CN103298097A - 一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法。该方法针对双向中继网络，旨在提出一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，从而达到同时兼顾系统中断概率和系统容量。具体的实施方法为：以网络的总传输功率约束条件，以系统中断概率和系统容量的线性加权为目标函数，从两个源节点端得到各自的SINR，从而推导出整个传输过程的系统中断概率和系统容量，并将系统中断概率和系统容量线性加权，在满足总传输功率限制的条件下，对两个源节点和中继节点进行动态的自适应中继选择和功率分配，直至得到优化方法并使得目标函数为最大值。

Description

一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及双向中继网络领域，尤其涉及一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法。 

背景技术

近年来，无线通信技术已逐渐融入了各个领域，包括手机、无线电话、蓝牙以及数字电视等，给人们的生活工作带来了革命性的影响。随着科学技术的发展，人们对无线通信的要求也在不断提高，主要体现在高数据传输速率和高服务质量，为此，研究人员一直在不断寻找新技术来提高用户体验，以满足用户需求。 

然而，在无线通信过程中，电磁波作为传输媒介，在传输过程中会产生路径损耗、阴影效应和多径效应，从而影响无线传输的信道容量和服务质量。因此，作为一种新的通信方式——协作通信，应运而生并成为下一代无线通信技术的重要研究领域。利用协作通信，可以综合优化设计无线信道、无线网络和物理层传输技术，从而提高系统容量和系统可实现性。 

在协作通信中，无线协作中继技术是针对无线通信过程中可能造成的阴影衰落现象，在现有的无线蜂窝网络中装备中继，从而提高基站的有效覆盖范围，并提升服务质量。中继首先接收来自基站发送的信号，接着再将信号转送给客户端。通过适当地部署中继，可使信号避开不理想的传播路径而减少衰减。而双向中继技术相对于传统的需要四个时隙才能完成双边信息交换的单向中继网络，可以节省两个时隙，因而可以极大的提高系统容量性能。在双向中继中，第一个时隙两个源节点将各自信号同时传输给中继；第二个时隙，经过网格编 码将所得信号同时广播给两个源节点。 

然而，当网络中存在多个中继时，如何确定参与协作通信的中继个数以及选择哪些或者哪个中继，是个中继选择问题；中继参与协作时，为了满足一定的服务需求，各个中继以及源节点的功率如何分配可以减小能量消耗或者在给定的功率条件下，如何分配功率可以使得网络服务质量最优，这类问题为功率分配问题；同时考虑这两个问题，在满足一定的服务足球使得能量消耗最小或者在给定的功率下，使得网络性能最优，这位功率分配与中继选择联合优化问题。 

本发明就是基于上述思想，在总发射功率约束的条件下，联合优化整个网络中系统的中断概率和容量，对双向中继网络进行优化。 

发明内容

本发明旨在提出一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，以总发射功率为约束条件，以系统的中断概率和容量的线性加和为目标函数，联合优化整个网络中系统的中断概率和容量，通过功率分配的方法对双向中继网络进行优化。 

一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，包括以下步骤： 

步骤1：建立双向中继网络模型,对两个源节点的功率进行初始化。在PhaseⅠ阶段，两个源节点发送数据到中继节点，中继节点同时接收来自两源节点的数据；在PhaseⅡ阶段，中继节点将接收到的信息线性加并放大η_i倍后广播给两源节点。 

步骤2：在PhaseⅡ阶段之后，计算两个源节点的信干噪比SINRγ_i1,γ_i2。 

步骤3：根据得到的源节点信干噪比SINRγ_i1,γ_i2，计算整个传输过程的系统中断概率P_out和系统容量R_i。 

步骤4：将系统中断概率P_out和系统容量R_i线性加权，并作为效用函数。 

步骤5：通过功率自适应分配使得效用函数值达到最大，即同时考虑系统中断概率P_out和系统容量R_i。 

步骤6：基于上一步骤中功率分配的自适应过程，直到效用函数的变化值小于某特定常数时我们认为求解已趋于收敛，则自优化迭代过程结束。将满足效用函数最大值的中继选择为最佳中继。 

步骤7：判断总功率是否满足限制条件。 

步骤8：若步骤7结果为No，根据步长调整源节点的发射功率，转为步骤2。 

附图说明

为了更加清晰的阐述本发明的实施例和现有的技术方案，下面将本发明的技术方案说明附图和现有技术描述中用到的说明附图做简单的介绍，显而易见的，在不付出创造性劳动的前提下，本领域普通技术人员可通过本附图获得其他的附图。 

图1所示为本发明实施例中双向中继网络架构图； 

图2所示为本发明实施例中中断概率和容量联合优化实现流程图； 

具体实施方式

为使本发明的技术方案优势描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述，显然所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上可以实现本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保 护范围。 

在下面的描述中，对与本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。 

本发明的主要思想是：以总发射功率为约束条件，以系统的中断概率和容量的线性加和为目标函数，从两个源节点端得到各自的SINR，从而推导出整个传输过程的系统中断概率和系统容量，并将系统中断概率和系统容量线性加权，在满足总传输功率限制的条件下，对两个源节点和中继节点进行动态的自适应中继选择和功率分配，直至得到优化方法并使得目标函数为最大值。 

图1是本发明具体实施方式中双向中继网络架构图。具体是： 

如图1所示，双向中继网络架构中有一个小区，小区内包含两源节点，K个中继节点。两个源节点之间相隔太远，无直接通信链路，需要借助中继节点进行信息交互。整个通信过程分为两个阶段：在PhaseⅠ阶段，两源节点发送数据到中继节点，中继节点同时接收来自两源节点的数据；在PhaseⅡ阶段，中继节点将接收到的两信源信息进行译码解调获得的比特流进行比特异或，放大η_i倍后广播给两源节点。两源节点在接收到中继节点放大转发后的信息后，利用比特异或及自身信息同样可以获得对方信源的信息，实现信息交互，并节省信息传递时隙数。 

源节点实现信息交互后计算得到各自的SINR，从而推导出整个传输过程的系统中断概率和系统容量，然后将系统中断概率和系统容量线性加权，并作为目标函数。在满足总传输功率限制的条件下，对两个源节点和中继节点进行动态的自适应中继选择和功率分配，直到目标函数的变化小于某个常数趋于收敛，最终得到优化方法并使得目标函数为最大值。 

图2是本发明实施方式中的中断概率和容量联合优化实现流程图。如图2 所示，该中断概率和容量联合优化过程包括以下几个步骤： 

步骤201：建立双向中继网络模型,对两个源节点的功率进行初始化。 

该步骤中通信过程分为两个阶段：在PhaseⅠ阶段，两源节点发送数据到中继节点，中继节点同时接收来自两源节点的数据；在PhaseⅡ阶段，中继节点将接收到的两信源信息进行译码解调获得的比特流进行比特异或，放大η_i倍后广播给两源节点。两源节点在接收到中继节点放大转发后的信息后，利用比特异或及自身信息同样可以获得对方信源的信息，实现信息交互，并节省信息传递时隙数。 

步骤202：在PhaseⅡ阶段之后，计算两个源节点的信干噪比SINRγ_i1,γ_i2。 

该步骤中源节点的信干噪比SINR包含两部分，信号功率和干扰。其中的信号功率部分是指去除掉自身信号部分后剩余的对方信源信号功率；干扰包含两部分，一部分为在PhaseⅠ阶段中继节点处的热噪声，另一部分来自PhaseⅡ阶段源节点接收机的热噪声。 

步骤203：根据得到的源节点信干噪比SINRγ_i1,γ_i2，计算整个传输过程的系统中断概率P_out和系统容量R_i。 

该步骤中中断概率P_out和系统容量R_i都是信干噪比的函数，衡量的是整个通信过程中的中断概率和系统容量，即包含两个通信阶段。 

步骤204：将系统中断概率P_out和系统容量R_i线性加权，并作为效用函数。 

该步骤中使用的效用函数表达式为u_i＝ω₁P_out+ω₂R_i，

其中系统中断概率P_out前的系数ω₁为负数，系统容量R_i前的系数ω₂为正数，P_t,i为整个通信过程中的发射功率，单位为bps/Hz。从而中断概率P_out越小越好，而系统容量R_i则越大越好。通过功率分配使得系统同时兼顾中断概率和系统容量。 

步骤205：通过功率自适应分配使得效用函数值达到最大，即同时考虑系统 中断概率P_out和系统容量R_i。 

步骤206：基于上一步骤中功率分配的自适应过程，直到效用函数的变化值小于某特定常数时我们认为求解已趋于收敛，则自优化迭代过程结束。将满足效用函数最大值的中继选择为最佳中继。 

步骤207：判断总功率是否满足限制条件。 

步骤208：若步骤7结果为No，根据步长调整源节点的发射功率，转为步骤2。 

Claims (4)

1.一种双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，其特征在于包括以下步骤： 

步骤1：建立双向中继网络模型,对两个源节点的功率进行初始化。在PhaseⅠ阶段，两个源节点发送数据到中继节点，中继节点同时接收来自两源节点的数据；在PhaseⅡ阶段，中继节点将接收到的信息线性加并放大η_i倍后广播给两源节点。 

步骤2：在PhaseⅡ阶段之后，计算两个源节点的信干噪比SINRγ_i1,γ_i2。 

步骤3：根据得到的源节点信干噪比SINRγ_i1,γ_i2，计算整个传输过程的系统中断概率P_out和系统容量R_i。 

步骤4：将系统中断概率P_out和系统容量R_i线性加权，并作为效用函数。 

步骤5：通过功率自适应分配使得效用函数值达到最大，即同时考虑系统中断概率P_out和系统容量R_i。 

步骤6：基于上一步骤中功率分配的自适应过程，直到效用函数的变化值小于某特定常数时我们认为求解已趋于收敛，则自优化迭代过程结束。将满足效用函数最大值的中继选择为最佳中继。 

步骤7：判断总功率是否满足限制条件。 

步骤8：若步骤7结果为No，根据步长调整源节点的发射功率，转为步骤2。 

2.根据权利要求1所述的双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，其特征在于： 

所述步骤1中，中继节点可以同时接收来自两个源节点的数据，并将数据加和后放大广播给源节点。 

3.根据权利要求1所述的双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，其特征在于： 

所述步骤2中，源节点可以减去来自自身的干扰，从而得到对方的信息，实现了信息交互。 

4.根据权利要求1所述的双向中继网络中联合中继选择和功率分配方法，其特征在于： 

所述步骤4中，使用的效用函数表达式为u_i＝ω₁P_out+ω₂R_i，

其中系统中断概率P_out前的系数ω₁为负数，系统容量R_i前的系数ω₂为正数，P_t,i为整个通信过程中的发射功率，单位为bps/Hz。从而中断概率P_out越小越好，而系统容量R_i则越大越好。通过功率分配使得系统同时兼顾中断概率和系统容量。 

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