CN106788620A - 一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。一、建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；二、根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；三、将中断概率作为目标函数、总功率作为约束条件，按照目标函数最小时的功率分配方案分配功率资源；四、基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；五、联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。本发明的方法根据信道统计信息，实现了分布式的中继选择，同时联合了功率优化方法最小化了系统的中断概率，优化了通信系统的性能。

Description

一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法

技术领域

本发明设计的是一种无线通信技术中的分布式中继选择及用户功率分配方法。

背景技术

协作中继(cooperative relaying)通过用户间的协作，不仅能有效地扩大无线网络覆盖范围还能抵抗信道衰落的影响，近年来得到广泛关注。放大转发(amplify-and-forward，AF)和解码转发(decode-and-forward，DF)两种中继协议已经表明，通过中继共享用户的天线，可以提高系统容量,降低系统随信道变化的敏感性。然而，由于实际通信系统的半双工限制，协作中继在提高无线传输性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此只需两个时隙即可完成信息交互的双向中继传输方案被提出。研究表明，双向中继较单向中继能够获得更高的吞吐量。由于DF双向中继需在中继端进行复杂的额外操作，而AF协议只需对双向接入信号进行简单的功率控制，因而简单、易行的AF协议得到更多的关注。本发明主要关注AF双向中继系统。

中继选择和功率分配是提升双向系统性能的重要研究内容。针对双向AF多中继系统，瑞利衰落信道下的中继选择方案已被提出。唐伦等人提出一种联合考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点间信道增益，但该方案的信噪比阈值若设置不合适将对系统产生较大影响。Yindi Jing研究了基于最大化最小信噪比准则的Max-min中继选择方案，但都是在等功率条件下提出，未考虑各节点的功率消耗。为了优化系统性能，有研究人员对双向中继系统中的功率分配问题进行了研究。Zhihang Y研究了单中继场景下以最小化中断概率为目标、基于最大化最小接收信噪比的情况下求得一种功率分配的最优解。张鹏等人联合考虑中继选择和功率分配。但上述文献都只分析了对称速率情况。而PopovskiP指出不对称性对双向中继系统中的许多性能指标，如：系统中断概率、误码率等，均有不同程度的影响。进一步，Xu K分析了在单中继不对称速率场景下的功率优化问题，但未同时考虑中继选择影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不对称速率的双向中继传输情况下能够优化通信系统的中断性能的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；

步骤二：根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；

步骤三：将中断概率作为目标函数、总功率作为约束条件，按照目标函数最小时的功率分配方案分配功率资源；

步骤四：基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；

步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。

本发明还可以包括：

1、所述步骤三具体包括：

(1)对于第一用户节点S₁和第二用户节点S₂之间的双向中继传输，定义双向通信的中断概率P_out为两者各自中断概率的最大值，即：

P_out＝max{P_out,1,P_out,2}

其中P_out,1为第一用户节点S₁的中断概率，P_out,2为第二用户节点S₂的中断概率；

(2)将功率优化分配表示为：

p₁、p₂，分别为第一用户节点S₁、第二用户节点S₂和中继R_i的发送功率，p_t为系统总功率，最优解存在的条件是P_out,1＝P_out,2＝P_out；

(3)由上述分析可知，功率优化分配问题可进一步表示为：

(4)由Karush-Kuhn-Tucker条件，得最优解为：

和分别为信道和复高斯随机变量的方差，第一用户节点S₁和第二用户节点S₂的目标速率为R_th1和R_th2，其中

2、所述步骤四具体包括：

(1)将得出的最优解代入中断概率表达式，得到在第i个中继节点协作下的中断概率：

(2)依据上式，选择最小的中继作为最佳中继，中继选择准则述为：

3、所述步骤五具体包括：：

(1)双向中继传输开始前，初始化σ_1i、σ_2i及各节点的发送功率p₁、p₂、i＝1,2…,n；

(2)根据中继选择准则选择最优中继R_i；

(3)选中的中继广播出自己的序号i，其它中继保持沉默，并且退出协作；

(4)用户节点和最佳中继R_i依据步骤三中得到的最优解计算各自的功率；

(5)双向中继传输开始。

本发明考虑在不对称速率的双向中继传输情况下，基于最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。首先分析双向中继传输中基于信道统计信息的中断概率，然后以最小化中断概率为目标、总功率作为约束条件推导出中继选择及功率分配的联合优化方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的核心技术内容在于通过分析双向中继传输中基于信道统计信息的中断概率，将最小化中断概率得出的功率优化分配优化值代入中断概率表达式，提出一种新的最小化系统中断概率的分布式中继选择方法。

本发明提供的方法根据信道统计信息，实现了分布式的中继选择，同时联合了功率优化方法最小化了系统的中断概率，优化了通信系统的性能。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的系统模型图；

图3是考虑中继节点在两用户节点连线上的情境下功率优化方案，系统平均中断概率在各节点的功率分配值受信道状态影响的情况，分对称速率与不对称速率两种情况进行讨论；

图4是本发明在更一般的情况(中继节点位于两个用户节点连线以外的位置)下的仿真情景；

图5是在图3情景下研究不对称速率情况下不同中继选择方案系统平均中断概率与R_th2的关系曲线，其中R_th1固定；

图6是在图3情景下给出了不同中继选择和功率分配策略下系统平均中断概率和总功率的关系。对比了本发明的联合优化策略与另外三种策略的中断性能。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明实现步骤如下：

步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；

(1.1)用户节点S₁与S₂通过中继节点R_i(i＝1,2…N)互相传递信息，中继节点采用AF模式，S₁和S₂之间的信息交换通过2个时隙完成。第一时隙，用户节点S₁和S₂分别向所有中继节点发送信息，各节点根据中继选择算法选出最佳中继节点(暂时考虑为R_i)；第二时隙，R_i将接收到的信息放大并转发到用户节点，其余中继节点保持沉默。

步骤二：根据模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；

(2.1)用户节点S₁与S₂的接收信噪比表达式，如式(1)：

其中表示从用户节点S₁到中继节点R_i的信道衰落系数(其中i＝1,2…n)，表示从用户节点S₂到中继节点R_i的信道衰落系数。且和都是均值为0，方差分别为和的复高斯随机变量。假设信道具有互易性，即S₁和S₂的发送功率分别是p₁、p₂，为中继R_i的转发功率。

(2.2)由上可知，通过双向中继传输，用户节点S₁和S₂获得的吞吐量如式(2)所示：

(2.3)对于用户节点S₁，定义2个新的随机变量γ_1i可以改写成：

(2.4)由于瑞利衰落，X₁和X₂分别服从参数为：的指数分布，假设用户节点S₁的目标速率为R_th1，则S₁的中断概率可表示：

其中K₁(·)为第二类一阶修正贝塞尔函数。由于x→0时K₁(x)≈1/x，e^-x≈1-x，在高信噪比区域(λ₁,λ₂→0)，则式(4)可以表示为：

同理S₂的中断概率可表示为：

步骤三：将中断概率作为目标函数，总功率作为约束条件，按照目标函数最小时的功率分配方案分配功率资源；

(3.1)对于S₁和S₂之间的双向中继传输，定义双向通信的中断概率P_out为两者各自中断概率的最大值，即：

P_out＝max{P_out,1,P_out,2} (7)

(3.2)本发明的研究目标为最小化P_out，功率优化分配问题可以表示为：

可以看出式(8)中的问题是一个凸优化的问题，这意味着它有一个单一的全局解，且式中最优解存在的条件是括号里的变量相等，即P_out,1＝P_out,2＝P_out。

(3.3)由上述分析可知，功率优化分配问题可进一步表示为：

(3.4)由Karush-Kuhn-Tucker条件，可得式(9)的最优解为：

该最优化功率分配在双向单向中断概率方面实现了两用户节点之间的公平性。由式(10)可以看出，在对称速率情况下，最优功率分配将一半的总功率分配给中继节点，这与P.Zhang等人的结论类似。这意味着式(10)是双向AF中继网络的广义功率分配形式。

步骤四：基于上一步骤的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；

(4.1)下面本发明在最优功率基础上提出一种最小化中断概率的分布式中继选择方法。将公式(10)计算得出的最优解代入式(5)或(6)，得到在第i个中继节点协作下系统的中断概率为：

(4.2)依据式(11)，选择最小的中继作为最佳中继。中继选择准则可表述为：

可以看出，在总功率和两用户目标速率给定的前提下，该准则仅仅依赖于候选中继与源端节点之间的本地信道统计特性，该过程可以在各中继上分布式进行。与双向中断概率作为选择标准相比运算复杂度有所降低，且考虑了各节点的功率消耗。

步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输；

最小化中断概率的联合策略可以概括为：首先按照式(12)选择最佳中继，然后根据式(10)进行功率分配。具体实现步骤如下:

(5.1)双向中继传输开始前，初始化σ_1i、σ_2i及各节点发送功率p₁、p₂、i＝1,2…,n；

(5.2)根据式(12)选择最优中继R_i；

(5.3)选中的中继广播出自己的序号i，其它中继保持沉默，并且退出协作；

(5.4)用户节点和最佳中继R_i依据式(10)计算各自的功率；

(5.5)双向中继传输开始。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

(1)仿真参数

算法参数设置：为了分析方便这里将S₁端与S₂端的距离归一化为1，中继个数为10，S_k(k＝1,2)-R_i信道链路长度为d_ki(i＝1,2…,10)，σ_ki ²＝d_ki ^-λ，其中λ为路径损耗因子。

场景设置：考虑中继节点在两个用户节点连线上和中继节点位于两个用户节点连线以外两种场景。

(2)仿真内容

中继节点在两用户节点连线上的功率优化方案如图3所示，可以看出，本发明功率优化分配方案(OPA)较等功率分配方案(UPA)有中断性能的优势，尤其是在不对称速率条件下，优势更加显著。

图5和图6为在图4情景下的仿真。图5仿真分析本发明所提出的最小化中断概率的中继选择方案、最大化最小信噪比中继选择方案以及随机中继选择方案的性能。从图中观察到，随着用户端目标速率的提高，3种中继选择策略下系统中断概率都相应增加。相比之下，本文发明提出的中继选择方案(DRS)能显著降低系统的中断概率。在相同的目标速率和总功率下，本发明的中继选择方案比Max-Min在中断性能约有0.7dB的增益，比随机中继选择方案(RRS)约有2dB的增益。这意味着本文的中继选择策略能以更低的发射功率达到相同的中断性能。另外，在R_th1明显高于R_th2或R_th2明显高于R_th1时，中断概率的上升比较平缓。这说明在不对称速率情况下，中断概率的变化趋势取决于目标速率中较大的一方。图6给出了不同中继选择和功率分配策略下系统平均中断概率和信噪比的关系。对比了本发明的联合优化策略与另外三种策略的中断性能。为了便于讨论，分别用策略1、策略2、策略3和策略4代表DRS+OPA、DRS+UPA、RRS+OPA和RRS+UPA。对比策略2、3与策略4的中断性能曲线可以发现，本发明的中继选择策略与功率分配策略都分别可以明显地降低中断概率，这是因为策略1充分利用了中继信道的统计特性来选择最佳中继，在分配节点功率时又兼顾了用户目标速率的要求。即使是用平均功率分配，本发明的中继选择策略仍然比随机中继选择的中断性能好得多。另外，策略2的中断性能接近于策略1，但是策略2的功率分配算法简单，可以减少各个节点的计算代价和处理时延，因此可以作为及时通信场合的一种次优策略。

综上，本实施例提出了一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，该方法不仅考虑了信道质量，同时考虑了各节点的功率输出能力，可以根据信道状态信息进行分布式选择；同时联合了功率优化方法，最小化了系统的中断概率，优化了通信系统的性能。

本领域技术人员可以理解，在本申请具体实施方式的上述方法中，各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请具体实施方式的实施过程构成任何限定。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (4)

1.一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是：

步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；

步骤二：根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；

步骤三：将中断概率作为目标函数、总功率作为约束条件，按照目标函数最小时的功率分配方案分配功率资源；

步骤四：基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；

步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。

2.根据权利要求1所述的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是所述步骤三具体包括：

(1)对于第一用户节点S₁和第二用户节点S₂之间的双向中继传输，定义双向通信的中断概率P_out为两者各自中断概率的最大值，即：

P_out＝max{P_out,1,P_out,2}

其中P_out,1为第一用户节点S₁的中断概率，P_out,2为第二用户节点S₂的中断概率；

(2)将功率优化分配表示为：

$\begin{array}{c}\underset{p_1,p_2,p_r}{min}max\{P_{out,1},P_{out,2}\}\\ s.t.p_1+p_2+p_{R_i}=p_t\\ p_1,p_2,p_{R_i}\≥0\end{array},$

p₁、p₂，分别为第一用户节点S₁、第二用户节点S₂和中继R_i的发送功率，p_t为系统总功率，最优解存在的条件是P_out,1＝P_out,2＝P_out；

(3)由上述分析可知，功率优化分配问题可进一步表示为：

$\begin{array}{c}\underset{p_1,p_2,p_r}{\min }{P}_{out}\\ s.t.p_1+p_2+p_{R_i}=p_t\\ P_{out,1}=P_{out,2}\\ p_1,p_2,p_{R_i}\≥0\end{array};$

(4)由Karush-Kuhn-Tucker条件，得最优解为：

$P_1^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}_{2i}}{{\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i}}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}={\mathrm{\γ}}_{th2}\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_{2i}{\mathrm{\γ}}_{th2}}{({\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i})({\mathrm{\γ}}_{th1}+{\mathrm{\γ}}_{th2})}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}\≠{\mathrm{\γ}}_{th2}\end{array}\right.$

$P_2^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}}{{\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i}}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}={\mathrm{\γ}}_{th2}\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}{\mathrm{\γ}}_{th1}}{({\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i})({\mathrm{\γ}}_{th1}+{\mathrm{\γ}}_{th2})}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}\≠{\mathrm{\γ}}_{th2}\end{array}\right.$

$P_{R_i}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}={\mathrm{\γ}}_{th2}\\ \frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}{\mathrm{\γ}}_{th2}+{\mathrm{\σ}}_{2i}{\mathrm{\γ}}_{th1}}{({\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i})({\mathrm{\γ}}_{th1}+{\mathrm{\γ}}_{th2})}{p}_t,& {\mathrm{\γ}}_{th1}\≠{\mathrm{\γ}}_{th2}\end{array}\right.$

和分别为信道和复高斯随机变量的方差，第一用户节点S₁和第二用户节点S₂的目标速率为R_th1和R_th2，其中

3.根据权利要求2所述的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是所述步骤四具体包括：

(1)将得出的最优解代入中断概率表达式，得到在第i个中继节点协作下的中断概率：

$P_{out}=\frac{1}{p_t}({\mathrm{\γ}}_{th1}+{\mathrm{\γ}}_{th2}){\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i}}{{\mathrm{\σ}}_{1i}{\mathrm{\σ}}_{2i}}\right)}^2$

(2)依据上式，选择最小的中继作为最佳中继，中继选择准则述为：

$R_i=\arg \underset{i=\{1,\mathrm{2...},n\}}{\min }\frac{1}{p_t}({\mathrm{\γ}}_{th1}+{\mathrm{\γ}}_{th2}){\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i}}{{\mathrm{\σ}}_{1i}{\mathrm{\σ}}_{2i}}\right)}^2=\arg \underset{i=\{1,\mathrm{2...},n\}}{\min }\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{1i}+{\mathrm{\σ}}_{2i}}{{\mathrm{\σ}}_{1i}{\mathrm{\σ}}_{2i}}\right).$

4.根据权利要求3所述的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是所述步骤五具体包括：：

(1)双向中继传输开始前，初始化σ_1i、σ_2i及各节点的发送功率p₁、p₂、i＝1,2…,n；

(2)根据中继选择准则选择最优中继R_i；

(3)选中的中继广播出自己的序号i，其它中继保持沉默，并且退出协作；

(4)用户节点和最佳中继R_i依据步骤三中得到的最优解计算各自的功率；

(5)双向中继传输开始。