[发明专利]一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法

摘要

本发明涉及一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，该方法针对车载移动基站的通信架构，在OFDMA的调制方式下，通过资源分配，最大化通信系统的容量。主要包括：建立高铁车载移动基站通信架构下的容量函数，分配子载波给多个用户，实现基站端和车载移动基站端的子载波配对，分别在基站端和车载基站端分配子载波功率。该方法对高速铁路场景通信架构下的系统性能优化具有重要意义。

主权项

一种高铁车载基站通信架构下的资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤201：建立高铁车载基站通信架构下的系统模型，计算关于系统容量的目标函数，所述高铁车载基站通信架构下的系统模型为：一个高铁车载基站通信架构下的OFDMA系统，含有N个子载波，K个用户，地面上的BS通过车厢顶部的MBS与车厢内部的多个用户通信，假设在连续的两跳中，信道的瞬时增益保持不变，在第一跳中，BS将信号发送到MBS，在此过程中考虑载波分配和功率分配，在第二跳中，MBS重新分配载波和功率，并将信号转发给K个用户，用SP(k,m,n)表示第一跳中的子载波m(m＝1,2,...,N)与第二跳中的子载波n(n＝1,2,...,N)配对，同时子载波对(m,n)分配给用户，子载波对SP(k,m,n)的功率包括和分别表示分配给第k个用户的BS端第m个子载波的功率和MBS端第n个子载波的功率，进一步定义和是子载波对SP(k,m,n)在BS‑MBS链路和MBS‑UE链路的信道系数，则相应的信道系数与干扰噪声的比值分别为其中和分别是两跳链路中加性高斯白噪声的方差，是ICI产生的干扰功率，定义子载波配对参数φm,n∈{0,1}，当φm,n为1是表示BS端的子载波m与MBS端的子载波n配对，否则φm,n为0，进一步定义ωk,mn为用户分配参数，其中ωk,mn为1表示子载波对(m,n)分配给用户k，否则为0；关于系统容量的目标函数为C=maxpm,n,k(1),pm,n,k(2),SP(k,m,n)(Σk=1Kωk,mnΣm=1NΣn=1Nφm,nCm,nk)---(a)]]>服从C1:Σm=1Nφm,n=1,∀n]]>C2:Σn=1Nφm,n=1,∀m]]>C3:Σk=1Kωk,mn=1,∀m,n]]>C4:Σk=1KΣm=1NΣN=1Npm,n,k(1)≤PB]]>C5:Σk=1KΣm=1NΣN=1Npm,n,k(2)≤PR]]>其中，PB和PR分别表示BS端和MBS端总的发射功率，约束条件C1和C2保证在第一跳中的第m个子载波只能有第二跳中的第n个子载波配对，约束条件C3保证每一个子载波对只能分配给一个用户，约束条件C4和C5分别是BS端和MBS端总的功率约束；ICI产生的干扰功率的表达式如下σICI2=E[|Σj=1j≠mNαjpj(1)|2]=(NTsfd)22Σj=1j≠mNpj(1)(j-m)2---(b)]]>表达式(b)，fd为最大Doppler，Ts为系统采样周期，αj为第j个子载波对第m个子载波的功率干扰系数，为第一跳中第j个子载波的功率；表达式(a)中，Cm,nk=12log2(1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)rm,n,k(2)pm,n,k(2)1+rm,n,k(1)pm,n,k(1)+rm,n,k(2)pm,n,k(2))=12log2(1+pm,n,k(1)pm,n,k(2)(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)·bm,n,k+bm,n,kpm,n,k(1)+(am,n,k+ρm,n,kΣj=1j≠mNpj,i,u(1)(j-m)2)pm,n,k(2))---(c)]]>表达式(c)中，为第一跳的第j个子载波与第二跳中的第i个子载波配对，且该子载波对分配给第u个用户时第j个子载波的功率，步骤202：对OFDMA中的子载波进行资源块化，资源块的长度与信道的时域相关性有关，满足Ε[h(l,w1)hH(l,w2)]≥ε，其中h(l,w1)和h(l,w2)分别表示BS‐MBS链路中信道抽头l在时刻w1和w2的系数，ε是0到1范围内的相关度参数，ε＝0.993；步骤203：计算资源块长度，信道服从Jake’s模型，资源块的长度Ns满足其中J0(·)表示一阶贝塞尔函数；步骤204：设置用户资源穷搜索的范围lk＝1:Tc，其中Tc为用户资源穷搜索长度；连续子载波组成的资源块长度为Ns，则一个OFDM符号可分成个资源块，每个用户占用个资源块，则以资源块为单位进行分配的方式的可能性有Tc=WNcNc_peruWNc-Nc_peruNc_peru...WNc_peruNc_peru---(e)]]>其中，表示从R个数中取r个数的组合可能；步骤205：对用户资源块分配的搜索，确定MBS‐UE链路的信道响应矩阵；K个用户的信道响应矩阵为其中h(k)是第k个用户的信道系数矩阵，表示为h(k)＝[h1(k),...,hn(k),...,hN(k)]，其中hn(k)表示MBS到用户k的信道中，第n个子载波的信道系数；若将子载波以资源块为单位进行分配，则K个用户的信道响应矩阵为其中且设NC_ID＝[1,2,...,Nc]，则矩阵是一个Tc×Nc的矩阵，其中是NC_ID关于(e)排列组合中的一种可能性，则用户资源块分配后的信道响应矩阵可表示为其中则步骤206：初始化BS与MBS端的功率步骤207：设置BS端和MBS端功率循环优化的初始值lp＝1；步骤208：计算BS端的SINR为和MBS端的SNR为步骤209：资源块配对，首先根据资源块信道增益对两跳中的资源块进行配对，定义BS端资源块的平均SINR为MBS端资源块的平均SNR为BS端资源块与MBS端资源块按如下原则进行配对：假设与配对，与配对，若则步骤210：对资源块对内的子载波进行配对；资源块对中，BS端子载波与MBS端子载波按如下原则进行配对假设与配对，与配对，若则步骤211：优化BS端与MBS端功率，对BS端与MBS端功率采用KKT条件进行迭代优化分配，得到BS端的优化功率为MSB端的优化功率为步骤212：判断优化功率是否收敛；即判断pm,n,k(1)(lp)-pm,n,k(1)(lp-1)≤ϵBpm,n,k(2)(lp)-pm,n,k(2)(lp-1)≤ϵR---(h)]]>是否成立，其中，εB＝εR＝10‑6,如果否，则返回步骤208，如果是，则进入步骤213；步骤213：若步骤212判断BS端与MBS端功率收敛，则输出pm,n,k(1)(lk)=pm,n,k(1)(lp)pm,n,k(2)(lk)=pm,n,k(2)(lp)---(i)]]>计算在此条件下的系统容量并返回步骤204；步骤214：比较不同用户资源分配条件下的系统容量，系统容量最大的即为得到的资源优化条件，即C＝max{C(lk)}。