说明书一种基于用户服务质量的MIMO中继资源分配方法
技术领域
本发明涉及一种通信系统资源分配技术，尤其是涉及一种基于用户服务质量(QoS)的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)中继资源分配方法。
背景技术
MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出的。MIMO技术通过在发射端和接收端布置多根天线来抑制信道衰落，可以使MIMO通信系统获得更高的空间复用和空间分集增益，因而在相同的发射功率和误比特率限制下，MIMO通信系统能够获得比单输入单输出(SISO)通信系统更高的系统容量。中继(Relay)技术是LTE-Advanced的关键技术之一，将无线中继技术引入到蜂窝网中，能够起到扩大基站覆盖范围、提高边缘用户的服务质量(QoS)、增大系统容量等作用。
基于OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)的无线通信系统中的资源分配问题是指根据用户的特点和信道的差异，自适应地调整用户的子载波分配和功率分配，比较经典的有注水算法、贪婪算法、最大最小算法等。在基于OFDMA的无线通信系统中引入中继后，由于信号进行转发时经过的中继不同，接收端信号的衰减和误码率有所差异，此时通过中继进行信号传输时，还需要合理的选择转发中继，因此，基于OFDMA的无线通信系统中的传统资源分配算法不能直接用于基于中继技术和MIMO技术的无线通信系统中。在无线通信中，用户之间的业务差异使得不同用户对速率的要求是不同的，因此，进行资源分配时还应充分考虑到每个用户的服务质量要求。目前，基于中继技术和MIMO技术的无线通信系统中的资源分配问题得到了越来越多的关注，已经提出了一些基于速率最大化准则下的中继选择、子载波分配与功率分配的联合优化算法，然而这些算法很少考虑不同业务用户的服务质量问题，使得某些用户能够得到较高的传输速率，而一些信道较差的用户有可能永远不能进行通信；而且这些算法是通过将子载波分配与功率分配联合求解，通过连续迭代来得到最优资源分配的，因此其计算复杂度相对较高，使得硬件实现的难度增大，可靠性降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于用户服务质量的MIMO中继资源分配方法，其计算复杂度低，且易于实现子载波、中继及功率的分配，使得在保证用户的最低要求速率的前提下，能够实现总的系统容量最大化。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于用户服务质量的MIMO中继资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：
①假设基站与每个用户之间的直传链路处于深衰落状态；并假设中继转发策略为解码转发，传输过程分为两个时隙：第一时隙，基站向中继发送数据；第二时隙，中继将解码后的信号转发给用户，用户端采用最大比合并方式接收中继转发的信号；
②在下行链路的OFDMA系统的最优资源分配模型的基础上，建立MIMO中继系统的最优资源分配模型为：maxΣk=1KΣm=1MΣn=1Nρk,m,n×BN×log2(1+pBS,k,mnHBS,k,mn),]]>且该最优资源分配模型满足以下约束条件：约束条件A1:约束条件A2:Σk=1KΣm=1Mρk,m,n=1,∀n;]]>约束条件A3:Σk=1KΣm=1MΣn=1NpBS,k,mn≤P;]]>约束条件A4:Σk=1KΣn=1Nρk,m,nRBS,k,mn≥Qm,∀m;]]>约束条件A5:pBS,k,mn≥0,∀k,m,n;]]>其中，max()为取最大值函数，K表示MIMO中继系统中的中继的数目，K≥1，1≤k≤K，M表示MIMO中继系统中的用户的数目，M≥1，1≤m≤M，N表示MIMO中继系统中的可用子载波的数目，N≥1且N>M，1≤n≤N，ρk,m,n的取值为1或0，ρk,m,n＝1表示第m个用户通过第k个中继在第n个可用子载波上传输信息，ρk,m,n＝0表示第m个用户不是通过第k个中继在第n个可用子载波上传输信息，B表示MIMO中继系统的总可用带宽，B>0，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第n个可用子载波上传输信息时分配的功率，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第n个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，约束条件A1表示ρk,m,n的取值只能为0或1，约束条件A2表示每个可用子载波最多只能被一个中继和一个用户使用以避免干扰，约束条件A3表示MIMO中继系统的总发送功率约束，P表示MIMO中继系统的总发送功率，P≥0，约束条件A4用于保证每个用户满足其服务质量要求，RBS,k,mn=Σk=1KΣn=1Nρk,m,n×BN×log2(1+pBS,k,mnHBS,k,mn),]]>Qm表示第m个用户的最低要求速率，约束条件A5表示的限制；
③假设每个可用子载波等功率分配，为每个用户选择好最优的中继和分配好最优的可用子载波，具体过程为：
③-1、按照从大到小的顺序排列所有用户各自的最低要求速率，并构成用户速率集合；令Rm表示第m个用户的传输速率，并令ωm表示第m个用户的选择优先性因子，Rm和ωm的初始值为0；
③-2、按序为用户速率集合中的每个最低要求速率对应的用户选择最优的中继和分配最优的可用子载波，将用户速率集合中的第m'个最低要求速率对应的用户定义为当前用户，其中，m'∈[1,M]；
③-3、假设当前用户为第m*个用户，并假设为当前用户选择的最优的中继为第k*个中继，且分配的最优的可用子载波为第n*个可用子载波，则有：其中，m*∈[1,M]，k*∈[1，K]，n*∈[1，N]，表示求取使得最大的k和n，表示基站BS通过第k个中继与第m*个用户在第n个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，ΩK表示MIMO中继系统中的所有中继的集合，ΩN的初始值为MIMO中继系统中的所有可用子载波的集合；
③-4、将已分配的第n*个可用子载波从ΩN中删除；
③-5、更新当前用户的传输速率，然后计算当前用户的选择优先性因子，ωm*=Qm*-Rm*,]]>其中，Rm*=Rm*+BN×log2(1+p×HBS,k*,m*n*)]]>中的“＝”为赋值符号，表示基站BS通过第k*个中继与第m*个用户在第n*个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，表示当前用户的最低要求速率；
③-6、令m'＝m'+1，然后将用户速率集合中的下一个最低要求速率对应的用户作为当前用户，再返回步骤③-3继续执行，直至为每个用户选择好最优的中继和分配好最优的可用子载波，此时ΩN中剩余N-M个可用子载波，其中，m'＝m'+1中的“＝”为赋值符号；
④找出值最大的选择优先性因子对应的用户，假设找出的用户为第个用户，则继 续为该用户选择一个中继和分配一个可用子载波，假定选择的中继为第个中继，且分配的可用子载波为第个可用子载波，则有：然后将已分配的第个可用子载波从ΩN中删除；再更新该用户的传输速率，Rm~=Rm~+BN×log2(1+p×HBS,k~,m~n~),]]>并更新该用户的选择优先性因子，ωm~=Qm~-Rm~;]]>其中，m~∈[1,M],k~∈[1,K],n~∈[1,N],]]>表示求取使得最大的k和n，表示基站BS通过第k个中继与第个用户在第n个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，中的“＝”为赋值符号，表示基站BS通过第个中继与第个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，表示第个用户的最低要求速率；
⑤判断所有用户的选择优先性因子中值最大的选择优先性因子是否小于或等于0，如果是，则表明所有用户各自的即时速率都能达到各自的最低要求速率，然后执行步骤⑥；否则，表明存在用户的即时速率还没有达到最低要求速率，然后返回执行步骤④；
⑥判断ΩN是否为空集，若ΩN为空集，则执行步骤⑧，若ΩN不为空集，则执行步骤⑦；
⑦按照基于系统容量最大化原则，对ΩN中的所有可用子载波进行分配，在ΩN中的所有可用子载波被分配完毕后执行步骤⑧；
⑧采用线性注水法进行优化功率分配，将基站BS通过第个中继与第个用户在第个可用子载波上传输信息时分配的功率表示为pBS,k^,m^n^=max(B2N×ln2×λ-1HBS,k^,m^n^,0),]]>且Σn^=1NpBS,k^,m^n^=P,]]>其中，1≤k^≤K,1≤m^≤M,]]>max()为取最大值函数，λ表示拉格朗日因子，表示基站BS通过第个中继与第个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益。
所述的步骤⑦中对ΩN中的所有可用子载波进行分配的具体过程为：
⑦-1、从ΩN中取出一个可用子载波；
⑦-2、假设该可用子载波为第个可用子载波，则为该可用子载波寻找最优的中继和最优的用户，假定为该可用子载波寻找到的最优的中继为第个中继，且为该可用子载波寻找到的最优的用户为第个用户，那么有：其中，表示求取使得最大的k和m，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益；
⑦-3、将该可用子载波分配给第个用户，然后将已分配的第个可用子载波从ΩN中删除，接着从ΩN中取出下一个可用子载波，再返回步骤⑦-2继续执行，直至ΩN中的所有可用子载波被分配完毕，即直至ΩN为空集。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法将现有的联合优化问题分解为子载波分配、中继选择与功率分配两个子问题，从而极大地降低了计算复杂度，保证了硬件可实现性以及实现的可靠性。
2)本发明方法在基于速率最大化准则下的资源分配问题中引入了用户的最低要求速率的限制条件，根据用户的最低要求速率的限制条件设定用户的选择优先性因子，并且在每个可用子载波的分配过程中都会自适应的调整用户的选择优先性因子的值，从而能够保证不同业务用户的不同传输速率要求，避免了出现部分用户得到高的传输速率，而信道较差的用户有可能永远不能进行通信的现象。
3)本发明方法在满足用户的最低要求速率的前提下，剩余的可用子载波倾向于分配给使得总的系统容量能够提高最大的用户，即该剩余的可用子载波相对应的最大等效信道增益的用户，从而提高了整个MIMO中继系统的频谱效率，避免了频谱资源的浪费。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为在信噪比为20dB时，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时每个用户的传输速率；
图3为在信噪比为20dB时，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子 载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时每个用户的用户服务质量满足程度；
图4为在不同的信噪比下，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时获得的系统容量的比较；
图5为基站天线数目Nt与中继天线数目Nr不同情况下，采用本发明方法时获得的系统容量随信噪比(SNR)变化的趋势。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种基于用户服务质量的MIMO中继资源分配方法，其目标是在满足各用户的服务质量的前提下，最大化用户的总传输速率，其流程框图如图1所示，其包括以下步骤：
①假设基站与每个用户之间的直传链路处于深衰落状态，即不存在基站与每个用户之间的直传信道；并假设中继转发策略为解码转发(Decode and Forward，DF)，传输过程分为两个时隙：第一时隙，基站向中继发送数据；第二时隙，中继将解码后的信号转发给用户，用户端采用最大比合并(Maximum Ratio Combining，MRC)方式接收中继转发的信号。
②在下行链路的OFDMA系统的最优资源分配模型的基础上，建立MIMO中继系统的最优资源分配模型为：maxΣk=1KΣm=1MΣn=1Nρk,m,n×BN×log2(1+pBS,k,mnHBS,k,mn),]]>且该最优资源分配模型满足以下约束条件：约束条件A1:约束条件A2:Σk=1KΣm=1Mρk,m,n=1,∀n;]]>约束条件A3:Σk=1KΣm=1MΣn=1NpBS,k,mn≤P;]]>约束条件A4:Σk=1KΣn=1Nρk,m,nRBS,k,mn≥Qm,∀m;]]>约束条件A5:pBS,k,mn≥0,∀k,m,n;]]>其中，max()为取最大值函数，K表示MIMO中继系统中的中继的数目，K≥1，1≤k≤K，M表示MIMO中继系统中的用户的数目，M≥1，1≤m≤M，N表示MIMO中继系统中的可用子载波的数目，N≥1且N>M，1≤n≤N，ρk,m,n的取值为1或0，ρk,m,n＝1表示第m个用户通过第k个中继在第n个可用子载波上传输信息，ρk,m,n＝0表示第m个用户不是通过第k个中继在第n个可用子载波上传输信息，B表示MIMO中继系统的总可 用带宽，B>0，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第n个可用子载波上传输信息时分配的功率，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第n个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，是根据用户速率最大化要求需要满足的条件是pBS,k,n×GBS,k,n＝pk,m,n×Gk,m,n获得的，pBS,k,n表示基站BS与第k个中继在第n个可用子载波上的发送功率，pk,m,n表示第k个中继与第m个用户在第n个可用子载波上的发送功率，GBS,k,n表示基站BS到第k个中继的通信链路在第n个可用子载波上的主信道增益值，Gk,m,n表示第k个中继到第m个用户的通信链路在第n个可用子载波上的主信道增益值，HBS,k,mn=GBS,k,n×Gk,m,nGBS,k,n+Gk,m,n,GBS,k,n=(σBS,k,n1)2Γ×N0×B/N,Gk,m,n=(σk,m,n)2Γ×N0×B/N,]]>表示对基站BS到第k个中继的MIMO信道矩阵进行奇异值变换后得到的主奇异值，σk,m,n表示对第k个中继到第m个用户的MIMO信道矩阵进行奇异值变换后得到的主奇异值，N0为加性高斯白噪声单边功率谱密度，Γ为信噪比差额，Γ与误比特率BER的关系为：Γ＝-ln(5BER)/1.5，约束条件A1表示ρk,m,n的取值只能为0或1，约束条件A2表示每个可用子载波最多只能被一个中继和一个用户使用以避免干扰，约束条件A3表示MIMO中继系统的总发送功率约束，P表示MIMO中继系统的总发送功率，P≥0，约束条件A4用于保证每个用户满足其服务质量要求，RBS,k,mn=Σk=1KΣn=1Nρk,m,n×BN×log2(1+pBS,k,mnHBS,k,mn),]]>Qm表示第m个用户的最低要求速率，约束条件A5表示的限制。
③假设每个可用子载波等功率分配，为每个用户选择好最优的中继和分配好最优的可用子载波，具体过程为：
③-1、按照从大到小的顺序排列所有用户各自的最低要求速率，并构成用户速率集合；令Rm表示第m个用户的传输速率，并令ωm表示第m个用户的选择优先性因子，Rm和ωm的初始值为0。
③-2、按序为用户速率集合中的每个最低要求速率对应的用户选择最优的中继和分配最优的可用子载波，将用户速率集合中的第m'个最低要求速率对应的用户定义为当前用户，其中，m'∈[1,M]。
③-3、假设当前用户为第m*个用户，并假设为当前用户选择的最优的中继为第k*个 中继，且分配的最优的可用子载波为第n*个可用子载波，则有：其中，m*∈[1,M]，k*∈[1，K]，n*∈[1，N]，表示求取使得最大的k和n，表示基站BS通过第k个中继与第m*个用户在第n个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，ΩK表示MIMO中继系统中的所有中继的集合，ΩN的初始值为MIMO中继系统中的所有可用子载波的集合。
③-4、将已分配的第n*个可用子载波从ΩN中删除。
③-5、更新当前用户的传输速率，然后计算当前用户的选择优先性因子，ωm*=Qm*-Rm*,]]>其中，Rm*=Rm*+BN×log2(1+p×HBS,k*,m*n*)]]>中的“＝”为赋值符号，表示基站BS通过第k*个中继与第m*个用户在第n*个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，表示当前用户的最低要求速率。在此，以用户的传输速率来表示用户的服务质量要求。
③-6、令m'＝m'+1，然后将用户速率集合中的下一个最低要求速率对应的用户作为当前用户，再返回步骤③-3继续执行，直至为每个用户选择好最优的中继和分配好最优的可用子载波，此时ΩN中剩余N-M个可用子载波，其中，m'＝m'+1中的“＝”为赋值符号。
④找出值最大的选择优先性因子对应的用户，假设找出的用户为第个用户，则继续为该用户选择一个中继和分配一个可用子载波，假定选择的中继为第个中继，且分配的可用子载波为第个可用子载波，则有：然后将已分配的第个可用子载波从ΩN中删除；再更新该用户的传输速率，Rm~=Rm~+BN×log2(1+p×HBS,k~,m~n~),]]>并更新该用户的选择优先性因子，ωm~=Qm~-Rm~;]]>其中，m~∈[1,M],k~∈[1,K],n~∈[1,N],]]>表示求取使得最大的k和n，表示基站BS通过第k个中继与第个用户在第n个可用子 载波上传输信息时的等效信道增益，中的“＝”为赋值符号，表示基站BS通过第个中继与第个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益，表示第个用户的最低要求速率。在此，中ΩK中有K个中继，而每执行一次步骤④，ΩN中的可用子载波的个数就会减1。
⑤判断所有用户的选择优先性因子中值最大的选择优先性因子是否小于或等于0，如果是，则表明所有用户各自的即时速率都能达到各自的最低要求速率，然后执行步骤⑥；否则，表明存在用户的即时速率还没有达到最低要求速率，然后返回执行步骤④。
⑥判断ΩN是否为空集，若ΩN为空集，则执行步骤⑧，若ΩN不为空集，则执行步骤⑦。
⑦按照基于系统容量最大化原则，对ΩN中的所有可用子载波进行分配，即对剩余的可用子载波进行分配，在ΩN中的所有可用子载波被分配完毕后执行步骤⑧。
其中，对ΩN中的所有可用子载波进行分配的具体过程为：
⑦-1、按序从ΩN中取出一个可用子载波。
⑦-2、假设该可用子载波为第个可用子载波，则为该可用子载波寻找最优的中继和最优的用户，假定为该可用子载波寻找到的最优的中继为第个中继，且为该可用子载波寻找到的最优的用户为第个用户，那么有：其中，表示求取使得最大的k和m，表示基站BS通过第k个中继与第m个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益。
⑦-3、将该可用子载波分配给第个用户，以提高系统容量，然后将已分配的第个可用子载波从ΩN中删除，接着从ΩN中取出下一个可用子载波，再返回步骤⑦-2继续执行，直至ΩN中的所有可用子载波被分配完毕，即直至ΩN为空集。
⑧采用线性注水法进行优化功率分配，将基站BS通过第个中继与第个用户在 第个可用子载波上传输信息时分配的功率表示为pBS,k^,m^n^=max(B2N×ln2×λ-1HBS,k^,m^n^,0),]]>且Σn^=1NpBS,k^,m^n^=P,]]>其中，1≤k^≤K,1≤m^≤M,]]>max()为取最大值函数，λ表示拉格朗日因子，表示基站BS通过第个中继与第个用户在第个可用子载波上传输信息时的等效信道增益。
以下通过计算机仿真，以进一步说明本发明方法的可行性和有效性。
在此，采用的仿真信道环境是6径频率选择性Raleigh衰落信道，最大多谱勒频移为30Hz，系统的总可用带宽B为5MHz，总的子载波的数目N为256，总的中继的数目K为4，总的用户的数目M为10，总发送功率P为80W，最大误比特率为10-3，基站和中继处天线数目均为2，蒙特卡洛仿真次数为1000次。下面分别从用户服务质量、系统容量方面来分析本发明方法的有效性和可行性。
图2给出了在信噪比为20dB时，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static，其为每个用户分配固定的子载波数目，按照就近原则进行中继选择，采用等功率分配方法)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal，其根据信道增益选择最优的用户和中继，采用线性注水法进行功率分配)时每个用户的传输速率。从图2中可以看出，本发明方法可以很好的满足每个用户的最低要求速率，因此本发明方法能够最大程度地满足用户的服务质量，而现有的静态子载波分配方法和现有的基于信道的最优分配方法只能满足部分低速率用户的最低要求速率。
图3给出了在信噪比为20dB时，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时每个用户的用户服务质量满足程度，E1,E2,E3对应表示采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时每个用户的用户服务质量满足程度，Eh越小则用户的服务质量满足程度越高。从图3中可以看出，E1最小，接近于0，这充分说明了本发明方法能够根据不同用户的速率要求，最大程度的保证用户的服务质量。
图4给出了在不同的信噪比下，分别采用本发明方法(Proposed)、采用现有的静态子载波分配方法(Static)和采用现有的基于信道的最优分配方法(Choptimal)时获得 的系统容量的比较。从图4中可以看出，由于不受用户服务质量的限制，现有的基于信道的最优分配方法能够获得最大的系统容量，而现有的静态子载波分配方法由于不能根据用户信道增益自适应调整用户的子载波数量和分配方案，系统容量最低，本发明方法虽然在一定程度上系统容量稍有损失，但是却达到了最好的用户服务质量要求。
图5给出了基站天线数目Nt与中继天线数目Nr不同情况下，采用本发明方法时获得的系统容量随信噪比(SNR)变化的趋势。从图5中可以看出，随着基站-中继天线数目的增加，系统获得的分集复用增益也相应增大，系统容量也相应有所提高。