針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工df中繼最優(yōu)功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方法，涉及移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 第五代移動(dòng)通信將為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的服務(wù)質(zhì)量。然而，要 在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高的速率和更大的容量，就必須使用頻譜效率極高的無(wú)線傳輸 技術(shù)。盡管多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output,ΜΙΜΟ)技術(shù)已經(jīng)極大地提高 了無(wú)線通信系統(tǒng)的性能和容量，并且近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展，已成為新一代無(wú)線通信的 核心技術(shù)之一，然而現(xiàn)有通信系統(tǒng)中，無(wú)論頻分雙工（Frequency Division Duplex,FDD)模 式和還是時(shí)分雙工（Time Division Duplex,TDD)模式都通過(guò)占用不同的資源實(shí)現(xiàn)上、下行 通信來(lái)避免上下、行通信間的干擾，這顯然將浪費(fèi)一半的無(wú)線資源。所以如何利用同一信道 實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙向的傳輸現(xiàn)已成為5G后續(xù)演進(jìn)技術(shù)中可以挖掘的重要無(wú)線頻譜資源。
[0003] 最近幾年，全雙工無(wú)線通信技術(shù)逐漸引起了人們的重視，全雙工無(wú)線通信技術(shù)旨 在利用同一頻率進(jìn)行同時(shí)收發(fā)，這樣既節(jié)省了時(shí)間資源又節(jié)省了頻率資源，理想的全雙工 系統(tǒng)的頻譜利用率是FDD系統(tǒng)以及TDD系統(tǒng)的二倍。而全雙工中繼系統(tǒng)則是全雙工技術(shù) 與中繼技術(shù)的結(jié)合，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率的同時(shí)還能夠提高系統(tǒng)容量增加系統(tǒng)覆蓋面 積。而最優(yōu)功率分配策略，則是中繼系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)性能的保障。傳統(tǒng)的最優(yōu)功率分配策略 都是針對(duì)半雙工中繼系統(tǒng)的，而對(duì)于全雙工中繼系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)與半雙工完全不同，因此需 要重新構(gòu)建適用于全雙工中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)雙跳全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼（Decode-and_Forward，DF)系統(tǒng)的總功率 和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限問題，提供一種適用于雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配 方法，以使得系統(tǒng)的端到端的中斷性能達(dá)到最佳。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：
[0006] -種針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方 法，
[0007] 定義雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)由源節(jié)點(diǎn)（Rtl)、中繼節(jié)點(diǎn)（R1)以及目的節(jié)點(diǎn)（R 2)組 成，信號(hào)傳播的信道為瑞利衰落信道，假設(shè)Pi為節(jié)點(diǎn)Mi = 〇, 1)的發(fā)射信號(hào)的功率，當(dāng)不 考慮自由空間傳播損耗時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)& (j = 1，2)的接收到的來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)Ri (i = 0, 1)的 經(jīng)過(guò)衰落信道后信號(hào)的平均信噪比為：
[0008]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方 法， 定義雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)由源節(jié)點(diǎn)〇〇、中繼節(jié)點(diǎn)（RJ以及目的節(jié)點(diǎn)（R2)組成，信 號(hào)傳播的信道為瑞利衰落信道，假設(shè)Pi為節(jié)點(diǎn)Ri(i= 〇, 1)的發(fā)射信號(hào)的功率，當(dāng)不考慮自 由空間傳播損耗時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)&(j= 1，2)的接收到的來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)&(i= 0, 1)的經(jīng)過(guò)衰 落信道后信號(hào)的平均信噪比L為：
其中為信道衰落系數(shù)的模值的均方值，N。為噪聲功率； 當(dāng)給定接收信噪比門限Yth時(shí)，雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)的端到端的中斷概率P。（yth) 為：
其中，Yth= 2K-l，R為系統(tǒng)端到端的傳輸效率； 其特征在于：所述最優(yōu)功率分配方法的過(guò)程為： 步驟一、雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配目標(biāo)函數(shù)的建立： 當(dāng)節(jié)點(diǎn)總的發(fā)射功率受限為PT()tal并且單個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率受限為？^時(shí)，雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配策略等價(jià)為非線性最優(yōu)化問題：
其中，PMax=KPT()tal并且〇. 5〈k〈1;當(dāng)k彡〇. 5時(shí)，聯(lián)合受限將退化為單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率 受限；而當(dāng)k>0.5時(shí)，聯(lián)合受限將退化為總功率受限； 所述最優(yōu)化問題又等價(jià)于：
|對(duì)目標(biāo)函數(shù)去自然對(duì)數(shù)運(yùn)算后，則最優(yōu)化問題等價(jià) 為：
其中：
最終最優(yōu)功率分配問題轉(zhuǎn)化如公式（5)所示； 步驟二、根據(jù)上述式（5)進(jìn)行最優(yōu)化解算，求得使式（5)最大且滿足其約束條件得到的Pci和P完成最優(yōu)功率分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方法，其特征在于：步驟二中，根據(jù)上述式（5)進(jìn)行最優(yōu)化解算，求得使 式（5)最大且滿足其約束條件得到的&和pi，其具體過(guò)程如下： 步驟1:設(shè)目標(biāo)函數(shù)f(PQ，Pl):
步驟2 :目標(biāo)函數(shù)在受限區(qū)域內(nèi)不存在駐點(diǎn)，故目標(biāo)函數(shù)在受限區(qū)域內(nèi)不存在極值點(diǎn)； 而極值點(diǎn)一定處于邊界條件處，對(duì)于總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限區(qū)域，其邊界條件有 三個(gè)： 邊界條件一：{(Pci，Pi)IPcie(〇,pMax]，PlG(〇,pMJ，PQ+Pl =pTQtal}; 邊界條件二：{(Pci，Pi)IPQe(0,PT(rtal-PMax]，Pl=PMax}; 邊界條件三：{(Pci，Pi)IP〇=pMax，Pie(0,PTQtal-PMax]}; 接下來(lái)分別對(duì)三個(gè)邊界條件處的局部最優(yōu)解進(jìn)行求解，即步驟a、b、c同時(shí)進(jìn)行，最后 對(duì)在整個(gè)邊界條件處的全局最優(yōu)解進(jìn)行求解； 步驟a、分為如下6步對(duì)邊界條件一處的局部最優(yōu)解進(jìn)行求解： 步驟al:初始化區(qū)間邊界a與b:a= 0+ 〇 (8) b=PTotai_ 0 其中，〇為區(qū)間精度控制因子； 步驟a2 :中間變量^與b$的更新： a*=a+(l_g) (b-a) (9) b*=a+g(b_a) 其中，,i? = (W-l)/2為黃金分割比； 步驟a3 :判斷f(a'PT(rtal-a#)與f(b'PT(rtal-b#)的大?。? 如果f(a*，PT(rtal-a*)>f(b*，PTQtal_b*)，則b=b*; 否則，a=a% 步驟a4:判斷|a_b|>e是否成立，其中e為最優(yōu)值精度控制因子，如果成立則跳到步 驟a2 ;如果不成立則繼續(xù)執(zhí)行步驟a5 ; 步驟a5 代表最終計(jì)算得到的P(l，則有：
步驟a6:在邊界條件一處的局部最優(yōu)功率分配結(jié)果牝是
步驟b、分為如下7步對(duì)邊界條件二處的局部最優(yōu)解進(jìn)行求解： 步驟bl:判斷A/B> 1-k是否成立，如果成立則在邊界條件二處的局部最優(yōu)解小2為： ^ 2 -PTotal^Max (12) 如果不成立，則繼續(xù)執(zhí)行步驟b2 ; 步驟b2 :初始化區(qū)間邊界a與b:a= 0+ 〇 (13) b=PMax_ 0 其中，〇為區(qū)間精度控制因子； 步驟b3 :中間變量^與b$的更新： a*=a+(l_g) (b_a) (14) b*=a+g(b_a) 其中，g= (J_l)/2為黃金分割比； 步驟b4 :判斷f(a#，PMax)與f(b#，PMax)的大?。? 如果f(a'PMax)>f(b'PMax)，則b=b% 否則，a=a% 步驟b5:判斷|a_b|>e是否成立，其中e為最優(yōu)值精度控制因子，如果成立則跳到步 驟b3 ;如果不成立則繼續(xù)執(zhí)行步驟b6 ; 步驟b6 : 代表最終計(jì)算得到的P(l，則有：
步驟b7:在邊界條件二處的局部最優(yōu)功率分配結(jié)果（^是
步驟c、分為如下7步對(duì)邊界條件三處的局部最優(yōu)解進(jìn)行求解： 步驟cl:判斷B/A彡1-k是否成立，如果成立則在邊界條件三處的局部最優(yōu)解小3為： ^3=Plotal-Plax⑶ 如果不成立，則繼續(xù)執(zhí)行步驟C2 ; 步驟c2 :初始化區(qū)間邊界a與b:a= 0+ 〇 (18) b=PMax_0 其中，〇為區(qū)間精度控制因子； 步驟c3 :中間變量^與的更新： a*=a+(l-g) (b~a) (19) b*=a+g(b_a) 其中，,1^ = (>/^-1)/2.為黃金分割比； 步驟c4 :判斷f(PMax，a#)與f(PMax，b#)的大?。? 如果f(PMax，a*)>f(PMax，b*)，則b=b% 否則，a=a% 步驟c5:判斷|a_b|>e是否成立，其中e為最優(yōu)值精度控制因子，如果成立則跳到步 驟b3 ;如果不成立則繼續(xù)執(zhí)行步驟b6 ; 步驟c6 :A(1)代表最終計(jì)算得到的Pi，則有：
步驟c7:在邊界條件三處的局部最優(yōu)功率分配結(jié)果小3是
對(duì)三個(gè)邊界條件處的局部最優(yōu)解進(jìn)行求解后開始進(jìn)行執(zhí)行步驟3對(duì)全局最優(yōu)功率分 配進(jìn)行判斷求解； 步驟3 :對(duì)全局最優(yōu)功率分配結(jié)果進(jìn)行求解，結(jié)合三個(gè)邊界條件的局部最優(yōu)解后，最終 的全局最優(yōu)功率分配結(jié)果(/C/0為：
其中，W （ct2，PMax)，（PMax，小3)}。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方法，其特征在于，在步驟al、b2和c2中，區(qū)間精度控制因子〇取值 為 10_3。
【專利摘要】一種針對(duì)總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限的雙跳全雙工DF中繼最優(yōu)功率分配方法，涉及移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)雙跳全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼(Decode-and-Forward,DF)系統(tǒng)的總功率和單個(gè)節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合受限問題而提出的，使得系統(tǒng)的端到端的中斷性能達(dá)到最佳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)總的發(fā)射功率受限為PTotal并且單個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率受限為PMax時(shí)，建立雙跳全雙工DF中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配目標(biāo)函數(shù)并對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)化解算，求得使該式最大且滿足其約束條件得到的p0和p1；完成最優(yōu)功率分配。使用最優(yōu)功率分配算法時(shí)系統(tǒng)的中斷概率明顯低于使用等功率分配算法時(shí)系統(tǒng)的中斷概率。
【IPC分類】H04W72-08
【公開號(hào)】CN104581964
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410834900
【發(fā)明人】孟維曉, 陳雷, 韓帥
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月29日