CN109195215B - 全双工译码转发中继系统的能效优化方法 - Google Patents

全双工译码转发中继系统的能效优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，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。优化过程为忽略频谱效率表达式中的常数1，引入辅助变量转化优化目标中的min函数以及分式，通过变量代换将正项式函数转化为自变量为线性函数的指数函数之和从而将问题转化为凸优化问题，通过求解转化后的凸优化问题得到最优解。相对于基于频谱效率的传统功率优化方案，本发明能够有效提高系统能量效率，并且计算复杂度较低，利于工程实现。

Description

全双工译码转发中继系统的能效优化方法
技术领域
本发明涉及中继通信系统，尤其是一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法。
背景技术
中继技术可以有效地解决无线通信系统的覆盖问题，中继节点的转发协议有很多种，本发明主要考虑译码转发(decode-and-forward,DF)。译码转发的基本原理是，中继节点在接收到信号后，会对接收到的信号进行解调和解码等译码操作，有些还会对译码所得数据进行CRC等方式进行校验，若检验发现数据不正确，该帧就会被丢弃，若数据正确，则中继就按照和信源处相同的方式对数据进行编码和调制，并将处理后的信号发送出去。译码转发也被成为再生中继方式，本质上是一种数字信号处理方式。译码转发方式在节点经信号的处理只发送有用的信息，不会造成噪声的累计传播，但会带来一定的操作复杂度的上升。
近年来，随着人们对于能源与环境问题的日益重视，绿色通信这一理念越来越被人们所接受。在保证通信网络能够给用户提供高速率通信业务的同时，尽可能减少网络的能量消耗，实现通信网络运营成本以及能量消耗的降低，利于对环境的保护，实现绿色发展。因此，在通信网络资源的优化配置中，系统的能量效率也成为一个需要被着重考虑的目标。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，在满足约束条件前提下，对信源发射功率以及中继发射功率进行联合优化，以最大化系统的能量效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，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；所构建的优化问题表示为：
优化目标为：最大化
约束条件为：log2(1+min(γR,γD))≥Γ，pS≤PS，pR≤PR；
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链路信噪比,γRD是中继端到目的端的链路信噪比,γSD是信源端到目的端的链路信噪比，γLI是中继节点的环路自干扰链路信噪比，PS是信源最大发射功率，PR是中继最大发射功率，Γ是频谱效率的最低门限；该优化问题的求解具体包括以下步骤：
(1)忽略频谱效率表达式中的常数1，将优化目标变为最大化
(2)引入辅助变量转化优化目标中的min函数以及分式得到新的优化问题；
(3)通过变量代换将正项式函数转化为自变量为线性函数的指数函数之和，将步骤(2)得到的优化问题转化为凸优化问题；
(4)求解该凸优化问题，其最优解即为初始优化问题的最优解。
作为优选，步骤(2)中引入辅助变量u，t，将问题转化为：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
pS≤PS，
pR≤PR。
作为优选，步骤(3)中通过变量代换，t＝et′，u＝eu′，将问题转化为凸优化问题：
优化目标为：最大化t′
约束条件为：
该问题为凸优化问题，可采用内点法进行求解。该凸优化问题最优解为原问题最优解。
作为优选，步骤(4)中的系统可达能量效率的计算公式为：
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明针对全双工译码转发中继系统，通过对信源发射功率ps、中继发射功率pR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。与基于频谱效率的传统功率优化方案相比，本发明能够有效提高系统能量效率。
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。优化过程为忽略频谱效率表达式中的常数1，引入辅助变量，通过变量代换将原问题转化为凸优化问题，得到最优解。
如图1所示，本发明实施例公开的一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，所构建的优化问题可以表示为：
优化目标为：最大化
约束条件为：
log2(1+min(γR,γD))≥Γ，
pS≤PS，
pR≤PR；
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链路信噪比,γRD是中继端到目的端的链路信噪比,γSD是信源端到目的端的链路信噪比，γLI是中继节点的环路自干扰链路信噪比，PS是信源最大发射功率，PR是中继最大发射功率，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)忽略频谱效率表达式中的常数1，将优化目标变为最大化
本步骤中，转化后的优化问题描述为：
优化目标为：最大化
约束条件为：
log2(1+min(γR,γD))≥Γ，
pS≤PS，
pR≤PR；
(2)引入辅助变量u，t处理转化优化目标中的min函数以及分式；
本步骤中，所构建的优化问题描述为：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
pS≤PS，
pR≤PR；
(3)通过变量代换将正项式函数转化为自变量为线性函数的指数函数之和，将问题转化为凸优化问题；具体的，令t＝et′，u＝eu′，将问题转化为如下等价形式：
优化目标为：最大化et′
约束条件为：
其中，指数yS、yR为转换后优化问题的优化变量。
进一步等价转化为凸优化问题：
优化目标为：最大化t′
约束条件为：
(4)用内点法求解该凸优化问题，其最优解为原始问题最优解；
系统可达能量效率的计算公式为：
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
信源端到中继端链路信噪比γ<sub>SR</sub> 6dB
中继端到目的端链路信噪比γ<sub>RD</sub> 12dB
信源端到目的端链路信噪比γ<sub>SD</sub> 2dB
系统频谱效率下限Γ 1.2bps/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，以该优化方法得到的联合最优发射功率发射，相较于满功率发射以及最优频谱效率功率发射，具有更优的能量效率。
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 (4)

1.一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，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，所构建的优化问题的优化目标表示为：最大化约束条件表示为：log2(1+min(γR，γD))≥Γ，pS≤PS，pR≤PR；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链路信噪比，γRD是中继端到目的端的链路信噪比，γSD是信源端到目的端的链路信噪比，γLI是中继节点的环路自干扰链路信噪比，PS是信源最大发射功率，PR是中继最大发射功率，Γ是频谱效率的最低门限；所述优化问题的求解具体包括以下步骤：
(1)忽略频谱效率表达式中的常数1，将优化目标变为最大化
(2)引入辅助变量转化优化目标中的min函数以及分式得到新的优化问题；
(3)通过变量代换将正项式函数转化为自变量为线性函数的指数函数之和，将步骤(2)得到的优化问题转化为凸优化问题；
(4)求解所述凸优化问题，其最优解即为初始优化问题的最优解；
步骤(2)中引入辅助变量u，t，转化后的新的优化问题表示为：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
pS≤PS，
pR≤PR；
步骤(3)中通过变量代换，t＝et′，u＝eu′，将优化问题转化为如下等价形式：
优化目标为：最大化et′
约束条件为：
其中，指数yS、yR为转换后优化问题的优化变量；
步骤(3)中转化后的凸优化问题表示为：
优化目标为：最大化t′
约束条件为：
2.根据权利要求1所述的一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，其特征在于，步骤(4)中采用内点法求解转化后的凸优化问题。
3.根据权利要求1所述的一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，其特征在于，步骤(4)中根据所述凸优化问题求得的yS，yR最优解以及公式得到初始问题的pS，pR最优解。
4.根据权利要求1所述的一种全双工译码转发中继系统的能效优化方法，其特征在于，步骤(4)中的系统可达能量效率的计算公式为：
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