CN102545992A - Df中继系统的最优中继选择和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，包括以下步骤：S1：选择具有最大等效信道增益的中继节点作为最优中继节点；S2：以源节点的传输功率与所述最优中继节点的传输功率的功率分配比例为变量，得到中继系统的总中断概率函数；S3：通过遗传算法求解所述功率分配比例，使中继系统达到最优化系统总中断概率。本发明的方法可以使中继系统达到最优化的系统总中断概率，提高中继系统性能。

Description

DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法。

背景技术

协作中继技术是3GPP中深入讨论的LTE-Advanced关键增强型技术之一，以其有效对抗信道衰落和提高系统传输性能的特性受到越来越多的关注，其基本思想是通过网络中用户间天线的共享建立一个虚拟的MIMO系统，进而获得系统的分集增益。放大直传(AF)和译码转发(DF)是当前热点的两个中继协议，AF中继将接收的信号放大后直接传向目的节点，而DF中继先对接收信号进行译码，如果译码成功，则再将其编码并将其发送至目的节点。

功率分配和中继选择是进一步提高系统性能的两个研究热点。现有技术表明，在协作系统中只选择一个最优中继的系统性能要优于多个中继都直接参与传输的系统性能。在一些现有技术中采用机会中继的选择策略对系统的中断概率进行优化，但其并未考虑源节点到目的节点的直传链路可用的情况下的系统性能。还有一些现有技术对系统进行自适应的功率分配从而提高系统的误符号率和降低系统的中断概率，但其同样没有考虑直传链路，并且只考虑系统只有一个中继的情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，以使中继系统达到最优化系统总中断概率。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，包括以下步骤：

S1：选择具有最大等效信道增益的中继节点作为最优中继节点；

S2：以源节点的传输功率与所述最优中继节点的传输功率的功率分配比例为变量，得到中继系统的总中断概率函数；

S3：通过遗传算法求解所述功率分配比例，使中继系统达到最优化系统总中断概率。

优选地，步骤S2中所述总中断概率函数表示为：

Pr{outage}＝Pr_s，d{outage}[Pr_s，r{outage}+Pr_r，d{outage}]

其中，Pr{outage}为中继系统的总中断概率，Pr_s，d{outage}为源节点到目的节点链路的中断概率，Pr_s，r{outage}为源节点到中继节点链路的中断概率，Pr_r，d{outage}为当源节点到中继节点的链路不中断时中继节点到目的节点链路的中断概率。

优选地，步骤S3通过遗传算法求解功率分配比例的步骤具体包括：

S31：随机产生初始化的个体，并设迭代次数为0，所述个体为功率分配比例值；

S32：计算个体对中继系统的总中断概率的适应度；

S33：根据步骤S32计算的适应度产生新的个体；

S34：检查迭代次数是否到达设定的迭代次数最大值：

如果没有到达，则将迭代次数加1后转到步骤S32；

如果已经到达，则遗传算法停止并返回最优的系统总中断概率优化结果。

优选地，所述步骤S31还包括对随机产生初始化的个体进行十进制编码的步骤。

优选地，所述步骤S31具体为：随机产生N个二进制字符串的个体，其二进制字符串长度由预先设定的精度来确定，然后将产生的二进制个体转化十进制。

优选地，所述步骤S33具体包括以下步骤：

S331：根据选择概率选择具有高适应度的个体作为父类，并丢弃适应度低的个体；

S332：根据交叉概率，对步骤S331所选的父类进行交叉操作，从而产生新一代的个体；

S333：根据变异概率，对步骤S332产生的新个体进行变异操作。

(三)有益效果

本发明提出了两跳多中继译码转发(DF)协作系统在总功率一定的情况下的基于遗传算法的自适应功率分配和最优中继选择策略，其可以最小化系统的中断概率；最优功率分配策略大大的提高了系统的性能。

附图说明

图1为根据本发明实施例DF中继系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例方法的步骤流程示意图；

图3为根据本发明实施例方法步骤3的具体步骤流程图；

图4为根据本发明实施例方法步骤33的具体步骤流程图；

图5为根据本发明实施例自适应功率分配系统和现有技术等功率分配系统的系统中断性能对比曲线图；

图6为根据本发明实施例系统在不同中继节点数目情况下的系统中断性能对比曲线图；

图7为根据本发明实施例在直传链路不中断的情况下的自适应功率分配系统和现有技术等功率分配系统的系统中断性能对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

如图1所示，本实施例的DF中继系统由一个源节点s，一个目的节点d和K个中继节点r₁，…，r_k组成。中继系统中每个节点配备单根天线并采用半双工的方式。定义系统的总传输功率为P，所以源节点和中继节点的传输功率可表示为

P_s＝αP                                      (1)

$P_{r_{\mathrm{opt}}}=(1-\mathrm{\α})P---\left(2\right)$

式中，P_s为源节点的传输功率，α(0＜α＜1)为功率分配系数，

为最优中继节点的传输功率。因为系统中仅选择一个最优中继，所以其他中继节点的功率分配均为零。

本实施例中继系统的协作通信分为两个阶段。在第一阶段，源节点广播信号x至所有中继节点和目的节点，其接收信号可表示为

$y_{{s,r}_i}=\sqrt{P_s}{h}_{s,i}x+n_{s,i}---\left(3\right)$

$y_{s,d}=\sqrt{P_s}{h}_{s,d}x+n_{s,d}---\left(4\right)$

其中，h_s，i和h_s，d分别表示源节点到中继节点和源节点到目的节点的瑞利信道增益，服从均值为0，方差为σ_s，i ²和σ_s，d ²的复高斯分布。γ_s，i＝|h_s，i|²和γ_s，d＝|h_s，d|²遵循参数为1/σ_s，i ²和1/σ_s，d ²的指数分布。η_s，i和η_s，d分别表示源节点到中继节点和源节点到目的节点的高斯噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

在第二阶段，所选最优中继将重新编码后的信号发送到目的节点，接收信号可表示为

$y_{r_{\mathrm{opt}},d}=\sqrt{(1-\mathrm{\α})P_s}{h}_{r_{\mathrm{opt}},d}x+n_{r_{\mathrm{opt}},d}---\left(5\right)$

其中，

表示中继节点到目的节点的瑞利信道增益，服从均值为0，方差为

的复高斯分布。

遵循参数为1/

的指数分布。

表示中继节点到目的节点的高斯噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯分布。

如图2所示，本实施例记载了一种上述DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，包括以下步骤：

S1：选择具有最大等效信道增益的中继节点作为最优中继节点；

本实施例设定满足不中断的数据传输速率为R bps，即当一条链路中的传输速率低于R时，则判断其传输为中断。定义集合D中的元素为在第一阶段可成功译码源节点发送的信息的中继，其为包含所有K个中继的集合的子集。集合D可定义为

$D\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\{i:\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\α\γ}}_{s,i}\frac{P}{N_0})\≥R\}---\left(7\right)$

所以，可以得到

$\mathrm{pr}\left\{D\right\}=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\mathrm{Pr}\{r_{s,i}\≥R_1\}\underset{j\∉D}{\mathrm{\Π}}\mathrm{Pr}\{r_{s,i}\≤R_1\}---\left(8\right)$

式中， $R_1=\frac{2^{2R}-1}{\mathrm{\αP}/N_0}.$

因为γ_s，i＝|h_s，i|²服从参数为1/σ_s，i ²的指数分布，所以式(8)可简化为

$\mathrm{pr}\left\{D\right\}=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,i}}^2)\underset{j\∉D}{\mathrm{\Π}}[1-\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,i}}^2)]---\left(9\right)$

在某一节点中的等效SNR遵循最大比例结合(MRC)原则，所以目的节点处的等效SNR_i，d可表示为

${\mathrm{SNR}}_{i,d}={\mathrm{\α\γ}}_{s,d}\frac{P}{N_0}+(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\γ}}_{i,d}\frac{P}{N_0}---\left(10\right)$

机会中继选择策略是选择一个可使目的节点处等效SNR最大的中继，可表示为

$r_{\mathrm{opt}}=\arg \underset{i\∈D}{\max }{\mathrm{SNR}}_{i,d}---\left(11\right)$

因为系统中只有一个源节点和一个目的节点，所以式(10)中的γ_s，d是一个定值。因此，式(11)可表示为

即选择的最优中继节点可简化为选择具有最大等效信道增益的中继节点。

S2：以源节点的传输功率与所述最优中继节点的传输功率的功率分配比例为变量，得到中继系统的总中断概率函数；

因为最优中继具有最大的SNR_i，d，所以最优中继中断，则所有中继都中断。因此，在已知子集D中的中继可成功解码源节点信号的前提下，中继节点到目的节点的条件中断概率可表示为：

$\mathrm{Pr}\left\{\mathrm{outage}\right|D\}=\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2(1+\underset{i\∈D}{\max }{\mathrm{SNR}}_{i,d})\≤R\}$

$=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{i,d})\≤R\}$

$=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\α\γ}}_{s,d}\mathrm{\Γ}+(1+\mathrm{\α}){\mathrm{\γ}}_{i,d}\mathrm{\Γ})\≤R\}$

$=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}{\∫}_0^{2^{2R-1}}{\∫}_0^{+\∞}\frac{\exp (-\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2})}{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2}\frac{\exp (-\frac{\mathrm{\λ}-\mathrm{\β}}{(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2})}{(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2}\mathrm{d\βd\λ}---\left(12\right)$

$=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\{1-\frac{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2\exp (-\frac{R_1}{{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2})-(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2\exp (-\frac{R_2}{{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2})}{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2-(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2}\}$

$=\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\{1-\mathrm{\ξ}\}$

式中， ${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2\exp (-\frac{R_1}{{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2})-(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2\exp (-\frac{R_2}{{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2})}{\mathrm{\α\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2-(1-\mathrm{\α})\mathrm{\Γ}{{\mathrm{\σ}}_{i,d}}^2},$ $R_2=\frac{2^{2R}-1}{(1-\mathrm{\α})P/N_0},$ $\mathrm{\Γ}=\frac{P}{N_0}.$

当源节点到中继节点的链路不中断时的中断概率Pr_r，d{outage}为：

${\mathrm{Pr}}_{r,d}\left\{\mathrm{outage}\right\}=\underset{i=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{D}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Pr}\left\{\mathrm{outage}\right|D\left\}\mathrm{Pr}\right\{D\}$

$=\underset{i=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{D}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,i}}^2)(1-{\mathrm{\ξ}}_i)\underset{j\∉D}{\mathrm{\Π}}[1-\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,j}}^2)]---\left(13\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}[1-\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,i}}^2)\mathrm{\ξ}]$

式(13)可由式(14)的等式来简化

$\underset{l=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{D}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈D}{\mathrm{\Π}}{a}_i(1-b_i)\underset{j\∉D}{\mathrm{\Π}}(1-a_j)$

$=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}[a_k(1-b_k)+(1-a_k)]=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}[1-a_k{b}_k]---\left(14\right)$

式中，a_i＝exp(-R₁/σ_s，i ²)，b_i＝ξ_i，a_j＝exp(-R₁/σ_s，j ²)。

与式(8)类似，源节点到目的节点链路的中断概率Pr_s，d{outage}和源节点到中继节点链路的中断概率Pr_s，r{outage}可分别表示为

${\mathrm{Pr}}_{s,d}\left\{\mathrm{outage}\right\}=\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\α\γ}}_{s,d}\frac{P}{N_0})\≤R\}---\left(15\right)$

$=1-\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,d}}^2)$

${\mathrm{Pr}}_{s,r}\left\{\mathrm{outage}\right\}=\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2(1+\underset{i\∈D}{\max }{\mathrm{\α\γ}}_{s,i}\frac{P}{N_0})\≤R\}$

$=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}[1-\exp (-R_1/{{\mathrm{\σ}}_{s,i}}^2)]---\left(16\right)$

基于上述推导，则系统的总中断概率Pr{outage}可表示为：

Pr{outage}＝Pr_s，d{outage}[Pr_s，r{outage}+Pr_r，d{outage}] (17)

由于式(17)相当复杂，不可直接用诸如拉格朗日方法直接求解，所以本实施例采用如下的遗传算法来求解功率分配系数α，从而达到最优化系统总中断概率的目的。

S3：通过遗传算法求解所述功率分配比例，本实施例中所述功率分配比例通过功率分配系数α来体现，使中继系统达到最优化系统总中断概率；

如图3所示，具体包括以下步骤：

S31：随机产生初始化的个体，对随机产生初始化的个体进行十进制编码，即随机产生N个二进制字符串的个体，其二进制字符串长度由预先设定的精度来确定，然后将产生的二进制个体转化十进制；设迭代次数Gen为0；本实施例中所述个体为功率分配比例值；

S32：计算个体对中继系统的总中断概率的适应度；

S33：根据步骤S32计算的适应度产生新的个体；

如图4所示，产生新个体的步骤具体包括以下几步：

S331：根据选择概率P_s选择具有高适应度的个体作为父类，并丢弃适应度低的个体；

S332：根据交叉概率P_c，对步骤S331所选的父类进行交叉操作，从而产生新一代的个体；

S333：根据变异概率P_m，对步骤S332产生的新个体进行变异操作。

S34：检查迭代次数Gen是否到达设定的迭代次数最大值：

如果没有到达，则将迭代次数Gen加1后转到步骤S32；

如果已经到达，则遗传算法停止并返回最优的系统总中断概率优化结果。

为了证明了本实施例方法的有效性，对实施例进行了仿真。设定R＝1bit/s/Hz，σ_s，d ²＝0.7，

σ_s，d ²满足源节点到目的节点处于中断状态，

和

满足[1，3]和[0，2]的随机分布，遗传算法中的各参数设定为：个体数目N＝40，选择概率P_s＝0.9，P_c＝0.7，P_m＝0.035，迭代次数最大值Gen_max＝50。

如图5所示，将本实施例提出的基于遗传算法的自适应功率分配系统与现有技术的等功率分配的系统中断概率性能进行比较，其中设定的中继节点数K为3个。从图5可以看出，本实施例的自适应功率分配算法可大大改善系统的中断性能，在SNR越高的区域，系统中断性能提升越明显。

如图6所示，对本实施例采用不同中继节点数目对系统中断概率的影响进行了比较。从图6中看出，中继节点数目越多的系统，其中断概率越小。得出即使未被选择为最有中继的中继节点不进行直接的数据传输，也会遵循机会协作的原则从而降低系统的中断概率的结论。

如图7所示，为当源节点到目的节点的直传链路满足不中断要求时，本实施例的自适应功率分配系统与现有技术的等功率分配系统的中断概率性能比较图。由图7可看出采用本实施例提出的功率分配方法的系统中断概率接近于0，并且分配到源节点上的功率为系统的总功率，这进一步证明了本实施例提出的自适应功率分配算法的有效性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选择具有最大等效信道增益的中继节点作为最优中继节点；

S2：以源节点的传输功率与所述最优中继节点的传输功率的功率分配比例为变量，得到中继系统的总中断概率函数；

S3：通过遗传算法求解所述功率分配比例，使中继系统达到最优化系统总中断概率。

2.如权利要求1所述的DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，步骤S2中所述总中断概率函数表示为：

Pr{outage}＝Pr_s，d{outage}[Pr_s，r{outage}+Pr_r，d{outage}]

其中，Pr{outage}为中继系统的总中断概率，Pr_s，d{outage}为源节点到目的节点链路的中断概率，Pr_s，r{outage}为源节点到中继节点链路的中断概率，Pr_r，d{outage}为当源节点到中继节点的链路不中断时中继节点到目的节点链路的中断概率。

3.如权利要求1所述的DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，步骤S3通过遗传算法求解功率分配比例的步骤具体包括：

S31：随机产生初始化的个体，并设迭代次数为0，所述个体为功率分配比例值；

S32：计算个体对中继系统的总中断概率的适应度；

S33：根据步骤S32计算的适应度产生新的个体；

S34：检查迭代次数是否到达设定的迭代次数最大值：

如果没有到达，则将迭代次数加1后转到步骤S32；

如果已经到达，则遗传算法停止并返回最优的系统总中断概率优化结果。

4.如权利要求3所述的DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S31还包括对随机产生初始化的个体进行十进制编码的步骤。

5.如权利要求4所述的DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S31具体为：随机产生N个二进制字符串的个体，其二进制字符串长度由预先设定的精度来确定，然后将产生的二进制个体转化十进制。

6.如权利要求3所述的DF中继系统的最优中继选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括以下步骤：

S331：根据选择概率选择具有高适应度的个体作为父类，并丢弃适应度低的个体；

S332：根据交叉概率，对步骤S331所选的父类进行交叉操作，从而产生新一代的个体；

S333：根据变异概率，对步骤S332产生的新个体进行变异操作。

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