認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法,屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,頻譜變得越來越稀缺,傳統(tǒng)的頻譜管理方法無法 滿足實(shí)際的需要。為了解決頻譜資源稀缺和頻譜使用率低的問題,提出了認(rèn)知無線電 (Cognitive radio,CR)技術(shù)。與此同時,由于中繼通信技術(shù)可W減少多徑衰落、提高信道容 量,中繼通信技術(shù)正成為無線通信系統(tǒng)中空間分集的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,將中繼通信技術(shù) 與CR結(jié)合,能夠進(jìn)步一提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能。
[0003] 傳統(tǒng)的針對認(rèn)知中繼系統(tǒng)的研究主要集中在功率分配、中繼分配/選擇、服務(wù)質(zhì)量 和子信道分配等方面,沒有考慮系統(tǒng)的能耗問題。雖然中繼系統(tǒng)能夠很好地利用空間增益 克服信道衰落,但是采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號引起了額外的能量消耗,因此在使用中繼系統(tǒng)時需 要進(jìn)行權(quán)衡。近年來,W指數(shù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和無處不在的訪問需求,引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 的巨大擴(kuò)張,運(yùn)使得無線網(wǎng)絡(luò)的能量消耗非???,并產(chǎn)生了大量的二氧化碳。因此,提高能 量效率化ne巧y EffiCiency,EE)在未來的無線通信設(shè)計中變得越來越重要。
[0004] 另外,通常在計算次用戶(SecondaiT User,SU)對主用戶(PrimaiT User,PU)產(chǎn)生 的干擾功率時,均假設(shè)SU與PU之間的信道狀態(tài)信息(化annel State Information ,CSI)對 于SU來講都是已知的。在實(shí)際應(yīng)用中,由于SU與PU之間缺少協(xié)作W及其他一些因素(如:信 道估計誤差、時間延遲、頻率偏移等),很少能夠獲得它們之間的準(zhǔn)確CSI。
[0005] 申請?zhí)枮?01410097168.9,發(fā)明名稱為"一種認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中功率分配方法"的申 請,引入柯西-施瓦茨不等式,避免使用迭代方法,大大降低計算復(fù)雜度,達(dá)到了與基于內(nèi)點(diǎn) 法的最優(yōu)功率分配方法十分接近的性能。
[0006] 申請?zhí)枮?01510254819.5,發(fā)明名稱為"基于博弈論的多用戶多天線認(rèn)知無線電 系統(tǒng)功率分配方法"的申請,采用博弈論算法來優(yōu)化分配在多用戶天線系統(tǒng)中各用戶節(jié)點(diǎn) 的發(fā)送功率,首先每個中繼節(jié)點(diǎn)的所有天線作為一個整體參與博弈,采用非合作博弈,挑選 出其中能夠參與通信的中繼節(jié)點(diǎn)并分配功率,達(dá)到納什均衡后每個節(jié)點(diǎn)獲得的功率作為它 們自身的總功率;然后每一節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的各根天線作為博弈的參與者,在總功率一定的約束 條件下進(jìn)行非合作博弈,得到每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)每根天線的實(shí)際發(fā)送功率。
[0007] 上述申請中均未考慮在SU與PU之間的信道狀態(tài)信息不明情況下如何計算次用戶 對主用戶產(chǎn)生的干擾功率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[000引本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足,提供了認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中 繼系統(tǒng)的功率分配方法,在考慮SU與PU之間的CSI無法準(zhǔn)確獲取的情況下,從提高系統(tǒng)能量 效率的角度出發(fā),提供了一種在保障PU用戶傳輸?shù)那闆r下提高系統(tǒng)能量效率的功率分配方 法,解決了假設(shè)SU與PU之間CSI已知來分配認(rèn)知無線中繼系統(tǒng)功率的方案忽略了 SU與PU之 間CSI難W準(zhǔn)確獲取的實(shí)際情況的技術(shù)問題。
[0009] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0010] 認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法,包括如下步驟:
[00" ] A、建立系統(tǒng)會糧效率最大化的鐵優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):
其中,試為次用戶發(fā)射機(jī)在第n個子信道上的發(fā)射功率,試為中繼在第n個子信道上的發(fā)射功 率,Xn為與第n個子信道有關(guān)的變量,引入變量Xn的約束條件:
入表示各信道信息傳輸速率之和與系統(tǒng)總功耗之比的參數(shù),N為子信道個數(shù),1/tS和1/^分別 為次用戶發(fā)射機(jī)端和中繼端功率放大器的漏極效率,巧和皆為分別次用戶發(fā)射機(jī)端和中 繼端的電路功率,為從次用戶發(fā)射機(jī)到中繼的信道增益,/f為從次用戶發(fā)射機(jī)到次用 戶接收機(jī)的信道增益,巧S為從中繼到次用戶接收機(jī)的信道增益,為和的分別為中繼端和
次用戶接收機(jī)端的加性高斯白噪聲方差,IP哺I?分別為主用戶對次用戶和中繼的干擾功 率,
[001。 初始化參數(shù)側(cè)及使參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中 相近的闊值S;
[0013] B、根據(jù)次用戶發(fā)射機(jī)與主用戶之間的信道統(tǒng)計信息W及中繼與主用戶之間的信 道統(tǒng)計信息分別建立信道狀態(tài)不明情況下的次用戶發(fā)射機(jī)對主用戶的干擾功率約束條件 和中繼對主用戶的干擾功率約束條件;
[0014] C、聯(lián)立步驟A建立的參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和引入的變量Xn的約束條件、步驟B建立的 信道狀態(tài)不明情況下的次用戶發(fā)射機(jī)對主用戶的干擾功率約束條件和中繼對主用戶的干 擾功率約束條件、次用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射功率約束條件和中繼發(fā)射功率約束條件,得到認(rèn)知中 繼系統(tǒng)能量效率最大化的等效優(yōu)化問題;
[0015] D、求解步驟C所述優(yōu)化問題得到次用戶發(fā)射機(jī)在第n個子信道上的發(fā)射功率和 中繼在n個子信道上的發(fā)射功率試W及變量Xn;
[0016] E、由步驟D求解的次用戶發(fā)射機(jī)在第n個子信道上的發(fā)射功率妃和中繼在n個子信 道上的發(fā)射功率姑W及變量Xn,更新參數(shù)入;
[0017] F、將當(dāng)前迭代計算得到的次用戶發(fā)射機(jī)在第n個子信道上的發(fā)射功率試和中繼在 n個子信道上的發(fā)射功率好W及變量Xn和參數(shù)A帶入?yún)?shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)求解,求解的結(jié)果在 闊值S范圍內(nèi)時確定當(dāng)前迭代計算的次用戶發(fā)射機(jī)在第n個子信道上的發(fā)射功率記和中繼 在n個子信道上的發(fā)射功率孩f為最優(yōu)解,求解的結(jié)果超出闊值S范圍時重復(fù)步驟D和步驟E 直至求得最優(yōu)解。
[0018] 作為所述認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案,步驟B中建 立的信道狀態(tài)不明情況下的次用戶發(fā)射機(jī)對主用戶的干擾功率約束條件和中繼對主用戶 的干擾功率約束條件為:
[0020] 其中,p(*)表示概率,Af為從次用戶發(fā)射機(jī)到主用戶發(fā)射機(jī)的信道增益,Af為從 中繼到主用戶發(fā)射機(jī)的信道增益
Ts為正交頻分多址的符號周期,dn 為主用戶頻帶到第n個子信道的頻譜距離,B為主用戶占用的帶寬,f為子信道帶寬,貨第n 個子信道的干擾口限值,nth為概率口限值。
[0021] 進(jìn)一步的,所述認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法中,信道狀態(tài)不明情況下 的次用戶發(fā)射機(jī)對主用戶的干擾功率約束條件和中繼對主用戶的干擾功率約束條件等效 為:
[0023] 其中,asP和QRP為次用戶發(fā)射機(jī)與主用戶之間信道W及中繼與主用戶之間信號服 從瑞麗衰落的參數(shù)。
[0024] 作為所述認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法的再進(jìn)一步優(yōu)化方案,步驟E中 由表達(dá)式:
更新參數(shù)A,其中,t表示迭代次數(shù),(Xt,pt)和(,PW)分別表示 第t次和第t+1求得的解,
[0025] 作為所述認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)的功率分配方法的更進(jìn)一步優(yōu)化方案,步驟C中 所述次用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射功率約束條件和中繼發(fā)射功率約束條件為
其中,巧為次用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射功率口限值,理為中繼發(fā)射功率口限值。
[0026] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案,具有W下有益效果:本發(fā)明考慮到次用戶與主用戶之 間信道狀態(tài)信息難W準(zhǔn)確獲取的實(shí)際情況,在優(yōu)化認(rèn)知解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)中功率分配方案 的過程中,引入了根據(jù)次用戶與主用戶之間統(tǒng)計信息確定的信道狀態(tài)不明情況下的次用戶 發(fā)射機(jī)對主用戶的干擾功率約束條件,W及根據(jù)中繼與主用戶之間統(tǒng)計信息確定的信道狀 態(tài)不明情況下的中繼對主用戶的干擾功率約束條件,首先對統(tǒng)計干擾約束條件進(jìn)行等效變 換,然后引入變量將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等效的凸優(yōu)化問題得到本發(fā)明的技術(shù)方案,利用本 發(fā)明的方法能夠在保證主用戶通信質(zhì)量的情況下獲得較高的系統(tǒng)能量效率。
[0027] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出,運(yùn)些將從下面的描述中變 得明顯,或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明提出方法中系統(tǒng)能量效率隨概率口限IUh變化的曲線。
[0029] 圖2為本發(fā)明提出方法中系統(tǒng)能量效率隨次用戶功率口限巧變化的曲線。
[0030] 圖3為本發(fā)明提出方法中系統(tǒng)能量效率隨中繼功率口限巧變換的曲線。
[0031] 圖4為本發(fā)明提出方法中系統(tǒng)能量效率隨干擾功率口限Ith變化的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,W下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W理解,除非另外定義,運(yùn)里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語 和科學(xué)術(shù)語)具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該 理解的是,諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意 義一致的意義,并且除非像運(yùn)里一樣定義,不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0034] 考慮一個認(rèn)知0FDMA(0;rthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)中繼系統(tǒng),該系統(tǒng)包含一個次用戶發(fā)射機(jī)(SecondaiT User Transmitter, SUT)、一 個次用戶接收機(jī)(SecondaiT User Receiver,SUR)W及一個中繼節(jié)點(diǎn),SUT通過中繼與SUR 進(jìn)行通信,該認(rèn)知中繼系統(tǒng)與一個授權(quán)的PU共存。假設(shè)PU占用的帶寬為BHz, SU可用的子信 道個數(shù)N,子信道帶寬為A f Hz。該認(rèn)知中繼系統(tǒng)采用半雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)(〇6。〇(16-曰11(1-化rward,DF)協(xié)作通信方式。在第一個時隙,SUT直接發(fā)送數(shù)據(jù)給中繼和SUR。在第二個時隙, 中繼轉(zhuǎn)發(fā)譯碼后的數(shù)據(jù)給SUR。
[0035] 令達(dá)和試分別表示洲T和中繼在第n個子信道上的發(fā)射功率,那么在兩個時隙中 SUT與中繼鏈路、SUT與SUR鏈路、中繼與SUR鏈路的信噪比皆、、好S分別為:
(1)
[0037] 其中,/f為從SUT到中繼的信道增益,Af為從洲T到洲R的信道增益,為從中繼 到洲R的信道增益,誠和口分別為中繼端和洲R端的加性高斯白噪聲方差,和I?分別為 PU對SU和中繼的干擾功率。
[0038] 令rn表示第n個子信道上的信息傳輸速率,那么rn可通過下式計算得到:
(2)
[0040] SUT和中繼消耗的功率ps、pK分別表示為:
[0042] 其中,IAS和1/非為洲T端和中繼端功率放大器的漏極效率,巧和巧為洲T端和中 繼端的電路功率。那么,SUT和中繼消耗的總功率為:
片)
[0044]認(rèn)知中繼系統(tǒng)的能量效率定義為:
巧)
[0046] SUT和中繼分別在第一個時隙和第二個時隙對PU產(chǎn)生干擾,假設(shè)PU對干擾比較敏 感,為了保護(hù)PU,每個子信道都設(shè)有干擾n限(聲為第n個子信道的干擾口限值)。那么,SUT 和中繼在每個子信道上對PU產(chǎn)生的干擾功率應(yīng)滿足如下約束條件:
掛
[004引其中,皆和C分別為洲T和中繼與PU之間的信道增益,
為OFDMA符號周期,dn為PU頻