CN103428806A - 一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，步骤如下：（1）进行协作通信能效的分析，通过一系列数学建立模型及计算得到衡量指标的数学计算公式。（2）定义一个系统结构来实现对最佳中继和功率分配联合方案的研究，确定可行搜索域。（3）随机选择初始中继编号，随机设置源节点和中继节点传输功率。（4）计算得出此时的能量效率f(θ[i])。（5）在可行搜索域中随机选择

结合训练序列获取当前信道状态信息比较能量效率

与f(θ[i])；（6）更新当次状态可能性矩阵。（7）更新当前最优配置选择；（8）得到最优的中继选择及源节点中继节点传输功率控制配置。本发明可以稳定且高效率地找到最优配置以实现高能效的可靠协作通信。

Description

一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信的协作通信（Cooperative communication）技术领域，特别涉及一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法。

背景技术

无线协作通信运用多用户协作的方式将信息从信号源传输至终接端。通过单个天线在多用户中仿真多重天线系统从而产生一个虚拟MIMO系统，协作通信可以增加传输分集的多样性从而能够提高系统的传输性能。

因为单个无线移动设备在大小，消耗，以及硬件约束等方面无法支持多单元传输天线，而协作网络通信出现并作为一种新的思路来仿真这种关于多重天线系统的方案。当多天线系统对于单个用户不可用时，用户协作可以被用来提供发射分集。通过利用无线渠道的广播特性，协作通信允许单一天线系统设备分享他们自己的天线来组成一个分布式虚拟天线阵列。该方案很有可能被整合到3GPP-LTE多跳网络中。当前网络间的协同通信主要应用为蜂窝通信网络与WLAN、卫星通信网络与蜂窝通信网络等，这些网络的应用将极大地促进通信网络的发展。协作通信技术作为一种有广阔前景的技术已经引起了相当大的关注，已经被考虑纳入IEEE802.16j标准和3GPP-LTE多跳蜂窝网络。

在当前节能社会的背景下，无线通信的能耗问题已经受到了大量的关注。尤其在对电池供电的移动设备来说，能耗问题变得尤为重要，因为电池能量直接决定了其使用寿命的长短，因此在考虑其传输稳定性的前提下对能效的研究很有现实必要。协作节点的参与，使得协作通信系统中的每个节点可以以较低的功率达到较高的通信质量。

协作通信中中继的选择问题以及功率的控制问题一直以来都是研究的重点，当系统中存在多个中继可供选择时，中继的选择对于协作通信的性能和能耗的有很大的影响。协作通信的能耗应该包括源节点的传输能耗、中继节点的接收和传输能耗，以及目的节点的接收能耗。因此对于中继的选择以及源节点，中继节点的功率控制成为一个重要问题，选择及控制的好坏直接影响系统的能效高低。

目前关于协作通信中能耗问题的研究均存在问题，首先，缺乏性能和能耗的折中考虑。这两者相互影响：性能不佳会导致重传系统的响应，由此导致能量的多次损耗，这些能量的损耗是无必要的；第二，缺少中继选择和功率控制的联合考虑，假定了中继的发射功率已知且不变时进行研究中继的选择，而这一方法是不合理的也是不切实际的，因为在现实情况下中继的功率是不断变化的；第三，未考虑信道状态信息(CSI)对协作系统的影响，目前的研究方法大致有假定CSI完全已知或统计的CSI的信息已知的情况下进行中继的选择和功率控制。这两种方法都是利用现有的CSI，没有考虑其获取过程。这种方法不适合动态变化的无线环境，尤其是在节点移动时，CSI的变化频繁，而CSI的更新缓慢。

实现可靠通信中高能效系统的关键问题之一就是如何共同考虑系统的性能问题，源节点及中继节点的功率控制问题和中继节点的选择问题。而现有的研究中并未将三者共同考虑，也并未考虑到无线环境中信道状态信息的改变所产生影响，缺乏实际性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种在可靠协作通信中，联合中继的选择以及功率控制以得到高能效系统的方法，该方法能够通过分析得到可靠的协作通信中中继的选择和功率的控制方案。

本发明的研究可靠协作通信中的高能效中继问题，实现绿色协作通信，从分析协作通信系统的性能和能耗这两个相互制约的关系出发，定义并从理论上分析了协作通信的能耗效率。在此基础上，本发明提出一种中继选择和功率分配的联合方案来优化协作通信系统单位能量成功传递的数据，并从实际系统的要求出发，将中继的选择和功率控制方案结合到信道状态信息（CSI）的获取过程中，实现动态的，实时的中继选择和功率控制，运用离散随机近似的方法，从而解决能量效率优化的问题。

显然，有多个中继参与的协作通信，并不意味着更高的系统能效。研究结果表明，更多的协作节点参与可以提高协作通信的性能，但这种性能的提高也是有限的。另一方面我们也要考虑多中继对能耗的减少即便可行也是有限的。所以我们在多个中继中选择最优中继作为接收传播信息的中继节点，中继选择方法主要有主动式选择和反应式选择（或者叫竞争式选择），主动式为在进行传输前选择最优中继，信号源将信号通过该中继传输至终接端，反应式则将信号传输至多个中继，之后再选择最佳中继进行传输。对于工作在解码－转发模式的协作通信系统来说，反应式由信号源传输至多个中继进行解码，显然需要额外的接收能耗。因此，我们在中继选择时选择了主动式选择中继的最优中继协作通信系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）进行协作通信能效的分析，为保证通信系统的可靠传输，考虑了ARQ或者SR-ARQ自动重传系统对能效的影响，以单位能量成功传输的信息字节数定义能效的衡量指标，通过一系列数学建立模型及计算得到衡量指标的数学计算公式，所述能效的衡量指标为能量效率f(θ)，

p_c为一个长度为s_p的数据包成功传送的概率，

为译码转发中继传通信中断容量，E_total为系统消耗总能量，源节点中继节点传输能量与中继节点和目的节点接收能量之和E_total=E_s+E_k+2E_recv。

（2）定义一个系统结构来实现对最佳中继和功率分配联合方案的研究，定义θ=(k,E_s,E_k)来作为研究对象。k是被选择的最佳中继，为N个，E_s为信号源的传输功率，E_k为中继的传输功率，设定可行搜索域为|Q|=N×L×L，L为E_s，E_k的选择范围。

（3）随机选择初始中继编号，随机设置源节点和中继节点传输功率，设置初始单位向量e_θ[0]为一个向量仅在所选择的第θ[0]处为1，其余各处均为0，设置初始状态可能性矩阵s为N×θ阶零矩阵。

（4）设i为当前循环次数，首次即为0，计算当配置为,θ[i]时，通过由步骤（1）所得衡量指标计算公式得出此时的能量效率f(θ[i])。

（5）在可行搜索域中随机选择

结合训练序列获取当前信道状态信息，由步骤（1）计算能量效率

比较

与f(θ[i])，若

则令 $\mathrm{\θ}[i+1]=\widetilde{\mathrm{\θ}\left[i\right]},$ 若 $f\left(\mathrm{\θ}\right[i\left]\right)>f\left(\widetilde{\mathrm{\θ}\left[i\right]}\right),$ 则令θ[i+1]=θ[i]。

（6）更新当次状态可能性矩阵，s矩阵的第i+1行为第i行加上递增步数1/i乘以θ[i+1]所代表单位向量e_θ[i+1]和s矩阵第i行的差所得到的向量，从而更新了当前状态可能性矩阵。

（7）更新当前最优配置选择，比较状态可能性矩阵i+1行θ[i+1]列与

列，若矩阵i+1行θ[i+1]列较大，则令

若矩阵i+1行

列较大，则令

状态可能性矩阵中的行对应第几次循环，列对应于到该次循环为止搜索域中各个配置经比较后被认为为当前最优配置的次数。

（8）返回步骤（4），经过一定的循环次数后即可得到最后的

即为最优的中继选择及源节点中继节点传输功率控制配置。

优选的，所述步骤（2）中，将中继选择与源点，中继节点传输功率同时作为变量配置，确定可行搜索域。

优选的，所述步骤（5）中通过随机选取配置并比较配置相应能效来比较配置能效，选取较高能效作为下次比较对象。

优选的，步骤（8）中，当循环结束后，最后一步所得当前最优配置选择即为最终的高能效系统联合中继的选择以及功率控制配置结果。

优选的，步骤（8）中，所述循环次数为100—200次较为合适。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明结合实际应用的可靠协作通信网络拟重新定义能效的衡量指标，即以单位能量成功传输的信息字节数定义能效的衡量指标

（2）本发明同时考虑了最佳中继选择和信号源与中继的功率，将三个变量同时控制来获得高能效系统

（3）本发明方法中的搜索最优配置是根据多次循环中，根据当某中继选择及功率配置所对应的矩阵中位置的数字大小判断该配置在循环中被认为是最优的次数，被访问到最多次为最优配置的即为最终最优配置。将各变量作为离散变量，通过随机逼近，该方法精确且效率高。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例可靠通信中一种联合中继选择与功率控制的方法中，如图1所示，包括以下步骤，其中本实施例协作通信系统包括2个中继可供选择，源节点及中继节点的功率选择值均为两个，设本次选择循环次数为20次；

（1）根据实例情况可知可行搜索域为8，中继的选择与源节点中继节点的共同构成8种配置可供选择。

（2）随机选择中继和源节点、中继节点的传输功率，为8种配置之一，设选为θ[0]，此时设单位向量e_θ[0]=（1,0,0,0,0,0,0,0,0)，初始状态可能性矩阵为为N×θ阶零矩阵。

（3）根据我们发明的衡量可靠协作通信系统中能效指标进行计算当配置为θ[0]时，结合训练序列估计信道状态信息，得到系统的能效为f(θ[0])；

（4）再随机选择一种配置

计算

比较

f(θ[0])；

若 $f\left(\widetilde{\mathrm{\θ}\left[0\right]}\right)>f\left(\mathrm{\θ}\right[0\left]\right),$ 则令 $\mathrm{\θ}\left[1\right]=\widetilde{\mathrm{\θ}\left[0\right]};$

若 $f\left(\mathrm{\θ}\right[0\left]\right)>f\left(\widetilde{\mathrm{\θ}\left[0\right]}\right),$ 则令 $\mathrm{\θ}\left[1\right]=\mathrm{\θ}\left[0\right];$

（5）更新当次状态可能性矩阵，s矩阵的第1行等于递增步数1/i，即1乘以θ[1]所代表单位向量e_θ[1]，从而更新了当前状态可能性矩阵。

（6）更新当前最优配置选择，比较状态可能性矩阵1行θ[1]列与

列；

若矩阵第1行θ[1]列较大，则令

若矩阵第1行

列较大，则令

状态可能性矩阵中的行对应第几次循环，列对应于到该次循环为止搜索域中各个配置经比较后被认为为当前最优配置的次数。

（7）进入第二次循环，随机选择配置θ[2]，计算得f(θ[2])，与比较，即跳到第四步，更新当次状态可能性矩阵及最优配置选择。

（8）不断进行循环，每次循环均更新状态可能性矩阵及最优配置选择，循环至设定次数后即结束。

采用本实施例方法进行联合中继选择与功率控制的结果是最终选择了最后一次循环结束后的最优配置选择。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）进行协作通信能效的分析，通过一系列数学建立模型及计算得到衡量指标的数学计算公式，以单位能量成功传输的信息字节数定义能效的衡量指标，所述能效的衡量指标为能量效率f(θ)，p_c为一个长度为s_p的数据包成功传送的概率，

为译码转发中继传通信中断容量，E_total为系统消耗总能量，源节点中继节点传输能量与中继节点和目的节点接收能量之和E_total=E_s+E_k+2E_recv；

（2）定义一个系统结构来实现对最佳中继和功率分配联合方案的研究，定义θ=(k,E_s,E_k)作为研究对象，k是被选择的最佳中继，为N个，E_s为信号源的传输功率，E_k为中继的传输功率，两者的可选范围均是L，所以三者共同构成N×L×L种排列组合，则可设定可行搜索域为|Q|=N×L×L；

（3）随机选择初始中继编号，随机设置源节点和中继节点传输功率，设置初始单位向量e_θ[0]为一个向量仅在所选择的第θ[0]处为1，其余各处均为0，设置初始状态可能性矩阵s为N×θ阶零矩阵；

（4）设i为当前循环次数，首次即为0，计算当配置为,θ[i]时，通过由步骤（1）所得衡量指标计算公式得出此时的能量效率f(θ[i])；

（5）在可行搜索域中随机选择结合训练序列获取当前信道状态信息，由步骤（1）计算能量效率

比较

与f(θ[i])，若则令 $\mathrm{\θ}[i+1]=\widetilde{\mathrm{\θ}\left[i\right]},$ 若 $f\left(\mathrm{\θ}\right[i\left]\right)>f\left(\widetilde{\mathrm{\θ}\left[i\right]}\right),$ 则令θ[i+1]=θ[i]；

（6）更新当次状态可能性矩阵，s矩阵的第i+1行为第i行加上递增步数1/i乘以θ[i+1]所代表单位向量e_θ[i+1]和s矩阵第i行的差所得到的向量，从而更新当前状态可能性矩阵；

（7）更新当前最优配置选择，比较状态可能性矩阵i+1行θ[i+1]列与

列，若矩阵i+1行θ[i+1]列较大，则令

若矩阵i+1行

列较大，则令

状态可能性矩阵中的行对应第几次循环，列对应于到该次循环为止搜索域中各个配置经比较后被认为为当前最优配置的次数；

（8）返回步骤（4），不断进行循环，每次循环均更新状态可能性矩阵及最优配置选择，循环至设定次数后即结束。

2.根据权利要求1所述的一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将中继选择与源点，中继节点传输功率同时作为变量配置，确定可行搜索域。

3.根据权利要求1所述的一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，其特征在于，所述步骤（5）中通过随机选取配置并比较配置相应能效来比较配置能效，选取较高能效作为下次比较对象。

4.根据权利要求1所述的一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，其特征在于，步骤（8）中，当循环结束后，最后一步所得当前最优配置选择即为最终的高能效系统联合中继的选择以及功率控制配置结果。

5.根据权利要求1所述的一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法，其特征在于，步骤（8）中，所述循环次数为100—200次。

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