[发明专利]一种充分利用时隙传输信息的DF多中继OFDM系统的多种资源优化算法

说明书

技术领域

本发明属于无线协作中继通信技术相关领域，涉及一种以最大化系统容量 为目标的DF(Decode-and-Forward，解码转发)多中继OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)系统中的多种资源(包括 时间自由度、多中继的选择与协同通信、传输模式的选择、子载波如何配对、 功率分配)的联合优化方法。

背景技术

在传统无线通信蜂窝结构中，为了增强通信容量和扩展信号覆盖范围，需 要大量基站，这提高了通信服务成本。无线通信中采用低复杂度的协作中继节 点，可以有效扩展蜂窝小区中信号的覆盖范围，增强无线通信可靠性，提高频 谱利用率，增大远离基站区域的数据速率，同时有效降低成本；此外，协作无 线多中继技术可以获得比单中继技术更多的空间分集增益，带来更多的设计自 由度，扩展系统性能的提升空间；OFDM技术具有频谱效率高、抗多径能力强、 信道均衡简单、灵活的资源分配等优越性能。因此，基于OFDM的协作中继通信 网络结构已被第四代移动通信(4G，Fourth Generation)和后4G标准LTE-A(Long Term Evolution Advanced)所采用，此外，以OFDM技术为基础的各种改进型 的多载波波形技术成为了5G宽带通信关键技术之一。OFDM协作中继通信系统的 网络性能依赖于资源联合优化的精细程度，如子载波配对、功率分配等。本发 明涉及的系统是一个多中继通信系统，可以优化的资源种类也很多，有功率分 配、子载波配对、传输模式、时隙自由度、多中继的选择与协同通信等。功率 分配问题主要指功率在两个时隙中的源节点和中继节点之间的分配以及在各子 载波之间的分配；子载波配对是在中继节点处，将进、出中继的子载波进行合 理配对，以显著提升系统性能；传输模式的选择优化是指根据信道状态的不同， 考虑是否需要中继参与协作转发信号；当考虑源节点到目标节点之间的直接链 路的情况下，由于源节点在第二个时隙也可以发送信号，那么源节点在第二个 时隙在各子载波上以什么形式、以多大功率发送信号来提高系统性能，这也是 在联合优化中需要考虑的问题，这在本发明中称之为源节点时隙自由度优化问 题；对于多中继系统，中继选择或多中继协作的问题是指在某一给定子载波上， 可以选择一个或多个中继同时参与协作转发信号。

对于中继的中继方式，常见的有AF(Amplify-and-Forward，放大转发)和 DF两种方式。对于AF中继方式，由于每个中继节点接收的噪声会被放大并在目 的节点处累积，造成系统性能下降，但DF中继方式则不存在这个问题，因此， 本发明涉及的中继方式均为DF方式。

对于DF多中继OFDM系统，现有国内外相关文献已经对功率分配、子载波 配对、中继选择等资源中的某一种或两种资源进行了联合优化，比如：《Relay selection and power allocation in cooperative cellular networks》中仅 对功率分配进行了优化，每一个子载波仅选取一个中继来转发信息，但对子载 波配对、传输模式、多中继协同、时间自由度等没有进行分析；《Sum Rate Maximized Resource Allocation in Multiple DF Relays Aided OFDM Transmission》与《WSR Maximized Resource Allocation in Multiple DF Relays Aided OFDMA Downlink Transmission》对功率分配、多中继选择与协同进行了 分析，但对子载波配对、传输模式、时间自由度等没有进行分析； 《Asymptotically Optimal Resource Allocation in OFDM-Based Cognitive Networks with Multiple Relays》对功率分配、子载波配对进行了分析，每一 个子载波对仅选取一个中继来转发信息，但对多中继协同通信、传输模式、时 间自由度没有进行分析；本发明的第一发明人在文献《Joint Resource Allocation with Subcarrier Pairing in Cooperative OFDM DF Multi-Relay Networks》中对多种资源的联合优化进行了进一步的研究，但没有对时间自由 度、双时隙信息发送策略等进行分析。

因此，本发明针对DF多中继OFDM通信系统，对系统的功率分配、子载波 配对、传输模式、多中继协同通信、时隙自由度等进行联合优化，目标是提高 系统通信容量。