多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法
【專利摘要】針對(duì)多跳多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明提出了一種基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法。在保證接收端信噪比大于一定的門限值的情況下，優(yōu)化兩個(gè)中繼組群的波束成形權(quán)值，使得所有中繼節(jié)點(diǎn)總發(fā)送功率最小化，實(shí)現(xiàn)能量的節(jié)約。通過(guò)計(jì)算，其中一個(gè)波束成形變量可以表述成另一個(gè)的函數(shù)，使得兩個(gè)變量的問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)變量的優(yōu)化問(wèn)題，然后通過(guò)遺傳算法獲得最優(yōu)的中繼權(quán)值變量和最小的中繼功率。該算法在統(tǒng)計(jì)意義上可以獲得全局最優(yōu)解，避免了以往用凸優(yōu)化迭代計(jì)算兩個(gè)變量，容易陷入局部最優(yōu)的困擾。
【專利說(shuō)明】多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種在多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法，該方法屬于無(wú)線通信、信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]人們對(duì)實(shí)時(shí)通信速率越來(lái)越高的需求和現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過(guò)多個(gè)天線分別實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收。MIMO在不需要增加總帶寬和總發(fā)送功率損耗的情況下，利用空間復(fù)用技術(shù)，可以大幅度增加系統(tǒng)的容量，提升頻譜效率。MMO系統(tǒng)通過(guò)多根天線帶來(lái)的空間分集，可以對(duì)抗傳播中遇到的信道衰落，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。在MIMO系統(tǒng)的多輸出天線中，利用多根天線將信號(hào)能量集中在一個(gè)方向進(jìn)行波束成形，可以加強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量，減少干擾。然而由于多天線直接為避免相互干擾，天線直接需要有一定間距，從而使得MMO系統(tǒng)終端的體積和消耗功率隨著天線數(shù)目的增加而隨之增長(zhǎng)，不便攜帶和移動(dòng)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，隨之提出的協(xié)作通信技術(shù)可以很好的解決。
[0003]現(xiàn)階段中，由于移動(dòng)終端體積的限制，每個(gè)移動(dòng)終端皆配有一根天線。協(xié)作通信是指在通信網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)配備單根天線的移動(dòng)終端相互配合轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，從而形成一種虛擬的MIMO系統(tǒng)，獲得MMO系統(tǒng)中分集增益。在現(xiàn)階段研究過(guò)程中，由于發(fā)送端到接收端距離較遠(yuǎn)，信道衰落較大，從而協(xié)作通信通常在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中選取一部分移動(dòng)終端作為中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)通常有三種模式，分別是放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)。由于其中放大轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)施起來(lái)最為方便，我們通常采用此種模式。
[0004]在信號(hào)衰落和路徑損耗非常嚴(yán)重的時(shí)候，僅靠一組中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)并不能獲得非常良好的效果。在這種情況下，我們考慮多跳的中繼網(wǎng)絡(luò)，即在發(fā)送端和接收端之間有兩組中繼節(jié)點(diǎn)群依次通過(guò)加權(quán)波束形成轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，從而獲得信號(hào)質(zhì)量的改善和傳輸距離的增力口。由于傳輸過(guò)程中中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，導(dǎo)致總的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率損耗增大。在保障接收端信噪比大于一定的門限值時(shí)，如何優(yōu)化兩個(gè)中繼群組的波束成形權(quán)值，從而使得中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率最小，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。以往有通過(guò)凸優(yōu)化迭代方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但容易陷入局部最優(yōu)解。這里通過(guò)使用遺傳算法來(lái)尋求全局最優(yōu)解，在統(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)，能夠得到所需最小功率值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種在多跳中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的新的優(yōu)化算法，即在保證接收端的信噪比大于一定的門限值時(shí)，聯(lián)合優(yōu)化兩個(gè)中繼群組的波束成形權(quán)值變量，從而使中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)所需功率最小化，從而實(shí)現(xiàn)能量的節(jié)約。在本方法中，通過(guò)簡(jiǎn)化求解，使得其中一個(gè)權(quán)值變量可以完全被另一個(gè)波束成形權(quán)值變量表述出來(lái)，把兩個(gè)變量簡(jiǎn)化為一個(gè)變量然后運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算，從而在統(tǒng)計(jì)意義上得到功率的最小值，即全局最優(yōu)解。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:[0007]—種在多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法，該方法基于一個(gè)多跳多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組群和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均配置單根天線采用半雙工的方式來(lái)發(fā)送或接收信號(hào)；假設(shè)由于信道衰落的嚴(yán)重影響，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與第二個(gè)中繼群組，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與第一個(gè)中繼群組之間沒(méi)有直接鏈路進(jìn)行通信，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸需要通過(guò)兩個(gè)中繼組群的協(xié)作來(lái)完成；
[0008]在該系統(tǒng)中，信息傳輸?shù)倪^(guò)程分為三個(gè)階段:在第一個(gè)階段，源節(jié)點(diǎn)向第一個(gè)中繼群組發(fā)送廣播信息；在第二個(gè)階段，第一個(gè)中繼組群接收到疊加了信道噪聲的信息后，對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行波束成形加權(quán)，然后通過(guò)放大轉(zhuǎn)發(fā)模式向第二個(gè)中繼群組發(fā)送廣播信號(hào)；在第三個(gè)階段，第二個(gè)中繼群組收到混疊了噪聲的信號(hào)，同樣通過(guò)放大轉(zhuǎn)發(fā)的模式向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送波束成形加權(quán)廣播信號(hào)，最后目的節(jié)點(diǎn)接收到混疊信道噪聲后的信號(hào)；
[0009]在保證目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的信噪比不小于給定的門限值的情況下，優(yōu)化兩個(gè)中繼群組的波束成形向量，使得兩個(gè)中繼群組的總功率消耗最??；具體實(shí)施中，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算把兩個(gè)波束成形向量中第二個(gè)波束成形向量完全用第一個(gè)向量來(lái)表述，從而把兩個(gè)變量的優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化為單變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，最后采用遺傳算法解決，獲得全局最優(yōu)解，具體步驟如下:
[0010]步驟一、選擇固定的M個(gè)節(jié)點(diǎn)組成第一個(gè)中繼群組，另外選擇固定的K個(gè)節(jié)點(diǎn)組成第二個(gè)中繼組群，設(shè)定目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)信噪比的門限值Y，通過(guò)信道估計(jì)獲得源節(jié)點(diǎn)到第一個(gè)中繼群的信道參數(shù)向量Ii=Dll, h2...hM]T，兩個(gè)中繼群之間的信道參數(shù)矩陣L e Rkxm和第二個(gè)中繼群到目的節(jié)點(diǎn)的信道參數(shù)向量g=[gl，g2...gK]T;
[0011]步驟二、設(shè)定第一個(gè)中繼群的波速成形權(quán)值向量為W=IiW1, W2...wM]τ,第二個(gè)中繼群的權(quán)值為V=[Vl，V2...νκ]τ ;初始化w的種群，根據(jù)兩個(gè)波束成形向量之間的關(guān)系得出等式
【權(quán)利要求】
1.一種在多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的功率優(yōu)化方法，該方法基于一個(gè)多跳多中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組群和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均配置單根天線采用半雙工的方式來(lái)發(fā)送或接收信號(hào)；假設(shè)由于信道衰落的嚴(yán)重影響，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與第二個(gè)中繼群組，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與第一個(gè)中繼群組之間沒(méi)有直接鏈路進(jìn)行通信，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸需要通過(guò)兩個(gè)中繼組群的協(xié)作來(lái)完成； 在該系統(tǒng)中，信息傳輸?shù)倪^(guò)程分為三個(gè)階段:在第一個(gè)階段，源節(jié)點(diǎn)向第一個(gè)中繼群組發(fā)送廣播信息；在第二個(gè)階段，第一個(gè)中繼組群接收到疊加了信道噪聲的信息后，對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行波束成形加權(quán)，然后通過(guò)放大轉(zhuǎn)發(fā)模式向第二個(gè)中繼群組發(fā)送廣播信號(hào)；在第三個(gè)階段，第二個(gè)中繼群組收到混疊了噪聲的信號(hào)，同樣通過(guò)放大轉(zhuǎn)發(fā)的模式向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送波束成形加權(quán)廣播信號(hào)，最后目的節(jié)點(diǎn)接收到混疊信道噪聲后的信號(hào)； 在保證目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的信噪比不小于給定的門限值的情況下，優(yōu)化兩個(gè)中繼群組的波束成形向量，使得兩個(gè)中繼群組的總功率消耗最??；具體實(shí)施中，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算把兩個(gè)波束成形向量中第二個(gè)波束成形向量完全用第一個(gè)向量來(lái)表述，從而把兩個(gè)變量的優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化為單變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，最后采用遺傳算法解決，獲得全局最優(yōu)解，具體步驟如下:步驟一、選擇固定的M個(gè)節(jié)點(diǎn)組成第一個(gè)中繼群組，另外選擇固定的K個(gè)節(jié)點(diǎn)組成第二個(gè)中繼組群，設(shè)定目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)信噪比的門限值Y，通過(guò)信道估計(jì)獲得源節(jié)點(diǎn)到第一個(gè)中繼群的信道參數(shù)向量Ii=Di1, h2...hM]T，兩個(gè)中繼群之間的信道參數(shù)矩陣L e Rkxm和第二個(gè)中繼群到目的節(jié)點(diǎn)的信道參數(shù)向量S=Iig1, g2...gK]T; 步驟二、設(shè)定第一個(gè)中繼群的波速成形權(quán)值向量為w=[Wl，w2...wM]T，第二個(gè)中繼群的權(quán)值為V=[Vl，V2...νκ]τ ;初始化W的種群，根據(jù)兩個(gè)波束成形向量之間的關(guān)系得出等式
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK103873126SQ201410130886
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】劉琚, 盧冰冰, 王超 申請(qǐng)人:山東大學(xué)