CN104837194B - 一种基于af机制的双向中继系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AF机制的双向中继系统功率分配方法，适用于基于放大重传机制的双向中继系统，本方法以系统QoS要求和发射机峰值发射功率受限为约束条件，目标是最小化系统总发射功率；利用信道统计值和根据源节点对数据速率的要求，对发射机的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率限制条件下，最小化系统总发射功率。

Description

一种基于AF机制的双向中继系统功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于AF(放大重传，Amplify-and-Forward,AF)机制的双向中继系统功率分配方法，目的是最小化系统总发射功率，属于无线通信技术领域。

背景技术

上世纪七十年代，研究人员提出无线中继通信，即采用接力的形式进行信息的传输，以提高通信质量，抵抗无线信道衰落、阴影效应、多径效应等的影响和扩大通信范围、克服移动终端功耗受限等问题。1995年，BELL实验室的Telatar、Foschini等人针对不相关瑞利衰落信道，在最优编解码和接收端能够准确预知发射端信道状态信息的假设下，理论证明了接收端和发送端使用多天线(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技术能够使通信链路的容量成倍的增加。虽然，MIMO技术在抗信道衰落和提升系统容量方面具有明显的优势，然而在小型无线移动终端较难安置多天线的难题使得理想的MIMO技术在走向实用的过程中步履维艰。为此，Sendonaris和Laneman等人提出协作中继技术，通过不同用户节点共享彼此的天线和其它网络资源的形式来构造虚拟多天线阵列”，并通过分布式处理和协作来获得空间分集增益。然而，由于实际中继通信系统的半双工限制，使得传统的单向协作中继术在提高无线通信性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此，科研人员针对经典的三节点网络，基于放大转发和解码转发协议提出了一种称之为双向中继的协作中继机制。双向中继作为一种特殊的协作传输形式，能够显著提升网络吞吐量和提高频谱利用率，为无线通信网络(如蜂窝移动通信网络和无线传感器网络)中的高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已经得到学术界和产业界的高度重视。

功率分配作为一种重要的链路自适应技术，通过对发射机发射功率的有效控制，可以有效地提升系统整体传输性能，提高能量利用率，达到绿色节能和高效的目的。一般而言，功率分配对应两类优化问题：1)以系统QoS为目标，发射机功率为约束条件；2)以发射机功率为目标，系统QoS为约束条件。最近，学术界针对第一类功率分配问题，已经展开了广泛而又深入的研究。随着“绿色无线电”概念的提出，如何节能减排，降低无线通信系统的能量消耗，吸引了科技人员更多的关注。虽然，目前关于AF双向中继系统的高能效功率分配技术研究取得了一些成果，但都未考虑发射机峰值发送功率受限情况。实际上，移动通信网络中的节点，尤其是移动终端节点，由于是电池供电，发射机的峰值发射功率是有限的。此外，可以证明，在瑞利衰落环境下，不考虑发射机峰值发射功率受限条件下的理想功率分配技术，发射机的平均发射功率将趋于无穷。另外，为了进行功率分配，发射机需要知道链路信息。为了获取链路信息，通常接收机通过发射机发射的导频序列估计链路信息，然后再将估计值反馈给发射机。这一过程中：一方面需要利用反馈信道，占用频谱资源，并且链路信息的反馈也需要消耗能量资源；另一方面，由于信道的时变性，当信道快变时，接收机通过信道估计并将估计到的链路信息反馈到发射机后，链路状态可能已经发生了变化。实际上，对于时分系统而言，信道特性具有互易性。发射机可以通过长时间的观测来获得信道的统计值，而不需要占用反馈信道或消耗额外的能量资源。因此，在快变信道条件下，发射机可以利用信道的统计值来调整自身的发射功率，以优化系统的性能。

综上，非常有必要，从绿色通信的角度，利用信道统计值，研究发射机峰值发射功率受限和满足系统QoS要求条件下的自适应功率分配技术，以便具体应用。

发明内容

本发明提供一种一种基于AF(放大重传，Amplify-and-Forward,AF)机制的双向中继系统功率分配方法，利用信道统计值，根据源节点的数据速率，来对发射机的发射功率进行调整，在满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化，本方法适用于基于放大重传机制的双向中继通信系统。

本发明的技术方案如下：一种基于AF机制的双向中继系统功率分配方法，其特征在于：利用信道统计值，根据源节点的数据速率对发射机的发射功率进行调整，在满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于基于AF机制的双向中继系统，系统中两个源节点N_A和N_B通过位于两者之间的中继节点N_R进行信息的交互，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互将占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点N_A和N_B首先检查k＝λ₂/λ₁的值，其中λ₁和λ₂为双向中继信道的统计值，分别看做是源节点N_A和N_B到中继节点N_R链路增益h_AR和h_BR模的平方的率参数，即，|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，然后，根据k的取值选择以下5种情况之一：

Case 1，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)，“inf”表示无限大，(P_A,P_B)＝(inf,inf)表示P_A和P_B无解，即源节点N_A和N_B不进行信号的发送，系统中断一次；

Case 2，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case 3，当0.25≤k≤4时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率由式(4)给出，否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case 4，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率由式(4)给出，否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case 5，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

上述式(1)、式(3)、式(5)、式(6)和式(7)中，P为发射机的最大峰值发送功率，Q_S为系统的QoS性能要求，z＝2^2r-1，其中r为源节点N_A和N_B的数据速率，(P_A,P_B)＝(inf,inf)意味着N_A和N_B将不选择发送，回归空闲状态；

如上所述，若所检查的不等式(1)、(3)、(5)、(6)或(7)不成立，则N_A和N_B回归空闲状态，若成立则将各自的二进制信息m_A和m_B，通过编码调制为发送信号s_A和s_B，并同时向中继节点N_R进行发送，源节点N_A和N_B的发射功率分别根据式(2)、式(4)或式(8)计算得出，s_A和s_B分别表示源节点N_A和N_B在第一时隙发射的信号的幅值；

第一个时隙末，中继N_R接收到的信号为：

y_R表示中继节点N_R在第一时隙末接收的信号的幅值，w_R为N_R处的高斯白噪声；

接着，N_R将接收到的信号y_R乘上放大参数

然后，N_R将检查k＝λ₂/λ₁的值，并根据k的取值选择以下3种情况之一，来决定自己的发射功率：

Case 1，当时，N_R的发射功率为：

Case 2，当时，N_R的发射功率为：

Case 3，当时，N_R的发射功率为：

在第二时隙末，N_A和N_B接收的信号分别为：

y_A和y_B分别表示源节点N_A和N_B在第二时隙末接收的信号的幅值，h_RA和h_RB分别为中继N_R到源节点N_A和N_B的链路增益，并且有h_RA＝h_AR,h_RB＝h_BR，w_A和w_B分别为N_A和N_B处的高斯白噪声；

最后，N_A和N_B将分别对y_A和y_B进行自干扰消除，再解调解码获得对方发送的信息，完成信息的交互；

这里，N_A、N_B和N_R的峰值发送功率受限，即，0＜P_A,P_B,P_R≤P，其中P为发射机的最大峰值发射功率，系统对QoS性能的要求为Q_S，其中Q_S为中断概率，双向中继系统作为一个多用户系统，当源节点中的任意一个发生中断事件，则认为系统发生中断事件，因此，系统中断概率写为：

Q_out(P_A,P_B,P_R)＝Pr[min(I_A,I_B)＜r]＝Pr[min(γ_A,γ_B)＜z] (16)

其中，I_A和I_B表示源节N_A和N_B在第二时隙末接收的互信息，γ_A和γ_B表示源节N_A和N_B在第二时隙末的接收信噪比，函数Pr(·)表示概率，min(·,·)表示取两者的最小值；

对于一个AF双向中继系统Q_out(P_A,P_B,P_R)≤Q_S必须得到满足；

以最小化系统总发射功率为目标，以发射机峰值发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立功率分配优化问题，得

为了解式(17)给出的功率分配问题，即式(17a)、式(17b)和式(17c)组成的功率分配优化问题，将概率约束条件(17b)转化为确定函数，将Q_out(P_A,P_B,P_R)的闭合表达式带入约束条件(17b)，由于Q_out(P_A,P_B,P_R)的闭合表达式不可行，因此给出一个精确的近似闭合表达式：

式(18)是一个分段函数，一共有三种可能，分别由式(18a)、式(18b)和式(18c)给出；

分别将式(18a)、式(18b)和式(18c)替换概率约束条件(17b)中的Q_out(P_A,P_B,P_R)，产生三个功率分配优化子问题，解这三个子问题，得到三组最优解，比较三组最优解给出的系统总发射功率，将能够产生最小总发射功率的那组解作为功率分配问题式(17)的最终解；

功率分配问题式(17)的最终解，即源节点N_A和N_B以及中继节点N_R的最优发射功率，根据k的取值分为以下5种情况：

Case 1，当时，若不等式(1)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

Case 2，当时，若不等式(3)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

Case 3，当0.25≤k≤4时，若不等式(5)成立，则功率分配问题式(17)的解由式(20)给出，否则

Case 4，当时，若不等式(6)成立，则功率分配问题式(17)的解由式(20)给出，否则

Case 5，当时，若不等式(7)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

表示功率分配问题式(17)不可行，意味着，在发射机峰值发射功率限制条件下，无法找到可行解使得系统QoS要求得到满足。

本发明的优点及有益效果：

本发明利用信道统计值，根据源节点的数据速率，对发射机的发射功率进行动态调整。该算法能够在满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化。仿真实验也表明，该功率控制算法在总发射功率上具有显著的优势。

附图说明

图1为本发明方法示意图；

图2为采用功率分配方法后的节点发射功率；

图3为采用功率分配方法后的系统中断概率；

图4为系统总发射功率比较。

具体实施方式

如图1所示，源头节点N_A和N_B完成一次信息的交互需要占用两个连续并等长的时隙。第一时隙，N_A和N_B在发射各自的信息前，需要首先检查k＝λ₂/λ₁的值，然后检查不等式(1)、(3)、(5)、(6)或(7)是否成立，若成立则根据式(2)、式(4)或式(8)计算出各自的发射功率，然后再同时将各自的信息发送给中继节点N_R。为了完成上述的操作，N_A和N_B需要知道z，λ₁，λ₂，Q_S和P的取值。其中，z＝2^2r-1；P是发射机的最大峰值发射功率；Q_S为系统可接受的中断概率，是一种系统参数。因此，N_A和N_B能够预先知道参数z，Q_S和P的取值。λ₁和λ₂是信道的统计值，可以看做是指数随机变量|h_AR|²和|h_BR|²的率参数。实际上，时分系统下，N_A和N_B可以通过长期的观测分别获得λ₁和λ₂的值。此外，为了完成上述的操作，N_A需要知道λ₂，N_B需要知λ₁。为了解决这个问题，提出在信道估计阶段N_A和N_B分别将λ₁和λ₂的值包括在导频信号中。当中继节点N_R获得λ₁和λ₂的值后，再重传给N_A和N_B。

在第二时隙，中继N_R需要将接收信号y_R乘上放大参数F(这是AF机制固有的操作流程)，然后，通过检查k＝λ₂/λ₁的值，根据式(11)、式(12)或式(13)计算得出发射功率，并重传给N_A和N_B。由式(11)、式(12)和式(13)可知，中继N_R需要知道z，λ₁，λ₂和Q_S的取值。如上所述，Q_S为系统可接受的中断概率，是一种系统参数；λ₁和λ₂是信道统计值，时分系统下，N_R可以通过长期观测获得λ₁和λ₂。因此，N_R能够预先知道参数λ₁，λ₂和Q_S的取值。但是，z＝2^2r-1只与源节点N_A和N_B的数据速率有关，N_R无法预先获得z的值。为了解决这个问题，提出在信道估计阶段，N_A和N_B将z的值包括在导频信号中。

在第二时隙末，N_A和N_B分别对接收信号进行自干扰消除，再解调解码获得对方发送的信息，完成信息的交互。

对本发明提出的功率分配方法，我们对节点发射功率、系统中断概率和系统总发射功率进行了仿真实验，并且与传统的用户之间相同功率发射方法进行了比较，实验环境为Matlab环境。假设中继N_R位于源节点N_A和N_B的连线上；N_A和N_B之间的距离等于1；N_R到N_A和N_B的距离d_AR和d_BR满足0＜d_AR,d_BR＜1，d_AR+d_BR＝1。进一步，假设 其中α＝4来模拟城市环境下的路径衰落。

图2给出了三种系统参数环境下的节点最优发射功率：(a)r＝0.5bit/s.Hz,P＝20dBW,Q_S＝0.01；(b)r＝0.5bit/s.Hz,P＝25dBW,Q_S＝0.005；(c)r＝0.8bit/s.Hz,P＝30dBW,Q_S＝0.001。由图2可以看出，无论N_R位于哪个位置，三个节点的发射功率均能够满足发射机峰值发射功率限制。另外，图2(c)显示，只有N_R位于N_A和N_B中间那段区域，才能够发现功率分配优化问题的解，也就是说，N_R在其他位置功率分配优化问题不可行。

图3给出了图2中三种系统参数环境下的系统中断概率。由图3可以看出，系统中断概率符合原始的约束条件，验证了所提功率分配方法的正确性。

为了说明所提方法的性能，将所提方法与传统的用户之间相同功率发送方法进行了比较，如图4所示。这里的系统参数与图2和图3中的相同。由图4可以看出，相比传统的方法，所提方法的系统总发射功率可以降低24dBW以上，并且随着中继向两个源节点靠近，所提方法的优势越加明显。另外，对于图2(a)和图2(c)中的情况，即，r＝0.5bit/s.Hz,P＝20dBW,Q_S＝0.01；r＝0.8bit/s.Hz,P＝30dBW,Q_S＝0.001，只有当N_R位于N_A和N_B中间那段区域，才能够发现功率分配优化问题的解，其他位置则不能找到解，也就是说找不到合适的发射功率，可以同时满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率限制条件。虽然，图2(c)中的情况，即r＝0.8bit/s.Hz,P＝30dBW,Q_S＝0.001，只有当N_R位于N_A和N_B中间那段区域，所提功率分配方法才能够给出解。但是，所提功率分配方法能够给出解的区域要远远大于传统的方法。因此，所提方法不仅在系统总发射功率上有优势，在鲁棒性上也具有优势。

Claims (1)

1.一种基于AF机制的双向中继系统功率分配方法，其特征在于：利用信道统计值，根据源节点的数据速率对发射机的发射功率进行调整，在满足系统QoS要求和发射机峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于基于AF机制的双向中继系统，系统中两个源节点N_A和N_B通过位于两者之间的中继节点N_R进行信息的交互，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点N_A和N_B之间的一次信息交互将占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点N_A和N_B首先检查k＝λ₂/λ₁的值，其中λ₁和λ₂为双向中继信道的统计值，分别看做是源节点N_A和N_B到中继节点N_R链路增益h_AR和h_BR模的平方的率参数，即，|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，然后，根据k的取值选择以下5种情况之一：

Case1，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)，“inf”表示无限大，(P_A,P_B)＝(inf,inf)表示P_A和P_B无解，即源节点N_A和N_B不进行信号的发送，系统中断一次；

Case2，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case3，当0.25≤k≤4时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率由式(4)给出，否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case4，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率由式(4)给出，否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

Case5，当时，若

成立，则N_A和N_B的发射功率分别为：

否则，(P_A,P_B)＝(inf,inf)；

上述式(1)、式(3)、式(5)、式(6)和式(7)中，P为发射机的最大峰值发送功率，Q_S为系统的QoS性能要求，z＝2^2r-1，其中r为源节点N_A和N_B的数据速率，(P_A,P_B)＝(inf,inf)意味着N_A和N_B将不选择发送，回归空闲状态；

如上所述，若所检查的不等式(1)、(3)、(5)、(6)或(7)不成立，则N_A和N_B回归空闲状态，若成立则将各自的二进制信息m_A和m_B，通过编码调制为发送信号s_A和s_B，并同时向中继节点N_R进行发送，源节点N_A和N_B的发射功率分别根据式(2)、式(4)或式(8)计算得出，s_A和s_B分别表示源节点N_A和N_B在第一时隙发射的信号的幅值；

第一个时隙末，中继N_R接收到的信号为：

y_R表示中继节点N_R在第一时隙末接收的信号的幅值，w_R为N_R处的高斯白噪声；

接着，N_R将接收到的信号y_R乘上放大参数

然后，N_R将检查k＝λ₂/λ₁的值，并根据k的取值选择以下3种情况之一，来决定自己的发射功率：

Case1，当时，N_R的发射功率为：

Case2，当时，N_R的发射功率为：

Case3，当时，N_R的发射功率为：

在第二时隙末，N_A和N_B接收的信号分别为：

y_A和y_B分别表示源节点N_A和N_B在第二时隙末接收的信号的幅值，h_RA和h_RB分别为中继N_R到源节点N_A和N_B的链路增益，并且有h_RA＝h_AR,h_RB＝h_BR，w_A和w_B分别为N_A和N_B处的高斯白噪声；

最后，N_A和N_B将分别对y_A和y_B进行自干扰消除，再解调解码获得对方发送的信息，完成信息的交互；

这里，N_A、N_B和N_R的峰值发送功率受限，即，0＜P_A,P_B,P_R≤P，其中P为发射机的最大峰值发射功率，系统对QoS性能的要求为Q_S，其中Q_S为中断概率，双向中继系统作为一个多用户系统，当源节点中的任意一个发生中断事件，则认为系统发生中断事件，因此，系统中断概率写为：

Q_out(P_A,P_B,P_R)＝Pr[min(I_A,I_B)＜r]＝Pr[min(γ_A,γ_B)＜z] (16)

其中，I_A和I_B表示源节N_A和N_B在第二时隙末接收的互信息，γ_A和γ_B表示源节N_A和N_B在第二时隙末的接收信噪比，函数Pr(·)表示概率，min(·,·)表示取两者的最小值；

对于一个AF双向中继系统Q_out(P_A,P_B,P_R)≤Q_S必须得到满足；

以最小化系统总发射功率为目标，以发射机峰值发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立功率分配优化问题，得

为了解式(17)给出的功率分配问题，即式(17a)、式(17b)和式(17c)组成的功率分配优化问题，将概率约束条件(17b)转化为确定函数，将Q_out(P_A,P_B,P_R)的闭合表达式带入约束条件(17b)，由于Q_out(P_A,P_B,P_R)的闭合表达式不可行，因此给出一个精确的近似闭合表达式：

式(18)是一个分段函数，一共有三种可能，分别由式(18a)、式(18b)和式(18c)给出；

分别将式(18a)、式(18b)和式(18c)替换概率约束条件(17b)中的Q_out(P_A,P_B,P_R)，产生三个功率分配优化子问题，解这三个子问题，得到三组最优解，比较三组最优解给出的系统总发射功率，将能够产生最小总发射功率的那组解作为功率分配问题式(17)的最终解；

功率分配问题式(17)的最终解，即源节点N_A和N_B以及中继节点N_R的最优发射功率，根据k的取值分为以下5种情况：

Case1，当时，若不等式(1)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

Case2，当时，若不等式(3)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

Case3，当0.25≤k≤4时，若不等式(5)成立，则功率分配问题式(17)的解由式(20)给出，否则

Case4，当时，若不等式(6)成立，则功率分配问题式(17)的解由式(20)给出，否则

Case5，当时，若不等式(7)成立，则功率分配问题式(17)的解为：

否则，

表示功率分配问题式(17)不可行，意味着，在发射机峰值发射功率限制条件下，无法找到可行解使得系统QoS要求得到满足。