CN104022807A - 一种协作通信中协作建立的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种协作通信中协作建立的判断方法，涉及通信技术，本方法是利用中断概率、吞吐量以及功率分配折衷关系判断协作建立，包括：通过分析协作通信中的中断概率、吞吐量以及功率分配关系，构造中断概率、吞吐量以及功率分配间约束条件，再根据最小二乘算法给出协作建立的目标函数。本发明利用协作通信中的中断概率、吞吐量以及功率分配的三个相互制约的性能指标构建协作建立的目标函数，通过判断是否满足目标函数确定协作是否建立，实现满足一定通信质量的要求时的能量损耗降低。

Description

一种协作通信中协作建立的判断方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是一种协作通信中协作建立的判断方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，人们对无线传输数据速率和服务质量的要求不断提高，为了满足用户对通信服务的要求，利用有限的资源进一步扩大容量、改善通信质量一直是国内外无线通信学术界和产业界研究的一大热点。协作通信是移动通信技术中重要技术之一，这一技术可以使得资源得到充分利用、系统容量最大化，从根本上改善系统频谱效率。如何更为有效的改善系统频谱效率，增加网络覆盖率，可以从网络架构上进行考虑，如蜂窝网络、多种短距离通信网络的异构组网模式。异构网下的协作通信可以实现无线异构网络之间的融合接入与协同工作，通过分组算法形成的分层异构网络移动云系统，实现资源共享，降低干扰，提高系统通信能力，在无线通信领域有着广阔的前景，但同时也跟其他热点技术一样存在许多问题需要进一步的分析研究，从而可以在实际的应用系统中提供更高的性能。目前如何协作研究已较为成熟，何时需要协作的研究就更为重要，因为协作通信技术带来优势的同时也引入了其他问题：

(1)调度复杂性问题。协作阶段在转发信息时需要占用信道，引入更多的调度指令，增加节点的调度复杂性。

(2)中继节点处理问题。AF造成误差传播噪声加强，而且先后信道是相关的；DF造成误差积累，这些都会影响通信质量和增加分析的复杂度。

(3)功率开销问题。协作过程相比于非协作工程有更大的功率开销，消耗一定的额外资源，影响系统传输速率，降低功率效率。

因此，为了平衡通信协作的优劣势，协作发起的判断就尤为重要，即协作并不是任何时候都需要的，只有在协作获得通信质量增益大于额外消耗的资源，协作系统才有启用的价值。

现在在大多数对协作建立判断的研究中都单一的从功率角度着手，是一种直观有效的判断方式，但对系统的整体性能分析相对片面。而我们采用协作通信的目的之一是为了提高通信服务质量，那么可以综合考虑QOS的多个参数指标，从而实现系统性能的公平性与稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种协作通信中协作建立的判断方法，从吞吐量、中断概率以及功率分配这三个相互制约的性能指标进行均衡分析，让三者的结合性能达到最优，以达到在保证服务质量的同时降低能量损耗，保证通信系统的公平性与稳定性。

本发明的技术方案如下：

本发明提出的协作通信中协作建立的判断方法，包括三个大步：一是在协作通信系统中，分析信道容量，得出最优功率分配下的中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α函数；二是分别在中断概率P最小、吞吐量T最大和功率分配因子α最优情况下采集N个数据点(α,P,T)，根据数据点(α,P,T),通过最小二乘算法构建出协作建立判断的目标函数；三是根据某时刻的相关数据点满足目标函数与否，判断此时是否建立协作。

具体实现步骤如下：

步骤1：通过分析协作通信系统中的信道容量，找出关于信道容量的数学表示。

步骤2：协作模式下通信系统的中断概率P有通过信道容量C来判断也有通过信噪比SNR来判断，此发明中通过信道容量C来判断，其中N_t表示发射天线数，N_r表示接受天线数，表示N_r×N_r的单位阵，H是N_t×N_t的信道矩阵，则中断概率P＝P(C＜R),P(C＜R)为信道容量C小于传输速率R的概率，P(C＜R)∈[0,1].

步骤3：根据吞吐量T与中断概率关系T＝(1-P)·R，得到吞吐量相关函数；

步骤4：分别采集协作模式下满足吞吐量最大中断概率最小和功率分配系数α最优情况下的7个数据点(α,P,T)，这里表示对函数T对SNR的偏导数。

步骤5：采集数据点(α,P,T)，构建关于吞吐量、中断概率以及功率分配系数折衷的三维协作建立的目标函数c_ij(i,j＝0,1,2)是函数系数。

步骤6：用最小二乘算法得出函数权值c_ij(i,j＝0,1,2)，从而得到目标函数。

步骤7：转换目标函数为代入相关数据，当满足f(α,P,T)＝0时，则判断该时刻各项性能指标已近达到了协作时候所能带来的服务质量，则同等条件下就不需要协作，从而减小能量损耗，反之，当f(α,P,T)≠0时，则需要协作。

本发明利用协作通信中的中断概率、吞吐量以及功率分配的三个相互制约的性能指标构建协作建立的目标函数，通过判断是否满足目标函数确定协作是否建立，通过以上的步骤，可以把通信系统划分为三部分：协作通信、非协作通信以及满足目标函数时才协作的选择协作通信，这样的划分在保证服务质量的同时降低能量损耗，保证通信系统的公平性与稳定性。

附图说明

图1为发明方法的总体步骤框图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为目标函数具体流程图；

图4为系统划分模型图。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明的内容：

参见图1，本发明主要分为三个步骤：一中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α函数的获取；二基于中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α的建模；三根据目标函数判断协作建立。

以下结合图2和图3对本方法实现流程进行详细说明：

一、中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α函数的获取：

通过分析，可以得到协作通信系统中，系统容量C的数学表示为： $C={\log }_2|I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{HH}}^H|==\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}\log (1+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{\λ}}_i)=\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}\·\log e\·\left(\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{\mathrm{ij}}\right|}^2\right),$ N_t表示发射天线数，N_r表示接受天线数，表示N_r×N_r的单位阵，H是N_t×N_t的信道矩阵，h_ij为信道衰落系数，服从均值为0，方差为σ²的复高斯分布，λ_i是HH^H的特征值，根据中断概率与吞吐量的定义，探讨改变源节点及中继节点的功率分配系数下，中断概率与吞吐量的变化情况。

假设用户的总功率为p_t，根据每个信道不同的信道状态信息，中继节点有不同的功率分配因子α_i(i＝1,2,...,M,M+1)，其中α₁是源节点功率分配系数，s_i是输入信号，是噪声方差。

根据推导得出中断概率为：

$P=P(\underset{i=1}{\overset{M+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log (1+\frac{{(p_t\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_i)}^2\&CenterDot;s_i^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_w^2})<R)$

继而求出吞吐量为：

$T=(1-P(C<R))\&CenterDot;R=(1-P(\underset{i=1}{\overset{M+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log (1+\frac{{(p_t\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_i)}^2\&CenterDot;s_i^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_w^2})<R))\&CenterDot;R$

上式应满足和0≤α_i≤1两个约束条件。

二、基于中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α的建模

根据协作模式下吞吐量、中断概率与功率分配系数关于SNR与R的表达式的推导及分析，可以得到中断概率P随SNR增加而减少，随R增加而增加；吞吐量T随SNR增加而增加，随R增加而增加；功率分配系数α随SNR增加而减少，随R增加而减小。其中一些隐藏关系如T是P的单调递减函数，到达极值后，变为P的单调递增函数；T是α单调递增函数，到达极值后，变为α的单调递减函数；P是α单调递减函数。从而可以得出，三者参数相互制约，存在着优化某一性能而牺牲其他两者性能的可能性，参考三者的制约关系，找出折衷范围，在三维空间中构建一个目标函数，使其参数综合性能最优，从而保证通信服务质量的稳定性。根据系统模型找出N个数据点(α,P,T)，构造出拟合于数据点的二次三维目标函数，根据最小二乘算法求出目标函数中的参数权值，进而得出关于T、P与α的一个折衷映射的目标函数，作为协作建立的一个重要指标。

令关于P、T与α的三维函数为：其中，c_ij(i,j＝0,1,2)为函数的6个权值。

令函数为适当的选取 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^{*}(i,j=\mathrm{0,1,2}),$ 则该问题变为：考虑到的限制，向量可以表示为在欧式空间的极小点，从而满足:因此，可得出有关T、P与α的最优值。具体可以表示为：令 $\frac{\&PartialD;S}{{\&PartialD;c}_k}=0,k=\mathrm{0,1},...,6,$ 则

为了说明的方便，这里令则可用矩阵表示为：

即：

代入函数则可得到关于T、P与α的矩阵：

$\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\&Sigma;}{P}^2& \mathrm{\&Sigma;\&alpha;P}& \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&alpha;}}^2& \mathrm{\&Sigma;P}& \mathrm{\&Sigma;\&alpha;}& m\\ .....& & \mathrm{\&Sigma;}{P}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}^{j-i}{P}^i& & .....& \\ .....& & \mathrm{\&Sigma;\&alpha;P}\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}^{j-i}{P}^i& & .....& \\ .....& & \mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&alpha;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}^{j-i}{P}^i& & .....& \\ .....& & \mathrm{\&Sigma;P}\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}^{j-i}{P}^i& & .....& \\ .....& & \mathrm{\&Sigma;\&alpha;}\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}^{j-i}{P}^i& & .....& \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}_{20}\\ c_{11}\\ c_{11}\\ c_{00}\\ c_{11}\\ c_{11}\end{array}\right]=0\left(13\right)$

通过Gaussian Elimination算法求出c_ij(i,j＝0,1,2)，再代入得到有关吞吐量、中断概率以及功率分配的三维函数。

三、根据目标函数判断协作建立

构建新的目标函数在通信系统中，代入相关数据，当满足f(α,P,T)＝0时，则判断该时刻各项性能指标已近达到了协作时候所能带来的服务质量，那么在同等条件下就不需要建立协作，从而减小能量损耗，反之，当f(α,P,T)≠0时，则需要建立协作。

因此，参见图4，通过以上的步骤，可以把通信系统划分为三部分：协作通信、非协作通信以及满足目标函数时才协作的选择协作通信。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种协作通信中协作建立的判断方法，其特征在于，包括三个大步：一是在协作通信系统中，分析信道容量，得出最优功率分配下的中断概率P、吞吐量T和功率分配因子α函数；二是分别在中断概率P最小、吞吐量T最大和功率分配因子α最优情况下采集N个数据点(α,P,T)，根据数据点(α,P,T),通过最小二乘算法构建出协作建立判断的目标函数；三是根据某时刻的相关数据点满足目标函数与否，判断此时是否建立协作。

2.根据权利要求1所述协作建立的判断方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1：通过分析协作通信系统中的信道容量，找出关于信道容量的数学表示；

步骤2：协作模式下通信系统的中断概率P通过信道容量C来判断，其中N_t表示发射天线数，N_r表示接受天线数，表示N_r×N_r的单位阵，H是N_t×N_t的信道矩阵，则中断概率P＝P(C＜R),P(C＜R)为信道容量C小于传输速率R的概率，P(C＜R)∈[0,1]；

步骤3：根据吞吐量T与中断概率关系T＝(1-P)·R，得到吞吐量相关函数；

步骤4：分别采集协作模式下满足吞吐量最大中断概率最小和功率分配系数α最优情况下的7个数据点(α,P,T)，这里表示对函数T对SNR的偏导数；

步骤5：采集数据点(α,P,T)，构建关于吞吐量、中断概率以及功率分配系数折衷的三维协作建立的目标函数c_ij(i,j＝0,1,2)是函数系数；

步骤6：用最小二乘算法得出函数权值c_ij(i,j＝0,1,2)，从而得到目标函数；

步骤7：转换目标函数为代入相关数据，当满足f(α,P,T)＝0时，则判断该时刻各项性能指标已近达到了协作时候所能带来的服务质量，则同等条件下就不需要协作，反之，当f(α,P,T)≠0时，则需要协作。