CN109819510B - 基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性。

Description

基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说是涉及一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法。

背景技术

中继技术可以延伸通信的覆盖范围、提高系统的容量以及提高用户的服务质量。中继作为通信系统的一个转发节点，具有接收和转发的功能，中继接收机的接收策略对系统的性能有重要的影响。

在多用户中继系统中，由于地理位置等多种因素，用户接收机与中继之间的距离不可能都是相同的。信号在传输的过程中存在衰落，传输的距离越远，遭受的衰落越严重。

现有的用户总信息速率最大化模型下的能量分配方案，发现在该模型下，距离中继较远的用户信息速率明显小于距离中继较近的用户，即“远近”现象明显，无法保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性。

因此，如何保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，包括：

(1)基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，设系统公共信息速率的最优值为

建立公共信息速率最大化优化目标P₆：

P₆:

s.t.

τ_i≥0，i＝1,2,…,K

其中，

表示用户公共信息速率，用户的信息速率R_i是关于τ的函数，

其中，

τ表示能量分配比例矢量，τ＝[τ₁,…,τ_K]；K为中继系统中用户的数量，g_i为中继到第i个用户的接收机的信道增益，τ_i为第i个用户的能量分配比例，η为能量转换效率因子，h为发射机到中继的信道增益，Q表示能量信号的平均功率，α为一个传输块的时间中用于能量收集的时间比例，z为与解码过程中的电路消耗相关的系数，为一固定值，且z∈(0,1)，

为用户接收机天线引入噪声的平均功率；

(2)对优化目标进行求解，具体包括：

a、基于

以及

求得基于总信息速率最大化模型的每个用户的信息速率[R₁(τ),R₂(τ),…,R_K(τ)]；

b、初始化：R_min＝min{R_i(τ)|i＝1,…,K}，令

c、令

中

计算得到τ_i，

其中，δ₁表示

的精度；

d、计算

如果|1-q|＞δ₂，则更新

并返回执行步骤c；若|1-q|≤δ₂，则

得到系统公共信息速率的最优值

以及对应的最优的能量分配比例τ*；其中，δ₂表示与

对应的τ^*的精度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法的流程图；

图2为本发明提供的多用户中继系统模型的示意图；

图3为本发明提供的多用户中继能量分配示意图；

图4为本发明提供的不同中继能量分配比例对应的系统总信息速率；

图5为本发明提供的用户在不同位置对应的信息速率；

图6为本发明提供的不同中继能量分配比例对应的系统公共信息速率；

图7为本发明提供的优化问题P₅和问题P₆中两个用户的能量分配比例比值。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，包括：

S1：基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，设系统公共信息速率的最优值为

建立公共信息速率最大化优化目标P₆：

P₆:

s.t.

τ_i≥0，i＝1,2,…,K

其中，

表示用户公共信息速率，用户的信息速率R_i是关于τ的函数，

其中，

τ表示能量分配比例矢量，τ＝[τ₁,…,τ_K]；K为中继系统中用户的数量，g_i为中继到第i个用户的接收机的信道增益，τ_i为第i个用户的能量分配比例，η为能量转换效率因子，h为发射机到中继的信道增益，Q表示能量信号的平均功率，α为一个传输块的时间中用于能量收集的时间比例，z为与解码过程中的电路消耗相关的系数，为一固定值，且z∈(0,1)；

为用户接收机天线引入噪声的平均功率；

S2：对优化目标进行求解，求得系统公共信息速率的最优值

以及对应的最优的能量分配比例τ*，根据最优的能量分配比例τ*进行能量分配，具体包括：

a、基于

以及

求得基于总信息速率最大化模型的每个用户的信息速率[R₁(τ),R₂(τ),…,R_K(τ)]；

b、初始化：R_min＝min{R_i(τ)|i＝1,…,K}，令

c、令

中

计算得到τ_i，

其中，δ₁表示

的精度；

d、计算

如果|1-q|＞δ₂，则更新

并返回执行步骤c；若|1-q|≤δ₂，则

得到系统公共信息速率的最优值

以及对应的最优的能量分配比例τ*；其中，δ₂表示与

对应的τ^*的精度。

本发明提供的基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，保证多用户中继系统中用户信息速率的公平性。

下面结合具体分析内容来详细说明本发明的技术方案

参见附图2，附图2为本发明提供的多用户中继系统模型的示意图，系统中包含三种节点：发射机、中继和接收机。其中，发射机和中继只有一个，而用户接收机有K个，其中，K≥2，发射机与中继之间的距离为D₀，中继与第i(i＝1,…,K)个用户接收机之间的距离为D_i。

发射机将所有用户的信息一并发往中继，中继接收之后首先进行解码，分离出每个用户的信息，然后分别进行放大并转发至用户接收机。为了方便讨论，假设所有用户信息在中继经过解码并校验之后均正确，中继对所有用户信息都予以转发。其中，中继接收机采用TS策略接收来自发射机的信号，即，在一个传输块的时间中，α比例的时间用于能量收集，(1-α)比例的时间用于信息传输。对应地，发射机在α比例的时间内发射能量信号(不携带用户的信息)，在(1-α)比例的时间内发射信息信号(携带发往中继和接收机的信息)。

参见附图2，反射机发射的信息信号x表示为：

式中，s_i表示基带信号，并且有E[|x|²]＝1。

表示频带信号，P表示发射信号的功率。

中继接收的用户信息信号表示为：

在通信时期的一个传输块时间内，中继收集的能量表示为：

E_EH＝ηhQ·αT (3)

式中，Q表示能量信号的平均功率。

假设中继解码信息所消耗的能量为E_D，用于放大转发信号的能量为E_AF，并

且，E_EH＝E_D+E_AF (4)

假设E_D为一个定值，即，E_D＝z·ηhQT，其中z为一个固定的系数，并且z∈(0,1)。

如图3所示为多用户中继能量分配示意图，中继的接收模块在某个传输块收集的能量被分成K份，分配到发射模块对应的后一个传输块中，用于转发每个用户的信息信号。第i个用户分得的能量比例表示为τ_i。此外，假设中继向用户接收机发送信号的方式为TDMA，即，在一个传输块内，中继逐一地向每个用户转发放大之后的信号。为了方便讨论，假设中继将一个传输块的时间(T)根据用户数量(K)进行均分，即中继为每个用户转发信息的时间为t_i＝T/K。

则中继放大第i个用户信息信号的功率为：

能量分配比例τ_i满足以下条件，

将式(1)和(4)代入(5)中，并化简得到：

发往第i个用户的信号经过中继放大之后表示为：

第i个用户接收来自中继的信号y_i表示为：

第i个用户接收信号的信噪比为：

则第i个用户接收信息的信息速率表示为：

式中，

在式(11)中，K和γ_i为系统参数，用户的信息速率R_i可以看作一个关于τ的函数，记为R_i(τ)，其中，τ表示能量分配比例矢量，τ＝[τ₁,…,τ_K]。

将所有用户的总信息速率记为R_sum(τ)，表示如下：

R_sum(τ)＝R₁(τ)+R₂(τ)+…+R_K(τ) (12)

建立如下所示的优化问题P₅，得到使得用户总信息速率最大化的最优能量分配方案τ^*。

P₅:

s.t.

τ_i≥0，i＝1,2,…,K.

问题P₅对应的最优的能量分配比例为

其中，

在实际应用中，

(∝表示成正比关系)，

其中，κ_sr(κ_sr≥2)和κ_rd(κ_rd≥2)分别表示发射机与中继之间以及中继与接收机之间信道链路的路径衰落指数。由式(11)可知，γ_i∝hg_i，即，D_i↑，γ_i↓；由式(13)可知，γ_i↓，

所以，D_i↑，

这就导致了“远近”现象，即不同用户接收机之间因为与中继的距离不同而造成用户信息速率的不同。

针对多用户中继系统中的“远近”现象，提出用户“公共”信息速率最大化模型，即确保系统中的每一个用户的信息速率都相等并最大化，假设系统公共信息速率的最优值为

根据式(6)和式(11)，公共信息速率最大化问题P₆定义如下：

P₆:

s.t.

τ_i≥0，i＝1,2,…,K

其中，

表示用户公共信息速率。

问题P₆的设计是用来保证信道条件最差，即，距离中继最远用户的信息速率。从式(11)可以观察到，R_i(τ)关于τ_i是单调递增的，可以很容易证明，问题P₆的最优解τ^*应该使所有用户的信息速率都相同，即，R₁(τ^*)＝…＝R_K(τ^*)，并且有

此时，系统的公共信息速率达到最优值。在实际的通信网络中，为所有用户分配相同的信息速率是非常有必要的，例如传感器网络，其中的所有节点都需要以相同的速率周期性地向基站发送传感数据。

由以上的论述可知，公共信息速率的最优值，应该在系统总信息速率最大化模型的基础上，减小分配给距离中继较近用户的能量比例，同时增大分配给距离中继较远用户的能量比例，即，

式中，R_i(τ)表示由总信息速率最大模型求得的的第i个用户的信息速率。

可以通过步骤S2所示的具体步骤a～d求得。

下面结合多用户中继系统下的能量分配方案的仿真结果来对本发明的技术方案做进一步说明。

参见附图4，不同中继能量分配比例(两个用户)对应的系统总信息速率示意图，其中，假设D₂＝2D₁，κ_sr＝κ_rd＝2，所以γ₁和γ₂的关系为：

在本次仿真中，将γ₁和γ₂分别设置为22dB和16dB。

如图4所示，沿着箭头方向，系统总信息速率逐渐增大，这是因为当0＜τ₁+τ₂＜1时，中继能量没有完全分配给所有用户，再由式(11)可知，对每一个用户而言，R_i随着τ_i的增大而增大，所以系统总信息速率的最大值在τ₁+τ₂＝1时取得。在图4中，P点表示最大系统总信息速率对应的中继能量分配比例，即，τ^*＝[0.5094,0.4906]。在最优值τ^*处，R_sum(τ^*)＝5.356bps/Hz，对应的R₁(τ^*)＝3.176bps/Hz，R₂(τ^*)＝2.180bps/Hz。可以看出，当D₂＝2D₁时，距离中继较远的用户2的信息速率与距离中继较近的用户1的信息速率相差较大，即，“远近”现象导致了与中继距离不同的用户之间的信息速率不公平。

参见附图5，设置用户1的位置不变，分别设置用户2的位置为：D₂＝2D₁，D₂＝3D₁，D₂＝4D₁，D₂＝5D₁，D₂＝6D₁，D₂＝7D₁，D₂＝8D₁，进一步通过仿真观察距离因素对用户信息速率的影响。当用户2逐渐远离中继时，其信息速率明显降低，虽然用户1的位置始终没有发生变化，但是当用户2与中继的距离增大时，其信息速率有少许的增加，这是因为，无线信号在传输的过程中存在一定的衰落，在基于“总信息速率最大化”的模型下，中继会优先为距离较近的用户分配更多的能量，从而增大总信息速率，而距离中继较远用户的信息速率会因为距离的增加而降低。

参见附图6，附图6为不同中继能量分配比例(两个用户)对应的系统公共信息速率示意图，信道设置与图4相同。可以观察到，问题P₆最优中继能量分配比例为图中的Q点，即τ^*＝[0.2004,0.7996]，在τ^*处，R₁(τ^*)＝R₂(τ^*)＝2.518bps/Hz。与图4中的最优值相比较，分配给用户1的中继能量比例从0.5094减小到0.2004，分配给用户2的中继能量比例从0.4906增大到0.7996。从而，用户1的信息速率从3.176bps/Hz减小到2.518bps/Hz，用户2的信息速率从2.180bps/Hz增大到2.518bps/Hz，两个用户的信息速率相同。这一结果表明，“公共信息速率最大化”方案可以有效地解决多用户中继系统中的“远近”问题。

如图7所示为不同衰落指数(κ)下，问题P₅和问题P₆中用户2(距离中继较远)与用户1(距离中继较近)的最优中继能量分配比例比值，即，

其中，信道设置与图4相同。假设用户1的γ₁参数固定，γ₁＝22dB。由式(16)，与κ＝2,2.5,3,3.5,4相对应，分别设置γ₂＝16,14.47,13,11.46,10(dB)。从图7中可以观察到，在问题P₅中，

的值逐渐降低，同时也可以发现，这个比值在问题P₅中的变化地非常缓慢，这说明，随着信道状态变差，为了使系统总信息速率最大化，中继分配给用户2的中继能量比例逐渐减少。相反，在问题P₆中，

的值逐渐增大，而且变化非常明显，这说明，为了使系统公共信息速率最大化，随着信道状态逐渐变差，系统分配给用户2的中继能量比例逐渐增加。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种基于用户公共信息速率最大化的能量分配方法，其特征在于，包括：

(1)基于多用户中继系统模型，确保系统中每一个用户的信息速率都相等并最大化，设系统公共信息速率的最优值为

建立公共信息速率最大化优化目标P₆：

P₆:

τ_i≥0，i＝1,2,…,K

其中，

表示用户公共信息速率，用户的信息速率R_i是关于τ的函数，

其中，

τ表示能量分配比例矢量，τ＝[τ₁,…,τ_K]；K为中继系统中用户的数量，g_i为中继到第i个用户的接收机的信道增益，τ_i为第i个用户的能量分配比例，η为能量转换效率因子，h为发射机到中继的信道增益，Q表示能量信号的平均功率，α为一个传输块的时间中用于能量收集的时间比例，z为与解码过程中的电路消耗相关的系数，为一固定值，且z∈(0,1)，

为用户接收机天线引入噪声的平均功率；

(2)对优化目标进行求解，具体包括：

a、基于

以及

求得基于总信息速率最大化模型的每个用户的信息速率[R₁(τ),R₂(τ),…,R_K(τ)]；

b、初始化：R_min＝min{R_i(τ)|i＝1,…,K}，令

c、令

中

计算得到τ_i，

其中，δ₁表示

的精度；

d、计算

如果|1-q|＞δ₂，则更新

并返回执行步骤c；若|1-q|≤δ₂，则

得到系统公共信息速率的最优值

以及对应的最优的能量分配比例τ*；其中，δ₂表示与

对应的τ^*的精度。

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