本發(fā)明設(shè)計(jì)的是一種無線通信技術(shù)中的分布式中繼選擇及用戶功率分配方法。

背景技術(shù)：

協(xié)作中繼(cooperative relaying)通過用戶間的協(xié)作，不僅能有效地?cái)U(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍還能抵抗信道衰落的影響，近年來得到廣泛關(guān)注。放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward，AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward，DF)兩種中繼協(xié)議已經(jīng)表明，通過中繼共享用戶的天線，可以提高系統(tǒng)容量,降低系統(tǒng)隨信道變化的敏感性。然而，由于實(shí)際通信系統(tǒng)的半雙工限制，協(xié)作中繼在提高無線傳輸性能的同時(shí)也帶來了頻譜效率的損失。為此只需兩個(gè)時(shí)隙即可完成信息交互的雙向中繼傳輸方案被提出。研究表明，雙向中繼較單向中繼能夠獲得更高的吞吐量。由于DF雙向中繼需在中繼端進(jìn)行復(fù)雜的額外操作，而AF協(xié)議只需對(duì)雙向接入信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的功率控制，因而簡(jiǎn)單、易行的AF協(xié)議得到更多的關(guān)注。本發(fā)明主要關(guān)注AF雙向中繼系統(tǒng)。

中繼選擇和功率分配是提升雙向系統(tǒng)性能的重要研究?jī)?nèi)容。針對(duì)雙向AF多中繼系統(tǒng)，瑞利衰落信道下的中繼選擇方案已被提出。唐倫等人提出一種聯(lián)合考慮中繼節(jié)點(diǎn)處的接收信噪比和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間信道增益，但該方案的信噪比閾值若設(shè)置不合適將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。Yindi Jing研究了基于最大化最小信噪比準(zhǔn)則的Max-min中繼選擇方案，但都是在等功率條件下提出，未考慮各節(jié)點(diǎn)的功率消耗。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，有研究人員對(duì)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配問題進(jìn)行了研究。Zhihang Y研究了單中繼場(chǎng)景下以最小化中斷概率為目標(biāo)、基于最大化最小接收信噪比的情況下求得一種功率分配的最優(yōu)解。張鵬等人聯(lián)合考慮中繼選擇和功率分配。但上述文獻(xiàn)都只分析了對(duì)稱速率情況。而Popovski P指出不對(duì)稱性對(duì)雙向中繼系統(tǒng)中的許多性能指標(biāo)，如：系統(tǒng)中斷概率、誤碼率等，均有不同程度的影響。進(jìn)一步，Xu K分析了在單中繼不對(duì)稱速率場(chǎng)景下的功率優(yōu)化問題，但未同時(shí)考慮中繼選擇影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在不對(duì)稱速率的雙向中繼傳輸情況下能夠優(yōu)化通信系統(tǒng)的中斷性能的最小化中斷概率的分布式中繼選擇及用戶功率分配方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：建立雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)和各中繼節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行初始化；

步驟二：根據(jù)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型中信道狀態(tài)信息，計(jì)算雙向中繼傳輸中基于信道統(tǒng)計(jì)信息的用戶節(jié)點(diǎn)中斷概率；

步驟三：將中斷概率作為目標(biāo)函數(shù)、總功率作為約束條件，按照目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的功率分配方案分配功率資源；

步驟四：基于步驟三的功率分配方案，根據(jù)各候選中繼節(jié)點(diǎn)的部署位置，以最小化中斷概率為準(zhǔn)則選擇最優(yōu)中繼；

步驟五：聯(lián)合中繼選擇及功率分配策略，完成一次雙向傳輸。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述步驟三具體包括：

(1)對(duì)于第一用戶節(jié)點(diǎn)S₁和第二用戶節(jié)點(diǎn)S₂之間的雙向中繼傳輸，定義雙向通信的中斷概率P_out為兩者各自中斷概率的最大值，即：

P_out＝max{P_out,1,P_out,2}

其中P_out,1為第一用戶節(jié)點(diǎn)S₁的中斷概率，P_out,2為第二用戶節(jié)點(diǎn)S₂的中斷概率；

(2)將功率優(yōu)化分配表示為：

p₁、p₂，分別為第一用戶節(jié)點(diǎn)S₁、第二用戶節(jié)點(diǎn)S₂和中繼R_i的發(fā)送功率，p_t為系統(tǒng)總功率，最優(yōu)解存在的條件是P_out,1＝P_out,2＝P_out；

(3)由上述分析可知，功率優(yōu)化分配問題可進(jìn)一步表示為：

(4)由Karush-Kuhn-Tucker條件，得最優(yōu)解為：

和分別為信道和復(fù)高斯隨機(jī)變量的方差，第一用戶節(jié)點(diǎn)S₁和第二用戶節(jié)點(diǎn)S₂的目標(biāo)速率為R_th1和R_th2，其中

2、所述步驟四具體包括：

(1)將得出的最優(yōu)解代入中斷概率表達(dá)式，得到在第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作下的中斷概率：

(2)依據(jù)上式，選擇最小的中繼作為最佳中繼，中繼選擇準(zhǔn)則述為：

3、所述步驟五具體包括：：

(1)雙向中繼傳輸開始前，初始化σ_1i、σ_2i及各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率p₁、p₂、i＝1,2…,n；

(2)根據(jù)中繼選擇準(zhǔn)則選擇最優(yōu)中繼R_i；

(3)選中的中繼廣播出自己的序號(hào)i，其它中繼保持沉默，并且退出協(xié)作；

(4)用戶節(jié)點(diǎn)和最佳中繼R_i依據(jù)步驟三中得到的最優(yōu)解計(jì)算各自的功率；

(5)雙向中繼傳輸開始。

本發(fā)明考慮在不對(duì)稱速率的雙向中繼傳輸情況下，基于最小化中斷概率的分布式中繼選擇及用戶功率分配方法。首先分析雙向中繼傳輸中基于信道統(tǒng)計(jì)信息的中斷概率，然后以最小化中斷概率為目標(biāo)、總功率作為約束條件推導(dǎo)出中繼選擇及功率分配的聯(lián)合優(yōu)化方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的核心技術(shù)內(nèi)容在于通過分析雙向中繼傳輸中基于信道統(tǒng)計(jì)信息的中斷概率，將最小化中斷概率得出的功率優(yōu)化分配優(yōu)化值代入中斷概率表達(dá)式，提出一種新的最小化系統(tǒng)中斷概率的分布式中繼選擇方法。

本發(fā)明提供的方法根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)了分布式的中繼選擇，同時(shí)聯(lián)合了功率優(yōu)化方法最小化了系統(tǒng)的中斷概率，優(yōu)化了通信系統(tǒng)的性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖3是考慮中繼節(jié)點(diǎn)在兩用戶節(jié)點(diǎn)連線上的情境下功率優(yōu)化方案，系統(tǒng)平均中斷概率在各節(jié)點(diǎn)的功率分配值受信道狀態(tài)影響的情況，分對(duì)稱速率與不對(duì)稱速率兩種情況進(jìn)行討論；

圖4是本發(fā)明在更一般的情況(中繼節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)連線以外的位置)下的仿真情景；

圖5是在圖3情景下研究不對(duì)稱速率情況下不同中繼選擇方案系統(tǒng)平均中斷概率與R_th2的關(guān)系曲線，其中R_th1固定；

圖6是在圖3情景下給出了不同中繼選擇和功率分配策略下系統(tǒng)平均中斷概率和總功率的關(guān)系。對(duì)比了本發(fā)明的聯(lián)合優(yōu)化策略與另外三種策略的中斷性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一：建立雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)和各中繼節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行初始化；

(1.1)用戶節(jié)點(diǎn)S₁與S₂通過中繼節(jié)點(diǎn)R_i(i＝1,2…N)互相傳遞信息，中繼節(jié)點(diǎn)采用AF模式，S₁和S₂之間的信息交換通過2個(gè)時(shí)隙完成。第一時(shí)隙，用戶節(jié)點(diǎn)S₁和S₂分別向所有中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)中繼選擇算法選出最佳中繼節(jié)點(diǎn)(暫時(shí)考慮為R_i)；第二時(shí)隙，R_i將接收到的信息放大并轉(zhuǎn)發(fā)到用戶節(jié)點(diǎn)，其余中繼節(jié)點(diǎn)保持沉默。

步驟二：根據(jù)模型中信道狀態(tài)信息，計(jì)算雙向中繼傳輸中基于信道統(tǒng)計(jì)信息的用戶節(jié)點(diǎn)中斷概率；

(2.1)用戶節(jié)點(diǎn)S₁與S₂的接收信噪比表達(dá)式，如式(1)：

其中表示從用戶節(jié)點(diǎn)S₁到中繼節(jié)點(diǎn)R_i的信道衰落系數(shù)(其中i＝1,2…n)，表示從用戶節(jié)點(diǎn)S₂到中繼節(jié)點(diǎn)R_i的信道衰落系數(shù)。且和都是均值為0，方差分別為和的復(fù)高斯隨機(jī)變量。假設(shè)信道具有互易性，即S₁和S₂的發(fā)送功率分別是p₁、p₂，為中繼R_i的轉(zhuǎn)發(fā)功率。

(2.2)由上可知，通過雙向中繼傳輸，用戶節(jié)點(diǎn)S₁和S₂獲得的吞吐量如式(2)所示：

(2.3)對(duì)于用戶節(jié)點(diǎn)S₁，定義2個(gè)新的隨機(jī)變量γ_1i可以改寫成：

(2.4)由于瑞利衰落，X₁和X₂分別服從參數(shù)為：的指數(shù)分布，假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)S₁的目標(biāo)速率為R_th1，則S₁的中斷概率可表示：

其中K₁(·)為第二類一階修正貝塞爾函數(shù)。由于x→0時(shí)K₁(x)≈1/x，e^-x≈1-x，在高信噪比區(qū)域(λ₁,λ₂→0)，則式(4)可以表示為：

同理S₂的中斷概率可表示為：

步驟三：將中斷概率作為目標(biāo)函數(shù)，總功率作為約束條件，按照目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的功率分配方案分配功率資源；

(3.1)對(duì)于S₁和S₂之間的雙向中繼傳輸，定義雙向通信的中斷概率P_out為兩者各自中斷概率的最大值，即：

P_out＝max{P_out,1,P_out,2} (7)

(3.2)本發(fā)明的研究目標(biāo)為最小化P_out，功率優(yōu)化分配問題可以表示為：

可以看出式(8)中的問題是一個(gè)凸優(yōu)化的問題，這意味著它有一個(gè)單一的全局解，且式中最優(yōu)解存在的條件是括號(hào)里的變量相等，即P_out,1＝P_out,2＝P_out。

(3.3)由上述分析可知，功率優(yōu)化分配問題可進(jìn)一步表示為：

(3.4)由Karush-Kuhn-Tucker條件，可得式(9)的最優(yōu)解為：

該最優(yōu)化功率分配在雙向單向中斷概率方面實(shí)現(xiàn)了兩用戶節(jié)點(diǎn)之間的公平性。由式(10)可以看出，在對(duì)稱速率情況下，最優(yōu)功率分配將一半的總功率分配給中繼節(jié)點(diǎn)，這與P.Zhang等人的結(jié)論類似。這意味著式(10)是雙向AF中繼網(wǎng)絡(luò)的廣義功率分配形式。

步驟四：基于上一步驟的功率分配方案，根據(jù)各候選中繼節(jié)點(diǎn)的部署位置，以最小化中斷概率為準(zhǔn)則選擇最優(yōu)中繼；

(4.1)下面本發(fā)明在最優(yōu)功率基礎(chǔ)上提出一種最小化中斷概率的分布式中繼選擇方法。將公式(10)計(jì)算得出的最優(yōu)解代入式(5)或(6)，得到在第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作下系統(tǒng)的中斷概率為：

(4.2)依據(jù)式(11)，選擇最小的中繼作為最佳中繼。中繼選擇準(zhǔn)則可表述為：

可以看出，在總功率和兩用戶目標(biāo)速率給定的前提下，該準(zhǔn)則僅僅依賴于候選中繼與源端節(jié)點(diǎn)之間的本地信道統(tǒng)計(jì)特性，該過程可以在各中繼上分布式進(jìn)行。與雙向中斷概率作為選擇標(biāo)準(zhǔn)相比運(yùn)算復(fù)雜度有所降低，且考慮了各節(jié)點(diǎn)的功率消耗。

步驟五：聯(lián)合中繼選擇及功率分配策略，完成一次雙向傳輸；

最小化中斷概率的聯(lián)合策略可以概括為：首先按照式(12)選擇最佳中繼，然后根據(jù)式(10)進(jìn)行功率分配。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(5.1)雙向中繼傳輸開始前，初始化σ_1i、σ_2i及各節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率p₁、p₂、i＝1,2…,n；

(5.2)根據(jù)式(12)選擇最優(yōu)中繼R_i；

(5.3)選中的中繼廣播出自己的序號(hào)i，其它中繼保持沉默，并且退出協(xié)作；

(5.4)用戶節(jié)點(diǎn)和最佳中繼R_i依據(jù)式(10)計(jì)算各自的功率；

(5.5)雙向中繼傳輸開始。

本發(fā)明的效果可通過以下仿真進(jìn)一步說明：

(1)仿真參數(shù)

算法參數(shù)設(shè)置：為了分析方便這里將S₁端與S₂端的距離歸一化為1，中繼個(gè)數(shù)為10，S_k(k＝1,2)-R_i信道鏈路長(zhǎng)度為d_ki(i＝1,2…,10)，σ_ki²＝d_ki^-λ，其中λ為路徑損耗因子。

場(chǎng)景設(shè)置：考慮中繼節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)連線上和中繼節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)連線以外兩種場(chǎng)景。

(2)仿真內(nèi)容

中繼節(jié)點(diǎn)在兩用戶節(jié)點(diǎn)連線上的功率優(yōu)化方案如圖3所示，可以看出，本發(fā)明功率優(yōu)化分配方案(OPA)較等功率分配方案(UPA)有中斷性能的優(yōu)勢(shì)，尤其是在不對(duì)稱速率條件下，優(yōu)勢(shì)更加顯著。

圖5和圖6為在圖4情景下的仿真。圖5仿真分析本發(fā)明所提出的最小化中斷概率的中繼選擇方案、最大化最小信噪比中繼選擇方案以及隨機(jī)中繼選擇方案的性能。從圖中觀察到，隨著用戶端目標(biāo)速率的提高，3種中繼選擇策略下系統(tǒng)中斷概率都相應(yīng)增加。相比之下，本文發(fā)明提出的中繼選擇方案(DRS)能顯著降低系統(tǒng)的中斷概率。在相同的目標(biāo)速率和總功率下，本發(fā)明的中繼選擇方案比Max-Min在中斷性能約有0.7dB的增益，比隨機(jī)中繼選擇方案(RRS)約有2dB的增益。這意味著本文的中繼選擇策略能以更低的發(fā)射功率達(dá)到相同的中斷性能。另外，在R_th1明顯高于R_th2或R_th2明顯高于R_th1時(shí)，中斷概率的上升比較平緩。這說明在不對(duì)稱速率情況下，中斷概率的變化趨勢(shì)取決于目標(biāo)速率中較大的一方。圖6給出了不同中繼選擇和功率分配策略下系統(tǒng)平均中斷概率和信噪比的關(guān)系。對(duì)比了本發(fā)明的聯(lián)合優(yōu)化策略與另外三種策略的中斷性能。為了便于討論，分別用策略1、策略2、策略3和策略4代表DRS+OPA、DRS+UPA、RRS+OPA和RRS+UPA。對(duì)比策略2、3與策略4的中斷性能曲線可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的中繼選擇策略與功率分配策略都分別可以明顯地降低中斷概率，這是因?yàn)椴呗?充分利用了中繼信道的統(tǒng)計(jì)特性來選擇最佳中繼，在分配節(jié)點(diǎn)功率時(shí)又兼顧了用戶目標(biāo)速率的要求。即使是用平均功率分配，本發(fā)明的中繼選擇策略仍然比隨機(jī)中繼選擇的中斷性能好得多。另外，策略2的中斷性能接近于策略1，但是策略2的功率分配算法簡(jiǎn)單，可以減少各個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算代價(jià)和處理時(shí)延，因此可以作為及時(shí)通信場(chǎng)合的一種次優(yōu)策略。

綜上，本實(shí)施例提出了一種最小化中斷概率的分布式中繼選擇及用戶功率分配方法，該方法不僅考慮了信道質(zhì)量，同時(shí)考慮了各節(jié)點(diǎn)的功率輸出能力，可以根據(jù)信道狀態(tài)信息進(jìn)行分布式選擇；同時(shí)聯(lián)合了功率優(yōu)化方法，最小化了系統(tǒng)的中斷概率，優(yōu)化了通信系統(tǒng)的性能。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本申請(qǐng)具體實(shí)施方式的上述方法中，各步驟的序號(hào)大小并不意味著執(zhí)行順序的先后，各步驟的執(zhí)行順序應(yīng)以其功能和內(nèi)在邏輯確定，而不應(yīng)對(duì)本申請(qǐng)具體實(shí)施方式的實(shí)施過程構(gòu)成任何限定。

最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。