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      一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配方法與流程

      文檔序號:11877201閱讀:306來源:國知局
      一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配方法與流程
      本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域,具體涉及一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配方法。
      背景技術(shù)
      :雙向中繼系統(tǒng)通過在基站與用戶或者用戶與用戶之間設(shè)置中繼站,有效地擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,提供空間分集,并降低系統(tǒng)的能量損耗。與單向中繼系統(tǒng)相比,雙向中繼系統(tǒng)可以提高將近一倍的頻譜效率,但該系統(tǒng)也存在用戶之間干擾嚴(yán)重的問題。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報道,已經(jīng)有很多方法可以消除用戶之間的干擾,比如臟紙解碼和一些干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。但這些方法具有較高的算法復(fù)雜度,在實(shí)際系統(tǒng)中不利于實(shí)施。與此同時,大規(guī)模天線技術(shù)因?yàn)槠涑錾母蓴_抑制能力得到業(yè)界的廣泛關(guān)注。因此,在中繼端部署大規(guī)模天線是一種非常有潛力并且簡單易行的干擾協(xié)調(diào)方法。部署大規(guī)模天線的雙向中繼系統(tǒng)信道漸近正交,天線陣列的分辨率提升,可以顯著地提高系統(tǒng)的頻譜效率。但隨著爆炸式的移動數(shù)據(jù)流量的增長,對雙向中繼系統(tǒng)的頻譜效率提出了更高的要求?,F(xiàn)有文獻(xiàn)中提高雙向中繼系統(tǒng)的頻譜效率的方法,主要有:(1)優(yōu)化波束成型器,控制基站端波束的發(fā)射方向;(2)在中繼端進(jìn)行天線選擇,用最佳信道傳輸數(shù)據(jù)或者進(jìn)行用戶調(diào)度,調(diào)度信道條件好的用戶傳輸數(shù)據(jù);(3)利用信道瞬時狀態(tài)信息,實(shí)時地調(diào)整用戶和中繼的發(fā)送功率。對現(xiàn)有方法進(jìn)行分析后,發(fā)明人發(fā)現(xiàn):文獻(xiàn)中所提到的方法或是過于復(fù)雜,可行性方面有所欠缺,或是適用范圍狹窄,具有一定的局限性。方法(1)需要獲得全部信道信息,進(jìn)行最優(yōu)波束成型器的求解,相對比較復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn);方法(2)中天線選擇或用戶調(diào)度需要引入中繼和用戶之間通信與協(xié)調(diào),增加了不必要的開銷;方法(3)中需要實(shí)時的檢測信道變化,在信道變化較快的高移動系統(tǒng)中無法實(shí)施。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配方法,提升解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)的頻譜效率。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所提供的技術(shù)方案為:一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配方法,包括如下步驟:1)N對用戶TA,i和TB,i在每個信道的相干時間τc內(nèi)同時發(fā)送互相正交的長度為τp的導(dǎo)頻序列到中繼TR,其中1≤i≤N;所述中繼TR配備M根天線;2)中繼TR收到N對用戶TA,i和TB,i發(fā)送的導(dǎo)頻序列后,根據(jù)導(dǎo)頻序列信息使用MMSE線性估計,得到信道狀態(tài)信息;3)根據(jù)信道狀態(tài)信息計算用戶TA,i和TB,i向中繼TR發(fā)送數(shù)據(jù)的第一階段頻譜效率以及中繼TR向用戶TA,i和TB,i轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的第二階段頻譜效率,然后計算總頻譜效率;4)將總頻譜效率轉(zhuǎn)換為建立功率優(yōu)化問題;引入功率控制算法進(jìn)行求解優(yōu)化問題,得到使總頻譜效率R達(dá)到最大的功率分配參數(shù)和所述pA,i為用戶TA,i的發(fā)射功率,pB,i為用戶TB,i的發(fā)射功率,pr為中繼TR的發(fā)射功率;5)解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)利用最優(yōu)的功率分配參數(shù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上述技術(shù)方案為解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配提供了一種具有指導(dǎo)意義的方法,即通過中繼估計信道狀態(tài)信息,并計算出總頻譜效率的表達(dá)式,在系統(tǒng)服從總功率約束的條件下,同時優(yōu)化中繼和N對用戶的發(fā)射功率,使得系統(tǒng)的總頻譜效率最大。相比于傳統(tǒng)的如波束成形或天線選擇的提高頻譜效率的方法,具有算法復(fù)雜度低,簡單易實(shí)施的特點(diǎn),迎合了未來爆炸式移動數(shù)據(jù)增長的需求。所述步驟2)中的信道狀態(tài)信息包括用戶TA,i與中繼TR,用戶TB,i與中繼TR的信道狀態(tài)信息,具體為:gAR,i=g^AR,i+eAR,igRB,i=g^RB,i+eRB,i,]]>其中,gAR,i和gRB,i分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的信道向量,和分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的估計信道向量,eAR,i和eRB,i為信道的估計誤差向量。所述估計信道向量和中的每個元素分別滿足均值為0,方差為和的復(fù)高斯分布;所述信道的估計誤差向量eAR,i和eRB,i中的每個元素分布滿足均值為0,方差為和的復(fù)高斯分布;其中βAR,i為用戶TA,i與中繼TR的大尺度衰落因子,βRB,i為用戶TB,i與中繼TR的大尺度衰落因子,pp為導(dǎo)頻序列的發(fā)射功率。所述步驟3)中計算總頻譜效率的方法為取第一階段頻譜效率和第二階段頻譜效率的最小值,計算公式如下:R=Σi=1NRi=τc-τp2τcΣi=1Nmin(R1,i,R2,i),]]>式中,R1,i=log2(1+γ1,i),R2,i=min(RAR,i,RRB,i)+min(RBR,i,RRA,i),RAR,i=log2(1+γAR,i),RRB,i=log2(1+γRB,i),RBR,i=log2(1+γBR,i),RRA,i=log2(1+γRA,i);其中,其中ai,bi,ci,j,di,j,ei,fi,和為已知的定值。所述步驟4)中建立功率優(yōu)化問題為:maximizeRs.t.Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,…,Npr≥0其中,P為解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)的總功率約束。進(jìn)一步,所述建立功率優(yōu)化問題等價變換為:minimizeΠi=1N(1+γi)-1]]>s.t.γi≤aipA,i+bipB,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γi≤γA,i+γB,i+γA,iγB,i,i=1,…,NγA,i≤aipA,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γA,i≤preipr+fi,i=1,...,N]]>γB,i≤bipB,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γB,i≤pre~ipr+f~i,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,…,Npr≥0其中,γi表示第一階段中第i對用戶的信噪比,γA,i表示用戶TA,i到用戶TB,i的信噪比,γB,i表示用戶TB,i到用戶TA,i的信噪比。上述功率優(yōu)化問題為輔助幾何規(guī)劃問題,可以使用逐次逼近算法,通過解決一系列的幾何規(guī)劃問題求出原問題的近似解。所述步驟4)中功率控制算法為逐次逼近算法,包括:a)初始化:定義參數(shù)ε和θ;令k=1,設(shè)置初始值b)迭代k:計算然后解決下列幾何規(guī)劃問題:minimizeΠi=1N(γi)-μi]]>s.t.θ-1p^A,i≤pA,i≤θp^A,i,i=1,...,N]]>θ-1p^B,i≤pB,i≤θp^B,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^i≤γi≤θγ^i,i=1,...,N]]>θ-1γ^A,i≤γA,i≤θγ^A,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^B,i≤γB,i≤θγ^B,i,i=1,...,N]]>γi(aipA,ivA,i)-vA,i(bipB,ivB,i)-vB,i(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γiηi-1(γA,i)-λA,i(γB,i)-λB,i≤1,i=1,...,N]]>γA,i(aipA,i)-1(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γA,i(pr)-1(eipr+fi)≤1,i=1,...,NγB,i(bipB,i)-1(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γB,i(pr)-1(e~ipr+f~i)≤1,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,...,Npr≥0得到第k次迭代時的最優(yōu)解,表示為和c)迭代停止準(zhǔn)則:如果或者迭代停止,輸出此時幾何規(guī)劃問題的解,為和否則,執(zhí)行步驟d);d)更新初始值:令和k=k+1;執(zhí)行步驟b)。所述步驟5)中數(shù)據(jù)傳輸是指:用戶TA,i和TB,i分別發(fā)射功率為和的信號到中繼TR;中繼TR收到信號后,先對信號進(jìn)行解碼,進(jìn)行最大比合并/最大比傳輸?shù)木€性處理,并以的功率轉(zhuǎn)發(fā)給用戶TA,i和TB,i,實(shí)現(xiàn)用戶TA,i和TB,i之間的通信。同現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:(1)本發(fā)明充分結(jié)合了雙向中繼系統(tǒng)和大規(guī)模天線技術(shù),不僅利用了雙向中繼系統(tǒng)覆蓋面積廣泛,能量損耗低的優(yōu)勢,還具備大規(guī)模天線較強(qiáng)的干擾協(xié)調(diào)能力。(2)本發(fā)明針對中繼端估計的信道狀態(tài)信息,得到總頻譜效率的表達(dá)式,利用逐次逼近算法,通過解決一系列幾何規(guī)劃問題,獲得用戶分配參數(shù)使得系統(tǒng)的頻譜效率最大,滿足了未來移動通信系統(tǒng)的需求。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例中解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中通信結(jié)構(gòu)圖;圖2為本發(fā)明實(shí)施例中解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)的功率分配方法流程圖;圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的功率分配方法與平均功率分配方法的頻譜效率比較曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1所示解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng),該系統(tǒng)包括配備M根天線的中繼TR并工作在解碼轉(zhuǎn)發(fā)的模式下,N對單天線用戶TA,i和TB,i;用戶TA,i和TB,i通過中繼TR實(shí)現(xiàn)通信,所有信道的散射充分,滿足瑞利衰落模型。如圖2所示的功率分配方法,包括如下步驟:1)N對用戶TA,i和TB,i在每個信道的相干時間τc內(nèi)同時發(fā)送互相正交的長度為τp的導(dǎo)頻序列到中繼TR,其中1≤i≤N;所述中繼TR配備M根天線;2)中繼TR收到N對用戶TA,i和TB,i發(fā)送的導(dǎo)頻序列后,根據(jù)導(dǎo)頻序列信息使用MMSE線性估計,得到信道狀態(tài)信息;3)根據(jù)信道狀態(tài)信息計算用戶TA,i和TB,i向中繼TR發(fā)送數(shù)據(jù)的第一階段頻譜效率以及中繼TR向用戶TA,i和TB,i轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的第二階段頻譜效率,然后計算總頻譜效率;4)將總頻譜效率轉(zhuǎn)換為建立功率優(yōu)化問題;引入功率控制算法進(jìn)行求解優(yōu)化問題,得到使總頻譜效率R達(dá)到最大的功率分配參數(shù)和所述pA,i為用戶TA,i的發(fā)射功率,pB,i為用戶TB,i的發(fā)射功率,pr為中繼TR的發(fā)射功率;5)解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)利用最優(yōu)的功率分配參數(shù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述步驟2)中的信道狀態(tài)信息包括用戶TA,i與中繼TR,用戶TB,i與中繼TR的信道狀態(tài)信息,具體為:gAR,i=g^AR,i+eAR,igRB,i=g^RB,i+eRB,i,]]>其中,gAR,i和gRB,i分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的信道向量,和分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的估計信道向量,eAR,i和eRB,i為信道的估計誤差向量。所述估計信道向量和中的每個元素分別滿足均值為0,方差為和的復(fù)高斯分布;所述信道的估計誤差向量eAR,i和eRB,i中的每個元素分布滿足均值為0,方差為和的復(fù)高斯分布;其中βAR,i為用戶TA,i與中繼TR的大尺度衰落因子,βRB,i為用戶TB,i與中繼TR的大尺度衰落因子,pp為導(dǎo)頻序列的發(fā)射功率。所述步驟3)中計算總頻譜效率的方法為取第一階段頻譜效率和第二階段頻譜效率的最小值,計算公式如下:R=Σi=1NRi=τc-τp2τcΣi=1Nmin(R1,i,R2,i),]]>式中,R1,i=log2(1+γ1,i),R2,i=min(RAR,i,RRB,i)+min(RBR,i,RRA,i),RAR,i=log2(1+γAR,i),RRB,i=log2(1+γRB,i),RBR,i=log2(1+γBR,i),RRA,i=log2(1+γRA,i);其中,其中ai,bi,ci,j,di,j,ei,fi,和為已知的定值。上述公式可以進(jìn)一步換算為:γ1,i=pA,i(MσAR,i4+σAR,i2σRB,i2)+pB,i(MσRB,i4+σAR,i2σRB,i2)(σAR,i2+σRB,i2)(pA,iσ~AR,i2+pB,iσ~RB,i2+Σj≠i(pA,jβAR,j+pB,jβRB,j)+1),]]>RAR,i=log2(1+γ1,i=pA,i(MσAR,i4+σAR,i2σRB,i2)(σAR,i2+σRB,i2)(pA,iσ~AR,i2+pB,iσ~RB,i2+Σj≠i(pA,jβAR,j+pB,jβRB,j)+1)),]]>RRA,i=log2(1+prMσAR,i4(prβAR,i+1)Σj=1N(σAR,j2+σRB,j2)),]]>RBR,i=log2(1+γ1,i=pB,i(MσRB,i4+σAR,i2σRB,i2)(σAR,i2+σRB,i2)(pA,iσ~AR,i2+pB,iσ~RB,i2+Σj≠i(pA,jβAR,j+pB,jβRB,j)+1)),]]>RRB,i=log2(1+prMσRB,i4(prβRB,i+1)Σj=1N(σAR,j2+σRB,j2)).]]>所述步驟4)中建立功率優(yōu)化問題為:maximizeRs.t.Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,...,Npr≥0其中,P為解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)的總功率約束。進(jìn)一步,所述建立功率優(yōu)化問題等價變換為:minimizeΠi=1N(1+γi)-1]]>s.t.γi≤aipA,i+bipB,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γi≤γA,i+γB,i+γA,iγB,i,i=1,...,NγA,i≤aipA,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γA,i≤preipr+fi,i=1,...,N]]>γB,i≤bipB,iΣj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1,i=1,...,N]]>γB,i≤pre~ipr+f~i,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,...,Npr≥0其中,γi表示第一階段中第i對用戶的信噪比,γA,i表示用戶TA,i到用戶TB,i的信噪比,γB,i表示用戶TB,i到用戶TA,i的信噪比。上述功率優(yōu)化問題為輔助幾何規(guī)劃問題,可以使用逐次逼近算法,通過解決一系列的幾何規(guī)劃問題求出原問題的近似解。所述步驟4)中功率控制算法為逐次逼近算法,包括:a)初始化:定義參數(shù)ε和θ;令k=1,設(shè)置初始值b)迭代k:計算然后解決下列幾何規(guī)劃問題:minimizeΠi=1N(γi)-μi]]>s.t.θ-1p^A,i≤pA,i≤θp^A,i,i=1,...,N]]>θ-1p^B,i≤pB,i≤θp^B,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^i≤γi≤θγ^i,i=1,...,N]]>θ-1γ^A,i≤γA,i≤θγ^A,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^B,i≤γB,i≤θγ^B,i,i=1,...,N]]>γi(aipA,ivA,i)-vA,i(bipB,ivB,i)-vB,i(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γiηi-1(γA,i)-λA,i(γB,i)-λB,i≤1,i=1,...,N]]>γA,i(aipA,i)-1(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γA,i(pr)-1(eipr+fi)≤1,i=1,…,NγB,i(bipB,i)-1(Σj=1N(ci,jpA,i+di,jpB,i)+1)≤1,i=1,...,N]]>γB,i(pr)-1(e~ipr+f~i)≤1,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i=1,…,Npr≥0得到第k次迭代時的最優(yōu)解,表示為和c)迭代停止準(zhǔn)則:如果或者迭代停止,輸出此時幾何規(guī)劃問題的解,為和否則,執(zhí)行步驟d);d)更新初始值:令和k=k+1;執(zhí)行步驟b)。所述步驟5)中數(shù)據(jù)傳輸是指:用戶TA,i和TB,i分別發(fā)射功率為和的信號到中繼TR;中繼TR收到信號后,先對信號進(jìn)行解碼,進(jìn)行最大比合并/最大比傳輸?shù)木€性處理,并以的功率轉(zhuǎn)發(fā)給用戶TA,i和TB,i,實(shí)現(xiàn)用戶TA,i和TB,i之間的通信。圖3為本實(shí)施例中的逐次逼近算法與平均功率分配算法的對比效果圖。其中設(shè)置解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)中隨機(jī)分布N=5對用戶,大尺度衰落因子為βAR=[0.2688,0.0368,0.00025,0.1398,0.0047]和βRB=[0.0003,0.00025,0.0050,0.0794,0.0001],總功率約束為P=10dB,導(dǎo)頻發(fā)送功率為pp=10dB。從圖中可以看出,與平均功率分配場景相比,最優(yōu)功率分配可以有效地提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的頻譜效率,并且中繼配置越多天線,提升效果越明顯。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3 
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