專利名稱：一種頻率平坦性衰落信道下多中繼的最優(yōu)功率分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及中繼協(xié)作通信領域，尤其是涉及頻率平坦性衰落信道下多中繼的最優(yōu)功率分配方法。
背景技術：
中繼協(xié)作通信問題 的研究始于上個世紀七十年代，Meulen [MeulenE C.Three-terminal communication channels[J]. Advances in AppliedProbability, 1971,3:120-154]在1971年最先研究了三個節(jié)點的中繼信道容量。如今，隨著多輸入多輸出技術(MMO)的快速發(fā)展，中繼協(xié)作通信已經成為了無線通信領域的研究熱點之一。根據(jù)源節(jié)點的發(fā)送信息到達目的節(jié)點時，信息被中繼節(jié)點處理的次數(shù)，可將中繼網絡分為兩跳網絡和多跳網絡。兩跳網絡較為典型的應用場景有蜂窩系統(tǒng)。本發(fā)明研究的是兩跳的AF中繼網絡問題，每個中繼安置單天線。關于雙用戶的多址信道(MAC)系統(tǒng)，在每個用戶都作為另外一個用戶的AF中繼節(jié)點的情況下，Mesbash 等[Mesbah ff, Davidson T. Joint power and channel resourceallocation for two-user orthogonal amplify-and-forward cooperation[J].1EEE Transactions on Wireless Communications 2008, 7(11):4681-4691.]于 2008年給出了能獲取大容量區(qū)域的最優(yōu)的功率分配策略Jafar等[Jafar S A, Gomadam KS，Huang C. Duality and rate optimization for multiple access and broadcastchannels with amplify-and-forward relays[J].1EEE Transactions on InformationTheory, 2007, 53 (10) : 3350-3370]于2007年證明了如果在用戶到目的節(jié)點之間有多個AF中繼，在中繼和功率約束下，用最優(yōu)功率分配策略時得到的MAC信道容量區(qū)域跟其對應的對偶廣播信道容量區(qū)域是相同的，此結論也適用于多跳網絡；對于含有多個點到點系統(tǒng)的兩跳的 AF 中繼網絡，Phan 等[Phan K T, Tho L N, Vorobyov S A, et al. Power allocationin wireless mult1-user relay networks[J].1EEE Transactions on Wireless Communications, 2009,8(5) :2535-2545]于2009年對最大化最小用戶的輸出信噪比、最大化全部點到點系統(tǒng)的速率和、保證每個用戶輸出的信噪比大于給定的門限的情況下，使最大用戶發(fā)射功率最小化三種情況功率分配問題進行了研究，三種情況具有同樣的約束條件，即用戶有和功率約束，中繼有獨立功率約束。總而言之，功率優(yōu)化問題是中繼協(xié)作通信中研究的熱點，屬于資源分配的范疇。以上這些方法的前提是忽略了節(jié)點自身的電路處理功率，但是考慮到節(jié)能和體積等因素，某些無線協(xié)作網絡無法忽略這一點。本文在算法模型中加入了中繼節(jié)點的電路處理功率因素，使得模型更加符合實際情況。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是針對頻率平坦信道衰落情況下的兩跳并行AF中繼網絡，并考慮節(jié)點自身的電路處理功率的情況下，提供一種基于頻率平坦性衰落信道的多中繼的最優(yōu)功率分配方法，本發(fā)明給出了幾種情形下系統(tǒng)最大輸出信噪比的性能比較，仿真結果表明，當中繼節(jié)點的獨立功率約束的上限約束值一定時，下限約束值越大系統(tǒng)輸出的最大信噪比性能越差；當中繼節(jié)點的獨立功率約束的上下限約束值都給定時，中繼混合最優(yōu)功率分配策略的性能優(yōu)于中繼等功率分配策略的性能；系統(tǒng)中繼數(shù)的增加會為系統(tǒng)帶來輸出信噪比增益。技術方案本發(fā)明研究的對象為兩跳的中繼網絡，網絡由一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點、和K個AF中繼構成，每個中繼上都配置了單天線。假設源節(jié)點與目的節(jié)點間存在著較強陰影效應，故源節(jié)點發(fā)送的信號不能直接到達目的節(jié)點。所有安置在源節(jié)點和目的節(jié)點之間的中繼協(xié)助源到目的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。進一步假定中繼工作模式為半雙工的，并且假設中繼節(jié)點間的協(xié)作模式為并行模式，假設全部中繼按照預先給定的次序，依次向目的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，則，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點經過中繼協(xié)助傳輸?shù)侥康墓?jié)點需要K+1個時隙。用記號R表示全部中繼的索引集，即R={1，2，...，K}其中K為正整數(shù)，表示中繼的數(shù)目。

在數(shù)據(jù)由源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程中，在第一時隙中，源節(jié)點向全部中繼節(jié)點發(fā)射信號，目的節(jié)點處于關閉狀態(tài)。用s來表示源節(jié)點發(fā)送的信號，并假定其發(fā)送的功率為Ps，則，第i個中繼節(jié)點的接收信號為r^hjS+Wj其中，i表示中繼節(jié)點的序數(shù)，為正整數(shù)屯為源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道系數(shù)，Wi為中繼接收噪聲分量，假設MJ. ~ f/V(0,CJj ) 表不方差，Wi為服從(0,<)分配的獨立正態(tài)分布。在后續(xù)的K個時隙中，源節(jié)點處于關閉狀態(tài)，K個中繼節(jié)點依次向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。在K個時隙中，每個時隙只有一個中繼節(jié)點向目的節(jié)點傳數(shù)據(jù)，其余的K-1個中繼節(jié)點都處于關閉狀態(tài)。經過K個時隙后，全部中繼節(jié)點都與目的節(jié)點完成一次通信，且每次中繼只通信一次。第i個中繼工作時，它先對接收到的信號^做功率放大，再將放大后的信號往目的節(jié)點傳輸。則，第i個中繼的發(fā)送信號^為= a Jri其中，Cii為第i個中繼對應的放大因子。所以，目的節(jié)點接收的來自第i個中繼節(jié)點的信號y^gjti+Vi= ( as+ ( a JgiW^vi)其中，gi代表第i個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道系數(shù)，Vi代表目的節(jié)點上的接收
噪聲分量。經過K+1時隙后，目的節(jié)點得到接收向量y=[yi，y2…，yK]T。所以，源節(jié)點到目的節(jié)點可以看成是一個單輸入多輸出系統(tǒng)(SIMO)，即得y=hs+n(I)其中h=[ CtlglIi1，…，a KgKhK]T, n=[ a lglWl+Vl，…，aKgKwK+vK]Th為信道，n為噪聲向量。假設P,. - r.HO.d) f e又假設全部的噪聲分量均為統(tǒng)計獨立的，因此，式(I)中n的協(xié)方差矩陣A為
權利要求
1. 一種頻率平坦性衰落信道下多中繼的最優(yōu)功率分配方法，其特征是針對頻率平坦信道衰落情況下的兩跳并行直接放大型中繼網絡，并考慮節(jié)點自身的電路處理功率的情況下，提供一種混合功率約束下的最優(yōu)功率分配方法；其中，混合功率約束是指同時具有上下限約束的中繼獨立功率約束和中繼和功率約束，該方法包括以下步驟 A.在數(shù)據(jù)由源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程中，在第一時隙中，源節(jié)點向全部中繼節(jié)點發(fā)射信號，目的節(jié)點處于關閉狀態(tài)； B.在后續(xù)的尤個時隙中，源節(jié)點處于關閉狀態(tài)，每個時隙只有一個中繼節(jié)點向目的節(jié)點傳數(shù)據(jù)，其余的JT-1個中繼節(jié)點都處于關閉狀態(tài);J個中繼節(jié)點依次向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)；經過I個時隙后，全部中繼節(jié)點都與目的節(jié)點完成一次通信，且每次中繼只通信一次；第i個中繼工作時，它先對接收到的信號^做功率放大，再將放大后的信號往目的節(jié)點傳輸，其中，X為時隙的個數(shù)，rf表示接收信號，；I—e； C.經過時隙后，源節(jié)點到目的節(jié)點可以看成是一個單輸入多輸出系統(tǒng)； D.關于第i個中繼，假設源節(jié)點發(fā)送功率固定為JJ，每個中繼受同時帶上下限的獨立功率約束，用0表示中繼的和功率約束0 代表第I中繼的下限功率約束，^f代表第|中繼的上限功率約束，同時滿足和功率約束和獨立功率約束的條件下，求中繼最優(yōu)功率分配策略，則化簡公式如下，記
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頻率平坦性衰落信道下多中繼的最優(yōu)功率分配方法，對于兩跳并行的直接放大型(AF)中繼網絡，該方法在頻率平坦衰落環(huán)境下，考慮了節(jié)點自身的電路處理功率，提出了一種混合功率約束下的最優(yōu)功率分配方法。其中，混合功率約束是指同時具有上下限約束的中繼獨立功率約束和中繼和功率約束，優(yōu)化的目標是使系統(tǒng)輸出的信噪比最大化。本發(fā)明給出了幾種情況下系統(tǒng)最大輸出信噪比的性能比較，仿真結果表明，當中繼節(jié)點的獨立功率約束的上限約束值一定時，下限約束值越大系統(tǒng)輸出的最大信噪比性能越差；當中繼節(jié)點的獨立功率約束的上下限約束值都給定時，中繼混合最優(yōu)功率分配策略的性能優(yōu)于中繼等功率分配策略的性能；系統(tǒng)中繼數(shù)的增加會為系統(tǒng)帶來輸出信噪比增益。
文檔編號H04W72/04GK103068027SQ201210523550
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者于舒娟, 陸峰, 張昀, 蔣穎鵬 申請人:南京郵電大學