基于吞吐量最大化的魯棒功率分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線電通信技術領域，特別設及一種功率分配方法，可用于認知雙向 中繼網絡。
【背景技術】
[0002] 在新一代移動通信系統(tǒng)中，人們對于通信業(yè)務的服務質量和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求 越來越高。高覆蓋率、高速率、高服務質量、低成本、低功耗已經成為未來無線通信系統(tǒng)發(fā)展 的新趨勢。然而，本身有限的頻譜資源卻面臨著低利用率的問題，運嚴重制約了無線通信技 術的發(fā)展。認知無線電技術可W有效提高頻譜利用率，緩解頻譜資源的緊缺現(xiàn)狀。同時，中 繼技術通過提高傳輸效率、抑制相鄰小區(qū)間的干擾和擴大網絡覆蓋度，可W極大地提升網 絡的性能，尤其是在雙向放大轉發(fā)中繼中采用模擬網絡編碼技術，不僅可W使信息交互在 兩個時隙內完成，而且可W成倍的提高網絡吞吐量，并且適合遠距離通信。Katti等學者在 ('Acm Sigcomm Computer Communication Review,2007,37(4) :397-408"發(fā)表的論文 "Embracing wireless interference:analog network coding"說明 了采用模擬網絡編碼 技術后網絡吞吐量明顯得到提升。
[0003] 由于等功率分配并不是最好的功率分配方案，而合理的功率分配可W提升無線通 信系統(tǒng)性能，因此功率分配問題已經是當下的研究重點和熱點。現(xiàn)階段很多學者已經從信 息論角度如系統(tǒng)容量和端到端角度如誤比特率對功率分配進行了廣泛的研究。Q.Yuan等學 者在"I 趾E International Conference on CECNetJOll :4243-4246"發(fā)表的文章 ('Optimal transmission power allocation for two-way relay channel using analog network coding"針對采用模擬網絡編碼技術的對稱業(yè)務雙向中繼系統(tǒng)，基于最大化系統(tǒng) 和速率，給出了一種最優(yōu)功率分配的閉式數(shù)學表達式，但是該文章中并沒有設及認知無線 電場景。Ubaidulla等學者在"I邸E Wireless Communication Letters,2012,1(3):225-228"上發(fā)表的論文('Optimal relay selection and power allocation for cognitive two-way relaying networks"針對認知無線電場景，考慮了次用戶網絡對主用戶的干擾， 提出了一種使系統(tǒng)吞吐量最大化的功率分配方案，但是并未考慮系統(tǒng)中斷性能。
[0004] 實際通信環(huán)境中，由于信道干擾、量化誤差等各種因素的影響，想要獲得理想信道 狀態(tài)信息是十分困難的。而運對于無線通信中如數(shù)據(jù)傳輸速率、誤比特率等眾多性能是有 一定程度影響的。Gacanin等在"I邸E Trans.Wireless Communications,2012,11(2) :742-750"上的文章 ('Performance analysis of analog network coding with imperfect channel estimation in a frequency-selective fading channel"京尤分析了在頻率選擇 性衰落信道下，非理想信道狀態(tài)信息對于使用模擬網絡編碼技術的系統(tǒng)誤比特率性能的影 響。特別的是，信道估計誤差的存在會使得基于模擬網絡編碼技術的雙向中繼系統(tǒng)不能完 全消除自干擾，從而降低了系統(tǒng)的性能，并且增加了研究的困難程度。E. DalTAnese在 "IEEE International Conf erence , 2011:1-6" 發(fā)表的文章 ('Power allocation for cognitive radio networks under channel unce;rtainty"在考慮對數(shù)正態(tài)陰影衰落和小 尺度衰落的前提下，基于最大化加權和速率，提出了一種功率分配方案。綜上所述，并未有 學者結合認知無線電和使用模擬網絡編碼技術的雙向放大轉發(fā)中繼，并且在非完美信道狀 態(tài)信息下，研究基于吞吐量最大化的功率分配方法。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于在結合認知無線電和雙向中繼的系統(tǒng)中，通過信道估計的方法 獲得非理想的信道狀態(tài)信息，提出了一種基于吞吐量最大化的功率分配方法，從而提升通 信系統(tǒng)性能。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:在認知雙向中繼網絡中使用模擬網絡 編碼技術，并采用放大轉發(fā)中繼協(xié)議，通過信道估計的方法獲得非理想的信道狀態(tài)信息，包 括如下步驟：
[0007] (1)使用導頻信號獲取非理想信道狀態(tài)信息：
[0008] (Ia)兩個次用戶節(jié)點Si、S2同時向中繼發(fā)送導頻信號，中繼根據(jù)收到的導頻信號獲 取到兩個次用戶節(jié)點的非理想信道狀態(tài)信息；
[0009] (Ib)中繼節(jié)點R發(fā)送相同的導頻信號給兩個次用戶節(jié)點，兩個次用戶節(jié)點獲取到 中繼節(jié)點的非理想信道狀態(tài)信息；
[0010] (2)在系統(tǒng)總功率受限的條件下，W最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，得到兩個次用戶節(jié) 點Si、S2處發(fā)射功率值Pi、P2與中繼節(jié)點R處發(fā)射功率值Pr的關系式為：
[001^ 式中，Pt為系統(tǒng)總功率，山和Cb分別為次用戶節(jié)點Si和S2到中繼節(jié)點R的距離，a為信 道衰落系數(shù)，町和R2分別表示次用戶節(jié)點Si和S2處的所需數(shù)據(jù)速率，A =2"4 -1，7。-1， T為相關信道估計誤差因子，0 =巧;,+請，ie U，2，R}，(64、C自奇^別表示次用戶網絡和主 用戶網絡的信道增益方差，M=Pt-PR;
[OOU] (3)構建目標函數(shù)并求得功率值扣：
[0014] (3a)構建吞吐量目標函數(shù)為：/?，二(1-片+(I-,，式中，Ii和12分別表 示次用戶節(jié)點Si和S2處的瞬時信息速率，瑞和瑞分別表示Sl和S2處的中斷概率，通過香農 信道容量公式求得運兩個中斷概率的近似值為：
[0017] (3b)將(2)中的Pi、P2帶入(3)中的目標函數(shù)，得到一個關于扣的一維函數(shù)f (扣），再 使用黃金分割法從該一維函數(shù)中求出初始的功率值Pr;
[0018] (3c)判斷初始功率值Pr是否大于其上界值Pi/IhRP 12,若是，則得到最終功率值 遊=巧/|:/y2，否則，將初始值Pr帶入(2)中關系式分別得到S1、S2處發(fā)射功率值P1、P2的初始 值，其中Pi表示次用戶網絡所有節(jié)點對主用戶的干擾口限，hRP表示中繼節(jié)點R到主用戶的信 道增益；
[0019] (4)判斷初始功率值Pi和P2是否滿劇良制條件Pi I hiP I 2+P2 I h2P 12非I:
[0020]若條件滿足，初始功率值Pi和P2即是最終功率值Pif和/V，功率分配結束；
[0021 ]若條件不滿足，則根據(jù)假設I hiP 12 = I h2P 12和P1+P2=M^，得到= Pi/ I hiP 12，將代 替M帶入(2)中關系式，得到最終功率值P/和巧f，其中hiP和h2P分別表示次用戶節(jié)點Si和S2到 主用戶的信道增益；
[0022] (5)兩個次用戶節(jié)點Si、S2分別按照最終功率值P/和C'發(fā)送信號，中繼節(jié)點R按照 最終功率值P/轉發(fā)信號，開始兩時隙的信號互傳；
[0023] (6)兩個次用戶節(jié)點和中繼節(jié)點重新獲取并估計信道狀態(tài)信息，同時判斷總功率 Pt值是否改變:如果信道的狀態(tài)發(fā)生改變或者Pt值改變，則按步驟(2)重新計算功率分配結 果;否則，按照原有功率分配結果發(fā)送信息。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有W下優(yōu)點：
[0025] 第一，本發(fā)明充分考慮了實際通信環(huán)境中的非理想信道狀態(tài)信息，而不是理想的 信道狀態(tài)信息，因此本發(fā)明符合實際通信環(huán)境，對環(huán)境變化具有魯棒性的優(yōu)點；
[00%]第二，本發(fā)明與傳統(tǒng)的等功率分配方法相比，不但高效地利用了頻譜資源，而且可 W使系統(tǒng)吞吐量最大化，有效地提升了通信系統(tǒng)的性