CN103117835B - 双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法。在基站、中继和用户终端在总发射功率受限的条件下，以最大化系统吞吐量为目标，得到最优化的功率分配。然后依据信道的状态信息选择最优的调制编码，为节省能量，对剩余功率做再分配。本发明基于网络编码的双向中继系统具有容量高传输准的特点，引入了自适应调制编码和功率分配后不仅保留了系统传统特点，而且减少了功率的浪费，提高了系统的实际吞吐量。

Description

双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，人们对新一代的宽带无线通信系统IMT-Advanced提出了更高的性能要求。协同通信技术被人们视为未来移动通信系统的关键技术之一，因为通过协同技术可以获得分集增益，提高数据传输速率和增大系统覆盖范围。

基于网络编码的双向中继技术的应用使得原本需要四个时隙的传输过程减少为两个时隙就可以完成。第一个时隙，基站和用户终端同时向中继发送信息，中继得到混叠信息后进行网络编码。第二个时隙，中继将处理好的信号进行广播，用户和基站在接收到广播信号后使用网络编码技术对自身信号部分进行干扰抵消，然后可以从余下的信号中解调出自身需要的信号。因此，在双向中继系统中使用网络编码技术，可以大幅提升频谱效率，增加系统容量。

自适应调制编码和功率控制是两种有效的方法来改善系统的性能。一般情况下，人们考虑在功率受限的条件下，定义目标函数为系统的可达容量，求解出使得容量最大化的功率分配方式。经过最优化的功率分配以后，链路之间的平均信噪比就已经确定。所以我们可以认为自适应调制编码的平均选择阶数也是唯一可定的，虽然瞬时信噪比会随着信道的衰落而变化，但可以认为其平均值是一定的。但是在引入自适应调制编码之后，系统的可达容量出现了一些新的变化。当链路的平均信噪比为时，将采用第n阶的调制方式。这样在信噪比为γ_c对应的功率P_c与对应的所能达到的系统最大容量是相同的（因为他们采用的是同一种调制方式）。所以超出部分的功率是浪费掉的。因此传统的方法并不能达到最优的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法，与传统的方法相比，提高了系统的容量并降低了系统的功率开销。

一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法，基站功率，中继功率和用户终端功率在总发射功率受限的条件下，选择使得系统容量最大化的发射功率，然后根据链路的信噪比选择调制编码方式，最后对剩余功率做再分配，具体包括如下步骤：

1.1）、在第一个时隙基站发送信号x₁到中继，同时移动的用户终端发送信号x₂到中继；

1.2）、在第二个时隙，中继将接收到的叠加信号y₃=h₁x₁+h₂x₂+n₃进行网络编码，这里的网络编码过程为信号的叠加，将信号放大后转发给基站和用户终端，转发信号为x₃=αy₃；中继的放大系数为其中h₁基站到中继的信道信息，h₂为中继到用户终端的信道信息，n₃为终端的噪声；

1.3）、基站接收的信号减去已知的信号x₁得到用户终端减去已知信号x₂得到新的信号为所以基站的接收信噪比为用户终端的接收信噪比为其中n₁为基站的噪声，n₂为中继的噪声，p₁为基站的发射功率，p₂为中继的发射功率；

1.4）、依据香农公式，系统可达的最大容量为 $R_{\mathrm{sum}}=\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_2}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2+1})+\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_1}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_2\right|}^2+1}),$ 在功率受限的条件下p₁+p₂+p₃≤p_tot利用拉格朗日乘数法可以得到一个最优解， 其中p_tot为总发射功率，p₃为用户终端的发射功率；

1.5）、引入自适应调制编码后，调制编码的选择是根据信噪比来确定的，信噪比所属的区间与调制方式存在一一对应的关系，而区间的划分取决于信噪比的切换门限，该切换门限与目标误码率有关，此时，信噪比的取值不再是连续的，取值范围变为不同调制编码对应的门限值 $({\mathrm{\γ}}_{T_0},...,{\mathrm{\γ}}_{T_n},...,{\mathrm{\γ}}_{T_N}),n=\mathrm{0,1},...,N,$ 为切换门限，为目标误码率；

1.6）、结合步骤1.4）和1.5）对功率进行再分配。

所述的对功率进行再分配的具体步骤如下：

2.1）、根据两条链路的信噪比为γ₁和γ₂和目标误码率的准则，选取对应的调制编码，信噪比满足条件： 基站和用户终端的功率满足条件： $\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_1<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{j+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2},$ $\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_2<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{i+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.2）、由于在采用同一种调制编码的时候，系统能达到的最大容量是相同的，所以基站和用户终端都存在剩余功率： $\mathrm{\&Delta;}{P}_1=P_1-\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2},$ $\mathrm{\&Delta;}{P}_2=P_2-\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.3）、将剩余功率重新分配，如果 $\mathrm{\&Delta;}{P}_1+\mathrm{\&Delta;}{P}_2\&GreaterEqual;\min (P_{T_{i+1}}-P_{T_i},P_{T_{j+1}}-P_{T_j}),$ 则进入步骤2.4），如果则进入步骤2.5），其中为第i阶调制编码对应的发射功率；

2.4）、如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}\&GreaterEqual;P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_i},$ $P_2=P_{T_{j+1}},$ 反之如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}<P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_{i+1}},$ $P_2=P_{T_j};$

2.5）、令 $P_1=P_{T_i},$ $P_2=P_{T_j}.$

本发明具有的有益效果是：在保证系统总功率一定的条件下，减少了功率的浪费，提高了系统的实际吞吐量。

附图说明

图1是双向中继系统的传输示意图

图2是双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法和仅经过功率优化的系统吞吐量比较图。

具体实施方式

基于网络编码的双向中继系统的传输过程如图1所示。一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法，基站功率，中继功率和用户终端功率在总发射功率受限的条件下，选择使得系统容量最大化的发射功率，然后根据链路的信噪比选择调制编码方式，最后对剩余功率做再分配，具体包括如下步骤：

1.1）、在第一个时隙，基站发送信号x₁到中继，同时移动的用户终端发送信号x₂到中继；

1.2）、在第二个时隙，中继将接收到的叠加信号y₃=h₁x₁+h₂x₂+n₃进行网络编码，这里的网络编码过程为信号的叠加，将信号放大后转发给基站和用户终端，转发信号为x₃=αy₃；中继的放大系数为其中h₁基站到中继的信道信息，h₂为中继到用户终端的信道信息，n₃为终端的噪声；

1.3）、基站接收的信号减去已知的信号x₁得到用户终端减去已知信号x₂得到新的信号为所以基站的接收信噪比为用户终端的接收信噪比为其中n₁为基站的噪声，n₂为中继的噪声，p₁为基站的发射功率，p₂为中继的发射功率；

1.4）、依据香农公式，系统可达的最大容量为 $R_{\mathrm{sum}}=\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2+1})+\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_1}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_2\right|}^2+1}),$ 在功率受限的条件下p₁+p₂+p₃≤p_tot利用拉格朗日乘数法可以得到一个最优解， 其中p_tot为总发射功率，p₃为用户终端的发射功率；

1.5）、引入自适应调制编码后，调制编码的选择是根据信噪比来确定的，信噪比所属的区间与调制方式存在一一对应的关系，而区间的划分取决于信噪比的切换门限，该切换门限与目标误码率有关，此时，信噪比的取值不再是连续的，取值范围变为不同调制编码对应的门限值 $({\mathrm{\&gamma;}}_{T_0},...,{\mathrm{\&gamma;}}_{T_n},...,{\mathrm{\&gamma;}}_{T_N}),n=\mathrm{0,1},...,N,$ 为切换门限，为目标误码率；

1.6）、结合步骤1.4）和1.5）对功率进行再分配。

所述的对功率进行再分配的具体步骤如下：

2.1）、根据两条链路的信噪比为γ₁和γ₂和目标误码率的准则，选取对应的调制编码，信噪比满足条件： 基站和用户终端的功率满足条件： $\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_1<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{j+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2},$ $\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_2<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{i+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.2）、由于在采用同一种调制编码的时候，系统能达到的最大容量是相同的，所以基站和用户终端都存在剩余功率： $\mathrm{\&Delta;}{P}_1=P_1-\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2},$ $\mathrm{\&Delta;}{P}_2=P_2-\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.3）、将剩余功率重新分配，如果 $\mathrm{\&Delta;}{P}_1+\mathrm{\&Delta;}{P}_2\&GreaterEqual;\min (P_{T_{i+1}}-P_{T_i},P_{T_{j+1}}-P_{T_j}),$ 则进入步骤2.4），如果则进入步骤2.5），其中为第i阶调制编码对应的发射功率；

2.4）、如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}\&GreaterEqual;P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_i},$ $P_2=P_{T_{j+1}},$ 反之如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}<P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_{i+1}},$ $P_2=P_{T_j};$

2.5）、令 $P_1=P_{T_i},$ $P_2=P_{T_j}.$

计算机的仿真表明（图2），双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法与仅经过功率优化的方法相比，系统吞吐量得到了很大的提高。

Claims (1)

1.一种双向中继系统的联合自适应调制编码和功率分配方法，其特征在于：基站功率，中继功率和用户终端功率在总发射功率受限的条件下，选择使得系统容量最大化的发射功率，然后根据链路的信噪比选择调制编码方式，最后对剩余功率做再分配，具体包括如下步骤：

1.1)、在第一个时隙基站发送信号x₁到中继，同时移动的用户终端发送信号x₂到中继；

1.2)、在第二个时隙，中继将接收到的叠加信号y₃＝h₁x₁+h₂x₂+n₃进行网络编码，这里的网络编码过程为信号的叠加，将信号放大后转发给基站和用户终端，转发信号为x₃＝αy₃；中继的放大系数为其中h₁基站到中继的信道信息，h₂为中继到用户终端的信道信息，n₃为终端的噪声；

1.3)、基站接收的信号减去已知的信号x₁得到用户终端减去已知信号x₂得到新的信号为所以基站的接收信噪比为用户终端的接收信噪比为其中n₁为基站的噪声，n₂为中继的噪声，p₁为基站的发射功率，p₂为中继的发射功率；

1.4)、依据香农公式，系统可达的最大容量为 $R_{\mathrm{sum}}=\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2+1})+\frac{1}{2}\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_1}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{\left|h_2\right|}^2+1}),$ 在功率受限的条件下p₁+p₂+p₃≤p_tot利用拉格朗日乘数法可以得到一个最优解， 其中p_tot为总发射功率，p₃为用户终端的发射功率；

1.5)、引入自适应调制编码后，调制编码的选择是根据信噪比来确定的，信噪比所属的区间与调制方式存在一一对应的关系，而区间的划分取决于信噪比的切换门限，该切换门限与目标误码率有关，此时，信噪比的取值不再是连续的，取值范围变为不同调制编码对应的门限值 为切换门限，为目标误码率；

1.6)、结合步骤1.4)和1.5)对功率进行再分配；

所述的对功率进行再分配的具体步骤如下：

2.1)、根据两条链路的信噪比为γ₁和γ₂和目标误码率的准则，选取对应的调制编码，信噪比满足条件：基站和用户终端的功率满足条件： $\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_1<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_2}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{j+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2},\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2}\&le;P_2<\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_{i+1}}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.2)、由于在采用同一种调制编码的时候，系统能达到的最大容量是相同的，所以基站和用户终端都存在剩余功率： $\mathrm{\&Delta;}{P}_2=P_2-\frac{({\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2+1){\mathrm{\&gamma;}}_{T_i}}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{h_1}^2{h_2}^2};$

2.3)、将剩余功率重新分配，如果则进入步骤2.4)，如果则进入步骤2.5)，其中为第i阶调制编码对应的发射功率；

2.4)、如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}\&GreaterEqual;P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_i},P_2=P_{T_{j+1}},$ 反之如果 $P_{T_{i+1}}-P_{T_i}<P_{T_{j+1}}-P_{T_j},$ 则令 $P_1=P_{T_{i+1}},P_2=P_{T_j};$

2.5)、令 $P_1=P_{T_i},P_2=P_{T_j}.$