CN108882354B - 基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明考虑一种基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法，通过构建以系统发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化系统能量效率为目标的优化问题，联合优化信源发射功率以及中继发射功率。优化过程为首先固定信源发射功率，优化中继发射功率，然后固定中继发射功率，对信源发射功率进行优化，重复中继和信源发射功率的交替优化步骤，直至系统达到最大的能量效率。相对于基于频谱效率的传统方案，本发明能够有效提高系统能量速率，并且计算复杂度较低，利于工程实现。

Description

基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法
技术领域
本发明涉及中继通信系统，尤其是一种基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法。
背景技术
常见的双天线中继的工作模式主要为放大转发和解码转发，放大转发的基本原理是，中继节点在接收到源节点的信号后，不进行任何的解调和解码，而直接进行模拟处理后放大转发出去。放大转发协议是一种最早出现的模式，实现最为简单，性能良好，但会带来一个显著的问题，中继节点会对接收到的信号无差别放大转发，必然也放大了噪声，造成了噪声的累计传播，中继信道变得前后相关，不再是服从正态分布的。用式子来表示就是中继节点对接收到的信号sr乘上β因子进行放大得到st再发送出去，放大因子β满足
Figure GDA0002850396370000011
其中
Figure GDA0002850396370000012
和
Figure GDA0002850396370000013
分别为发送信号和接收信号的功率。
在设计中继系统时一个最重要的考虑因素就是在全双工和半双工中继工作模式之间的选择。半双工(Half Duplex,HD)传输指数据可以在一条链路的两个方向传输，但不能同时传输，例如一个节点可以在一个时隙中发送数据，然后待发送结束后在另一个正交时隙才可以接收数据。全双工(Full Duplex,FD)指允许数据在两个方向上同时传输，即同一频率上的同时发送和接收，能够在相同频率和时间内，同时发送和接收信号。半双工由于分割两个时隙分别用于收发，因此会得到较低的信息速率，全双工同时收发，具有比半双工加倍的信息速率，但同时会带来一个新的不容忽略的问题，中继在发送信号时接收天线也在工作，因此中继的发射信号会被其本身的接收天线重新接收，形成自干扰。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法，通过构建以系统发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化系统能量效率为目标的优化问题，联合优化信源发射功率以及中继发射功率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法，通过构建以系统发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化系统能量效率为目标的优化问题，联合优化信源发射功率以及中继发射功率，具体包括以下步骤：
(1)以中继发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定信源发射功率pS，对中继发射功率pR进行优化；
(2)以信源发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定中继发射功率pR，对信源发射功率pS进行优化；
(3)重复步骤(1)-(2)，直至系统的能量效率收敛，得到最优的联合发射功率。
作为优选，步骤(1)通过构建如下优化问题优化中继发射功率pR：
优化目标为：最大化
Figure GDA0002850396370000021
约束条件为：pR≤PR，
Figure GDA00028503963700000212
其中，log2(·)表示以2为底的对数函数，
Figure GDA0002850396370000022
pS表示信源发射功率，pR表示中继发射功率，pC表示系统电路功率，
Figure GDA0002850396370000023
是信源端到中继端的信道信噪比,
Figure GDA0002850396370000024
是中继端到目的端的信道信噪比,
Figure GDA0002850396370000025
是信源端到目的端的信道信噪比，
Figure GDA0002850396370000026
是中继节点的环路自干扰信道信噪比,hSR,hRD,hSD,hLI分别表示信源端到中继端、中继端到目的端、信源端到目的端以及环路自干扰信道系数,
Figure GDA0002850396370000027
和
Figure GDA0002850396370000028
分别表示中继和目的端引入的高斯白噪声功率,PR是中继最大发射功率，
Figure GDA00028503963700000213
是双跳中继系统的频谱效率,Γ是频谱效率的最低门限。
约束条件
Figure GDA00028503963700000214
等价为
Figure GDA0002850396370000029
作为优选，运用二分法确定步骤(1)中中继发射功率pR的最优解。
作为优选，根据步骤(1)得到的pR最优解固定中继发射功率pR，构建优化问题优化信源端发射功率pS：
优化目标为：最大化
Figure GDA00028503963700000210
约束条件为：pS≤PS，
Figure GDA00028503963700000211
其中，PS是信源最大发射功率。
运用二分法确定步骤(2)的信源发射功率pS的最优解。
作为优选，步骤(3)中的系统可达能量效率的计算公式为：
Figure GDA0002850396370000031
其中，log2(·)表示以2为底的对数函数，pS表示信源发射功率，pR表示中继发射功率，pC表示系统电路功率，γSR是信源端到中继端的信道信噪比，γRD是中继端到目的端的信道信噪比，γSD是信源端到目的端的信道信噪比，γLI是中继节点的环路自干扰信道信噪比。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明针对双跳全双工中继系统，通过对中继发射功率pR、信源发射功率pS进行联合优化，在满足约束条件前提下，最大化系统的能量效率。相较于以频谱效率最优时的功率发射时，以能量效率最优时的功率发射可以得到更大的能量效率。
2、本发明算法复杂度较低，便于工程实现。
附图说明
图1是本发明的算法流程图。
图2是仿真实验结果图。
具体实施方式
下面通过一个最佳实施例并结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的典型应用场景是通过构建以系统发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化系统能量效率为目标的优化问题，联合优化信源发射功率以及中继发射功率。优化过程为首先固定信源发射功率，优化中继发射功率，然后固定中继发射功率，对信源发射功率进行优化，重复中继和信源发射功率的交替优化步骤，直至系统达到最大的能量效率。如图1所示，本发明实施例公开的一种基于能量效率的双跳全双工中继系统的发射功率优化方法，所构建的优化问题可以表示为：
优化目标为：最大化
Figure GDA0002850396370000032
约束条件为：pS≤PS，
pR≤PR，
Figure GDA0002850396370000037
其中，log2(·)表示以2为底的对数函数，
Figure GDA0002850396370000033
pS表示信源发射功率，pR表示中继发射功率，pC表示系统电路功率，
Figure GDA0002850396370000034
是信源端到中继端的信道信噪比,
Figure GDA0002850396370000035
是中继端到目的端的信道信噪比,
Figure GDA0002850396370000036
是信源端到目的端的信道信噪比，
Figure GDA0002850396370000041
是中继节点的环路自干扰信道信噪比,hSR,hRD,hSD,hLI分别表示信源端到中继端、中继端到目的端、信源端到目的端以及环路自干扰信道系数,
Figure GDA0002850396370000042
和
Figure GDA0002850396370000043
分别表示中继和目的端引入的高斯白噪声功率,PS是信源最大发射功率，PR是中继最大发射功率，
Figure GDA0002850396370000044
是双跳中继系统的频谱效率,Γ是频谱效率的最低门限。
该问题的具体优化求解步骤如下：
(1)以中继发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定信源发射功率pS，对中继发射功率pR进行优化：
本步骤中，优化变量为中继发射功率pR，所构建的优化问题描述为：
优化目标为：最大化
Figure GDA0002850396370000045
约束条件为：pR≤PR，
Figure GDA00028503963700000411
为方便求解，可将
Figure GDA00028503963700000412
进行转换，得到pR约束
Figure GDA0002850396370000046
采用二分法求解，得到固定pS时的pR最优解。
(2)以信源发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定中继发射功率pR，对信源发射功率pS进行优化：
本步骤中，优化变量为信源发射功率pS，所构建的优化问题描述为：
优化目标为：最大化
Figure GDA0002850396370000047
约束条件为：pS≤PS，
Figure GDA0002850396370000048
为便于求解，可将
Figure GDA0002850396370000049
进行转换，得到pS约束
Figure GDA00028503963700000410
采用二分法求解，得到固定pR时的pS最优解。
(3)重复步骤(1)和(2)，直至系统的能量效率收敛。
系统能量效率的计算公式为：
Figure GDA0002850396370000051
为了验证本发明的效果，进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：
表1仿真实验参数表
参数 取值
信源端到中继端信道信噪比γ<sub>SR</sub> 6dB
中继端到目的端信道信噪比γ<sub>RD</sub> 12dB
信源端到目的端信道信噪比γ<sub>SD</sub> 2dB
中继环路自干扰信道信噪比γ<sub>LI</sub> 8dB
系统频谱效率下限Γ 0.3bps/Hz
信源和中继的电路功率p<sub>C</sub> 0.4W
图2为仿真实验的对比结果，仿真结果表明：在实际存在环路自干扰的情况下，固定信源发射功率pS时，优化中继发射功率，相较于以频谱效率最优时的功率pR发射时，以能量效率最优时的功率发射可以得到更大的能量效率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法，其特征在于，通过构建以信源和中继发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化系统的端到端能量效率为目标的优化问题，联合优化信源发射功率pS以及中继发射功率pR，具体包括以下步骤：
(1)以中继发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定信源发射功率pS，对中继发射功率pR进行优化；
(2)以信源发射功率受限以及最低频谱效率受限为约束，最大化端到端能量效率为目标，固定中继发射功率pR，对信源发射功率pS进行优化；
(3)重复步骤(1)-(2)，直至系统的能量效率收敛，得到最优的联合发射功率；
步骤(1)中通过构建如下优化问题优化中继节点发射功率pR:
优化目标为：最大化
Figure FDA0002850396360000011
约束条件为：pR≤PR，
Figure FDA0002850396360000012
其中，log2(·)表示以2为底的对数函数，
Figure FDA0002850396360000013
pS表示信源发射功率，pR表示中继发射功率，pC表示系统电路功率，γSR是信源端到中继端的信道信噪比,γRD是中继端到目的端的信道信噪比,γSD是信源端到目的端的信道信噪比，γLI是中继节点的环路自干扰信道信噪比,PR是中继最大发射功率，
Figure FDA0002850396360000017
是双跳中继系统的频谱效率,Γ是频谱效率的最低门限；
固定pS，将步骤(1)的优化问题进行等价简化，转化为如下等价形式：
优化目标为：最大化
Figure FDA0002850396360000014
约束条件为：pR≤PR，
Figure FDA0002850396360000015
运用二分法确定步骤(1)的中继发射功率pR的最优解；
根据步骤(1)得到的pR最优解固定中继发射功率pR，构建优化问题优化信源端发射功率pS：
优化目标为：最大化
Figure FDA0002850396360000016
约束条件为：pS≤PS，
Figure FDA0002850396360000021
其中，PS是信源最大发射功率；
运用二分法确定步骤(2)的信源发射功率pS的最优解；
步骤(3)中的系统可达能量效率的计算公式为：
Figure FDA0002850396360000022
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