CN107359913A - 一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法 - Google Patents

一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法 Download PDF

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CN107359913A CN201710691116.8A CN201710691116A CN107359913A CN 107359913 A CN107359913 A CN 107359913A CN 201710691116 A CN201710691116 A CN 201710691116A CN 107359913 A CN107359913 A CN 107359913A
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Abstract

本发明涉及一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，与现有技术相比解决了物理层的设计无法满足链路层时延QOS的缺陷。本发明包括以下步骤：协作通信系统参数的设置；计算功率的分配，根据协作通信系统参数计算出信源节点的最优功率分配ps和中继节点的最优功率分配pr；按照功率分配结果传输数据，将功率分配结果通过广播信道广播给信源和中继节点，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据。本发明能够在满足链路层时延QOS和物理层总发送功率限制的前提下，提高系统的有效容量，不仅考虑了物理层的总发送功率限制，而且还考虑了链路层的时延要求。

Description

一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传 输方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体来说是一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术所提供的空间分集是对抗无线信道多径衰落的有效方式之一。但是，由于受到移动终端体积、功率、天线位置设置等因素的限制，MIMO很难在移动终端中应用。而协作通信可以避开这一难题，它通过网络间节点资源协作的方式，有效地共享传输资源，形成虚拟天线阵列，获得分集增益，从而为MIMO技术的实际应用提供一种可行的方法。已有研究表明协作通信可以有效的提高系统容量和可靠性，而且通过中继的引入可以扩大网络的覆盖范围，因此协作通信成为近年来的研究热点。
在协作通信中，合理的节点间功率分配可以有效的提高系统性能。已有文献针对最小化误码率、最小化中断概率、最大化系统容量、最大化接收信噪比等进行功率分配的研究，然而这些协作通信中的功率分配方法均关注于物理层的分析和设计，没有考虑到上层服务质量(Quality of Service，QOS)的要求。
而服务质量是衡量未来无线通信网络好坏的重要标准，其中时延QOS是一项重要的指标。在有线通信中，可以通过OSI参考模型中各层的独立优化来保证时延QOS需求。而在无线通信中，由于层与层之间的互联性很强，分层设计与优化的思想将不再适用。协作通信作为无线通信中的一种，在其物理层中，现有的功率分配仅仅通过物理层上的设计与优化来改善系统性能，没有考虑到时延QOS限制，因此不能满足上层链路层所需要的时延QOS。在其链路层中，数据包交换需要排队分析，并且一些实时的应用，像实时语音、视频流等对时延都比较敏感，需要可靠的时延QOS保证。
因此，在协作通信中如何结合物理层和链路层的参数，设计出既能满足时延QOS又能提高系统性能的跨层功率分配方法用于数据的高效传输已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中物理层的设计无法满足链路层时延QOS的缺陷，提供一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，包括以下步骤：
协作通信系统参数的设置，设协作通信系统包括一个信源节点S、一个中继节点R和一个目的节点D，每个节点均配置一个天线，中继采用半双工放大转发的工作方式，信源到中继、中继到目的、信源到目的的瞬时信道系数分别为hsr、hrd、hsd且信道之间相互独立，Tf表示数据帧周期，B表示信道带宽；
设协作通信中信源和中继的总发送功率的数学期望值为p，数据链路层的时延服务质量指数为θ，所有加性高斯白噪声相互独立且均服从均值为0、方差为1的圆对称复高斯分布；
计算功率的分配，根据协作通信系统参数计算出信源节点的最优功率分配ps和中继节点的最优功率分配pr；
按照功率分配结果传输数据，将功率分配结果通过广播信道广播给信源和中继节点，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据；其中，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据包括以下步骤：
在第一个时隙，信源节点按照发送功率ps发送数据，中继和目的节点接收数据；
在第二个时隙，中继节点对接收的数据乘以放大系数之后再转发，其发送功率为pr，目的节点接收数据；
目的节点对第一个时隙和第二个时隙接收到的数据按照最大比合并方法得到最终数据。
所述的计算功率的分配包括以下步骤：
通过有效容量的概念结合链路层参数和物理层参数，建立跨层功率分配的最优化问题，其表达式如下：
其中，为系统有效容量，
为系统可达速率，γ1＝|hsr|2、γ2＝|hrd|2、γ3＝|hsd|2，
定义信道状态信息为一个三元数组γ＝(γ1,γ2,γ3)，且定义ν＝(θ,γ)，Eγ(·)表示关于γ的数学期望；
将跨层功率分配的最优化问题表达式简化如下：
subject to Eγ[ps(ν)+pr(ν)]＝p,ps(ν)≥0,pr(ν)≥0
建立拉格朗日公式
其中λ为拉格朗日乘子且λ≥0；
通过梯度方法求解λ；
根据γ2与γ3的大小比较，得到功率分配结果ps和pr，其功率分配结果表达式如下：
若γ2＞γ3，
其中，
若γ2≤γ3，
其中，[x]+＝max{x,0}。
所述的通过梯度方法求解λ包括以下步骤：
初始化λ，设λ的初始值为λ(0)；
通过梯度方法收敛λ，其具体步骤如下：
通过迭代的方法求Eγ(ps+pr)，其具体步骤如下：
设总发送功率的累加和初始值psum＝0；
随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3；
根据功率分配结果表达式，计算功率的分配ps和pr；
对总发送功率psum进行累加求和，其计算公式如下：
psum＝psum+ps+pr；
继续随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3，重复N次；
计算总发送功率的数学期望Eγ(ps+pr)，其计算公式如下：
Eγ(ps+pr)＝psum/N；
使用λ(i+1)＝λ(i)-δ(i)[p-Eγ(ps+pr)]更新λ，
其中δ(i)为梯度方法中第i步的步长，i为非负整数；
判断λ是否收敛，
若|λ(i+1)-λ(i)|的值小于收敛阈值，则λ已经收敛，得到λ的值；否则用λ(i+1)替代λ(i)，继续通过梯度方法收敛λ，直到λ收敛。
有益效果
本发明的一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，与现有技术相比能够在满足链路层时延QOS和物理层总发送功率限制的前提下，提高系统的有效容量，不仅考虑了物理层的总发送功率限制，而且还考虑了链路层的时延要求。
本发明通过结合物理层和链路层的参数，利用物理层和数据链路层之间的交互信息将两层作为一个统一的整体，来对协作通信进行跨层的设计与优化。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2为协作通信系统的信道模型图；
图3为协作通信系统有效容量与总发送功率的关系图；
图4为协作通信系统有效容量与时延QOS指数的关系图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，包括以下步骤：
第一步，协作通信系统参数的设置。如图2所示，协作通信系统包括一个信源节点S、一个中继节点R和一个目的节点D，每个节点均配置一个天线，中继采用半双工放大转发的工作方式，信源到中继、中继到目的、信源到目的的瞬时信道系数分别为hsr、hrd、hsd且信道之间相互独立，Tf表示数据帧周期，B表示信道带宽。
设协作通信中信源和中继的总发送功率的数学期望值为p，数据链路层的时延服务质量(Quality of Service，QOS)指数为θ，所有加性高斯白噪声相互独立且均服从均值为0、方差为1的圆对称复高斯分布。
在此，协作通信系统参数设置的目的是将物理层的参数和链路层的参数结合在一起综合分析，既考虑链路层的时延QOS、又考虑物理层的总发送功率限制，是满足实际环境使用的前提条件。若单一考虑某一层(链路层或物理层)的最优化，则无法满足于实际应用条件。
第二步，计算功率的分配。根据协作通信系统参数计算出信源节点的最优功率分配ps和中继节点的最优功率分配pr。由于针对链路层和物理层进行共同分析，因此需要建立物理层和链路层之间的联系，将物理层和链路层的参数结合起来进行跨层的功率分配。
首先通过有效容量的概念建立物理层与链路层之间的联系。有效容量的概念是由“有效带宽”的概念引入的，设源节点和信道之间的联系可以建模为一个先入先出(First-Input-First-Output，FIFO)的排队系统，根据大偏差理论，对于一个有着稳定的到达速率和服务速率的动态队列系统，在充分条件下，稳定队列长度Q(t)依分布收敛到随机变量Q(∞)，Q(∞)满足其中x为队列长度界，θ＞0称为时延QOS指数，θ代表着这一分布的指数衰减速率。因此稳定状态下队列长度超过固定门限值x的概率可以近似为Pr{Q(∞)＞x}≈e-θx，也就是说队列长度超过固定门限值x的概率随着门限值x的增加成指数级衰减。同样，系统时延超过时延界的概率可以表示为其中D和Dth分别代表时延和时延界，被称为在给定θ时到达进程的“有效带宽”。
受有效带宽理论的启发，Wu和Negi在文献Effective capacity:a wireless linkmodel for support of quality of service中提出了有效容量的概念，其定义是指为了满足时延QOS指数θ的要求，一个给定服务进程可以支持的最大的稳定到达速率，可以表示为其中为服务进程速率的时间累积，R[i]对应于离散时间各态历经随机服务进程的速率，E[·]表示求数学期望。假设块衰落信道在每个时间帧是独立同分布的，因此R[i]之间是非相关的，则有效容量可以写成当队列处于稳定状态时平均到达速率等于平均服务速率，所以有效容量也可以看作是时延QOS约束下的最大吞吐量。速率稳定状态时可达速率R与系统的发送功率、信道系数等物理层参数有关，所以有效容量即与链路层参数(时延QOS)有关，又与物理层参数(发送功率、信道系数等)有关。通过有效容量的概念可以建立起物理层参数与链路层参数之间的联系。
由之前的系统假设可知，当中继采用半双工放大转发的工作方式，目的节点采用最大比合并时系统可达速率为
其中γ1＝|hsr|2、γ2＝|hrd|2、γ3＝|hsd|2，γ＝(γ1,γ2,γ3)为信道状态信息的一个三元数组，且ν＝(θ,γ)。系统有效容量为Eγ(·)表示关于γ的数学期望。
因此，在满足链路层时延QOS和物理层总发送功率限制的前提下，使系统有效容量最大的跨层功率分配最优化问题可以表示为
综上所述，计算功率的分配的具体步骤如下：
(1)通过有效容量的概念结合链路层参数和物理层参数，建立跨层功率分配的最优化问题，其表达式如下：
其中，为系统有效容量，
为系统可达速率，γ1＝|hsr|2、γ2＝|hrd|2、γ3＝|hsd|2，
定义信道状态信息为一个三元数组γ＝(γ1,γ2,γ3)，且定义ν＝(θ,γ)，Eγ(·)表示关于γ的数学期望。
(2)在高信噪比状态下，将跨层功率分配的最优化问题表达式简化如下：
subject to Eγ[ps(ν)+pr(ν)]＝p,ps(ν)≥0,pr(ν)≥0
建立拉格朗日公式
其中λ为拉格朗日乘子且λ≥0。
(3)通过梯度方法求解λ，其具体步骤如下：
A、初始化λ，设λ的初始值为λ(0)。
B、通过梯度方法收敛λ。
B1、通过迭代的方法求Eγ(ps+pr)，其具体步骤如下：
B11、并设总发送功率的累加和初始值psum＝0。
B12、随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3。
B13、根据功率分配结果表达式，计算功率的分配ps和pr，功率分配结果表达式如下：
若γ2＞γ3，
其中，
若γ2≤γ3，
其中，[x]+＝max{x,0}。
B14、对总发送功率psum进行累加求和，其计算公式如下：
psum＝psum+ps+pr；
B15、返回步骤B12，继续随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3，重复N次；
B16、计算总发送功率的数学期望Eγ(ps+pr)，其计算公式如下：
Eγ(ps+pr)＝psum/N；
B2、使用λ(i+1)＝λ(i)-δ(i)[p-Eγ(ps+pr)]更新λ，
其中δ(i)为梯度方法中第i步的步长，i为非负整数；
B3、判断λ是否收敛.
若|λ(i+1)-λ(i)|的值小于收敛阈值(收敛阈值为某一常数，针对发送总功率大小不一样，设的这个阈值也不一样，通常为很小的正数)，则λ已经收敛，得到λ的值；否则用λ(i+1)替代λ(i)，返回步骤B，继续通过梯度方法收敛λ，直到λ收敛。
(4)根据γ2与γ3的大小比较，得到功率分配结果ps和pr，其功率分配结果表达式如下：
若γ2＞γ3，
其中，
若γ2≤γ3，
其中，[x]+＝max{x,0}。
第三步，按照功率分配结果传输数据。作为无线通信技术而言，在获得最优结果或参数后，如何利用这些参数和结果进行数据传输，才是技术的完整实现。将功率分配结果通过广播信道广播给信源和中继节点，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据，以实现在协作通信中物理层和链路层的跨层功率分配。
计算功率的分配(第二步内容)和将功率分配结果通过广播信道广播给信源和中继节点，其完成计算和广播功能的节点可以是中继节点，也可以是目的节点，只要该节点知道在第一步中协作通信系统所设置的系统参数即可。
其中，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据包括以下步骤：
(1)在第一个时隙，信源节点按照发送功率ps发送数据，中继和目的节点接收数据。
(2)在第二个时隙，中继节点对接收的数据乘以放大系数之后再转发，其发送功率为pr，目的节点接收数据。
(3)目的节点对第一个时隙和第二个时隙接收到的数据按照最大比合并(MaximalRatio Combiner，MRC)方法得到最终数据。
以下为对本发明方法进行仿真实验，以说明本发明方法的有效性和可行性。仿真实验假设所有信道均为相互独立的瑞利衰落信道，信道系数i,j∈{s,r,d}，gij服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，dij表示相应的节点i和j之间的距离，α为路径损耗系数。所有的信道系数在每个帧内保持不变而在不同帧之间变化。仿真中将源节点和目的节点之间的距离归一化，且让中继节点与源节点和目的节点在一条直线上，设信源到中继的距离为dsr，则中继到目的节点的距离为drd＝1-dsr。
如图3所示，图3的仿真参数设置为θ＝1，dsr＝0.5，路径损耗系数α＝4，循环次数N＝10000。
从图3中可以看出跨层功率分配与等功率分配和只有直达链路的情况相比，可以明显的提高系统有效容量。等功率分配和只有直达链路的情况都没有考虑链路层的时延QOS。本发明在跨层功率分配方法上不仅考虑物理层的总发送功率限制，而且考虑链路层的时延QOS指数，可以在满足链路层时延要求和物理层总发送功率限制的前提下，提高系统的有效容量。
如图4所示，图4的仿真参数设置为dsr＝0.5，路径损耗系数α＝4，总发送功率的期望值p＝10dB,循环次数N＝10000。
从图4中可以看出时延QOS指数θ对系统有效容量性能的影响。当时延要求变得较为严格时，θ值增大，有效容量值迅速下降。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)协作通信系统参数的设置，设协作通信系统包括一个信源节点S、一个中继节点R和一个目的节点D，每个节点均配置一个天线，中继采用半双工放大转发的工作方式，信源到中继、中继到目的、信源到目的的瞬时信道系数分别为hsr、hrd、hsd且信道之间相互独立，Tf表示数据帧周期，B表示信道带宽；
设协作通信中信源和中继的总发送功率的数学期望值为p，数据链路层的时延服务质量指数为θ，所有加性高斯白噪声相互独立且均服从均值为0、方差为1的圆对称复高斯分布；
12)计算功率的分配，根据协作通信系统参数计算出信源节点的最优功率分配ps和中继节点的最优功率分配pr；
13)按照功率分配结果传输数据，将功率分配结果通过广播信道广播给信源和中继节点，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据；其中，信源和中继节点按照功率分配结果传输数据包括以下步骤：
131)在第一个时隙，信源节点按照发送功率ps发送数据，中继和目的节点接收数据；
132)在第二个时隙，中继节点对接收的数据乘以放大系数之后再转发，其发送功率为pr，目的节点接收数据；
133)目的节点对第一个时隙和第二个时隙接收到的数据按照最大比合并方法得到最终数据。
2.根据权利要求1所述的一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，其特征在于，所述的计算功率的分配包括以下步骤：
21)通过有效容量的概念结合链路层参数和物理层参数，建立跨层功率分配的最优化问题，其表达式如下：
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其中，为系统有效容量，
为系统可达速率，γ1＝|hsr|2、γ2＝|hrd|2、γ3＝|hsd|2，
定义信道状态信息为一个三元数组γ＝(γ1,γ2,γ3)，且定义ν＝(θ,γ)，Eγ(·)表示关于γ的数学期望；
22)将跨层功率分配的最优化问题表达式简化如下：
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建立拉格朗日公式
其中λ为拉格朗日乘子且λ≥0；
23)通过梯度方法求解λ；
24)根据γ2与γ3的大小比较，得到功率分配结果ps和pr，其功率分配结果表达式如下：
241)若γ2＞γ3，
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>ap</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>b</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>w</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>w</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>
其中，
242)若γ2≤γ3，
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其中，[x]+＝max{x,0}。
3.根据权利要求2所述的一种协作通信中基于物理层与链路层跨层功率分配的数据传输方法，其特征在于，所述的通过梯度方法求解λ包括以下步骤：
31)初始化λ，设λ的初始值为λ(0)；
32)通过梯度方法收敛λ，其具体步骤如下：
321)通过迭代的方法求Eγ(ps+pr)，其具体步骤如下：
3211)设总发送功率的累加和初始值psum＝0；
3212)随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3；
3213)根据功率分配结果表达式，计算功率的分配ps和pr；
3214)对总发送功率psum进行累加求和，其计算公式如下：
psum＝psum+ps+pr；
3215)继续随机生成信道状态信息γ1、γ2、γ3，重复N次；
3216)计算总发送功率的数学期望Eγ(ps+pr)，其计算公式如下：
Eγ(ps+pr)＝psum/N；
322)使用λ(i+1)＝λ(i)-δ(i)[p-Eγ(ps+pr)]更新λ，
其中δ(i)为梯度方法中第i步的步长，i为非负整数；
323)判断λ是否收敛，
若|λ(i+1)-λ(i)|的值小于收敛阈值，则λ已经收敛，得到λ的值；否则用λ(i+1)替代λ(i)，继续通过梯度方法收敛λ，直到λ收敛。
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