阵其中 i 为第一时隙的子载波 n 的序号， j 为第二时隙子载波 n’ 的序号。在第 一时隙的第 i 个子载波和第二时隙的第 j 个子载波分配到中继节点 k 上等效信道增益最 大， 匹配矩阵中第 i 行 j 列的元素表示这个最大等效信道增益。由于在每一个时隙一个子 载波只能被分配至一个中继节点， 因此在上述的匹配矩阵中， 每行和每列都只能有一个元 素被选中。第二选取子模块 533 利用适当的算法确定与中继节点的匹配的子载波对， 例如 ： 利用匈牙利算法可以从匹配矩阵中选取与中继节点匹配的子载波对 ； 或者也可使用贪婪算 法， 每次选取匹配矩阵中的最大元素， 从而确定与中继节点匹配的子载波对。 功率分配模块 55 可以采用两重的二分搜索方法， 为所述每一个中继节点选定的子载波对进行功率分配。
本实施例计算模块计算所有子载波对的等效信道增益后， 中继分配模块根据所述 等效信道增益为每一个中继节点选择对应的子载波对， 功率分配模块为所述每一个中继节 点选定的子载波对进行功率分配， 可以灵活为每一个子载波分配中继节点和功率， 提高了 频谱效率和系统性能。
本领域普通技术人员可以理解 ： 实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成， 前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中， 该程序 在执行时， 执行包括上述方法实施例的步骤 ； 而前述的存储介质包括 ： ROM、 RAM、 磁碟或者 光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是 ： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制 ； 尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解 ： 其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替 换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范 围。