一種基于af機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000。 本發(fā)明設(shè)及一種基于AF(放大重傳，Amplif>-and-Forward,AF)機(jī)制的雙向中繼 系統(tǒng)功率分配方法，目的是最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)走十年代，研究人員提出無線中繼通信，即采用接力的形式進(jìn)行信息的傳 輸，W提高通信質(zhì)量，抵抗無線信道衰落、陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)等的影響和擴(kuò)大通信范圍、克 服移動(dòng)終端功耗受限等問題。1995年，邸化實(shí)驗(yàn)室的Telatar、Foschini等人針對(duì)不相關(guān) 瑞利衰落信道，在最優(yōu)編解碼和接收端能夠準(zhǔn)確預(yù)知發(fā)射端信道狀態(tài)信息的假設(shè)下，理論 證明了接收端和發(fā)送端使用多天線（Multi-I噸utMulti-Ou化ut,MIM0)技術(shù)能夠使通信鏈 路的容量成倍的增加。雖然，MIM0技術(shù)在抗信道衰落和提升系統(tǒng)容量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)， 然而在小型無線移動(dòng)終端較難安置多天線的難題使得理想的MIM0技術(shù)在走向?qū)嵱玫倪^程 中步履維艱。為此，Sendonaris和Laneman等人提出協(xié)作中繼技術(shù)，通過不同用戶節(jié)點(diǎn)共 享彼此的天線和其它網(wǎng)絡(luò)資源的形式來構(gòu)造虛擬多天線陣列"，并通過分布式處理和協(xié)作 來獲得空間分集增益。然而，由于實(shí)際中繼通信系統(tǒng)的半雙工限制，使得傳統(tǒng)的單向協(xié)作中 繼術(shù)在提高無線通信性能的同時(shí)也帶來了頻譜效率的損失。為此，科研人員針對(duì)經(jīng)典的= 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，基于放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議提出了一種稱之為雙向中繼的協(xié)作中繼機(jī)制。雙 向中繼作為一種特殊的協(xié)作傳輸形式，能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和提高頻譜利用率，為無 線通信網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）中的高效數(shù)據(jù)通信提供了一種有效 的技術(shù)手段，已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。
[0003] 功率分配作為一種重要的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率的有效控制， 可W有效地提升系統(tǒng)整體傳輸性能，提高能量利用率，達(dá)到綠色節(jié)能和高效的目的。一般而 言，功率分配對(duì)應(yīng)兩類優(yōu)化問題；1)W系統(tǒng)QoS為目標(biāo)，發(fā)射機(jī)功率為約束條件；2)W發(fā)射 機(jī)功率為目標(biāo)，系統(tǒng)QoS為約束條件。最近，學(xué)術(shù)界針對(duì)第一類功率分配問題，已經(jīng)展開了 廣泛而又深入的研究。隨著"綠色無線電"概念的提出，如何節(jié)能減排，降低無線通信系統(tǒng)的 能量消耗，吸引了科技人員更多的關(guān)注。雖然，目前關(guān)于AF雙向中繼系統(tǒng)的高能效功率分 配技術(shù)研究取得了一些成果，但都未考慮發(fā)射機(jī)峰值發(fā)送功率受限情況。實(shí)際上，移動(dòng)通信 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，尤其是移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)，由于是電池供電，發(fā)射機(jī)的峰值發(fā)射功率是有限的。 此外，可W證明，在瑞利衰落環(huán)境下，不考慮發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率受限條件下的理想功率分 配技術(shù)，發(fā)射機(jī)的平均發(fā)射功率將趨于無窮。另外，為了進(jìn)行功率分配，發(fā)射機(jī)需要知道鏈 路信息。為了獲取鏈路信息，通常接收機(jī)通過發(fā)射機(jī)發(fā)射的導(dǎo)頻序列估計(jì)鏈路信息，然后再 將估計(jì)值反饋給發(fā)射機(jī)。該一過程中；一方面需要利用反饋信道，占用頻譜資源，并且鏈路 信息的反饋也需要消耗能量資源；另一方面，由于信道的時(shí)變性，當(dāng)信道快變時(shí)，接收機(jī)通 過信道估計(jì)并將估計(jì)到的鏈路信息反饋到發(fā)射機(jī)后，鏈路狀態(tài)可能已經(jīng)發(fā)生了變化。實(shí)際 上，對(duì)于時(shí)分系統(tǒng)而言，信道特性具有互易性。發(fā)射機(jī)可W通過長時(shí)間的觀測(cè)來獲得信道的 統(tǒng)計(jì)值，而不需要占用反饋信道或消耗額外的能量資源。因此，在快變信道條件下，發(fā)射機(jī) 可w利用信道的統(tǒng)計(jì)值來調(diào)整自身的發(fā)射功率，w優(yōu)化系統(tǒng)的性能。
[0004] 綜上，非常有必要，從綠色通信的角度，利用信道統(tǒng)計(jì)值，研究發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功 率受限和滿足系統(tǒng)QoS要求條件下的自適應(yīng)功率分配技術(shù)，W便具體應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提供一種一種基于AF(放大重傳，Amplif>-and-Forward,AF)機(jī)制的雙向 中繼系統(tǒng)功率分配方法，利用信道統(tǒng)計(jì)值，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率，來對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率 進(jìn)行調(diào)整，在滿足系統(tǒng)QoS要求和發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率受限條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總發(fā)射功率 的最小化，本方法適用于基于放大重傳機(jī)制的雙向中繼通信系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于AF機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)功率分配方法，其特征 在于；利用信道統(tǒng)計(jì)值，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，在滿足系統(tǒng) QoS要求和發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率受限條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總發(fā)射功率的最小化；
[0007] 對(duì)于基于AF機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)，系統(tǒng)中兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)Na和NB通過中繼N進(jìn)行信 息的交互，源節(jié)點(diǎn)Na和Ne之間的一次信息交互分兩個(gè)階段完成，若在時(shí)分雙工模式下，源節(jié) 點(diǎn)之間的一次信息交互將占用兩個(gè)連續(xù)并等長的時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙初，噸和Nc首先檢查k =入2/入1的值，其中^ 1和^ 2為雙向中繼信道的統(tǒng)計(jì)值，可W分別看做是源節(jié)點(diǎn)Na和Nb 到中繼節(jié)點(diǎn)Nc鏈路增益hAK和heK模的平方的率參數(shù)，即，IhJ2和IheK12的率參數(shù)，然后，根 據(jù)k的取值選擇W下5種情況之一：
[000引 Case1，當(dāng)&<7-4>后時(shí)，若
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于AF機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)功率分配方法，其特征在于：利用信道統(tǒng)計(jì)值，根 據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，在滿足系統(tǒng)QoS要求和發(fā)射機(jī)峰值發(fā) 射功率受限條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總發(fā)射功率的最小化； 對(duì)于基于AF機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)，系統(tǒng)中兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)乂和N B通過位于兩者之間的中 繼節(jié)點(diǎn)乂進(jìn)行信息的交互，源節(jié)點(diǎn)NJP心之間的一次信息交互分兩個(gè)階段完成，在時(shí)分雙 工模式下，源節(jié)點(diǎn)乂和NB2間的一次信息交互將占用兩個(gè)連續(xù)并等長的時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙 初，源節(jié)點(diǎn)乂和心首先檢查k= λ 的值，其中λ JP λ 2為雙向中繼信道的統(tǒng)計(jì)值，分 別看做是源節(jié)點(diǎn)乂和N Β到中繼節(jié)點(diǎn)N ,鏈路增益h ΑΚ和h ΒΚ模的平方的率參數(shù)，即，I h AK12和 I hBK 12的率參數(shù)，然后，根據(jù)k的取值選擇以下5種情況之一： Case 1，當(dāng)是<7 -4#時(shí)，若
成立，則乂和Nb的發(fā)射功率分別為：
否則，（PA, PB) = (inf, inf); Case 2, z 當(dāng)女<0.25時(shí)，若
成立，則乂和Nb的發(fā)射功率分別為：
否則，（PA, PB) = (inf, inf); Case 3,當(dāng)0. 25彡k彡4時(shí)，若
成立，則乂和心的發(fā)射功率由式（4)給出，否則，匕義）=(11^，11^); Case 4,當(dāng)4<左<7 + 4\^ 3 時(shí)，若
成立，則乂和心的發(fā)射功率由式（4)給出，否則，匕義）=(11^，11^); Case 5,當(dāng)/,:>7 + +s/J 時(shí)，若
成立，則乂和Nb的發(fā)射功率分別為：
否則，（PA, PB) = (inf, inf); 上述式中，P為發(fā)射機(jī)的最大峰值發(fā)送功率，QsS系統(tǒng)的QoS性能要求，z = 2 &-1，其 中r為源節(jié)點(diǎn)Na和N B的數(shù)據(jù)速率，（P A，PB) = (inf，inf)意味著Na和N B將不選擇發(fā)送，回 歸空閑狀態(tài)； 如上所述，若所檢查的不等式（1)、（3)、（5)、（6)或（7)不成立，則NJPNb回歸空閑狀 態(tài)，若成立則將各自的二進(jìn)制信息％和!^，通過編碼調(diào)制為發(fā)送信號(hào)&和sB，并同時(shí)向中繼 節(jié)點(diǎn)乂進(jìn)行發(fā)送，源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率分別根據(jù)式（2)、式（4)或式（8)計(jì)算得出； 第一個(gè)時(shí)隙末，中繼乂接收到的信號(hào)為： Jii = 4KhiRSl + 4^BhBRSB + WR (9) 其中，wKS Nr處的高斯白噪聲；接著，Nr將接收到的信號(hào)5^乘上放大參數(shù)
(10) 然后，Nk將檢查k = λ 2/λ i的值，并根據(jù)k的取值選擇以下3種情況之一，來決定自己 的發(fā)射功率： Case 1，當(dāng)h 7-4力時(shí)，Nk的發(fā)射功率為：
Case 2，當(dāng)7 -4·^ < A: < 7 + 4·^時(shí)，Nk的發(fā)射功率為：
Case 3,當(dāng)匕7 +4^時(shí)，Nk的發(fā)射功率為：
在第二時(shí)隙末，乂和Nb接收的信號(hào)分別為： 其中hKA和h KB分別為中繼N κ到源節(jié)點(diǎn)N
4和N B的鏈路增益，并且有h M= h AK，Iieb= h BK， wJP w j別為N 4和N B處的高斯白噪聲； 最后，乂和N 分別對(duì)y 4和y B進(jìn)行自干擾消除，再解調(diào)解碼獲得對(duì)方發(fā)送的信息，完 成信息的交互； 這里，NA、N#P N !^的峰值發(fā)送功率受限，即，O < P A，PB，Pk彡P(guān)，其中P為發(fā)射機(jī)的最大峰 值發(fā)射功率，系統(tǒng)對(duì)QoS性能的要求為Qs，其中Qs為中斷概率，雙向中繼系統(tǒng)作為一個(gè)多用 戶系統(tǒng)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)發(fā)生中斷事件，則認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生中斷事件，因此，系統(tǒng)中斷 概率寫為： Qout(pA-PB-PR) = Pr [min (IA, Ib) < r] = Pr[min(yA, γΒ) < ζ] (16) 對(duì)于一個(gè)AF雙向中繼系統(tǒng)Qwt (ΕΑ，ΕΒ，Εκ) < 須得到滿足； 下面，以最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率為目標(biāo)，以發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率受限和系統(tǒng)QoS要求 為條件，建立功率分配優(yōu)化問題，得 [p^ Pl^ Pr) = m P ,+Pb+Pr (17a) subject to Qout (PA, PB, Pr) ^Qs (17b) 0. PA, PB, Pe^ P (17c) 為了解問題（17)，即式（17a)、式（17b)和式（17c)組成的功率分配優(yōu)化問題，需要 將概率約束條件（17b)轉(zhuǎn)化為確定函數(shù)，因此，需要將Qwt(PA，PB，P k)的閉合表達(dá)式帶入 (17b)，然而，Qtjut (PA，PB，Pk)的閉合表達(dá)式不可行，這里給出一個(gè)精確的近似閉合表達(dá)式
然后，用式（18)替換概率約束條件（17b)，值得注意的是，式（18)是一個(gè)分段函數(shù)，一 共有三種可能，因此，存在這樣一個(gè)問題：功率分配問題的全局最優(yōu)點(diǎn)最后落在式（18)的 哪一段上？為了處理功率分配問題中的分段約束函數(shù)，設(shè)計(jì)了一種問題分解方法，首先，將 式（18)中的每一種可能單獨(dú)作為優(yōu)化問題（17)的一個(gè)約束條件，這樣，問題（17)可以分 解為三個(gè)子問題，然后，解這三個(gè)子問題，得到三組最優(yōu)解，接著，比較三組最優(yōu)解給出的系 統(tǒng)總發(fā)射功率，將能夠產(chǎn)生最小總發(fā)射功率的那組解作為功率分配問題（17)的最終解； 通過上述的方法得到問題（17)的最終解，即，源節(jié)點(diǎn)NJPN b以及中繼節(jié)點(diǎn)Nk的最優(yōu) 發(fā)射功率，可以根據(jù)k的取值分為以下5種情況： Case 1，當(dāng)&<7-4力時(shí)，若不等式（1)成立，則功率分配問題（17)的解為：
否則， Case 2,當(dāng)7-4力< A: <0.25時(shí)，若不等式（3)成立，則功率分配問題（17)的解為：
否則，（PWy = (inCinGinr); Case 3,當(dāng)0. 25彡k彡4時(shí)，若不等式（5)成立，則功率分配問題（17)的解由式（20) 給出，否則(Z5;，4g X inf，inf，inf); Case 4,當(dāng)4</t<7 + 4W時(shí)，若不等式（6)成立，則功率分配問題（17)的解由式（20) 給出，否則("4) = (inf，inf，inf); Case 5,當(dāng)A27 + 4力時(shí)，若不等式（7)成立，則功率分配問題（17)的解為：
(44/^ = (mr，inl:inr)表示功率分配優(yōu)化問題（17)不可行，意味著，在發(fā)射機(jī)峰值 發(fā)射功率限制條件下，無法找到可行解使得系統(tǒng)QoS要求得到滿足。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于AF機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)功率分配方法，適用于基于放大重傳機(jī)制的雙向中繼系統(tǒng)，本方法以系統(tǒng)QoS要求和發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率受限為約束條件，目標(biāo)是最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率；利用信道統(tǒng)計(jì)值和根據(jù)源節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求，對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，在滿足系統(tǒng)QoS要求和發(fā)射機(jī)峰值發(fā)射功率限制條件下，最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率。
【IPC分類】H04B7-02, H04W52-26
【公開號(hào)】CN104837194
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510236899
【發(fā)明人】吉曉東, 包志華, 章國安, 曹張華
【申請(qǐng)人】南通大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日