CN106850031A - 一种多天线双向中继传输系统中的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线双向中继传输系统中的功率分配方法。它能在源节点以及中继节点的总功率受限条件下，以最大化系统吞吐量为目的，对源节点以及中继节点的功率以及各节点在各数据流上的功率进行联合优化。本发明针对基于厄米特预编码的多天线双向中继系统，不仅保留了系统原有特点，即两个源节点通过中继双向传输以节省传输时隙，还能通过分配各节点以及其在各数据流上的功率，进一步提高系统吞吐量。

Description

一种多天线双向中继传输系统中的功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于厄米特预编码的多天线双向中继传输系统中的功率分配方法。

背景技术

近几年来，随着无线通信业务需求量的增长，无线技术领域亦有着蓬勃发展。在具有中继站的蜂窝通信系统中，基站与用户通过中继站协助进行上下行通信。这就构成了双向中继系统。

无论是对于移动蜂窝系统还是Ad-Hoc无线网络，中继技术都可以增大覆盖范围，提高链路可靠性并且增强链路容量。这是由于中继站距离目的节点更近，中继站通过转发源节点的信号，可以显著提高目的节点接收信噪比。同时目的节点收到的信号除了来自源节点的直连链路，又获得了来自中继节点的中继链路。由于直连链路和中继链路独立，中继又带来了额外的分集增益。然而，由于通信系统节点一般是半双工的，中继的引入因此会带来所谓的半双工损失。这是由于每次传输过程中，由于中继节点在同一时频资源上无法同时发送与接收，所以在中继系统中源或者中继节点无法占有所有时频资源。这就带来了频谱效率的损失。而双向中继系统具有天然的避免半双工损失的特性。

在点对点以及中继系统中引入多天线可以有效地提高系统吞吐量以及链路可靠性。以点对点通信为例，具有M根发送天线，N根接收天线的MIMO系统的最大复用增益为min(M,N)，最大分集增益为MN。换句话说，在最大复用下，MIMO系统可以等效为min(M,N)个独立的平行信道，此时即大大提高了吞吐量，而在最大分集下，MIMO系统的信道输出将经过MN个独立路径，这将大大提高链路的可靠性。在中继系统中引入多天线亦可以大大提高系统的性能，包括可达速率、错误概率等。同样地，系统系能的提高依赖于各发送节点预编码以及各接收节点的后编码的合理设计。预编码是多天线的一种信号处理方法，即是线性处理：接收端对在所有接收天线上的接收信号向量线性处理。

最后，自适应功率调整也是提升无线系统性能的重要技术。根据信道的实时增益，调整各个发送节点的功率，以及其在各个数据流或子信道上分配的功率，可以进一步提升通信系统的吞吐量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于厄米特预编码的多天线双向中继系统中的联合功率分配方法。它能在源节点以及中继节点总功率受限情况下，最优分配各节点功率以及其在各个数据流上的功率，以达到最大化系统和吞吐量的目的。

所述的一种多天线双向中继传输系统中的功率分配方法，其特征在于该系统采用基于厄米特预编码的多天线双向中继传输，在两个源节点以及一个中继节点总功率受限的情况下，以最大化系统吞吐量为目的，对源节点、中继节点功率以及其在各数据流上的功率进行分配，具体包括如下步骤：

1.1)多天线双向中继系统中，两个源节点S₁和S₂通过一个中继节点交换信息，两个源节点天线数为N_S，中继节点天线数为N_R，源节点和中继节点的总功率为P，其中两个源节点的发送功率分别为P₁和P₂，中继节点功率为P_R＝P-P₁-P₂；

1.2)每次传输分为两个时隙：在第一个时隙，两个源节点同时发送信息，中继R接收，源节点S_i的发送信号表示为：x_i＝F_is_i,i＝1,2，其中F_i是源节点S_i的预编码矩阵，s_i是该源节点需要发送的消息向量；中继R接收到来自两个源节点的和信号，其接收信号表示为y_R＝[H₁ H₂][x₁ x₂]^T+η_R，其中H₁是中继节点R到源节点S₁的信道矩阵，H₂是中继节点R到源节点S₂的信道矩阵，η_R为中继节点在各天线上的高斯噪声，

所述源节点的预编码矩阵具体为： 来自于信道矩阵的广义特征值分解，即K是满秩矩阵，D_i是非负对角阵，用来对源节点的发送数据流进行功率分配，V_i是酉矩阵；由于源节点功率限制，Tr(Λ_i)＝P_i；

1.3)在第二个时隙，由中继在系统中广播，两个源节点分别进行接收，中继节点R的发送信号表示为：x_R＝F_R y_R，其中F_R是中继节点所采用的线性厄米特预编码矩阵，具体为F_R＝(K^T)⁺(ΠΛ_R)K⁺，Π是逆单位矩阵，Λ_R为中继在各数据流上的功率分配对角矩阵，由于中继功率限制，功率分配矩阵需要满足

1.4)接收端收到信号为系统总传输速率表示为其中以及噪声方差归一化为1。

所述的多天线双向中继传输系统中的功率分配方法，其特征在于所述的两个源节点功率P₁、P₂、中继节点功率P_R以及各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R设计的具体步骤如下：

2.1)确定节点功率分配最大迭代次数T_1,max，选取初始备选解集合其中NP是初始备选解集合数目，是初始备选解，代表源节点的功率为以及中继节点的功率为初始解在(0，P)范围内随机选取产生，有效初始解的限制条件为各节点功率均大于0；

2.2)利用公式生成当前代解的变异体解，其中r1，r2，r3以及i互不相同且为随机选取，F₀>0，检测得到的变异体解是否合理，若不合理，重新选取随机数产生；

2.3)对得到的合理的变异解个体以及原始解个体，做元素交叉，得到每个个体中元素具体交叉规则如下：

randperm(i)表示任意取1或者2，CR>0，新产生的个体若不能满足系统的限制条件，则取

2.4)对当前代解与变异解作比较，选取使得系统传输速率R_sum较大的作为下一代解R_sum的计算按步骤1.4，其中各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R按如下方法设计：

2.4.1)初始化令两个源节点功率P₁、P₂、中继节点功率P_R取自当前代解或变异解令N＝min(N_S,N_R)，功率分配矩阵以及其中 来自于

2.4.2)优化源节点功率分配矩阵Λ₁和Λ₂，令λ_i,j代表Λ_i的第j个对角线元素的平方，j＝1,…,N，则其中μ₁以及μ₂选择使得和功率满足功率限制的值，即以及 d_i,j为矩阵D_i对角线元素，t_j为矩阵对角线元素，λ_r,j为上一轮确定的中继功率分配矩阵Λ_R的对角线元素平方；

2.4.3)优化中继功率分配矩阵Λ_R令Λ_R对角线元素的平方值为λ_r,j，则其中 a_j＝μβ_1,jβ_2,j，b_j＝μδ_j(β_1,j+β_2,j)，μ选择使得中继和功率满足功率限制的值，即λ_i,j为上一轮确定的源节点功率分配矩阵Λ_i的第j个对角线元素的平方，最后将所有的λ_r,j扩大κ倍，使得

2.4.4)若循环次数未超过设定值T_2,max，则回到步骤2.4.2；否则结束；

2.5)若循环次数未超过设定值T_1,max，则回到步骤2.2；否则选取下代解向量P^G+1中使得系统和速率R_sum最大的解输出源节点功率分配结果为以及中继节点的功率为以及其对应的各节点数据流功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果是，它对于基于厄米特预编码的多天线双向中继系统，根据信道状态来优化源节点、中继节点的发送功率，以及各节点在各数据流上的发送功率，在源节点以及中继节点总功率受限情况下，最优分配各节点功率以及其在各个数据流上的功率，以达到最大化系统和吞吐量的目的。

附图说明

图1是基于厄米特预编码的多天线双向中继系统示意图；

图2是基于厄米特预编码的多天线双向中继系统在采用本发明的联合功率分配方法后在不同总发送功率下的系统吞吐量，比较项为平均功率分配下的厄米特预编码多天线双向中继系统吞吐量以及无预编码下的多天线双向中继系统吞吐量示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-2所示，为本发明的基于厄米特预编码的多天线双向中继系统传输过程示意图，从图中可以看出，在传输开始前，首先收集系统中的信道信息，然后各节点进行预编码矩阵设计以及功率分配；之后的传输过程分为两个时隙，在第一时隙，由两个源节点同时发送，在第二时隙，中继节点转发上一时隙收到的信息，两个源节点接收，具体步骤如下：

1.1)多天线双向中继系统中，两个源节点S₁和S₂通过一个中继节点交换信息，两个源节点天线数为N_S，中继节点天线数为N_R。源节点和中继节点的总功率为P，其中源节点的发送功率分别为P₁和P₂，中继节点功率为P_R＝P-P₁-P₂；

1.2)每次传输分为两个时隙。在第一个时隙，两个源节点同时发送信息，中继R接收。源节点S_i的发送信号表示为：x_i＝F_is_i,i＝1,2，其中F_i是源节点S_i的预编码矩阵，s_i是该源节点需要发送的消息向量。中继接收到来自两个源节点的和信号，其接收信号可以表示为y_R＝[H₁ H₂][x₁ x₂]^T+η_R，其中，H₁代表中继节点R到源节点S₁的信道矩阵，H₂代表中继节点R到源节点S₂的信道矩阵，η_R是中继节点在各天线上的高斯噪声；源节点的预编码矩阵具体为： 其中来自于信道矩阵的广义特征值分解，即K是满秩矩阵，D₁和D₂是非负对角阵，用来对源节点的发送数据流进行功率分配，V₁和V₂是酉矩阵。由于源节点功率限制，Tr(Λ_i)＝P_i；

1.3)、在第二个时隙，由中继在系统中广播，两个源节点分别进行接收。中继节点R的发送信号可以表示为：x_R＝F_R y_R，其中F_R是中继节点所采用的线性厄米特预编码矩阵，具体为F_R＝(K^T)⁺(ΠΛ_R)K⁺，Π是逆单位矩阵，Λ_R为中继在各数据流上的功率分配对角矩阵，由于中继功率限制，功率分配矩阵需要满足

1.4)、接收端收到信号为系统总传输速率可以表示为其中以及噪声方差归一化为1；

如图所示，所述的源节点、中继节点功率P₁P₂和P_R以及各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R设计的具体步骤如下：

2.1)确定节点功率分配最大迭代次数T_1,max，选取初始备选解集合其中NP是初始备选解集合数目，是初始备选解，代表源节点的功率为以及中继节点的功率为初始解在(0，P)范围内随机选取产生，有效初始解的限制条件为各节点功率均大于0；

2.2)利用公式生成当前代解的变异体解。其中r1，r2，r3以及i互不相同且为随机选取，F₀>0。检测得到的变异体解是否合理，若不合理，重新选取随机数产生；

2.3)对得到的变异解个体以及原始解个体，做元素交叉，得到每个个体中元素具体交叉规则如下：

randperm(i)表示任意取1或者2，CR>0。新产生的个体若不能满足系统的限制条件，则取

2.4)对当前代解与变异解作比较，选取使得系统传输速率R_sum较大的作为下一代解R_sum的计算按步骤1.4。其中各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R按如下方法设计；

2.4.1)初始化。令源节点以及中继节点的功率P₁P₂和P_R取自当前代解或变异解令N＝min(N_S,N_R)。功率分配矩阵以及其中 来自于

2.4.2)优化源节点功率分配矩阵Λ₁和Λ₂。令λ_i,j代表Λ_i的第j个对角线元素的平方，j＝1,…,N。则其中μ₁以及μ₂选择使得和功率满足功率限制的值，即以及 d_i,j为矩阵D_i对角线元素，t_j为矩阵对角线元素，λ_r,j为上一轮确定的中继功率分配矩阵Λ_R的对角线元素平方；

2.4.3)优化中继功率分配矩阵Λ_R。令Λ_R对角线元素的平方值为λ_r,j，则其中 a_j＝μβ_1,jβ_2,j，b_j＝μδ_j(β_1,j+β_2,j)，μ选择使得中继和功率满足功率限制的值，即λ_i,j为上一轮确定的源节点功率分配矩阵Λ_i的第j个对角线元素的平方。最后将所有的λ_r,j扩大κ倍，使得

2.4.4)若循环次数未超过设定值T_2,max，则回到步骤2.4.2；否则结束；

2.5)若循环次数未超过设定值T_1,max，则回到步骤2.2；否则选取下代解向量P^G+1中使得系统和速率R_sum最大的解输出源节点功率分配结果为以及中继节点的功率为以及其对应的各节点数据流功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R。

从图2可以得出，计算机仿真表明，基于厄米特预编码的多天线双向中继系统，在采用了本专利的功率分配方法后，其系统和传输速率显著高于采用平均功率分配的情况。

Claims (2)

1.一种多天线双向中继传输系统中的功率分配方法，其特征在于该系统采用基于厄米特预编码的多天线双向中继传输，在两个源节点以及一个中继节点总功率受限的情况下，以最大化系统吞吐量为目的，对源节点、中继节点功率以及其在各数据流上的功率进行分配，具体包括如下步骤：

1.1)多天线双向中继系统中，两个源节点S₁和S₂通过一个中继节点交换信息，两个源节点天线数为N_S，中继节点天线数为N_R，源节点和中继节点的总功率为P，其中两个源节点的发送功率分别为P₁和P₂，中继节点功率为P_R＝P-P₁-P₂；

1.2)每次传输分为两个时隙：在第一个时隙，两个源节点同时发送信息，中继R接收，源节点S_i的发送信号表示为：x_i＝F_is_i,i＝1,2，其中F_i是源节点S_i的预编码矩阵，s_i是该源节点需要发送的消息向量；中继R接收到来自两个源节点的和信号，其接收信号表示为y_R＝[H₁H₂][x₁ x₂]^T+η_R，其中H₁是中继节点R到源节点S₁的信道矩阵，H₂是中继节点R到源节点S₂的信道矩阵，η_R为中继节点在各天线上的高斯噪声，

所述源节点的预编码矩阵具体为：F_i＝V_i ^HΛ_i，i＝1,2，V_i ^H来自于信道矩阵的广义特征值分解，即H_i＝KD_iV_i ^H，i＝1,2，K是满秩矩阵，D_i是非负对角阵，用来对源节点的发送数据流进行功率分配，V_i是酉矩阵；由于源节点功率限制，Tr(Λ_i)＝P_i；

1.3)在第二个时隙，由中继在系统中广播，两个源节点分别进行接收，中继节点R的发送信号表示为：x_R＝F_R y_R，其中F_R是中继节点所采用的线性厄米特预编码矩阵，具体为F_R＝(K^T)⁺(ΠΛ_R)K⁺，Π是逆单位矩阵，Λ_R为中继在各数据流上的功率分配对角矩阵，由于中继功率限制，功率分配矩阵需要满足

1.4)接收端收到信号为系统总传输速率表示为其中以及噪声方差归一化为1。

2.根据权利要求1所述的多天线双向中继传输系统中的功率分配方法，其特征在于所述的两个源节点功率P₁、P₂、中继节点功率P_R以及各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R设计的具体步骤如下：

2.1)确定节点功率分配最大迭代次数T_1,max，选取初始备选解集合其中NP是初始备选解集合数目，是初始备选解，代表源节点的功率为以及中继节点的功率为初始解在(0，P)范围内随机选取产生，有效初始解的限制条件为各节点功率均大于0；

2.2)利用公式生成当前代解的变异体解，其中r1，r2，r3以及i互不相同且为随机选取，F＝F₀·2^λ,F₀>0，检测得到的变异体解是否合理，若不合理，重新选取随机数产生；

2.3)对得到的合理的变异解个体以及原始解个体，做元素交叉，得到每个个体中元素具体交叉规则如下：

$U_{ji}^{G+1}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{ji}^{G+1}& ifrand(0,1)\≤CRorj=randperm\left(i\right)\\ C_{ji}^{G+1}& else\end{array}\right.$

randperm(i)表示任意取1或者2，CR>0，新产生的个体若不能满足系统的限制条件，则取

2.4)对当前代解P_i ^G与变异解作比较，选取使得系统传输速率R_sum较大的作为下一代解P_i ^G+1，R_sum的计算按步骤1.4，其中各节点在数据流上的功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R按如下方法设计：

2.4.1)初始化令两个源节点功率P₁、P₂、中继节点功率P_R取自当前代解P_i ^G或变异解令N＝min(N_S,N_R)，功率分配矩阵以及其中 来自于

2.4.2)优化源节点功率分配矩阵Λ₁和Λ₂，令λ_i,j代表Λ_i的第j个对角线元素的平方，j＝1,…,N，则其中μ₁以及μ₂选择使得和功率满足功率限制的值，即以及 d_i,j为矩阵D_i对角线元素，t_j为矩阵对角线元素，λ_r,j为上一轮确定的中继功率分配矩阵Λ_R的对角线元素平方；

2.4.3)优化中继功率分配矩阵Λ_R令Λ_R对角线元素的平方值为λ_r,j，则其中 a_j＝μβ_1,jβ_2,j，b_j＝μδ_j(β_1,j+β_2,j)，μ选择使得中继和功率满足功率限制的值，即λ_i,j为上一轮确定的源节点功率分配矩阵Λ_i的第j个对角线元素的平方，最后将所有的λ_r,j扩大κ倍，使得

2.4.4)若循环次数未超过设定值T_2,max，则回到步骤2.4.2；否则结束；

2.5)若循环次数未超过设定值T_1,max，则回到步骤2.2；否则选取下代解向量P^G+1中使得系统和速率R_sum最大的解输出源节点功率分配结果为以及中继节点的功率为以及其对应的各节点数据流功率分配矩阵Λ₁,Λ₂和Λ_R。