[发明专利]一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法，其在保证用户间公平性的情况下，引入目标速率比例约束条件，并分步进行子载波分配及比特和功率分配，即首先根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数进行子载波分配；然后根据每个用户的目标速率要求，对每个用户所占用的所有子载波进行等比特分配；接着根据功率最小化准则，将剩余比特分配给增加1比特所需额外功率最小的子载波；最后在各用户分配总比特不变情况下，根据比特交换准则在子载波间进行比特交换；本发明方法不仅保证了用户间的公平性，而且根据比特交换准则，使得功率分配达到最优，从而使多用户电力线通信系统的总发射功率最小化。

主权项

1.一种基于比特交换的多用户电力线通信系统资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：①设定多用户电力线通信系统中有K个用户，并设定多用户电力线通信系统采用OFDM调制技术，每个OFDM符号内有N个子载波，其中，K>1，N≥1；②根据信息论知识，获取多用户电力线通信系统中的每个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率的理论值，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则将第k个用户在第n个子载波上达到的速率记为r_k,n，r_k,n的理论值为其中，1≤k≤K，1≤n≤N，H_k,n表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益，P_k,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率，表示第k个用户在第n个子载波上的噪声功率，Γ表示第n个子载波上的信噪比差额；接着构建多用户电力线通信系统中的功率最小化问题，表述为：其中，min表示“使最小化”，1≤k≤K，1≤n≤N，β_k,n的取值为0或为1，β_k,n＝1表示第k个用户占用第n个子载波，β_k,n＝0表示第k个用户未占用第n个子载波，p_k,n表示第k个用户在第n个子载波上分配的功率，s.t.表示“受约束于”，符号表示“任意”，表示由0～b内的所有整数构成的集合，b表示每个用户在其所占用的每个子载波上传输的比特数的上限，R_k表示第k个用户的目标速率要求，R表示多用户电力线通信系统的合目标速率要求，γ₁、γ₂、γ_K均为正整数，γ₁表示第1个用户对应的目标速率比例约束系数，γ₂表示第2个用户对应的目标速率比例约束系数，γ_K表示第K个用户对应的目标速率比例约束系数，约束条件C1表示每个子载波最多只能被一个用户所占用；约束条件C2表示每个用户在各个子载波上的速率为0～b内的整数；约束条件C3表示每个用户都需满足其目标速率要求，多用户电力线通信系统需满足其合速率要求；约束条件C4表示各用户间的目标速率需满足非线性比例约束；所述的步骤②中设多用户电力线通信系统中的所有子载波都采用正交幅度调制且误码率相同，则每个子载波上的信噪比差额相同，即Q^‑1()为Q()的反函数，Q()为标准正态分布的右尾函数，P_e表示每个子载波的误码率；③为每个用户分配子载波数目，并为每个用户分配子载波，具体过程为：③_1、根据所有用户各自对应的目标速率比例约束系数，为每个用户初步分配子载波数目，将初步分配给第k个用户的子载波数目记为cm_k，其中，符号为向下取整符号，γ_k表示第k个用户对应的目标速率比例约束系数；③_2、在优先把子载波分配给使其信道增益最大的用户的原则下，为每个用户分配信道条件最好的子载波，直至每个用户分配到的子载波的总数达到初步分配给该用户的子载波数目；③_3、将剩余的未被分配的每个子载波以子载波选择用户的形式分配给使其信道增益最大的用户，然后统计最终分配给每个用户的子载波的总数，将最终分配给第k个用户的子载波的总数记为m_k；④为每个用户所占用的每个子载波分配比特，并计算每个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率；对于第k个用户，为第k个用户所占用的每个子载波分配比特，并计算第k个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率的具体过程为：④_1、根据第k个用户的目标速率要求，对第k个用户所占用的所有子载波进行等比特分配，使得第k个用户在其所占用的每个子载波上达到的速率相同，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则令其中，符号为向下取整符号；④_2、计算第k个用户在其所占用的每个子载波上增加1比特所需的功率增量，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则将第k个用户在第n个子载波上增加1比特所需的功率增量记为e_k,n(r_k,n+1)，④_3、如果第k个用户所需的比特已全部分配完毕，则直接执行步骤④_5；如果第k个用户所需的比特未全部分配完毕，则执行步骤④_4；④_4、先找出第k个用户对应的所有功率增量中的最小功率增量及该最小功率增量对应的子载波，假设该子载波为第n^*个子载波，则将剩余的未分配的所有比特中的1比特分配给第n^*个子载波，然后重新计算第k个用户在第n^*个子载波上增加1比特所需的功率增量再返回步骤④_3继续执行；其中，n^*∈[1,N]；④_5、计算第k个用户在其所占用的每个子载波上减少1比特所需的功率减量，假设第m个子载波被第k个用户所占用，则将第k个用户在第m个子载波上减少1比特所需的功率减量记为e_k,m(r_k,m)，其中，1≤m≤N，r_k,m表示第k个用户在第m个子载波上达到的速率，表示第k个用户在第m个子载波上的噪声功率，H_k,m表示第k个用户在第m个子载波上的信道增益；④_6、找出第k个用户对应的所有功率增量中的最小功率增量，并找出第k个用户对应的所有功率减量中的最大功率减量，假设第k个用户对应的最小功率增量为第k个用户在其所占用的第i个子载波上增加1比特所需的功率增量e_k,i(r_k,i+1)，第k个用户对应的最大功率减量为第k个用户在其所占用的第j个子载波上减少1比特的功率减量e_k,j(r_k,j)，则如果e_k,j(r_k,j)>e_k,i(r_k,i+1)，那么执行步骤④_7；如果e_k,j(r_k,j)≤e_k,i(r_k,i+1)，那么执行步骤④_8；上述，i∈[1,m_k]，j∈[1,m_k]，i≠j；④_7、将第j个子载波上的1比特加载到第i个子载波上；然后重新计算第k个用户在其所占用的第i个子载波上增加1比特所需的功率增量e_k,i(r_k,i+1)和减少1比特所需的功率减量e_k,i(r_k,i)、第k个用户在其所占用的第j个子载波上增加1比特所需的功率增量e_k,j(r_k,j+1)和减少1比特所需的功率减量e_k,j(r_k,j)，在重新计算的过程中，若第j个子载波上的比特的数目为0，则直接令e_k,j(r_k,j)＝0，若第i个子载波上的比特的数目为b，则直接令e_k,i(r_k,i+1)＝∞；接着返回步骤④_6继续执行，以在保证第k个用户分配的总比特不变情况下完成比特交换；上述，∞表示无穷大；④_8、根据注水算法，计算第k个用户在其所占用的每个子载波上分配的功率，假设第n个子载波被第k个用户所占用，则计算第k个用户在第n个子载波上分配的功率p_k,n，