CN105188123B - 用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，包括：建立双向中继网络模型，并初始化用户发射功率P_k，建立中继节点的中继处理矩阵V，以及基于中继处理矩阵更新用户发射功率，和计算总发射功率P_total，并重复上述步骤，在时，得到用户节点最优发射功率和中继处理矩阵。上述，将中继处理和功率控制联合设计优化，在满足用户信干噪比的条件下，优化分配用户节点和中继节点发射功率，联合优化中继节点处理矩阵，使得双向中继网络系统的能源效率最优。

Description

用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法

技术领域

本发明涉及中继网络技术领域，具体涉及一种用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法。

背景技术

中继技术已经在第四代无线通信标准中得到了广泛应用，它可以增加信噪比，提高小区边缘用户性能，从而改善整个网络性能。

双向中继网络利用两个时隙在两个用户节点间建立双向中继通信可以提供比单向中继网络高一倍的频谱效率。在第一个时隙中，用户节点发送同步信号到中继站；在第二个时隙中，中继节点处理接收的信号并向所有用户节点传递处理过的信号。

多输入多输出技术(Multiple-input Multiple-output，MIMO)利用空间资源，能够在不增加带宽和功率的前提下提高系统的容量和数据传输的有效性。在中继节点安装多个天线，将多输入多输出技术应用于中继系统可以有效的提高系统的频谱效率和传输可靠性。

根据中继节点对信号的处理方式，可以将中继结点的转发方式分为两种：放大转发(Amplify and Forward,AF)和解码转发(Decode and Forward,DF)。对于解码转发，中继节点对收到的信号先进行解码再转发，可以得到较好的性能，但实现复杂度较高。而放大转发中，中继节点不对收到的信号进行解码而直接进行放大转发，因此性能较差，但由于实现简单，在实际系统中得到了广泛应用。

同信道干扰(Co-channel Interference，CCI)，多址干扰(Multiple AccessInterference，MAI)等是无线通信系统中制约系统容量的主要因素，针对多天线双向中继网络，通过设计中继处理算法可以有效抑制干扰。另外，如何分配中继节点和各用户的功率，以保证用户性能的条件下使得网络的能源效率最优是构建绿色通信网络的关键技术。

发明内容

本申请实施例通过提供一种用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，将中继处理和功率控制联合设计优化，在满足用户信干噪比的条件下，优化分配用户节点和中继节点发射功率，联合优化中继节点处理矩阵，使得双向中继网络系统的能源效率最优。

为解决上述技术问题，本申请实施例采用以下技术方案予以实现：

提出一种用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，所述双向中继网络包括中继节点和用户节点，包括：

步骤S1：建立双向中继网络模型，并初始化用户发射功率P_k；

步骤S2：建立中继节点的中继处理矩阵V；

步骤S3：基于中继处理矩阵更新用户发射功率；

步骤S4：计算总发射功率P_total；

步骤S5：重复步骤S2至S4，在时，得到用户节点最优发射功率和中继处理矩阵；其中，t为迭代次数，ε为设定的迭代终止条件。

进一步的，所述步骤S1中，中继节点同时接收多个用户节点的数据，并在中继节点中处理后广播给用户节点。

进一步的所述步骤S2具体为：基于最大化第一阶段用户节点端的用户信干噪比，建模基于V＝V_txWV_rx得到中继处理矩阵V；其中，V_rx表示上行链路的接收处理矩阵，V_tx表示下行链路的发射处理矩阵；σ²为第一阶段传输引入的噪声功率；h_K为中继节点根据接收到的信号估计得到的信道，I为单位矩阵；为中继节点根据上下行信道间的互易性得到中继节点到各个用户节点的信道矢量；

进一步的，根据上下行链路的对偶性得到

进一步的，所述建模的解为矩阵对(R_k，Q_k)的广义特征向量。

进一步的，所述步骤S3之前，还包括：规划中继处理和发射功率的联合优化为：基于约束条件为等号时，总发射功率最小，得到β²(W-DΨ)p＝D(β²σ₁+σ₂)；得到用户发射功率组成的矢量p＝[P₁，P₂，…，P_2K]为：p＝Ω(σ₁+β^-2σ₂)；其中，γ_k是用户节点k的目标信干噪比，β为中继节点的放大因子；Ω＝(W-DΨ)^-1D；D，Ψ和σ分别为

进一步的，在得到用户发射功率之前，所述方法还包括：求解矩阵DΨ的最大特征值λ_max(DΨ)；若λ_max(DΨ)＞1，将γ_k改为γ′_k，使得更新D。

进一步的，所述步骤S4具体为：基于更新的用户发射功率和中继处理矩阵，得到得到基于P_r＝β²tr(VΦV^H)，得到中继节点发射功率；基于用户节点发射功率和中继节点发射功率，得到总发射功率P_total；其中，Φ＝HPH^H+σ²I，i＝[1，…，1]^T，I为单位矩阵，H＝[h₁，h₂，…，h_2K]是由用户的信道矢量组成的矩阵；P＝diag{P₁，…，P_2K}，其对角元素为用户发射功率。

与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：本发明实施例提出的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法中，首先建立双向中继网络模型，并初始化用户发射功率P_k，接着基于最大化第一阶段接收节点的用户信干噪比的规则，建模并基于建模得到中继节点的中继处理矩阵，规划中继处理和发射功率的联合优化为基于约束条件为等号时总发射功率最小，推算得到用户发射功率和中继节点的放大因子，最终计算出总发射功率，重复上述步骤，在第t次计算出的总发射功率与第t-1次计算出的总发射功率之间满足时，得到最优的发射功率和中继处理矩阵；上述，在保证用户节点间公平性的条件下，以用户节点的信干噪比为约束条件，以双向中继网络系统总发射功率最小为目标函数，设定各个源节点的信干噪比，对中继处理算法和包括中继节点和各用户节点的总发射功率进行优化，达到抑制用户节点间干扰，最小化系统总发射功率的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提出的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法的流程图；

图2为本发明提出的双向中继网络的具体实施例系统图；

图3为基于图2提出的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法的流程图；

图4为基于图3提出的优化方法的收敛性能示意图；

图5为基于图3提出的优化方法的中继放大因子对总发射功率大小的影响曲线图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，在保证用户间公平性的条件下，以用户节点的信干噪比为约束条件，对中继节点处理算法和各用户结点发射功率进行联合优化，以达到抑制用户间干扰，最小化双向中继网络系统总发射功率的目的。

信干噪比(Signal to interference plus noise ratio)，是指接收到的有用信号的强度与接收到的噪声加干扰信号的强度比例。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，为本发明实施例提出的用于双线中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S1：建立双向中继网络模型，并初始化用户发射功率P_k。

建立双向中继网络模型：建立的双向中继网络模型中，包括中继节点和N个用户节点，两个用户节点通过中继节点进行信息交换，中继节点首先通过信道估计得到中继处理矩阵，并通过用户信干噪比的约束条件得到用户发节点射功率和中继节点放大倍数。用户节点通信过程分为两个阶段，第一阶段为用户节点发射信息到中继节点，第二阶段为中继节点将放大处理后的信息发送给用户节点。

对用户发射功率进行初始化：给定初始发射功率使得P_k≠0(P_k表示用户发射功率)。

双向中继网络采用的传输分为两个阶段。第一阶段为多接入阶段：用户向中继站发射信号；第二阶段为广播阶段：中继站将处理后的信号发射给所有用户。

步骤S2：建立中继节点的中继处理矩阵V。

给定发射功率后，可以建立中继节点的中继处理矩阵。

用V_rx表示上行链路的接收处理矩阵，V_tx表示下行链路的发射处理矩阵，根据上下行链路的对偶性可以得到

V_rx的设计规则为最大化第一阶段接收节点的用户信干噪比，即建模为以下优化问题：

其中，h_K为中继节点根据接收到的信号估计得到的信道；为中继节点根据上下行信道间的互易性得到中继节点到各个用户节点的信道矢量，I为单位矩阵；σ²为第一阶段传输引入的噪声功率；该优化问题的解为矩阵对(R_K,Q_K)的广义特征向量。

由此，可以得到中继节点的中继处理矩阵：

V＝V_txWV_rx；

其中，

步骤S3：基于中继处理矩阵更新用户发射功率。

在更新用户发射功率之前，首先规划发射功率和中继处理矩阵的联合优化问题，考虑到用户节点间的公平性和能源效率问题，规划为：

其中，γ_k是用户节点k的目标信干噪比，β为中继节点的放大因子。

从上面的公式可以看出，给定中继处理矩阵，当约束条件为等号的时候，总发射功率最小，因此可以得到以下的方程：

β²(W-DΨ)p＝D(β²σ₁+σ₂) (2)；

其中，W已在前面给出，D，Ψ和σ分别为：

其解为，各用户发射功率组成的矢量p＝[P₁，P₂，…，P_2K为

p＝Ω(σ₁+β^-2σ₂) (3)，

其中，Ω＝(W-DΨ)^-1D。

需要指出的是，方程(2)有解的条件是λ_max(DΨ)＜1/γ，λ_max(·)表示矩阵最大特征值，也即，存在正的向量p和正的β满足联合优化问题(1)中的信干噪比条件，若λ_max(DΨ)＞1，则需将γ_k改为γ′_k，使得后，更新D，最终计算p和β。

步骤S4：计算总发射功率P_total。

基于更新的用户发射功率和中继处理矩阵，将(3)代入(1)得到中继节点的放大因子

其解为其中，Φ＝HPH^H+σ²I，i＝[1，…，1]^T，I为单位矩阵，H＝[h₁，h₂，…，h_2K]是由用户的信道矢量组成的矩阵，P＝diag{P₁，…，P_2K}，其对角元素为用户发射功率。

然后，基于P_r＝β²tr(VΦV^H)，得到中继节点发射功率。

基于用户节点发射功率和中继节点发射功率，得到总发射功率P_total。

步骤S5：重复步骤S2至S4，判断是否满足若是，步骤S6：得到用户节点最优发射功率和中继处理矩阵；其中，t为迭代次数，ε为设定的迭代终止条件；若否，重复步骤S2至S4。

上述，以用户的信干噪比为约束条件，以双向中继网络系统总发射功率最小为目标函数，设定各个源节点的信干噪比，将中继节点的中继处理矩阵和用户节点发射功率进行联合优化，达到抑制用户节点间干扰，最小化系统发射功率的技术效果。

下面如图2所示，结合一个具体实施例说明本发明提出的用户双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法。在满足用户信干噪比的条件下，优化分配用户节点和中继节点发射功率，并联合优化中继节点处理矩阵，使得双向中继网络系统的能源效率最低。

实施例一

图2所示的双向中继网络中，包括4个用户节点和一个中继节点。两个用户节点通过中继节点进行信息交换。中继节点首先通过信道估计得到中继处理矩阵V，并通过用户信干噪比的约束条件得到用户节点发射功率和中继节点放大倍数。用户通信过程分为两个阶段：第一阶段，用户节点发射信息到中继节点，第二阶段，中继节点将放大处理后的信息发送给用户节点。

本实施例中，无线通信系统包括4个源端收发机和一个双向中继站，每个用户节点装有一根天线，中继站配备4跟天线，在不失一般性情况下，假设user_2i和user_2i-1，i∈{1,2}是通过中继站传输信息的两个用户。采用QPSK调制，表示从用户节点到中继站的信道。所有信道均为平坦瑞利衰落信道。噪声功率为10^-3dB。所有用户的目标的信干噪比SNR相同，设为γ₁＝γ₂＝γ₃＝γ₄＝10dB，初始发射功率为0.1W。迭代终止条件为∈＝10^-3。

如图3所示，该优化过程包括以下步骤：

步骤S31：初始化用户节点发射功率P_K；P_K≠0，K＝1,2,3,4。

用户节点向中继站发送导频信号，中继站根据接收到的信号进行信道估计，得到信道h_K。

步骤S32：计算中继处理矩阵V(t-1)，t为从1开始计数的迭代次数，

中继站根据上下行信道间的互易性得到中继站到各个用户的信道信息由此构建基于建模得到中继处理矩阵V(t-1)。

步骤S33：基于V(t-1)构建矩阵D(t-1)，Ψ(t-1)和σ₁(t-1)；

步骤S34：求解λ_max(DΨ)，判断λ_max(DΨ)是否小于若是，执行步骤S36，若否，执行步骤S35。

步骤S35：将γ_k改为γ′_k，使得λ_max(DΨ)小于更新D(t-1)。

步骤S36：计算总发射功率P_total(t-1)。

首先，基于V(t-1)和p＝Ω(σ₁+β^-2σ₂)计算用于发射功率，并根据公式计算中继站放大因子，由P_r＝β²tr(VΦV^H)得到中继站发射功率，继而得到总发射功率

步骤S37：将迭代次数加1，即t＝t+1；返回执行步骤S32-S36，计算中继处理矩阵V(t)，基于V(t)计算总发射功率P_total(t)；

步骤S38：计算是否满足若否，返回步骤S37，重复步骤S32-S36。

若满足，则说明得到了用户最优发射功率和中继站中继处理矩阵。

以上，训练阶段结束后，用户节点和中继站使用优化得出的功率和中继处理矩阵进行通信，第一阶段为用户节点向中继站发送信号，中继站接收到信号表示为：

s＝[S₁,........,S_2K]是所有用户节点传输的单位功率信号，P＝diag{P₁，…，P_2K}是用户发射功率，是均值为0，方差为的高斯白噪声。

中继站处理接收到的用户节点信号x＝βVr，β和V分别为中继站的放大因子和中继处理矩阵。中继处理矩阵完成一对用户节点间的数据交换并且抑制用户间的干扰。因此，中继站的发射功率为：

P_r＝β²tr(VΦV^H)，其中，P_r表示中继站发射功率，Φ＝HPH^H+σ²I。

第二阶段，中继站将处理后的信号发送给用户节点，由于信道上行链路和下行链路之间的互易性，用户接收的信号为：

y＝H^Tx+n，这里n＝[n₁,.....,n_2K]^T∈C^2K×1，n_K服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。用户节点k接收到的噪声功率可以表示为：

因此，用户user_2i和user_2i-1接收到的信干噪比为：

如图4所示，为本实施例方法中收敛性能示意图，由图中可以看出，本方法收敛迅速，在迭代次数t＝5-10之间可以得到最小发射总功率和中继处理矩阵。说明本发明实施例提出的方法具有快速优化的性能。

如图5所示，为本实施中中继放大因子对总发射功率大小的影响曲线图，从图中可以看出，随着放大因子的增加，总功率先减少再增加，因此，总功率必然存在最小值。说明本发明实施例提出的方法必然存在最优化值。

上述本发明实施例提出的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，以用户节点的信干噪比为约束条件，以双向中继网络系统总发射功率最小为目标函数，设定各个源节点的信干噪比，将中继处理矩阵和各节点发射功率联合进行优化，达到抑制用户节点间干扰，最小化系统总发射功率的技术效果。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，所述双向中继网络包括中继节点和用户节点，其特征在于，包括：

步骤S1：建立双向中继网络模型，并初始化用户发射功率P_k；

步骤S2：建立中继节点的中继处理矩阵V；

步骤S3：基于中继处理矩阵更新用户发射功率；

步骤S4：计算总发射功率P_total；

步骤S5：重复步骤S2至S4，在时，得到用户节点最优发射功率和中继处理矩阵；

其中，t为迭代次数，ε为设定的迭代终止条件；

所述步骤S2具体为：

基于最大化第一阶段用户节点端的用户信干噪比，建模

基于V＝V_txWV_rx得到中继处理矩阵V；

其中，V_rx表示上行链路的接收处理矩阵，V_tx表示下行链路的发射处理矩阵；σ²为第一阶段传输引入的噪声功率；h_K为中继节点根据接收到的信号估计得到的信道，I为单位矩阵；

所述步骤S3之前，还包括：

规划中继处理和发射功率的联合优化为：

基于约束条件为等号时，总发射功率最小，得到方程β²(W-DΨ)p＝D(β²σ₁+σ₂)；

得到各用户发射功率组成的矢量p＝[P₁，P₂，…，P_2K]为：p＝Ω(σ₁+β^-2σ₂)；

其中，γ_k是用户节点k的目标信干噪比，β为中继节点的放大因子；Ω＝(W-DΨ)^-1D；D，Ψ和σ分别为

为中继节点根据上下行信道间的互易性得到中继节点到各个用户节点的信道矢量；

在得到用户发射功率之前，所述方法还包括：

求解矩阵DΨ的最大特征值λ_max(DΨ)；

若λ_max(DΨ)＞1，将γ_k改为γ′_k，使得λ_max(DΨ)＜1；

更新D；

所述步骤S4具体为：

基于更新的用户发射功率和中继处理矩阵，得到

β＝argminβ²tr(VΦV^H)+iΩ(σ₁+β^-2σ₂)

s.t.β＞0；

得到

基于P_r＝β²tr(VΦV^H)，得到中继节点发射功率；

基于用户节点发射功率和中继节点发射功率，得到总发射功率P_total；

其中，Φ＝HPH^H+σ²I，i＝[1，…，1]^T，I为单位矩阵，H＝[h₁，h₂，…，h_2K]是由用户的信道矢量组成的矩阵；P＝diag{P₁，…，P_2K}，其对角元素为用户发射功率。

2.根据权利要求1所述的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，其特征在于，

所述步骤S1中，中继节点同时接收多个用户节点的数据，并在中继节点中处理后广播给用户节点。

3.根据权利要求1所述的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，其特征在于，根据上下行链路的对偶性得到

4.根据权利要求1所述的用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法，其特征在于，

所述建模的解为矩阵对(R_k，Q_k)的广义特征向量。