基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統(tǒng)聯(lián)合功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼 系統(tǒng)聯(lián)合功率分配設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，兩跳中繼無線通信技術(shù)得到了充分的發(fā)展。它利用中繼輔助轉(zhuǎn)發(fā)信源信 號，使得蜂窩系統(tǒng)在鏈路可靠性、小區(qū)覆蓋范圍W及系統(tǒng)頻譜效率等方面取得了顯著提升， 也使其成為無線通信領(lǐng)域中的研究熱點之一。特別是中繼系統(tǒng)不需要昂貴的有線回程鏈路 作為支撐，大幅降低網(wǎng)絡(luò)部署及運營成本開銷。因此，中繼通信技術(shù)也被業(yè)內(nèi)普遍認為是未 來異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。
[0003] 然而，隨著社會對通信系統(tǒng)要求的提高，特別是整個通信系統(tǒng)的功率消耗對人類 生存、健康及環(huán)境所帶來的問題越來越受到關(guān)注。由此，業(yè)界提出了W追求高能效為目標的 綠色通信概念，而功率分配問題則直接影響到了整個系統(tǒng)的能效指標。系統(tǒng)的總功率消耗， 不單包括發(fā)射機的實際發(fā)射功率，也包括維持設(shè)備運轉(zhuǎn)時的電路功耗。在傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)功 率分配方案中，都W系統(tǒng)頻譜效率最大化為目標，在忽略電路功耗的前提下，W提升發(fā)射功 率來獲得最大的系統(tǒng)頻譜效率，在此情況下，就會造成系統(tǒng)的整體能效性能非常低。
[0004] 為了使中繼系統(tǒng)滿足未來綠色通信對系統(tǒng)能量效率（能效）的要求，在系統(tǒng)設(shè)計 方面引入能效作為優(yōu)化準則，并考慮系統(tǒng)的QoS要求，從而在保證系統(tǒng)傳輸有效性的同時， 盡可能提升系統(tǒng)的能效性能。同時，考慮中繼節(jié)點與信源節(jié)點發(fā)射功率聯(lián)合優(yōu)化。由于目 標函數(shù)的復(fù)雜性，目前還沒有很好的低復(fù)雜度聯(lián)合功率分配解決方案，對于最優(yōu)功率分配 方案的閉合形式解更是難于獲得。
[0005] 本發(fā)明一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統(tǒng)聯(lián)合功率分配設(shè)計方法。該方 法W系統(tǒng)能效最大化為設(shè)計目標，W滿足指定的系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（QoS,如ality-of-Service) 為約束條件，建立了W源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)射功率為設(shè)計變量的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。通過大信 噪比區(qū)間近似等效，將原始的非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題。再利用拉格朗日對偶函數(shù) 凸優(yōu)化算法，并借助于LambertW函數(shù)，最終得到一種低復(fù)雜度的功率分配方案的閉合形式 解，避免了采用交替迭代方法來求解最優(yōu)化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為使單天線兩跳中繼系統(tǒng)獲得良好的能效性能而提出一種基于能效最大 化的低復(fù)雜度聯(lián)合功率分配設(shè)計方法，并得到最優(yōu)功率的閉合形式解。
[0007] 本發(fā)明的一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統(tǒng)聯(lián)合功率分配設(shè)計方法，包 括W下步驟：
[0008] 1)中繼節(jié)點通過信道估計獲取第一跳和第二跳信道增益值；
[0009] 2)W系統(tǒng)QoS要求為約束（此處W系統(tǒng)頻譜效率表示QoS要求），W最小化系統(tǒng) 總能效為準則，求解W信源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)射功率為參量的功率分配優(yōu)化問題，如下：
[0011]如利用高信噪比近似，即PrIgr+P」hI2> > 1，將原優(yōu)化問題進行近似轉(zhuǎn)化為擬凹 問題，如下：
[0013] 4)利用拉格朗日對偶優(yōu)化方法，獲得3)中的優(yōu)化問題的拉格朗日對偶函數(shù)#，如 下：
[0015] 5)當A>0時，解得最優(yōu)的信源節(jié)點發(fā)射功率和中繼節(jié)點發(fā)射功率閉合形式解， 如下：
[0018] 6)當A= 0時，解得最優(yōu)的信源節(jié)點發(fā)射功率和中繼節(jié)點發(fā)射功率閉合形式解， 如下：
[0019]
[002。 7)判斷步驟6)中所得到的最優(yōu)解，是否滿足步驟如中的約束條件。若不滿足，則 舍去，直接將步驟5)中獲得最優(yōu)解作為最優(yōu)功率分配方案。若滿足約束，則將其代入目標 函數(shù)計算出能效值，并與步驟5)中獲得的最優(yōu)解所得到的能效值進行比較，取較大能效值 對應(yīng)的最優(yōu)功率組合作為最優(yōu)功率分配方案；
[0022] 8)中繼節(jié)點將步驟7)中獲得的最優(yōu)信源發(fā)射功率P,通過反饋信道傳給信源節(jié) 占. '?、、，
[002引 9)信源節(jié)點W最優(yōu)功率P潑送信號，中繼節(jié)點收到信源節(jié)點的信號后，W最優(yōu)功 率Pf放大信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿節(jié)點。
[0024] 其中：Ihl-第一跳信道增益的模值，|g|-第二跳信道增益的模制，P,-信源節(jié)點發(fā) 射機的發(fā)射功率，Pf-中繼節(jié)點發(fā)射機的發(fā)射功率，ai-信源節(jié)點發(fā)射機功率放大器功率轉(zhuǎn) 換系數(shù)，bi-信源節(jié)點發(fā)射機的固定電路功耗，a,-中繼節(jié)點發(fā)射機功率放大器功率轉(zhuǎn)換系 數(shù)，b,-中繼節(jié)點發(fā)射機的固定電路功耗，r。一系統(tǒng)的頻譜效率最低要求，A-拉格朗日乘 子系數(shù)：
一算法參數(shù)，W林一心柳始:rtW函數(shù)，其定義為：關(guān)于變 量Z的方程如d) =zez，則關(guān)于Z的解可W表示用LambertW函數(shù)表示，即若=Wl游。
[00巧]本發(fā)明提出了一種基于能效最大化的低復(fù)雜度聯(lián)合功率分配方法，即中繼節(jié)點根 據(jù)當前的信道響應(yīng)信息，直接通過閉合形式解求得信源節(jié)點和中繼節(jié)點的最優(yōu)發(fā)射功率組 合，并將最優(yōu)的信源節(jié)點發(fā)射功率值通過反饋信道通知給信源節(jié)點。整個算法不需要迭代 過程，大大地降低了復(fù)雜度，同時只需要最優(yōu)功率值反饋給信源節(jié)點，極大地降低了所需要 的信息反饋開銷。和普通速率最大化算法相比，在系統(tǒng)能效性能方面具有更為突出的增益， 對于實際中繼通信系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用效果。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)模型；
[0027] 圖2為本發(fā)明基本流程圖；
[0028] 圖3為在不同的QoS約束下，所提方法與現(xiàn)有兩種方案的能效性能對比圖；
[0029] 圖4為在不同的功率消耗參數(shù)模型下，系統(tǒng)的能效變化曲線。
【具體實施方式】
[0030] 具體理論基礎(chǔ)說明：
[0031] 本發(fā)明針對如圖1所示的單用戶單天線兩跳中繼系統(tǒng)，W最大化系統(tǒng)能效為優(yōu)化 目標，W指定的最小系統(tǒng)頻譜效率為約束，W信源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)射功率為優(yōu)化變量 建立優(yōu)化模型，即：
[0033] 其中：目標函數(shù)的分子表示系統(tǒng)的頻譜效率函數(shù)，分母表示整個系統(tǒng)的實際功率 消耗函數(shù)，IhI-圖1中所示的第一跳信道增益的模值，IgI-圖1中所示的第二跳信道增益 的模值，Ps-圖1所示的信源節(jié)點發(fā)射機的發(fā)射功率，Pf-圖1所示的中繼節(jié)點發(fā)射機的發(fā) 射功率，ai-圖1所示的信源節(jié)點發(fā)射機功率放大器功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，bi-圖1所示的信源節(jié) 點發(fā)射機的固定電路功耗，曰2-圖1所示的中繼節(jié)點發(fā)射機功率放大器功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，b2-圖1所示的中繼節(jié)點發(fā)射機的固定電路功耗，r。一系統(tǒng)的頻譜效率最低要求。
[0034] 上述優(yōu)化問題的目標函數(shù)關(guān)于變量P郝Pf是非凸的，因此，沒有一種標準的凸優(yōu) 化方法能普遍適應(yīng)此問題并且給出最優(yōu)解。但是，考慮大信噪比區(qū)間時，即PfIgr+p」hr> > 1，可W將原優(yōu)化問題進行如下精確的近似，
[003引可W證明得到似中的目標函數(shù)為擬凹函數(shù)。從而，可W使用拉格朗日對偶方法 求解該問題。進一步，得到問題（2)的拉格朗日對偶函數(shù)如下：
[0038] 其中，A表示朗格朗日乘子系數(shù)，且滿足A> 0。
[0039] 根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker(邸T)條件可知，r在對山，Pr]的一階導(dǎo)數(shù)滿足等于 0,即
[0040]
[00川從而，可W得到Ps和Pr的關(guān)系式，如下：
[004引利用Lamber