CN102123490A - 基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法 - Google Patents

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本发明公开了一种基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法，其特征在于，按以下步骤进行：S1：建立N个节点的双向线性多跳网络；S2：利用弗里斯公式依次计算每条链路的传播损耗；S3：按照公式计算系统参数w；S4：设定系统总发射功率为；S5：按；，；确定每个节点的发射功率。其显著效果是：采用上述方法可以获得每个节点的最优发射功率值，网络中的节点按照所得的最优功率值进行功率控制，在系统总功率一定的情况下，可以使系统的中断概率最小，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法
技术领域
本发明属于通信与信息领域中的功率控制技术，具体地说，是一种基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法。
背景技术
下一代无线网络将提供高数据速率传输服务。作为一种最有前景的结构，多跳中继网络引起了很大关注。相比传统网络结构，多跳中继网络能够提供更大的系统容量，更宽的覆盖范围，并且使用更简单的路由算法以及消耗更少的发射功率。
但是，由于半双工模式的中继传输使得系统频谱利用率下降。为克服频谱利用率的下降的缺陷，人们提出了网络编码协议。以三节点的中继系统为例，使用网络编码的方案只需要三个时隙来交换信息，而传统方案要消耗四个时隙，由此克服了频谱利用率的损失。
而将网络编码应用于物理层，系统容量将得到进一步提升。应用于物理层的网络编码可以分为两类：模拟网络编码（ANC）和物理层网络编码（PNC）。在这两种协议里，两个源节点同时发送各自的信息给中继节点。在ANC协议里，中继节点将收到的叠加信号线性放大，再广播给目地节点。在PNC协议里，中继节点对收到的叠加信号进行映射操作，再广播给目地节点。由于知道已发送的信息，目地节点则能够从接收到的广播信号里提取出想要的信息。
而我们注意到，采用合适的功率分配方案可使得PNC中继系统的各方面性能得到有效提升。现有技术中虽然提出了以误码率最小或者中断概率最小为标准的各种功率分配方案，但是他们只考虑了单向传输情况。而在双向多跳协议里，网络具有两条相反方向的数据流，因此需要在同时考虑这两条数据流的情况下分析系统中断性能。
发明内容 
本发明的目的是提供一种适合双向多跳网络的功率控制方法，特别是基于物理层网络编码的双向多跳网络，使用该方法可以获得网络中各个节点的最优发射功率值，网络中各个节点按照本方法所得出的功率值进行功率控制，可以使得系统中断概率最低，系统工作性能更加稳定。
为达到上述目的，本发明所采用的方案按照如下步骤进行：
S1：建立N个节点的双向线性多跳网络，其中包括N-1条上行链路和N-1条下行链路，N为大于或等于3的整数；
S2：从左向右将N-1条上行链路依次标记为                                                
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE001
,N-1条下行链路依次标记为
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE002
，设定相同节点之间的上行链路和下行链路传播损耗相同，并标记为，利用弗里斯公式依次计算第n条链路的传播损耗，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE005
，式中
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE006
是链路中的发射天线增益，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE007
是链路的接收天线增益，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE008
是发射电波的波长， 
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE009
是链路中两节点之间的距离，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE010
是系统损耗因子,
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE011
是路径损耗因子，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE012
是阴影衰落因子，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE013
是信道噪声功率；
S3：按照公式
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE014
计算系统参数w；
S4：将所述双向线性多跳网络中系统总发射功率设定为
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE015
，并将N个节点的发射功率依次记为；
S5：按下式确定每个节点的发射功率
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE017
，其中：
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE018
；
，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE021
 ；
上式中为步骤S2中所得的第n条链路的传播损耗，，w为步骤S3中所得的系统参数，为步骤S4中所确定的系统总发射功率。
本发明的显著效果是：基于物理层网络编码的双向多跳网络采用本发明所提供的方法可以获得每个节点的最优发射功率值，网络中的节点按照所得的最优功率值进行功率控制，在系统总功率一定的情况下，可以使系统的中断概率最小，从而提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的方法步骤图；
图2是双向线性多跳网络的节点模型图；
图3是具体实施例中3节点双向线性网络结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法，按照以下步骤进行：
S1：建立N个节点的双向线性多跳网络，其中包括N-1条上行链路和N-1条下行链路，N为大于或等于3的整数，节点链路模型如图2所示；
S2：从左向右将N-1条上行链路依次标记为,N-1条下行链路依次标记为
Figure 774465DEST_PATH_IMAGE002
，设定相同节点之间的上行链路和下行链路传播损耗相同，并标记为
Figure 103816DEST_PATH_IMAGE003
，利用弗里斯公式依次计算第n条链路的传播损耗，
Figure 33911DEST_PATH_IMAGE005
，式中
Figure 27275DEST_PATH_IMAGE006
是链路中的发射天线增益， 是链路的接收天线增益，
Figure 580933DEST_PATH_IMAGE008
是发射电波的波长， 
Figure 104319DEST_PATH_IMAGE009
是链路中两节点之间的距离，是系统损耗因子,
Figure 838105DEST_PATH_IMAGE011
是路径损耗因子，
Figure 175546DEST_PATH_IMAGE012
是阴影衰落因子，
Figure 819017DEST_PATH_IMAGE013
是信道噪声功率；
假设所有的节点具有相同的
Figure 216500DEST_PATH_IMAGE006
，，
Figure 24236DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 584530DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 356177DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 369133DEST_PATH_IMAGE012
 和，则
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE023
随着
Figure 666439DEST_PATH_IMAGE009
的改变而改变，由于
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE025
是两个相同节点之间的通信链路，节点之间的距离相同，所以
Figure 171555DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 592172DEST_PATH_IMAGE025
具有相同的
Figure 132918DEST_PATH_IMAGE023
。
当我们将N-1条上行链路依次标记为
Figure 246368DEST_PATH_IMAGE001
时，其对应链路的平均信噪比可记为
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE026
；同理，N-1条下行链路
Figure 233915DEST_PATH_IMAGE002
对应的信噪比可记为，假设任意两个节点之间的链路的衰落幅度服从瑞丽分布，那么链路的信噪比则服从指数分布，从而可将链路平均信噪比表示为
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE029
，其中
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE031
是第m个节点的发送功率。
当链路的信噪比小于信噪比门限
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE032
时将发生中断。我们设定2(N-1)条链路中的任意一条链路发生中断都会导致系统中断，且所有链路的信噪比门限都为
Figure 645174DEST_PATH_IMAGE032
。因此，系统中断概率
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE033
可以表示为：
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE034
由于2(N-1)条链路中的任意一条链路发生中断都会导致系统中断，所以N节点线性网络的系统中断概率即可表示为：
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE035
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE037
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE039
在系统总功率一定的条件下，最优的功率分配方案应该使得系统的中断概率
Figure 893622DEST_PATH_IMAGE033
最小，则其最优化问题可以理解为：
在
Figure DEST_PATH_IMAGE040
 的条件下，将
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE041
最小化，可简化为在
Figure 302606DEST_PATH_IMAGE040
 的条件下，将
Figure DEST_PATH_IMAGE042
最大化。
根据最优化理论可以发现，目标函数是凸的，且限制条件是线性的，所以优化问题是一个凸问题，从而有唯一解。首先，将目标函数修改为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE045
将
Figure DEST_PATH_IMAGE046
的梯度置为零，得到方程组，解得
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE047
Figure DEST_PATH_IMAGE048
   
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE049
Figure 902084DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 930083DEST_PATH_IMAGE014
，实际使用中，先利用所有链路的信道信息集中计算得到，将
Figure 173982DEST_PATH_IMAGE050
传递给所有节点，然后各个节点通过简单计算得到各自的发送功率
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE051
，如步骤S3、S4以及S5所述。
S3：按照公式计算系统参数w；
S4：将所述双向线性多跳网络中系统总发射功率设定为
Figure 325795DEST_PATH_IMAGE015
，并将N个节点的发射功率依次记为；
S5：按下式确定每个节点的发射功率
Figure 255891DEST_PATH_IMAGE017
，其中：
Figure 672922DEST_PATH_IMAGE018
；
，；
 ；
上式中为步骤S2中所得的第n条链路的传播损耗，
Figure 850963DEST_PATH_IMAGE005
，w为步骤S3中所得的系统参数，
Figure 24455DEST_PATH_IMAGE015
为步骤S4中所确定的系统总发射功率。
按照以上方法所得出的最优功率值对系统中各个节点的功率进行控制，可得系统中断概率为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，其值小于等功率分配时系统的中断概率值，系统的稳定性更强。
为了更好地理解本发明提出的一种基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法的显著效果，在此以三节点双向线性网络为例作进一步说明。
如图3所示，三节点线性网络，双向传输总共只需要2个时隙。在第一个时隙，节点1和节点3同时发送各自的信号给节点2，节点2对收到的叠加信号进行映射操作。在第二个时隙，节点2将映射后的信号广播给节点1和节点3。
根据上述说明可知，三节点网络的中断概率可表示为
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE053
Figure DEST_PATH_IMAGE054
由于信噪比是指数分布的，且它的平均值为，所以
Figure 190043DEST_PATH_IMAGE033
可以表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE058
其中，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE059
是节点
Figure DEST_PATH_IMAGE060
的发射功率，
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE061
。
如果采用等功率分配，总功率
Figure DEST_PATH_IMAGE062
一定的限制条件之下，等功率分配使得每个节点分配到相等的功率
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE063
。则等功率分配的中断概率可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
 ；
如果采用本发明所提出的方法进行功率分配，在总功率
Figure 535443DEST_PATH_IMAGE062
一定的限制条件之下，其中断概率的最优化问题可以表述为在 的限制条件下将
Figure DEST_PATH_IMAGE066
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE067
最小化。为了最小化目标函数，我们应该最大化
Figure DEST_PATH_IMAGE068
。从而，最优化问题可以简化为
在
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE069
的限制条件下最大化 
Figure DEST_PATH_IMAGE070
。
首先，修改目标函数为：
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE071
然后，将
Figure 433997DEST_PATH_IMAGE046
的梯度置为零，则各偏导数为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
解方程，得到各节点的发送功率
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE073
Figure DEST_PATH_IMAGE074
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE075
从而得到采用本发明所提出的方法进行功率控制时系统的中断概率  。
可以看出
Figure 2011101007659100002DEST_PATH_IMAGE077
，即采用本发明所提出的方法进行功率控制时系统的中断概率小于等功率分配时系统的中断概率。

Claims (1)

1.一种基于物理层网络编码的双向多跳网络的功率分配方法，其特征在于，按以下步骤进行：
S1：建立N个节点的双向线性多跳网络，其中包括N-1条上行链路和N-1条下行链路，N为大于或等于3的整数；
S2：从左向右将N-1条上行链路依次标记为                                                
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE001
,N-1条下行链路依次标记为
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE002
，设定相同节点之间的上行链路和下行链路传播损耗相同，并标记为
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE003
，利用弗里斯公式
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE004
依次计算第n条链路的传播损耗，，式中
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE006
是链路中的发射天线增益，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE007
是链路的接收天线增益，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE008
是发射电波的波长， 
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE009
是链路中两节点之间的距离，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE010
是系统损耗因子,是路径损耗因子，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE012
是阴影衰落因子，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE013
是信道噪声功率；
S3：按照公式计算系统参数w；
S4：将所述双向线性多跳网络中系统总发射功率设定为
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE015
，并将N个节点的发射功率依次记为
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE016
；
S5：按下式确定每个节点的发射功率
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE017
，其中： 
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE020
；
 ；     
上式中
Figure 2011101007659100001DEST_PATH_IMAGE022
为步骤S2中所得的第n条链路的传播损耗，
Figure 706005DEST_PATH_IMAGE005
，w为步骤S3中所得的系统参数，为步骤S4中所确定的系统总发射功率。
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