CN112512109A - 一种端到端功率分配方法、装置和全双工中继系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端到端功率分配方法、装置和全双工中继系统，属于无线通信技术领域，所述方法包括：计算全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率；将中继发射功率和总发射功率的比值设定为功率分配因子β；基于端到端中断概率与功率分配因子的关系，以功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题；利用梯度下降优化算法对优化问题迭代求解得到目标函数局部最优解，并结合解析分析方法验证目标函数局部最优解为目标函数全局最优解；基于目标函数全局最优解实施全双工中继系统的功率分配。本申请提供的功率分配方法能够降低全双工中继系统的端到端中断概率。

Description

一种端到端功率分配方法、装置和全双工中继系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种端到端功率分配方法、装置、全双工中继系统和计算机可读存储介质。

背景技术

协作中继技术能够有效提高无线通信系统的性能并扩展其覆盖范围，其中解码转发的中继方案可以消除累积误差，从而降低中继处的噪声和干扰的影响。传统的协作通信系统中，中继节点多采用半双工工作方式，即占用不同的时间或频率资源来实现对信号的接收和转发，但同时造成了频谱资源的浪费。相比于半双工传输方式，全双工实现了真正的同时同频传输，能够有效提升频谱利用率。

全双工中继系统可以提升通信效率，但由于中继节点同时接收和发送的同频信号会被自身接收天线接收，从而造成环路自干扰，降低通信质量，影响系统中断性能。尽管当前自干扰消除技术已经较为成熟，但仍无法做到完全消除自干扰，且中继节点处的自干扰大小与中继节点发射功率密切相关。进一步来说，对整个系统而言，若中继发射功率过小，则信宿无法成功解码接收到的信号，导致中继-信宿链路解码中断概率上升；相反，若中继发射功率过大，则环路自干扰增强影响中继解码性能，使得信源-中继链路中断概率上升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种端到端功率分配方法、装置、全双工中继系统和计算机可读存储介质，其目的在于提供全双工中继系统中信源、信宿和中继节点的功率分配方法，以降低中继-信宿链路和信源-中继链路中断概率，由此解决全双工中继系统中中断概率高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种端到端功率分配方法，应用于全双工中继系统，功率分配方法包括步骤S1至步骤S5。

S1：计算全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率；

S2：利用信源发射功率和中继发射功率的制约关系设定功率分配因子β，功率分配因子为中继发射功率和总发射功率的比值；

其中，功率分配因子用于表示全双工中继系统中信源与中继节点之间的发射功率分配情况，总发射功率为信源发射功率和中继发射功率之和；

S3：基于端到端中断概率与功率分配因子的关系，以功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题；

S4：利用梯度下降优化算法对优化问题迭代求解，得到目标函数局部最优解，并结合解析分析方法验证目标函数局部最优解为目标函数全局最优解；

S5：基于目标函数全局最优解实施全双工中继系统的功率分配，目标函数全局最优解用于标识最小化端到端中断概率对应的最佳功率分配方案。

在其中一个实施例中，优化问题表示为：

其中，Op为端到端中断概率，P为总功率，P_S为信源发射功率，P_R为中继发射功率，β为功率分配因子。

在其中一个实施例中，当总功率P为定值时，优化问题表示为：

其中，

δ_r，d为中继-信宿信道系数的分布参数，δ_s，r为信源-中继信道系数的分布参数，

R₀为目标速率，δ_SI为中继自干扰信道系数的分布参数。

在其中一个实施例中，步骤S1包括：

步骤S11：在t时隙时，信源产生新信号x(t)，并以功率P_s传输给中继节点，获取t时隙中继节点R解码情况；链路状态为H₁表示中继节点R解码成功，解码成功的概率为

链路状态为H₀表示中继节点R处解码失败，解码失败的概率为

其中，P₀₁表示时隙t时系统链路状态为H₀且时隙t+1时系统链路为H₁情况下的转移概率；P₁₀表示时隙t时系统链路状态为H₁且时隙t+1时系统链路为H₀情况下的转移概率；

步骤S12：在t+1时隙，信源产生新信号x(t+1)并传输至中继节点处，中继节点尝试解码，若t时隙系统链路状态为H₀，则中继节点处无环路自干扰；若t时隙系统链路状态为H₁，则中继节点将已成功解码信号x(t)并以功率P_R传输给信宿，信宿尝试解码x(t)，获取信宿成功解码x(t)的概率P_d；

步骤S13：利用公式O_p＝π₀+π₁(1-P_d)计算端到端中断概率。

在其中一个实施例中，步骤S4包括：

步骤S41：设定梯度下降优化算法的初始参数，初始参数包括：最大迭代次数k_max、优化变量β的初始值β0、最大允许误差δ、迭代次数变量k＝0及学习率α＝0.01；

步骤S42：将第k次迭代的变量值β^k代入梯度函数

得到当前位置的梯度

步骤S43：将优化变量β按负梯度方向更新，且将当前位置的梯度

代入迭代更新式：

迭代次数k＝k+1；

步骤S44：当最大允许误差δ或最大迭代次数k_max不满足终止条件时，则重复执行步骤S42及步骤S43；当最大允许误差δ或最大迭代次数k_max满足终止条件时，输出目标函数局部最优解β^*，并结合解析分析方法验证得目标函数局部最优解β^*为目标函数全局最优解。

在其中一个实施例中，终止条件为参数更新变化值小于最大允许误差δ或迭代次数等于最大迭代次数k_max。

在其中一个实施例中，步骤S5包括：

步骤S51：基于目标函数全局最优解β^*设置最佳功率分配方案，最佳功率分配方案包括：中继发射功率设置为P_R＝β^*P、信源发射功率设置为P_S＝(1-β^*)P；

步骤S52：按照最佳功率分配方案实施全双工中继系统的功率分配，以实现最小化端到端中断概率。

按照本发明的另一方面，提供了一种端到端功率分配装置，包括：

计算模块，用于计算全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率；

设定模块，用于利用信源发射功率和中继发射功率的制约关系设定功率分配因子，功率分配因子为中继发射功率和总发射功率的比值，用于表示全双工中继系统中信源与中继节点之间的发射功率分配情况；

构建模块，用于基于端到端中断概率与功率分配因子的关系，以功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题；

求解模块，用于利用梯度下降优化算法对优化问题迭代求解，得到目标函数局部最优解，并通过解析法验证目标函数局部最优解为目标函数全局最优解；

功率分配模块，用于基于目标函数全局最优解实施全双工中继系统的功率分配，目标函数全局最优解用于标识最小化端到端中断概率对应的最佳功率分配方案。

按照本发明的另一方面，提供了一种全双工中继系统，包括信源、中继节点和信宿，同时还包括控制模块，控制模块包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现功率分配方法的步骤。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现功率分配方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明考虑了中继节点处的自干扰情况，研究针对最小化全双工中继系统中端到端中断概率的功率分配方案。在系统总功率受限条件下，结合梯度下降优化算法，得到最佳功率分配因子，由此实现对全双工中继系统信源发射功率和中继发射功率之间的均衡优化。本申请提供的功率分配方法能够降低全双工中继系统的端到端中断概率，进一步的，提高了系统整体可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种全双工中继系统模型示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种基于全双工中继系统的端到端功率方法的流程图；

图3为本发明一实施例提供的一种基于全双工中继系统的端到端功率分配方法的流程图；

图4为本发明一实施例中使用不同方法输出最优功率分配因子时的中断概率-功率分配因子仿真图；

图5为本发明一实施例中不同功率分配因子情况下的中断概率-目标速率仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种全双工中继系统，包括：信源S，全双工中继节点R，信宿D，信源S到中继节点R的信道链路，中继节点R到信宿D的信道链路，中继节点R自干扰信道链路。本发明中假设信源S到目的端信宿D距离很远或被障碍物阻挡，故认为信源S所发送的信息无法通过信源S到信宿D的直接链路到达信宿D，由此需要借助全双工中继节点转发信源信息。

在时隙t，信源S产生信号x(t)，并传输给中继节点R。中继节点R接收信息x(t)并尝试解码。故有以下两种链路状态：

H₀：中继节点R解码x(t)失败，则在后续t+1时隙，信源产生新的信号x(t+1)，中继节点R接收并尝试解码新信号，无信息到达信宿D，该链路状态出现概率为π₀；

H₁：中继节点R解码x(t)成功，则在后续t+1时隙，信源产生新的信号x(t+1)，中继节点接收并尝试解码新信号，同一时隙，中继节点R转发已成功解码信号x(t)，信宿D接收并尝试解码x(t)，该链路状态出现概率为π₁。此状态下中继节点以广播方式转发已解码信号x(t)，故对解码新信号x(t+1)产生干扰，即引起接收信号与转发信号的耦合，如图中虚线所示。

图1中h_s，r h_r，d h_r，r分别为S→R、R→D、R→R相应的信道系数。为了便于分析，假设所有的信道都服从独立同分布的瑞利衰落，即有：

如图2和图3所示，本发明实施例提供的一种基于全双工中继系统的端到端功率分配方法，包括以下步骤：

S1：计算全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率。

具体的，首先对全双工中继系统端到端中断性能进行分析，计算其在不同自干扰消除条件下端到端中断概率Op，全双工中继系统分析过程如下：

步骤S11：t时隙，信源产生新信号x(t)，并以功率P_S传输给中继节点；

步骤S12：根据t时隙中继节点R解码情况，将系统链路状态分为两类：

链路状态为H₁时，中继节点R解码成功，其概率为

链路状态为H₀时，中继R处解码失败，其概率为

其中：P₀₁表示时隙t时系统链路状态为H₀，时隙t+1系统链路为H₁情况下的转移概率；P₁₀表示时隙t+1时系统链路状态为H₁，时隙t+1时系统链路为H₀情况下的转移概率；

步骤S13：t+1时隙，信源产生新信号x(t+1)并传输至中继节点处，中继节点尝试解码，此时，若t时隙系统链路状态为H₀，则中继节点处无环路自干扰，中继R处的接收信号为：

同时，中继R成功解码x(t+1)的概率P₀₁，和解码失败的概率P₀₀为：

P₀₁＝Pr{log₂(1+|h_s，r|²P_S)≥R₀}；P₀₀＝1-P₀₁＝1-Pr{log₂(1+|h_s，r|²P_S)≥R₀}，其中，R₀(bit/Hz/slot)为目标速率；

若t时隙系统链路状态为H₁，则中继将已成功解码信号x(t)以功率P_R传输给信宿，信宿尝试解码x(t)，由于中继以广播形式发送信号，故中继在接收并解码x(t+1)的同时受到环路自干扰，此时中继R及信宿D处的接收信号分别为：

来自信源的信号x(t+1)与上一时隙信号x(t)在中继节点处发生耦合，对其产生环路自干扰，则当前时隙下，中继R成功解码x(t+1)的概率P₁₁，和解码失败的概率P₁₀为：

进一步的，信宿成功解码信号的概率为：P_d＝Pr{log₂(1+|h_r，d|²P_R)≥R₀}

进一步的，环路自干扰功率和中继发射功率遵循一个关于指数μ的关系：P_SI＝P_R ^{1 -μ}，其中指数μ表示自干扰消除效率。一般而言，μ∈[0，1]，μ值越大，表示其自干扰消除效率越高，系统所受环路自干扰越小；

步骤S14：最后可得系统端到端中断概率为O_p＝π₀+π₁(1-P_d)。

S2：利用信源发射功率和中继发射功率的制约关系设定功率分配因子β，功率分配因子用于表示全双工中继系统中信源与中继节点之间的发射功率分配情况。

具体的，限定全双工中继系统总功率P，其中全双工中继系统总功率包括信源发射功率P_S及中继发射功率P_R，同时，设定功率分配因子

以此表示系统信源与中继发射功率分配情况。

S3：基于端到端中断概率与功率分配因子的关系，以功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题。

具体的，结合端到端中断概率与功率分配因子的关系，以功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能优化问题：

当P为定值时，全双工中继系统端到端中断概率优化问题转化为：

系统不同自干扰消除条件下，目标函数计算公式为：

S4：利用梯度下降优化算法对优化问题迭代求解，得到目标函数局部最优解，并结合解析分析方法验证得目标函数局部最优解为目标函数全局最优解。

具体的，利用梯度下降优化算法迭代求解，得到目标函数全局最优解β^*，即，得到最小化系统端到端中断概率的最佳功率分配方案，其优化过程如下：

步骤S41：初始化设定梯度下降优化算法参数，包括：最大迭代次数k_max、优化变量β初始值β⁰、最大允许误差δ、迭代次数变量k＝0及学习率或步长α＝0.01；

步骤S42：将第k次迭代的变量值β^k代入梯度函数

得到当前位置的梯度

步骤S43：为最小化端到端中断概率，优化变量β按负梯度方向更新，将步骤S42所得梯度

代入迭代更新式：

由此到达下一位置，迭代次数k＝k+1；

步骤S44：判断是否满足终止条件，即参数更新变化值小于最大允许误差δ或达到最大迭代次数k_max，若不满足，则重复步骤S42及步骤S43；若满足，则可输出目标函数局部最优解β^*。

步骤S5：由此可得最小化系统端到端中断概率时的最佳功率分配方案：中继发射功率设置为P_R＝β^*P，信源发射功率设置为P_S＝(1-β^*)P。

如图4所示，为分别使用直接计算解析法和梯度下降优化算法输出最优功率分配因子时的中断概率-功率分配因子仿真图，并结合解析分析方法验证得目标函数局部最优解为目标函数全局最优解。其中，直接计算解析法过程为，首先基于系统自干扰消除情况，得到自干扰消除效率μ不同取值条件下对应的端到端中断概率函数O_p(β)；进一步的，通过令

分别计算得到三种情况下对应条件下的目标函数及其最优解β^*，具体求取结果如下：

(1)μ＝0，表示环路自干扰完全未被消除：

(2)μ＝1，表示环路自干扰完全被消除：

(3)0＜μ＜1，表示环路自干扰被部分消除：

S5：基于目标函数全局最优解实施全双工中继系统的功率分配，目标函数全局最优解用于标识最小化端到端中断概率对应的最佳功率分配方案。

由图4可得，利用梯度下降优化算法所输出的对应局部最优解与直接计算解析法所输出结果近似或重合，由此印证得梯度下降算法所得的目标函数局部最优解即为目标函数全局最优解。

进一步的，设信源发射功率是35dB，由图4可见，在不同自干扰消除的情况下，即μ＝0、0.3、0.5、0.8、1时，均存在一个最佳功率分配因子使得系统端到端的中断概率最小。同时可以观察到随着自干扰消除效率提高，最佳功率分配因子值逐渐增大，且对应的中断概率随之减小。这是因为自干扰消除程度越高，则中继节点处受到的自干扰相应减小，故信源向中继发射的信号功率强度无需过大即可满足通信可靠性能，中继节点处的解码成功随之概率增加，相应的可适当提高中继发射功率，即提高功率分配因子的值。此时，信宿的解码成功概率同时随中继发射功率增加而变大，因而系统总体的中断概率降低。

进一步的，通过图4可观察得当自干扰消除效率较低时，随着功率分配因子值的增加，中断概率趋于平稳，其值接近1/2。原因在于，自干扰消除程度低，随着功率分配因子值增加，中继发射功率增大，同时信源发射功率减小，中继处所受自干扰影响随之增大。假设t＝1时隙，中继处无自干扰，中继解码x(1)成功；在t＝2时隙，由于上一时隙解码×(1)成功，该时隙下中继以广播方式向信宿传输解码成功信号x(1)，故中继处解码新信号x(2)时受到传输信号x(1)较强自干扰，导致中继处解码新信号x(2)失败；在t＝3时隙，由于上一时隙解码x(2)失败，此时系统中断，但同时中继处无自干扰，即可成功解码新信号x(3)进而在下一时隙下可成功传输x(3)。由此可知，系统端到端中断或不中断情况随时隙交替发生，进而中断概率趋于1/2。

图5是功率因子值分别设置为0.1、0.5、0.8及由本专利使用梯度下降优化算法所得目标函数全局最优值β^*时的中断概率-目标速率图。由图5可得，目标速率增加，将导致中断概率增加，系统可靠性下降，但同时，仿真结果证明，无论目标速率为何值，即在低目标速率或高目标速率条件下，使用本专利中梯度下降优化算法所得功率因子β^*的功率分配方案均能实现当前目标速率条件下的最小中断概率，即达到对系统可靠性能的优化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种端到端功率分配方法，其特征在于，应用于全双工中继系统，所述方法包括如下步骤：

S1：计算所述全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率；

S2：利用信源发射功率和中继发射功率的制约关系设定功率分配因子β，所述功率分配因子为所述中继发射功率和总发射功率的比值；

其中，所述功率分配因子用于表示所述全双工中继系统中信源与中继节点之间的发射功率分配情况，所述总发射功率为所述信源发射功率和所述中继发射功率之和；

S3：基于所述端到端中断概率与所述功率分配因子的关系，以所述功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题；

S4：利用梯度下降优化算法对所述优化问题迭代求解，得到目标函数局部最优解，并结合解析分析方法验证所述目标函数局部最优解为目标函数全局最优解；

S5：基于所述目标函数全局最优解实施所述全双工中继系统的功率分配，所述目标函数全局最优解用于标识最小化所述端到端中断概率对应的最佳功率分配方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优化问题表示为：

s.t.P_S+P_R＝P

P_S＝(1-β)P

P_R＝βP

其中，Op为所述端到端中断概率，P为总功率，P_S为所述信源发射功率，P_R为所述中继发射功率，β为所述功率分配因子。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

当所述总功率P为定值时，所述优化问题表示为：

其中，

δ_r,d为中继-信宿信道系数的分布参数，δ_s,r为信源-中继信道系数的分布参数，

R₀为目标速率，δ_SI为中继自干扰信道系数的分布参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：在t时隙时，所述信源产生新信号x(t)，并以功率P_s传输给所述中继节点，获取t时隙中继节点R解码概率情况；

当链路状态为H₁时，中继节点R解码成功的概率为

当链路状态为H₀时，中继节点R处解码失败的概率为

其中，P₀₁表示时隙t时系统链路状态为H₀且时隙t+1系统链路为H₁情况下的转移概率；P₁₀表示时隙t时系统链路状态为H₁且时隙t+1时系统链路为H₀情况下的转移概率；

步骤S12：在t+1时隙，所述信源产生新信号x(t+1)并传输至所述中继节点处，中继节点尝试解码，若t时隙系统链路状态为H₀，则所述中继节点处无环路自干扰；若t时隙系统链路状态为H₁，则所述中继节点将已成功解码信号x(t)以功率P_R传输给信宿，所述信宿尝试解码x(t)，获取所述信宿成功解码x(t)的概率P_d；

步骤S13：利用公式O_p＝π₀+π₁(1-P_d)计算所述端到端中断概率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4包括：

步骤S41：设定所述梯度下降优化算法的初始参数，所述初始参数包括：最大迭代次数k_max、所述优化变量β的初始值β0、最大允许误差δ、迭代次数变量k＝0及学习率α＝0.01；

步骤S42：将第k次迭代的变量值β^k代入梯度函数

得到当前位置的梯度

步骤S43：将所述优化变量β按负梯度方向更新，且将所述当前位置的梯度

代入迭代更新式：

迭代次数k＝k+1；

步骤S44：当所述最大允许误差δ或所述最大迭代次数k_max不满足终止条件时，则重复执行步骤S42及步骤S43；当所述最大允许误差δ或所述最大迭代次数k_max满足终止条件时，输出目标函数局部最优解β^*，通过解析法验证所述目标函数局部最优解β^*即为全局最优解。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述终止条件为参数更新变化值小于所述最大允许误差δ或迭代次数等于所述最大迭代次数k_max。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S51：基于所述目标函数最优解β^*设置所述最佳功率分配方案，所述最佳功率分配方案包括：所述中继发射功率设置为P_R＝β^*P、所述信源发射功率设置为P_S＝(1-β^*)P；

步骤S52：按照所述最佳功率分配方案实施所述全双工中继系统的功率分配，以实现最小化所述端到端中断概率。

8.一种端到端功率分配装置，其特征在于，包括：

计算模块，用于计算所述全双工中继系统的中断性能参数在不同自干扰消除条件下的端到端中断概率；

设定模块，用于利用信源发射功率和中继发射功率的制约关系设定功率分配因子；

其中，所述功率分配因子用于表示所述全双工中继系统中信源与中继节点之间的发射功率分配情况，所述总发射功率为所述信源发射功率和所述中继发射功率之和；

构建模块，用于基于所述端到端中断概率与所述功率分配因子β的关系，以所述功率分配因子为优化变量，构建系统端到端可靠性能对应的优化问题；

求解模块，用于利用梯度下降优化算法对所述优化问题迭代求解，得到目标函数局部最优解，并结合解析分析方法验证所述目标函数局部最优解为目标函数全局最优解；

功率分配模块，用于基于所述目标函数全局最优解实施所述全双工中继系统的功率分配，所述目标函数全局最优解用于标识最小化所述端到端中断概率对应的最佳功率分配方案。

9.一种全双工中继系统，包括信源、中继节点和信宿，同时还包括控制模块，所述控制模块包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

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