一種干擾有限的中繼用戶功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信與通信信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于下一代移動(dòng) 通信網(wǎng)絡(luò)的干擾有限的中繼用戶功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于受頻譜資源短缺的困擾，認(rèn)知無(wú)線電（CognitiveRadio，CR)技術(shù)被提出用于 二次接入已分配的授權(quán)頻譜，作為面向未來(lái)的通信技術(shù)目前正受到廣泛的研宄。典型的CR 場(chǎng)景中存在兩類用戶，認(rèn)知用戶或稱為次用戶（SecondaryUser，SU)與授權(quán)用戶或稱為主 用戶（PrimaryUser，PU)，其中SU的接入優(yōu)先級(jí)較低，只可以在不影響PU的正常通信行為 的前提下與之共享頻譜資源。為保障SU網(wǎng)絡(luò)與PU網(wǎng)絡(luò)的有效共存，SU網(wǎng)絡(luò)需控制所有SU 發(fā)送端對(duì)TO接收端的疊加干擾，使其限制在一個(gè)PU可接受的干擾門限內(nèi)，這種干擾功率限 制通常被稱為干擾溫度（InterferenceTemperature)約束。
[0003] 對(duì)于由一對(duì)源-目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的SU鏈路來(lái)說(shuō)，由于受到上述干擾溫度約束，SU源 節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率常常受到極大的限制，即使在信道質(zhì)量良好的情況下也無(wú)法達(dá)到建立鏈路 連接所需要的最小信噪比（Signal-to-NoiseRatio,SNR)或信息速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，面向下一 代無(wú)線通信網(wǎng)對(duì)PU干擾有限的要求，提出了一種基于粒子群優(yōu)化（ParticleSwarm Optimization，PS0)的低復(fù)雜度功率控制方法來(lái)最大化SU接收節(jié)點(diǎn)的信噪比。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種干擾有限的中繼用戶功率控制方法， 包括以下步驟：
[0006] 步驟（1):采集源節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)S與主用戶、中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)D以 及中繼節(jié)點(diǎn)與主用戶之間的信道狀態(tài)信息，測(cè)量目的節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)端的噪聲功率；信道 狀態(tài)信息與噪聲功率表示如下：源節(jié)點(diǎn)S與第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道狀態(tài)信息為4i= 1，2, ...，L、源節(jié)點(diǎn)與主用戶之間的信道狀態(tài)信息為tv第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的 信道狀態(tài)信息為^、第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與主用戶之間的信道狀態(tài)信息為匕，其中L表示信道總 數(shù)；目的節(jié)點(diǎn)D的噪聲功率為;第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的噪聲功率為;
[0007] 步驟（2):產(chǎn)生N個(gè)粒子，N的取值范圍為5到50 ;設(shè)置每個(gè)粒子j的初始位置 初始速度vj=〇 ;其中rand(0，a)表示在區(qū)間[0，a]內(nèi)均勾分布的 隨機(jī)數(shù)，Pint為干擾門限；
[0008] 步驟（3):基于每個(gè)粒子位置，計(jì)算最優(yōu)協(xié)作波束賦形權(quán)值，并評(píng)估自身所處位 置P/處的適應(yīng)度函數(shù)值
[0009] 步驟（4):比較每個(gè)粒子適應(yīng)度函數(shù)值SNR(P/)與粒子自身最優(yōu)位置處的適應(yīng)度 函數(shù)值SNR(if#j，若SNR⑷卜SNR⑷一;)，則進(jìn)行賦值#- 對(duì)初始位置 處的粒子，有#'~=^/、SNR^/^^hSNR(/f);
[0010] 步驟（5):所有粒子比較粒子自身位置處的適應(yīng)度函數(shù)值，選擇具有最大值的粒 子的個(gè)人最優(yōu)位置為全局最優(yōu)if#，即4
p〇表示源節(jié)點(diǎn)s 的發(fā)送功率；表示第j個(gè)粒子的個(gè)人最優(yōu)位置；
[0011] 步驟（6):判斷是否滿足停止條件，若滿足停止條件，停止并輸出Pc：=P/^;若不 滿足，返回步驟（3);
[0012] 步驟（7):更新每個(gè)粒子的速度與位置。
[0013] 本發(fā)明步驟（3)中，
[0014] 通過(guò)對(duì)式
Kl.進(jìn)行特征值分解，計(jì)算最大特征值所對(duì) 應(yīng)的特征向量umax作為最優(yōu)協(xié)作波束賦形權(quán)值；[0015] 參數(shù)Dh、Dn、Dg定義為：
[0016]
[0017]
[0018] ，
[0019] diagdh」2,…，|hj2)表示對(duì)角元素由向量Ih」2,…，|h」2中元素構(gòu)成的對(duì)角矩 陣，
[0020] diag?,...,〇表示對(duì)角元素由向量中元素構(gòu)成的對(duì)角矩陣，
[0021]diag(|gl |2,. . .，|g」2)表示對(duì)角元素由向量|gl |2,. . .，| g」2中元素構(gòu)成的對(duì)角矩 陣，
[0022] 符號(hào)| |表示模運(yùn)算；
[0023] 參數(shù)Rgf、Rhf定義為：
[0024]
[0025]
[0026]符號(hào)?表不舒爾-哈達(dá)瑪積，符號(hào)（)H表不共軛轉(zhuǎn)置，
[0027]參數(shù)f、g、h分別為f$[/；，…，A]' ，…，gjl^[/2p…，/2zf，T表示轉(zhuǎn)置；
[0028] 本發(fā)明步驟（3)中，評(píng)估自身所處位置#處的適應(yīng)度函數(shù)值采用如下公式：
[0029]
[0030] 本發(fā)明步驟（7)中按照以下方法更新每個(gè)粒子的速度W與位置< :
[0031]
[0032] 其中x為約束系數(shù)，用于約束與控制粒子的速度，設(shè)置1= (})2=2. 05， x~ 0. 7298 ;vmax為粒子的最大速度，設(shè)置vmax=s;符號(hào)表示限制a使其處于b與c之 間，即：
[0033]
[0034] 本發(fā)明考慮基于同步放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplifyand Forward，AF)協(xié)議的SU中繼網(wǎng)絡(luò)， 即認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，利用多個(gè)SU中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作波束成形的方式轉(zhuǎn)發(fā)SU源節(jié)點(diǎn)信號(hào)至SU 目的節(jié)點(diǎn)，來(lái)提升SU鏈路的傳輸性能。其信號(hào)傳輸過(guò)程分為廣播與中繼兩個(gè)階段，第一階 段，SU源節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)給SU中繼節(jié)點(diǎn)；第二階段，所有SU中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的混有噪聲的 源節(jié)點(diǎn)信號(hào)乘以復(fù)數(shù)波束成形權(quán)值，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至SU目的節(jié)點(diǎn)。
[0035] 本發(fā)明中提出的通過(guò)給不同用戶分配正交的空間復(fù)用向量使得對(duì)TO的干擾有 限，能夠滿足下一代認(rèn)知蜂窩網(wǎng)對(duì)PU干擾控制的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明中提出的基 于PS0的低復(fù)雜度功率控制算法能夠取得優(yōu)異的性能。
[0036] 為驗(yàn)證本發(fā)明中提出的基于PS0的功率控制算法的性能，仿真中使用4個(gè)SU中繼 節(jié)點(diǎn)，1個(gè)PU接收節(jié)點(diǎn)。我們使用了如圖2中所示的一維拓?fù)洌械墓?jié)點(diǎn)被認(rèn)為處在同一 縱坐標(biāo)0上，SU中繼R與PU處于SU源S與目的D之間，且認(rèn)為所有的R具有同一橫坐標(biāo)。 假定節(jié)點(diǎn)間信道經(jīng)歷瑞利衰落，產(chǎn)生獨(dú)立同分布的〇均值單位方差循環(huán)平穩(wěn)復(fù)高斯隨機(jī)變 量作為初始信道系數(shù)與如表1所示。路徑損耗系數(shù)《為3. 5,仿真中使用 、， 的信道系數(shù){fj{gi}ihj由經(jīng)過(guò)路徑損耗得到。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)各su中繼節(jié) 點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的噪聲與干擾之和的功率相等且歸一化為1，設(shè)置干擾門限pint的值為噪聲 與干擾之和功率的倍數(shù)。
[0037] 表1隨機(jī)信道系數(shù)列表
[0038]

【附圖說(shuō)明】
[0039] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。
[0040] 圖1為認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景框圖。
[0041] 圖2為一維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0042] 圖3a為5個(gè)粒子軌跡圖。
[0043] 圖3b為最優(yōu)解與最優(yōu)值隨迭代的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 本發(fā)明考慮的下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的中繼通信場(chǎng)景，如圖1所示，包含SU源節(jié)點(diǎn) S、SU目的節(jié)點(diǎn)D、L個(gè)SU中繼節(jié)點(diǎn){Rk}以及存在于SU網(wǎng)絡(luò)附近的1個(gè)PU節(jié)點(diǎn)PU。節(jié)點(diǎn) 間的信道為頻率平坦慢衰落的且在一次優(yōu)化過(guò)程中保持不變，fk、gk與hk分別表示S與Rk 之間、Rk與D之間以及Rk與PU之間的復(fù)信道系數(shù)，h^表示S與PU之間的復(fù)信道系數(shù)。所 有節(jié)點(diǎn)都裝備單根用于收發(fā)信號(hào)的全方向天線且工作于半雙工模式。由于干擾溫度約束導(dǎo) 致發(fā)送功率受限或（與）信道質(zhì)量差的原因，S與D的直接信號(hào)傳輸很微弱，S借助于鄰近 的SU節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)至D來(lái)建立鏈路連接。
[0045] 本發(fā)明中使用的技術(shù)方案包含兩部分內(nèi)容，分別是源發(fā)送功率給定時(shí)的最優(yōu)協(xié)作 波束賦形技術(shù)與基于PS0的低復(fù)雜度最優(yōu)源發(fā)送功率控制算法。
[0046] (1)最優(yōu)協(xié)作波束賦形技術(shù)
[0047] 本發(fā)明中提出了一種適用于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作波束賦形技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)利用多個(gè) 中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作波束賦形技術(shù)來(lái)傳輸信號(hào)至目的節(jié)點(diǎn)。在此方案中，為便于目的節(jié)點(diǎn)的 信號(hào)接收，波束賦形向量的選擇需使得目的節(jié)點(diǎn)的接收信噪比最大化；同時(shí)為了不影響PU 正常通信，還需使得對(duì)PU的疊加干擾低于一給定門限值。
[0048] 令匕表示S的發(fā)送功率，eC表示中繼節(jié)點(diǎn)Rk采用的復(fù)數(shù)波束成形權(quán)值，用于 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大與相位調(diào)整。則目的節(jié)點(diǎn)D的接收信噪比可表示為：
[0049]
[0050] 其中Rgf被定義為：Rg全（g〇f)(g〇f)' ?表示舒爾-哈達(dá)瑪積，w、f、g分別被定 義為
，（0H表示共軛轉(zhuǎn)置。Dn、DdJ^分別定 義為
.g(a)表示對(duì)角元素由向量a中元 素構(gòu)成的對(duì)角矩陣。K2。為目的節(jié)點(diǎn)D的噪聲功率，為中繼節(jié)點(diǎn)Rk的噪聲功率。則在對(duì)PU有限干擾