多用戶ofdma中繼系統(tǒng)中非完美csi下的魯棒博弈功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)中非完美CSI下的功率控制技術(shù)，尤其設(shè)及一種解決 多個(gè)用戶和多個(gè)中繼在不同信道上的發(fā)射功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在無線網(wǎng)絡(luò)中，中繼技術(shù)可W大幅度地提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，減小網(wǎng)絡(luò)中的通 信時(shí)延，降低發(fā)送功率W及擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。因此，近幾年，研究基于正交頻分多址 (OFDMA)系統(tǒng)下的中繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有非常重要的意義W及極高的挑戰(zhàn)性。比如，OFDMA系統(tǒng) 下的多跳或者多中繼網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)單跳或者單個(gè)中繼的0抑MA網(wǎng)絡(luò)相比較顯得更為復(fù)雜，需 要進(jìn)一步考慮中繼和用戶的功率分配等問題。
[0003] 目前，大多數(shù)學(xué)者研究多中繼OFDM網(wǎng)絡(luò)下聯(lián)合功率分配，中繼的選擇W及子載 波分配的相關(guān)方案，但卻僅考慮了單中繼網(wǎng)絡(luò)，并未設(shè)及復(fù)雜性較高的多中繼聯(lián)合優(yōu)化問 題。另在多用戶和多中繼網(wǎng)絡(luò)中，需要考慮通信用戶的服務(wù)質(zhì)量怕〇巧的要求，在保證多用 戶的QoS要求的前提下聯(lián)合優(yōu)化了資源分配策略W進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的容量。與此同時(shí)，還 需要設(shè)及到用戶之間的中斷概率的約束條件，W及利用低復(fù)雜度的拉格朗日優(yōu)化方案來求 得最優(yōu)或者次優(yōu)的資源分配。然而，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，信道估計(jì)誤差會(huì)使得基站度巧，中繼和 用戶在鏈路上的信道狀態(tài)信息（CSI)是不完全正確的。
[0004] 所W，針對(duì)存在有信道誤差情況下的OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)中，有必要考慮在滿足多用 戶QoS要求的條件下功率控制算法.于此同時(shí)需要關(guān)注在不完整CSI的多中繼OFDM網(wǎng)絡(luò) 中W最大化網(wǎng)絡(luò)容量為優(yōu)化的用戶和中繼發(fā)射功率控制的聯(lián)合優(yōu)化方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種提高網(wǎng)絡(luò)容量和降低系統(tǒng)中斷概率的多用戶 OFDM中繼系統(tǒng)中非完美CSI下的魯棒博弈功率控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種 多用戶OFDMA中繼系統(tǒng)中非完美CSI下的魯棒博弈功率控制方法，其包括W下步驟：
[0006] 101、建立正交頻分多址OFDMA中繼網(wǎng)絡(luò)，包括K個(gè)移動(dòng)用戶、一個(gè)基站、N個(gè)中繼 基站，所述K個(gè)移動(dòng)用戶共用M個(gè)正交子信道，并完成中繼選擇和信道分配，在考慮到信道 估計(jì)誤差不確定性的情況，信道估計(jì)誤差A(yù)侶。拂I和Ag;'/其中P表示不定度水 平-O《P《O，O表示不確定性約束程度，々I和g;分別表示第一跳和第二跳上的歸一 化信道增益，信道不確定性約束就是站=CI/7,。和興=〇Ig1:，則在考慮到信道估計(jì)最壞 情況下，其歸一化的信道增益滿足W下的信道模型：

[0009] 其中片.,表示用戶I和k是否同時(shí)在信道i上，如果用戶I和k在信道i上，貝U 成f=1;否則，成=0。
[0010] 102、在信道最壞情況下，步驟101中計(jì)算每個(gè)正交子信道上用戶的信干噪比 SINR，具體為：第一跳中，在第i個(gè)子載波中的第k個(gè)接收用戶接收端的SINR )可W表 示為：
[0012] 其中接用戶k在信道i上的發(fā)射功率，武為歸一化的背景噪聲功率。
[0013] 同理，在第二跳中，在子載波i用戶k在中繼到基站間信道估計(jì)最壞情況下的 SINR(巧)表不如下：
[0015] 其中挺/:在中繼基站上為用戶1在信道i上的發(fā)射功率；
[0016] 103、第一跳和第二跳的中斷概率約束條件在信道最壞情況下可表達(dá)為W下的約 束條件：
[0019] 其中備和猛A-表示在第一跳和第二跳上，在子載波i上，用戶k所能承受的最大 中斷概率口限。
[0020] 進(jìn)一步的，采用魯棒博弈論模型，在滿足步驟101計(jì)算出的用戶和中繼發(fā)射功率 限制W及第一跳和第二跳中斷概率約束條件下，使得系統(tǒng)的總吞吐量最大化的魯棒博弈功 率控制優(yōu)化方程如下表示：

[0027] 其中片表示是否用戶k的數(shù)據(jù)在信道i上傳輸，如果在信道i上傳輸，則如=1;否 則姨=0。表示用戶k在信道i上數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0028] 進(jìn)一步的，采用拉格朗日優(yōu)化法對(duì)步驟102中的優(yōu)化方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問 題，進(jìn)而通過采用次梯度的方法求得拉格朗日因子，求得滿足用戶和中繼發(fā)射功率限制W 及第一跳和第二跳中斷概率約束條件下，求得優(yōu)化后系統(tǒng)的總吞吐量，并求得功率分配。
[0029] 進(jìn)一步的，還包括對(duì)步驟2和步驟3進(jìn)行納什均衡分析的步驟和魯棒分布式功率 控制的步驟。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0031] 本發(fā)明將用戶的功率控制問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)非合作的博弈問題。在考慮到信道估計(jì) 誤差情況下，滿足用戶傳輸功率約束和中斷概率約束下，用戶之間通過控制發(fā)射功率互相 競(jìng)爭(zhēng)，最大化自身容量?；趙orst-case魯棒資源分配策略，本算法考慮到了最壞信道估 計(jì)誤差的魯棒博弈功率控制研究信道估計(jì)誤差對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，然后建立了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò) 容量最大化模型。分析證明了魯棒博弈的納什均衡的存在性W及唯一性，進(jìn)一步提出了一 種分布式魯棒功率控制算法，提高網(wǎng)絡(luò)的容量。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，本發(fā)明所提出的算法 在存在信道估計(jì)誤差的情況下，相比其他傳統(tǒng)的方案提升了系統(tǒng)的吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)中 的中斷概率W及提高了系統(tǒng)的魯棒性。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例(FDMA系統(tǒng)下的中繼網(wǎng)絡(luò)上行鏈路模型；
[0033] 圖2信道不確定性對(duì)用戶總速率的影響；
[0034] 圖3信道的不確定性對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響；
[0035] 圖4用戶數(shù)目對(duì)總速率的影響；
[0036] 圖5用戶數(shù)目對(duì)中斷概率的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0037] W下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0038] 本發(fā)明目的在于針對(duì)在存在信道估計(jì)誤差的多用戶和多中繼OFDM系統(tǒng)中，考慮 到用戶傳輸中斷概率和發(fā)射功率的約束條件下，提出了一種滿足多用戶QoSW及發(fā)射功率 約束的聯(lián)功率控制方案。建立了W網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化為目標(biāo)的博弈功率控制模型，提出了 最優(yōu)用戶和中繼發(fā)射功率方案來保證用戶QoS需求和降低用戶間相互干擾。另外，還提出 一種分布式功率迭代控制策略來達(dá)到納什均衡，計(jì)算出用戶的發(fā)射功率，提高網(wǎng)絡(luò)容量和 降低系統(tǒng)中斷概率。
[0039] ①多用戶（FDMA中繼網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建
[0040] 考慮一個(gè)上行的0抑MA中繼鏈路中，有一個(gè)位于小區(qū)中屯、的基站，K個(gè)移動(dòng)用戶及 M個(gè)正交的子載波，N個(gè)中繼進(jìn)行協(xié)助通信，我們假設(shè)本章節(jié)的中繼選擇和信道分配已經(jīng)完 成。其上行鏈路的相關(guān)模型如圖1所示。
[0041] 在實(shí)際系統(tǒng)中，需要考慮到信道不確定性，尤其是所有的接收端都需要計(jì)算自己 和其他發(fā)送者之間的信道信息。因此，我們定義di，，i?分別表示第一跳中用戶于接收端在 子載波i上估計(jì)的信道增益和第二跳中繼到基站在子載波i上估計(jì)的信道增益，分別存在 著估計(jì)誤差M!;和A說.。第一跳中，在同一個(gè)子載波i上用戶1到用戶k接收端估計(jì)的信道 增益為德和相應(yīng)的估計(jì)誤差A(yù)被。第二跳中，在同一個(gè)子載波i用戶1到用戶k接收端估計(jì) 的信道增益為鼓和相應(yīng)的估計(jì)誤差A(yù)茲。我們考慮到信道估計(jì)誤差的不確定性，假設(shè)e和 寫分別為第一跳和第二跳的信道錯(cuò)誤的不確定性邊界。是在子載波i上用戶k在第一 跳信道估計(jì)的不確定性邊界，資指的是在子載波i上用戶k在第二跳信道估計(jì)的不確定性 邊界，因此： |a/4|含4， I含4 ^1、
[0042] I ( 1) I啡換jAg；|<C
[0043] 運(yùn)里本文定義蘇為歸一化的第一跳中信道增益值：々4 =化/? :，（殘f是在子載 波i上第k個(gè)接收用戶的復(fù)雜高斯噪聲，（巧)2 =(試;)Y祐.g;7為歸一化的第二跳中信道增 益值：谷直=茲/筑，(這)2是用戶在子載波i的復(fù)雜高斯噪聲，（巧)2 =巧)2/茲6
[0044] 對(duì)于任意的路徑P化，i，n)，任意用戶k的在第一跳和第二跳的發(fā)射功率限制分別 表不為：
(2)
[0046] 其中忠、表示的是用戶k最大的發(fā)射功率，巧:。、表示每個(gè)中繼的最大發(fā)射功率（假 設(shè)每個(gè)中繼的最大發(fā)射功率相等），則總的發(fā)射功率的限制為：
[0047] 完(婦+妃抑化 (，。 Uk' 柳4引其中，Pm。、表示所有用戶和中繼總的最大發(fā)射功率。
[0049] 考慮到在信道估計(jì)最壞的情況下，對(duì)于每個(gè)用戶k，第一跳在子載波i上進(jìn)行信 息傳輸需要滿足其最小的QoS要求，即用戶k希望滿足最小的SINR口限巧4，如果未達(dá)到 其需求，就被定義為子載波i上發(fā)生中斷，第一跳中，則在子載波i上的用戶k的中斷概率 Pi.(/!'.A<訂./'）表不為皮andukuri S，and Boyd S. Optimal Power