CN104093200B - 针对单个节点功率受限的双跳全双工df中继系统最优功率分配方法 - Google Patents

Abstract

针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继最优功率分配方法，涉及无线传输技术领域。本发明为了解决双跳全双工解码转发中继(Decode‑and‑Forward,DF)系统的单个节点的功率受限问题。求解端到端的中断概率P_o(γ_th)；将最优功率分配等价为非线性最优化；最优功率分配的具体过程为：设目标函数f(p₀,p₁)，设迭代精度门限值ε，对利用等功率分配对p₀，即令中间变量等于p₀，采用叠代法更新p₀；条件成立时获得最优功率分配方案。本发明方法适用于双跳全双工DF中继系统的最优功率分配，使得系统的端到端的中断性能达到最佳。

Description

针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继系统最优功率分 配方法

技术领域

本发明涉及一种功率分配方法，涉及无线传输技术领域。

背景技术

第五代移动通信将为用户提供更高的数据传输速率和更好的服务质量。然而，要在有限的频谱资源上实现更高的速率和更大的容量，就必须使用频谱效率极高的无线传输技术。尽管多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术已经极大地提高了无线通信系统的性能和容量，并且近年来得到了迅猛的发展，已成为新一代无线通信的核心技术之一，然而现有通信系统中，无论频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)模式和还是时分双工(Time Division Duplex，TDD)模式都通过占用不同的资源实现上、下行通信来避免上下、行通信间的干扰，这显然将浪费一半的无线资源。所以如何利用同一信道实现同时双向的传输现已成为5G后续演进技术中可以挖掘的重要无线频谱资源。

最近几年，全双工无线通信技术逐渐引起了人们的重视，全双工无线通信技术旨在利用同一频率进行同时收发，这样既节省了时间资源又节省了频率资源，理想的全双工系统的频谱利用率是FDD系统以及TDD系统的二倍。而全双工中继系统则是全双工技术与中继技术的结合，提高系统的频谱利用效率的同时还能够提高系统容量增加系统覆盖面积。而最优功率分配策略，则是中继系统达到最优性能的保障。传统的最优功率分配策略都是针对半双工中继系统的，而对于全双工中继系统，系统架构与半双工完全不同，因此需要重新构建适用于全双工中继系统的最优功率分配策略。

发明内容

针对双跳全双工解码转发(Decode-and-Forward,DF)中继系统的单个节点的功率受限问题，本发明提供一种针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继最优功率分配方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继系统最优功率分配方法，所述双跳全双工DF中继系统由源节点R₀，中继节点R₁以及目的节点R₂组成，信号传播的信道为瑞利衰落信道，假设p_i为节点R_i(i＝0,1)的发射信号的功率，即源节点R₀的发射功率是p₀，中继节点R₁的发射功率是p₁，当不考虑自由空间传播损耗时，节点R_j(j＝1,2)的接收到的来自节点R_i(i＝0,1)的经过衰落信道后信号的平均信噪比为：

其中Ω_i,j为信道衰落系数的模值的均方值，N₀为噪声功率。

当给定接收信噪比门限γ_th(与端到端传输速率有关)时，双跳全双工DF中继系统的端到端的中断概率P_o(γ_th)为：

这样双跳中继系统的单个节点的功率受限为p_Max时，双跳全双工DF中继最优功率分配策略等价为非线性最优化问题：

约束条件:

等价于：

约束条件:

设则对目标函数去自然对数运算后，最优化问题等价为：

约束条件:

其中：

最终最优功率分配问题转化为公式(5)所示，而最优功率分配方案可以按如下几个步骤进行：

步骤1：设目标函数f(p₀,p₁)，

步骤2：判断A与B的大小，总共有三种情况，当A<B时执行步骤3，A>B时执行步骤4，A＝B时执行步骤5；

步骤3：此时A<B，包含如下几个子步骤：

步骤3a：对f(p₀,p_Max)取关于p₀的微分有

步骤3b：令微分结果等于0，解方程得到

步骤3c：设迭代精度门限值ε，对利用等功率分配对p₀，即

步骤3d：令中间变量等于p₀；

步骤3e：将p₀带入公式(9)中，求得新的p₀；

步骤3f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤3d；如果条件成立，则继续步骤3g；

步骤3g：p₁＝p_Max即是最优功率分配方案；

步骤4：此时A>B，包含如下几个子步骤；

步骤4a：对f(p_Max,p₁)取关于p₁的微分有

步骤4b：令微分结果等于0，解方程得到：

步骤4c：设迭代精度门限值ε，对利用等功率分配对p₁，即

步骤4d：令中间变量等于p₁。

步骤4e：将p₁带入公式(11)中，求得新的p₁；

步骤4f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤4d；如果条件成立，则继续步骤4g；

步骤4g：p₀＝p_Max，既是最优功率分配方案；

步骤5：此时A＝B，此时最大的等功率分配即是最优功率分配结果，即p₀＝p_Max，p₁＝p_Max。

本发明的有益效果是：

本发明方法适用于双跳全双工DF中继系统的最优功率分配，使得系统的端到端的中断性能达到最佳。

图3给出了当系统的端到端的传输速率为0.25bit/s/Hz时，最优功率分配算法与最大功率分配算法(即当单个节点的最大发射功率为p_Max时，源节点和中继节点的发射功率都是p_Max)的对比。其中横坐标为节点的最大传输功率，纵坐标为双跳全双工DF中继系统的端到端的中断概率。以单节点最大发射功率是3dBW时为例，此时采用最优功率分配算法后中继系统的中断概率约为0.152(本发明方法)，而采用最大功率分配算法后的中继系统的中断概率约为0.174(常用的现有技术)，可以看到使用最优功率分配算法时系统的中断概率明显低于使用最大功率分配时系统的中断概率，说明了最优功率分配算法的有效性。

附图说明

图1是双跳全双工DF中继系统的系统模型图，图2是最优功率分配算法流程图，图3是最优功率分配算法与最大功率分配算法对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继系统最优功率分配方法，所述双跳全双工DF中继系统由源节点R₀，中继节点R₁以及目的节点R₂组成，信号传播的信道为瑞利衰落信道，假设p_i为节点R_i(i＝0,1)的发射信号的功率，即源节点R₀的发射功率是p₀，中继节点R₁的发射功率是p₁，当不考虑自由空间传播损耗时，节点R_j(j＝1,2)的接收到的来自节点R_i(i＝0,1)的经过衰落信道后信号的平均信噪比为：

其中Ω_i,j为信道衰落系数的模值的均方值，N₀为噪声功率；

所述方法的实现过程为：

步骤一、求解端到端的中断概率Po(γ_th)：

当给定接收信噪比门限γ_th(与端到端传输速率有关)时，双跳全双工DF中继系统的端到端的中断概率P_o(γ_th)为：

步骤二、将最优功率分配等价为非线性最优化：

双跳中继系统的单个节点的功率受限为p_Max时，双跳全双工DF中继最优功率分配策略等价为非线性最优化问题：

约束条件:

等价于：

约束条件:

设则对目标函数去自然对数运算后，最优化问题等价为：

约束条件:

其中：

步骤三、基于公式(5)进行最优功率分配，具体过程如下：

步骤1：设目标函数f(p₀,p₁)，

p₀是源节点R₀的发射功率，p₁是中继节点R₁的发射功率；

步骤2：判断A与B的大小，当A<B时执行步骤3，A>B时执行步骤4，A＝B时执行步骤5；

步骤3：此时A<B，包含如下几个子步骤；

步骤3a：对f(p₀,p_Max)取关于p₀的微分有：

步骤3b：令微分结果等于0，解方程得到

步骤3c：设迭代精度门限值ε，对源节点的发射功率p₀利用等功率分配进行初始化，即令

步骤3d：令中间变量等于p₀；

步骤3e：将p₀带入公式(9)中进行迭代计算，求得更新后的p₀；

步骤3f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤3d；如果条件成立，则继续步骤3g；

步骤3g：p₁＝p_Max既是最优功率分配方案；

步骤4：此时A>B，包含如下几个子步骤；

步骤4a：对f(p_Max,p₁)取关于p₁的微分有

步骤4b：令微分结果等于0，解方程得到

步骤4c：设迭代精度门限值ε，利用等功率分配对p₁进行初始化，即

步骤4d：令中间变量等于p₁；

步骤4e：将p₁带入公式(11)中，求得新的p₁；

步骤4f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤4d；如果条件成立，则继续步骤4g；

步骤4g：p₀＝p_Max，既是最优功率分配方案；

步骤5：此时A＝B，此时最大的等功率分配即是最优功率分配结果，即p₀＝p_Max，p₁＝p_Max。

具体实施方式二：在步骤4c中精度门限值ε的取值为了保证运算速度和计算精度一般小于或等于0.01。其它步骤与具体实施方式一相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继系统最优功率分配方法，其特征在于：所述双跳全双工DF中继系统由源节点R₀，中继节点R₁以及目的节点R₂组成，信号传播的信道为瑞利衰落信道，假设p_i为节点R_i,i＝0,1的发射信号的功率，即源节点R₀的发射功率是p₀，中继节点R₁的发射功率是p₁，当不考虑自由空间传播损耗时，节点R_j,j＝0,1的接收到的来自节点R_i,i＝0,1的经过衰落信道后信号的平均信噪比为：

${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{i,j}=\frac{{\mathrm{\&Omega;}}_{i,j}\&CenterDot;p_i}{N_0}---\left(1\right)$

其中Ω_i,j为信道衰落系数的模值的均方值，N₀为噪声功率；

其特征在于：所述方法的实现过程为：

步骤一、求解端到端的中断概率Po(γ_th)：

当给定接收信噪比门限γ_th时，双跳全双工DF中继系统的端到端的中断概率Po(γ_th)为：

$P_o\left({\mathrm{\&gamma;}}_{th}\right)=1-\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,1}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}}\&CenterDot;\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,2}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}}---\left(2\right)$

步骤二、将最优功率分配等价为非线性最优化：

双跳中继系统的单个节点的功率受限为p_Max时，双跳全双工DF中继最优功率分配策略等价为非线性最优化问题：

$\begin{array}{cc}\min & 1-\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,1}}\end{array}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}}\&CenterDot;\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,2}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}}---\left(3\right)$

约束条件:

等价于：

$\begin{array}{cc}\max & \frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,1}}\end{array}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,1}}}\&CenterDot;\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}+{\mathrm{\&gamma;}}_{th}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{0,2}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}}_{1,2}}}---\left(4\right)$

约束条件:

设则对目标函数取自然对数运算后，最优化问题等价为：

$\begin{array}{cc}max& -(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{0,1}{p}_0}+\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{1,2}{p}_1})-lnM(p_0,p_1)\end{array}---\left(5\right)$

约束条件:

其中：

$\begin{array}{c}M(p_0,p_1)=1+AB+A\frac{p_1}{p_0}+B\frac{p_0}{p_1}\\ A=\frac{k_{1,1}{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{0,1}},B=\frac{k_{0,2}{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{1,2}}\end{array}---\left(6\right)$

步骤三、基于公式(5)进行最优功率分配，具体过程如下：

步骤1：设目标函数f(p₀,p₁)，

$f(p_0,p_1)=-(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{0,1}{p}_0}+\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{1,2}{p}_1})-lnM(p_0,p_1)---\left(7\right)$

p₀是源节点R₀的发射功率，p₁是中继节点R₁的发射功率；

步骤2：判断A与B的大小，当A<B时执行步骤3，A>B时执行步骤4，A＝B时执行步骤5；

步骤3：此时A<B，包含如下几个子步骤；

步骤3a：对f(p₀,p_Max)取关于p₀的微分有：

$\frac{\&part;f(p_0,p_{Max})}{\&part;p_0}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{0,1}{p}_0^2}-\frac{-\frac{{\mathrm{Ap}}_{Max}}{p_0^2}+\frac{B}{p_{Max}}}{M(p_0,p_{Max})}---\left(8\right)$

步骤3b：令微分结果等于0，解方程得到

$p_0=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{0,1}B}\left(M\right(p_0,p_{max})+{\mathrm{Ap}}_{Max}^2)}---\left(9\right)$

步骤3c：设迭代精度门限值ε，对源节点的发射功率p₀利用等功率分配进行初始化，即令

步骤3d：令中间变量等于p₀；

步骤3e：将p₀带入公式(9)中进行迭代计算，求得更新后的p₀；

步骤3f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤3d；如果条件成立，则继续步骤3g；

步骤3g：p₁＝p_Max既是最优功率分配方案；

步骤4：此时A>B，包含如下几个子步骤；

步骤4a：对f(p_Max,p₁)取关于p₁的微分有

$\frac{\&part;f(p_{Max},p_1)}{\&part;p_1}=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{1,2}{p}_1^2}-\frac{\frac{A}{p_{Max}}-\frac{{\mathrm{Bp}}_{Max}}{p_1^2}}{M(p_{Max},p_1)}---\left(10\right)$

步骤4b：令微分结果等于0，解方程得到

$p_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{th}}{k_{1,2}A}\left(M\right(p_{Max},p_1)+{\mathrm{Bp}}_{Max}^2)}---\left(11\right)$

步骤4c：设迭代精度门限值ε，利用等功率分配对p₁进行初始化，即

步骤4d：令中间变量等于p₁；

步骤4e：将p₁带入公式(11)中，求得新的p₁；

步骤4f：判断条件是否成立，如果不成立，则跳回步骤4d；如果条件成立，则继续步骤4g；

步骤4g：p₀＝p_Max，既是最优功率分配方案；

步骤5：此时A＝B，此时最大的等功率分配即是最优功率分配结果，即p₀＝p_Max，p₁＝p_Max。

2.根据权利要求1所述的针对单个节点功率受限的双跳全双工DF中继系统最优功率分配方法，其特征在于：步骤4c中精度门限值ε的取值为小于或等于0.01。