CN107040981B - 一种af双向中继通信系统节点发射功率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，以最小化系统发射功率为目标，以系统QoS要求和节点峰值发射功率受限为条件，根据瞬时信道状态信息和系统目标速率，对网络节点的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化。

Description

一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法

技术领域

本发明涉及一种AF(Amplify-and-Forward)双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，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(Channel StateInformation,CSI)的假设下，理论证明了接收端和发送端使用多天线(Multi-InputMulti-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。

功率控制作为一种重要的链路自适应技术，通过对用户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，功率控制对应于两类优化问题：1)以系统QoS(Quality of Service)为目标，系统功率为约束条件；2)以系统功率为目标，系统QoS为约束条件。学术界针对第一类功率控制优化问题，已经展开了广泛而又深入的研究工作。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，提高移动终端的电池使用周期，吸引了科技人员越来越多的关注。

虽然，目前关于AF双向中继系统的高能效功率控制技术研究取得了一些成果，但都未考虑节点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，节点的峰值发射功率是有限的。此外，可以证明，在瑞利衰落信道环境中，不考虑节点峰值发射功率受限下的理想功率控制技术，节点平均发射功率将趋于无穷。另外，对于系统QoS要求，传统的做法是用系统QoS的闭合表达式带入优化问题，然后通过解优化问题，得到基于统计CSI信息的功率控制技术。此时，系统中的发射机即便能够获得瞬时CSI信息，也无法利用实时的链路信息来对节点发射功率进行调节。因此，非常有必要，从“绿色无线电”的角度，利用瞬时CSI信息，研究节点峰值发射功率受限和满足系统QoS要求条件下的高能效的自适应功率控制技术，以便具体应用。

发明内容

本发明提供一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，利用瞬时CSI信息，根据源节点的目标速率，来进行发射功率控制，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化。本方法适用于采用放大转发协议的双向中继通信系统。

本发明的技术方案如下：

一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，其特征在于：利用瞬时CSI信息，根据源节点的目标速率，对网络节点的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于采用AF协议的双向中继系统，网络中两个源节点A和B通过位于两者之间的中继节点R进行信息的互换，源节点A和B之间的一次信息互换分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点A和B之间的一次信息互换占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点A和B首先检查不等式

是否成立，其中，Z＝2^2r-1，r为源节点A和B的目标速率，

是节点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，λ₁和λ₂是指数随机变量|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，能够在源节点A和B处通过长期观测得到；

若成立，则源节点A和B回归空闲状态，否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，并同时发送给中继节点R，则中继节点R接收的两路合并信号为：

其中E_A和E_B分别为源节点A和B的发射功率：

h_AR和h_BR分别为源节点A和B到中继节点R的信道增益，n_R为中继节点R处的高斯白噪声；

在第一时隙末，中继R将首先检查不等式

是否成立，若成立，则强制发生中断事件，即，中继R将不转发源节点发来的信号，否则将对接收信号s_R进行缩放，即，乘上缩放因子

然后，在第二时隙广播给两个源节点，中继节点R的发射功率：

在第二时隙末，源节点A和B接收到中继广播来的信号分别为：

其中,n_A和n_B分别为源节点A和B处的高斯白噪声，h_RA和h_RB分别为中继节点R到源节点A和B的信道增益，假设信道具有互易性，即，h_AR＝h_RA,h_BR＝h_RB，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末，源节点A和B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项

和

去除，得

这样，在第二时隙末，源节点A和B能够获得的互信息量分别为：I_A＝log₂(1+γ_A)/2和I_B＝log₂(1+γ_B)/2，γ_A和γ_B分别为源节点A和B的接收信噪比：

最后，源节点A和B将分别对接收信号y_A和y_B进行自干扰消除，再通过解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换；

假设源节点A和B以及中继节点R的峰值发送功率受限，即0＜E_A,E_B,

其中

为节点的最大峰值发送功率；系统的QoS要求为Q_S，这里，将中断概率作为系统QoS性能指标，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不能够正确解码对端发射的信号，则认为系统发生中断事件，因此，系统中断概率为：

Q_out(E_A,E_B,E_R)＝Pr[min(I_A,I_B)＜r]＝Pr[min(γ_A,γ_B)＜Z] (9)

因此，对于一个AF双向中继系统Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S必须得到满足；

对于一个AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，以节点发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立高能效功率控制优化问题，得

subject to Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S(10b)

为了方便表示，下面将式(10a)、式(10b)和式(10c)组成的高能效功率控制优化问题称之为问题(10)；

为了利用瞬时CSI信息进行节点功率控制，采用两阶段的方法解决高能效功率控制优化问题：

第一阶段，省略约束条件(10c)，并将(10b)替换为min(γ_A,γ_B)≥Z，此时，新优化问题的解能够保证源节点始终可以成功解码接收信号，使得系统中断概率为零；

第二阶段，将第一阶段问题解的最大值与门限

进行比较，当第一阶段问题解的最大值大于该门限，则强制系统发生中断事件，反之则将第一阶段优化问题的解作为节点的发射功率，门限值是由第一阶段问题解的最大值和系统可接受中断概率来决定；此外，由于节点峰值发送功率受限，即，约束条件(10c)，需要将上述的门限与节点最大峰值发射功率进行比较，若门限值大于节点最大峰值发射功率，则认为优化问题(10)不可行，反之则用上述两阶段方法得到的解作为优化问题(10)的最终解；

通过上述的两阶段方法可以得到问题(10)的最终解，即，源节点A和B以及中继节点R的发射功率，存在以下两种情况：

1)若

优化问题(10)不可行，意味着，在节点峰值发射功率限制下，无法找到可行解使得系统QoS要求也得到满足；

2)若

三个节点的最优发射功率由式(11)、式(12)和式(13)给出：

本发明的优点及有益效果：

本发明利用瞬时信道状态信息，根据源节点的目标速率，进行节点发射功率的动态调整。该方法能够在满足系统QoS要求和节点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，该功率控制方法在总发射功率上具有明显的优势。

附图说明

图1为本发明方法示意图；

图2为采用功率控制后的节点发射功率；

图3为采用功率控制后的系统中断概率；

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A和B完成一次信息的互换需要占用两个连续并等长的时隙。第一时隙，源头节点A和B在发射各自的信息前，需要要检查不等式

是否成立，若否，则根据

和

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R。为了完成上述的操作，源节点A和B需要知道Z，λ₁，λ₂，Q_S和

的取值。实际上，Z与源节点的目标速率有关；

是节点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，源节点A和B能够知道参数Z，Q_S和

的取值。λ₁和λ₂是指数随机变量|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，可在源节点A和B处通过长期观测得到。

在第二时隙，中继R将首先检查不等式

是否成立。若成立，则强制发生中断事件，即，中继R不转发源节点发来的信号，否则需要对接收信号s_R进行缩放(AF协议固有的操作流程)，然后通过

计算得出它的发射功率，并广播给源节点A和B。由E_R计算公式可知，中继节点R除了需要知道信道信息外，还需要知道Z的取值。为了解决这个问题，这里提出：在信道估计阶段，源节点A和B将Z的值包括在导频信号中。

在第二时隙末，源节点A和B分别对接收信号进行干扰自消除，再解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换。

假设源节点A和B以及中继节点R的峰值发送功率受限，即，0＜E_A,E_B,

其中

为节点的最大峰值发送功率；系统的QoS要求为Q_S。这里，将中断概率作为系统QoS性能指标。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不能够正确解码对端发射的信号，则认为系统发生中断事件。因此，系统中断概率可写为

Q_out(E_A,E_B,E_R)＝Pr[min(I_A,I_B)＜r]＝Pr[min(γ_A,γ_B)＜Z] (9)

其中r是源节点A和B的目标速率，Z＝2^2r-1。因此，对于一个AF双向中继系统Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S必须得到满足。

对于一个AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，以节点发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立高能效功率控制优化问题，得

subject to Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S (10b)

对于上述的高能效功率控制优化问题，下面将其称之为问题(10)，传统的解决方法是将系统中断概率Q_out(E_A,E_B,E_R)的闭合表达式带入(10b)，然后通过解优化问题，得到问题的解。最终，得到一个基于统计CSI信息的功率控制算法。为了利用瞬时CSI信息进行节点功率控制，这里设计了一种两阶段的方法来解问题(10)。第一阶段，省略约束条件(10c)，并将(10b)替换为min(γ_A,γ_B)≥Z。此时，新优化问题的解能够保证源节点始终可以成功解码接收信号，使得系统中断概率为零。第二阶段，将第一阶段问题解的最大值与某个门限进行比较。当第一阶段问题解的最大值大于该门限，则强制系统发生中断事件，反之则将第一阶段优化问题的解作为节点的发射功率。需要说明的是，门限值由第一阶段问题解的最大值和系统可接受中断概率来决定。此外，由于节点峰值发送功率受限，即，约束条件(10c)，需要将上述的门限与节点最大峰值发射功率进行比较。若门限值大于节点最大峰值发射功率，则认为优化问题(10)不可行，反之则用上述两阶段方法得到的解作为优化问题(10)的最终解。

最后，通过上述的两阶段方法可以得到问题(10)的最终解，即，源节点A和B以及中继节点R的发射功率，可分为以下两种可能。

事件1：若

优化问题(10)不可行。意味着，在节点峰值发射功率限制下，无法找到可行解使得系统QoS要求也得到满足。

事件2：若

三个节点的最优发射功率由式(11)、式(12)和式(13)给出。

这里λ₁和λ₂分别为指数随机变量|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，Z＝2^2r-1，Q_S是系统可接受的中断概率，

是节点的最大峰值发射功率。

对本发明提出的功率控制方法，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，并且与传统的节点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R的位置在源节点A和B的连线上变动。因此，源节点A和B的距离等于中继R与两源节点距离的和。假设源节点A和B的距离等于1，则中继R到源节点A和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。这里中断和中断概率的定义是：中断是指接收端不能够正确解码发送端的事件；中断概率是指系统中两个源节点至少有一个源节点发生中断的概率。

图2给出了三种网络参数环境下的节点最优发射功率：(a)r＝0.5bit/s.Hz,

Q_S＝0.01；(b)r＝0.5bit/s.Hz,

Q_S＝0.005；(c)r＝1bit/s.Hz,

Q_S＝0.001。由图2可以看出，无论中继节点位于哪个位置，三个节点的发射功率均能够满足峰值发射功率限制。另外，图2的(c)显示，只有中继位于源节点中间那段区域，才能够发现功率控制的解，也就是说，中继在其他位置功率控制优化问题不可行。

图3给出了图2中三种网络参数环境下的系统中断概率。由图3可以看出，系统中断概率均小于Q_S，符合原始的约束条件。另外，需要说明的是：由于在推导比较门限的时候，无法得到准确的中断概率闭合表达式，我们采用了求取中断概率上界的方法。实际上，只要中断概率的上界小于等于Q_S，系统真实的中断概率将肯定小于等于Q_S。

为了说明本发明方法的性能，我们将本发明方法与传统的节点相同功率发送方法进行了比较，如图4所示。这里的网络参数与图2和图3中的相同。由图4可以看出，相比传统的方法，本发明方法的系统总发射功率可以降低8dBW以上，并且随着中继向两个源节点靠近，本发明方法的优势更加显著。另外，对于图2中(c)的情况，即，r＝1bit/s.Hz,

Q_S＝0.001，无论中继节点处于哪个位置，传统的方法都找不到合适的解，也就是说找不到合适的发射功率，可以同时满足系统QoS要求和节点峰值发射功率限制条件。因此，本发明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AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，其特征在于：利用瞬时CSI信息，根据源节点的目标速率，对网络节点的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化；

对于采用放大转发协议AF的双向中继系统，网络中两个源节点A和B通过位于两者之间的中继节点R进行信息的互换，源节点A和B之间的一次信息互换分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点A和B之间的一次信息互换占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点A和B首先检查不等式

是否成立，其中，Z＝2^2r-1，r为源节点A和B目标速率，

是节点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，λ₁和λ₂是指数随机变量|h_AR|²和|h_BR|²的率参数，即，|h_AR|²和|h_BR|²期望的倒数，能够在源节点A和B处通过长期观测得到；

若成立，则源节点A和B回归空闲状态，否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，并同时发送给中继节点R，则中继节点R接收的两路合并信号为：

其中E_A和E_B分别为源节点A和B的发射功率：

h_AR和h_BR分别为源节点A和B到中继节点R的信道增益，n_R为中继节点R处的高斯白噪声；

在第一时隙末，中继R将首先检查不等式

是否成立，若成立，则强制发生中断事件，即，中继R将不转发源节点发来的信号，否则将对接收信号s_R进行缩放，即，乘上缩放因子

然后，在第二时隙广播给两个源节点，中继节点R的发射功率：

在第二时隙末，源节点A和B接收到中继广播来的信号分别为：

其中，n_A和n_B分别为源节点A和B处的高斯白噪声，h_RA和h_RB分别为中继节点R到源节点A和B的信道增益，假设信道具有互易性，即，h_AR＝h_RA,h_BR＝h_RB，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末，源节点A和B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项

和

去除，得

这样，在第二时隙末，源节点A和B能够获得的互信息量分别为：I_A＝log₂(1+γ_A)/2和I_B＝log₂(1+γ_B)/2，γ_A和γ_B分别为源节点A和B的接收信噪比：

最后，源节点A和B将分别对接收信号y_A和y_B进行自干扰消除，再通过解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换；

假设源节点A和B以及中继节点R的峰值发送功率受限，即

其中

为节点的最大峰值发送功率；系统的QoS要求为Q_S，这里，将中断概率作为系统QoS性能指标，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不能够正确解码对端发射的信号，则认为系统发生中断事件，因此，系统中断概率为：

Q_out(E_A,E_B,E_R)＝Pr[min(I_A,I_B)＜r]＝Pr[min(γ_A,γ_B)＜Z] (9)

因此，对于一个AF双向中继系统Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S必须得到满足；

对于一个AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，以节点发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立高能效功率控制优化问题，得

subject to Q_out(E_A,E_B,E_R)≤Q_S (10b)

为了方便表示，下面将式(10a)、式(10b)和式(10c)组成的高能效功率控制优化问题称之为问题(10)；

为了利用瞬时CSI信息进行节点功率控制，采用两阶段的方法解决高能效功率控制优化问题：

第一阶段，省略约束条件(10c)，并将(10b)替换为min(γ_A,γ_B)≥Z，此时，新优化问题的解能够保证源节点始终可以成功解码接收信号，使得系统中断概率为零；

第二阶段，将第一阶段问题解的最大值与门限

进行比较，当第一阶段问题解的最大值大于该门限，则强制系统发生中断事件，反之则将第一阶段优化问题的解作为节点的发射功率，门限值是由第一阶段问题解的最大值和系统可接受中断概率来决定；此外，由于节点峰值发送功率受限，即，约束条件(10c)，需要将上述的门限与节点最大峰值发射功率进行比较，若门限值大于节点最大峰值发射功率，则认为优化问题(10)不可行，反之则用上述两阶段方法得到的解作为优化问题(10)的最终解；

通过上述的两阶段方法可以得到问题(10)的最终解，即，源节点A和B以及中继节点R的发射功率，存在以下两种情况：

1)若

优化问题(10)不可行，意味着，在节点峰值发射功率限制下，无法找到可行解使得系统QoS要求也得到满足；

2)若

三个节点的最优发射功率由式(11)、式(12)和式(13)给出：

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