CN113115425B - 一种基于时分多址的多时隙功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分多址的多时隙功率分配方法，根据信道状态信息，结合拉格朗日乘子法对多时隙的功率进行动态分配，即，将功率分配给信道条件更好的时隙以提高系统的吞吐量。本发明针对时分多址通信系统，在求取最优解时，充分考虑信道时变的特性，通过数学推导得出最优功率分配方案，而最终的算法实际计算过程相对简单，复杂度较低，根据实际计算结果进行功率调整，可以有效提升系统吞吐量。

Description

一种基于时分多址的多时隙功率分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于时分多址的多时隙功率分配方法。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，传统的有线网络已经越来越无法满足人们的要求了。无线通信以其不受时空限制、便捷式接入等多种特性，丰富了人们的日常生活，也使得人们对其依赖度越来越高。无线通信网络中的手持移动终端等通信节点，往往使用电池来供能，而功率有限的电池自然无法为节点提供长效续航。此外，提高传输速率虽然能提升通信质量、提高传输有效性，但是也会增加能耗，进而造成能量浪费；同时会导致设备发热，使得电池寿命降低，进而影响网络吞吐量，导致用户使用体验变差。然而，社会发展的进步促使着人们追求更高性能的无线通信，人们对速率更快、容量更大的无线网络的需求也日益迫切。因此，设计合理的功率分配算法，从而有效减少能量浪费，提升吞吐量，对于无线通信系统有着重要的意义。

功率分配是无线通信资源分配领域的研究课题之一，主要研究在各种条件(例如，网络节点的能量有限，节点之间互相干扰以及信道存在衰减等)的约束下，通过某种策略对各节点的传输功率进行调节，从而完成功率的有效分配并实现某种既定目标(例如，提升系统能效、降低系统能耗、提高系统吞吐量等)。功率控制与无线网络中的诸多协议层有着密切联系，发射功率的大小会对传输层的拥塞情况、网络层的路由问题、数据链路层信道的空间复用率、以及物理层的通信质量产生影响，因此具有重要的研究价值。

功率分配算法的研究往往具有一定的网络针对性。目前，已有许多研究针对D2D网络设计了功率分配算法。通过对多对多资源复用场景进行系统干扰分析和问题构建，基于博弈论、拉格朗日优化等方法提出功率分配算法。对于时变衰落信道，基于马尔可夫决策过程、多分配方案联合等策略，结合信道状态信息进行功率自适应分配，提高了全局吞吐量。针对车联网，考虑车辆高速移动产生的多普勒频移和信道变化，以系统吞吐量为优化目标，对基站在多个时隙内对多辆车的下行功率进行优化分配。

然而，现有的功率分配算法有以下两方面的问题：一方面，现有功率方案往往需要经过复杂度较高或迭代次数较多的运算来获取最终结果，计算时间和计算成本都相对较高，对于实际系统应用不够友好；另一方面，尚缺乏有效的针对集中式时分多址网络的功率分配算法，时分多址网络中各节点时分接入网络，因而在功率分配时可以不必考虑不同节点之间互相干扰的问题，与其他类型网络中的功率分配算法区别较大。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种基于时分多址的多时隙功率分配方法，根据信道状态信息，结合拉格朗日乘子法对多时隙的功率进行动态分配，即，将功率分配给信道条件更好的时隙以提高系统的吞吐量。

技术方案如下：

一种基于时分多址的多时隙功率分配方法，其特征在于，对每个节点的功率单独进行多时隙功率分配，各节点吞吐量最优即可使整个系统的吞吐量最优。

进一步的，所述系统是基于时分多址的星型拓扑网络，各节点之间互不干扰。

进一步的，所述方法定义输入和输出：

输入：每个时隙调度周期内被分配到的时隙数为J，在J个时隙的总功率约束为P，信道增益{h₁,h₂,...,h_j}，(1≤j≤J)；

输出：节点在第j个时隙的传输功率为p_j，功率分配方案{p₁,p₂,...,p_j}；

初始化：p_j＝0,(1≤j≤J)；

具体计算过程如下：

S1：依次计算信道增益的倒数

S2：计算所有时隙信道增益的倒数之和

S3：根据公式

计算出各时隙功率分配初值；

S4：遍历各功率分配值p_j,(1≤j≤J)，若对任意1≤j≤J，均有p_j≥0，则结束，返回功率分配结果，否则继续执行S5；

S5：对功率分配结果中所有小于0的功率值p_j，统计其数值之和，并执行p_j＝0；

S6：对于所有不小于0的功率值，依据S5所得结果等比例缩减，然后迭代执行S4。

本发明针对时分多址通信系统，在求取最优解时，充分考虑信道时变的特性，通过数学推导得出最优功率分配方案，而最终的算法实际计算过程相对简单，复杂度较低。根据实际计算结果进行功率调整，可以有效提升系统吞吐量。

附图说明

图1是动态分配功率与平均分配功率对吞吐量的影响图。

图2是不同功率限制动态分配功率/平均分配功率吞吐量对比图。

图3是不同时隙数动态分配功率/平均分配功率吞吐量对比图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种基于时分多址的多时隙功率分配方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

实施例1

本发明提出的一种针对时分多址系统的多时隙动态功率分配方法，充分利用时变信道特性，对多个时隙的节点功率进行分配，从而提升吞吐量。

本实施例的系统模型是基于时分多址的星型拓扑网络，上下行采用频分双工机制。该系统中设定时隙调度周期为20个时隙，且系统根据接入节点的数量进行时隙分配，如系统中只有3个接入节点(设其编号分别为节点A、B、C)开机时，时隙分配情况如下表格1：

表格1时隙分配表

由于各接入节点之间互不干扰，只需对每个节点的功率单独进行多时隙功率分配即可，即各节点吞吐量最优即可使整个系统的吞吐量最优。

设定一个接入节点在一个时隙调度周期内被分配了J个时隙，该节点在J个时隙的总功率约束为P，节点在第j个时隙的传输功率为p_j，满足：

节点最低传输速率约束为：

其中，r_j是节点在第j个时隙的传输速率，即：

其中h_j为第j个时隙节点信道功率增益，不同时隙的信道增益根据多普勒特性随机变化，则最大化节点吞吐量的优化问题可表示为：

P_j≥0

由于以上问题中的目标函数是凹函数，约束函数是凸函数，该优化问题存在唯一最优解。本发明定义拉格朗日函数为：

根据上式，本方程相应的KKT条件如下：

ξ_jp_j＝0

λ≥0,μ≥0,ξ_j≥0

根据第一个KKT条件，可解出分配功率为：

由ξ_jp_j＝0可得，若ξ_j≠0，则p_j＝0，此解无实际意义，故ξ_j＝0。据此可得：

而根据各时隙功率和限制可得出：

根据上式得出拉格朗日参数μ：

将上式代入

可得到分配功率为：

基于上述得到的功率分配结果，给出多时隙动态功率分配方法如下所示：

输入：每个时隙调度周期内被分配到的时隙数为J，在J个时隙的总功率约束为P，信道增益{h₁,h₂,...,h_j}，(1≤j≤J)；

输出：功率分配方案{p₁,p₂,...,p_j}；

初始化：p_j＝0,(1≤j≤J)；

S1：依次计算信道增益的倒数

S2：计算所有时隙信道增益的倒数之和

S3：根据公式

计算出各时隙功率分配初值；

S4：遍历各功率分配值p_j,(1≤j≤J)，若对任意1≤j≤J，均有p_j≥0，则结束，返回功率分配结果，否则继续执行步骤5；

S5：对功率分配结果中所有小于0的功率值p_j，统计其数值之和，并执行p_j＝0；

S6：对于所有不小于0的功率值，依据步骤5所得结果等比例缩减，然后迭代执行S4。

对本发明进行了仿真测试，下面对测试情况进行具体说明。

定义节点在被分配到的时隙中实际总传输速率为

显然，总传输速率越高表示吞吐量越大。设定相邻时隙信道独立同分布，且遵循瑞利分布。分别计算动态功率分配方案和平均功率分配方案的吞吐量，并进行仿真比较。

结果表明：

(1)多时隙动态功率分配算法性能明显优于平均功率分配算法；

(2)功率约束值越小，动态功率分配算法对吞吐量的提升效果越明显；

(3)时隙总数越大，动态功率分配算法对吞吐量的提升效果越明显。

设置某一用户被分配的总时隙数为J＝4，这4个时隙的功率约束为P＝0.4W，每次仿真均重新设置信道增益参数，仿真1000次。所提出方案与平均分配功率方案的总速率比值如图1所示。可以看到所提出方案在多次仿真结果中，总速率均优于平均分配功率的对比方案。

设置时隙总数J＝4，功率约束线性变化的情况下，分别计算两种方案所对应的吞吐量，结果如图2所示。可以看到，动态功率分配在不同功率约束情况下，都能获得更好的传输总速率。进一步的，对不同功率下动态功率分配相对平均功率分配的吞吐量提升比例进行计算，结果如表格2所示，可以看出，当功率约束越小时，所提出方案的性能增益越明显。

表格2不同功率约束下动态功率算法相较于平均分配的吞吐量提升

设置功率约束P＝0.4W，时隙总数线性变化的情况下，分别计算两种方案所对应的吞吐量，结果如图3所示。当时隙数越大时，所提出方案的性能增益越明显。

上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于时分多址的多时隙功率分配方法，其特征在于，对每个节点的功率单独进行多时隙功率分配，各节点吞吐量最优即使整个系统的吞吐量最优；

所述系统是基于时分多址的星型拓扑网络，各节点之间互不干扰；

定义输入和输出：

输入：每个时隙调度周期内被分配到的时隙数为J，在J个时隙的总功率约束为P，

信道增益{h₁,h₂,...,h_j}，(1≤j≤J)；

输出：节点在第j个时隙的传输功率为p_j，功率分配方案{p₁,p₂,...,p_j}；

初始化：p_j＝0,(1≤j≤J)；

具体计算过程如下：

S1：依次计算信道增益的倒数

S2：计算所有时隙信道增益的倒数之和

S3：根据公式

计算出各时隙功率分配初值；

S4：遍历各功率分配值p_j,(1≤j≤J)，若对任意1≤j≤J，均有p_j≥0，则结束，返回功率分配结果，否则继续执行S5；

S5：对功率分配结果中所有小于0的功率值p_j，统计其数值之和，并执行p_j＝0；

S6：对于所有不小于0的功率值，依据S5所得结果等比例缩减，然后迭代执行S4。

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