一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法
【專利摘要】一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，包括以下兩個階段：第一個階段是廣播過程，源用戶S以廣播的形式向周圍發(fā)送信息,所有的中繼節(jié)點和目的節(jié)點D都能夠接收到源節(jié)點的信號；第二個階段中,中繼節(jié)點將接收到的來自源節(jié)點的信息以放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送到目的節(jié)點,最后用最大比合并的方法來處理第一個階段、第二個階段接收到的多路信號。所述方法提出一種基于系統(tǒng)容量的優(yōu)化功率分配方案，測量各測點間的狀態(tài)信息，計算源節(jié)點到中繼節(jié)點、中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信噪比；計算容量并分析系統(tǒng)容量與信道強(qiáng)度的關(guān)系；在總發(fā)射功率一定的約束條件下，得到最優(yōu)功率分配方案；將源節(jié)點和各中繼節(jié)點以分配的功率參與直接傳輸或協(xié)同傳輸。
【專利說明】
一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，屬無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 協(xié)同通信技術(shù)作為一種虛擬的ΜΜ0技術(shù)，通過虛擬天線陣列使得用戶能夠獲得協(xié) 同分集增益，協(xié)同無線通信能夠在慢衰落的無線通信環(huán)境中提供顯著的性能增益。功率分 配技術(shù)一直是無線通信系統(tǒng)中對抗衰落和同頻干擾的一項重要技術(shù)，合理的功率分配方案 可以提高資源利用率，提升系統(tǒng)的容量和性能。在多中繼協(xié)同通信方面，很多研究者在功率 分配方面進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，如有文獻(xiàn)研究了多中繼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)在Nakagami-m衰落信道中 的性能，推導(dǎo)了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中斷概率的上限和下限；在LTE-A系統(tǒng)中，為了降低多個中繼 工作在同一頻帶和時隙中所帶來的小區(qū)內(nèi)干擾，也有提出了一種低復(fù)雜度的貪婪中繼選擇 算法;對于多中繼系統(tǒng)的中繼選擇方案。現(xiàn)有的關(guān)于協(xié)同通信功率分配的研究大多基于一 個簡單的系統(tǒng)模型，算法復(fù)雜度較高，且需要預(yù)知全部信道狀態(tài)信息，本發(fā)明提出基于系統(tǒng) 容量的功率分配方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多中繼和系 統(tǒng)容量的功率分配方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種基于多中繼與系統(tǒng)容量的協(xié)同通信方法，包括以下兩個階段:第一個階段是 廣播過程，源用戶S以廣播的形式向周圍發(fā)送信息，所有的中繼節(jié)點心和目的節(jié)點D都能夠 接收到源節(jié)點的信號；第二個階段中，中繼節(jié)點將接收到的來自源節(jié)點的信息以放大轉(zhuǎn)發(fā) 的方式發(fā)送到目的節(jié)點，最后用最大比合并的方法來處理第一個階段、第二個階段接收到 的多路信號。
[0006] 所述方法提出一種基于系統(tǒng)容量的優(yōu)化功率分配方案，測量各測點間的狀態(tài)信 息，計算源節(jié)點到中繼節(jié)點、中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信噪比;計算容量并分析系統(tǒng)容量與信 道強(qiáng)度的關(guān)系;在總發(fā)射功率一定的約束條件下，得到最優(yōu)功率分配方案;將源節(jié)點和各中 繼節(jié)點以分配的功率參與直接傳輸或協(xié)同傳輸。
[0007] 所述方法第一個階段中，各個中繼節(jié)點和目的節(jié)點收到的信號分別為.V碼和ySD:
[0008]
[0009]
[0010] 式（1)、式(2)中，X是源節(jié)點發(fā)送的信號，PQ是源節(jié)點的發(fā)射功率，gk是源節(jié)點到各 個中繼節(jié)點間的信道增益，f是目的節(jié)點和源節(jié)點之間的信道增益，假設(shè)信道服從均值為 零，源節(jié)點到各中繼節(jié)點的信道符合方差為的高斯分布，目的節(jié)點到源節(jié)點的信道符 合方差為OSD的高斯分布;是源節(jié)點和各中繼節(jié)點間的加性高斯白噪聲，n SD為源節(jié)點和目 的節(jié)點間的加性高斯白噪聲，它們服從均值為零，方差分別為#?^PNSD的復(fù)高斯分布。
[0011] 所述方法第二個階段中，目的節(jié)點接收到的信號.可以表示為：
[0012]
(3)
[0013 ] 式⑶中，hk為Rk到D (基站)之間的信道增益，V為對應(yīng)信道中的噪聲，這里假設(shè)其 為AWGN，Pk為第k個中繼用戶的發(fā)送功率。
[0014]所述方法第二階段，為了使信噪比最大，采用MRC合并，接收信號的表達(dá)式如下：
[0015](4) Λ=1
[0016] 式(4)中，Asd和Λ·#分別為MRC合并中直接傳輸支路和協(xié)同傳輸支路的系數(shù)，其具體 表達(dá)式為：
[0019] 所述優(yōu)化功率分配方案中，在第一個階段，源節(jié)點到中繼節(jié)點R,的信噪比為：
[0017]
[0018]
[0020]
(7)
[0021] 在第(i+Ι)個時隙，第i個中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的信噪比為：
[0022]
(8)
[0023] 式(7)與（8)中，cti和分別為源節(jié)點S到中繼節(jié)點Ri和中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的 信道強(qiáng)度，系統(tǒng)容量為：
[0024]
(9)
[0030] (10)
[0025] 式(9)中：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]為了使所述系統(tǒng)容量C最大，在Ps+Pr = P的約束下，運用拉格朗日乘子法得：
[0032] 式（10)和（11)中，
[0031] (U)
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提出了一種新的協(xié)同通信協(xié)議，并詳細(xì)深入的介紹 了這種協(xié)同通信系統(tǒng)。該協(xié)議不同于一般的協(xié)同通信，它完成一次通信分為兩個階段:第一 個階段源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信息給目的節(jié)點和中繼節(jié)點；第二個階段把中繼節(jié)點的信息再傳遞 給目的節(jié)點，最后目的節(jié)點用最大比合并接收兩個階段的信息。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明新協(xié)議協(xié)同通信系統(tǒng)圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明所述的協(xié)同通信系統(tǒng)中功率的分配方法的實施例的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040] 實施例1:新協(xié)議下的協(xié)同通信系統(tǒng)
[0041] 如圖1所示的協(xié)同通信系統(tǒng)，心"^心…匕為中繼節(jié)點選擇區(qū)域中的各個中繼節(jié) 點，S為源節(jié)點，D為目的節(jié)點每個節(jié)點攜帶一根天線，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道兩兩相互 正交，中繼節(jié)點與中繼節(jié)點之間的信道也兩兩相互正交，新協(xié)議協(xié)同通信分為兩個階段:第 一個階段是廣播的過程，這個階段源節(jié)點S向中繼和目的節(jié)點廣播要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，所有 的中繼節(jié)點R:和目的節(jié)點D都能夠接收到源節(jié)點的信號。在這個階段中，各個中繼節(jié)點和目 的節(jié)點收到的信號分別為.??和y SD:
[0042] (1)
[0043] ⑵
[0044]式（1)、式(2)中，X是源節(jié)點發(fā)送的信號，Po是源節(jié)點的發(fā)射功率，gk是源節(jié)點到各 個中繼節(jié)點間的信道增益，f是目的節(jié)點和源節(jié)點之間的信道增益，我們假設(shè)信道服從均值 為零，源節(jié)點到各中繼節(jié)點的信道符合方差為的高斯分布，目的節(jié)點到源節(jié)點的信道 符合方差為〇 SD的高斯分布;是源節(jié)點和各中繼節(jié)點間的加性高斯白噪聲，nSD為源節(jié)點和 目的節(jié)點間的加性高斯白噪聲，它們服從均值為零，方差分別為和Nsd的復(fù)高斯分布。
[0045] 第二個階段中，目的節(jié)點接收到的信號可以表示為：
[0046](3)
[0047] 式(3)中，hk為Rk到D(基站)
之間的信道增益，為對應(yīng)信道中的噪聲，這里假設(shè)其 為AWGN，Pk為第k個中繼用戶的發(fā)送功率。
[0048]為了使信噪比最大，最后目的節(jié)點采用最大比合并的方法來處理第一個階段、第 二個階段接收到的多路信號，接收信號的表達(dá)式如下：
[0049]
(4)
[0050] 式(4)中，Asd和分別為MRC合并中直接傳輸支路和協(xié)同傳輸支路的系數(shù)，其具體 表達(dá)式為：
[0051] (5)
[0052] (6)
[0053]實施例2:新協(xié)議下系統(tǒng)容量公式的推導(dǎo)
[0054] 在第一個階段，源節(jié)點到中繼節(jié)點R,的信噪比為：
[0055](7) ?
[0056] 在第(i+1)個時隙，第i個中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的信噪比為：
[0057]
(8)
[0058] 式(7)與（8)中，分別為源節(jié)點S到中繼節(jié)點Ri和中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的信道強(qiáng)度，系統(tǒng)容量為：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 從式(9)可以看出，系統(tǒng)容量與信道強(qiáng)度有關(guān)，只有使信宿節(jié)點信噪比最大，才能 使系統(tǒng)容量最大。由此，得到本發(fā)明的根本思想:如果第i個中繼兩端信道質(zhì)量好，則分配較 多功率；否則分配較少功率。第i個中繼節(jié)點兩端信道強(qiáng)度獨立分布，基于瓶頸效應(yīng)，min (cujO決定了第i個中繼節(jié)點的傳輸性能。所以，第i個中繼節(jié)點發(fā)送功率的權(quán)值為：
[0064] hi=min(ai ,β?) (10)
[0065] 則第i個中繼節(jié)點的發(fā)送功率為：
「 π 01)
[0066]
[0067]系統(tǒng)總的發(fā)射功率一定，即
[0068] Ps+Pr = P (12)
[0069] 所以基于系統(tǒng)容量的優(yōu)化功率分配方案，在式（12)的約束下，使(9)最大，運用拉 格朗日乘子法得：
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 其中，Gi、Fi、Ei是由ctiji等變量推算出來的表達(dá)式結(jié)果;δΑ高斯白噪聲服從分布 的方差Α為目的節(jié)點到源節(jié)點的信道符合為高斯分布的方差，隊中繼節(jié)點心到目的節(jié)點D 的信道強(qiáng)度。
【主權(quán)項】
1. 一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括W下兩個 階段:第一個階段是廣播過程，源用戶SW廣播的形式向周圍發(fā)送信息，所有的中繼節(jié)點Ri 和目的節(jié)點D都能夠接收到源節(jié)點的信號;第二個階段中，中繼節(jié)點將接收到的來自源節(jié)點 的信息W放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送到目的節(jié)點，最后用最大比合并的方法來處理第一個階段、 第二個階段接收到的多路信號。 所述方法提出一種基于系統(tǒng)容量的優(yōu)化功率分配方案，測量各測點間的狀態(tài)信息，計 算源節(jié)點到中繼節(jié)點、中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信噪比；計算容量并分析系統(tǒng)容量與信道強(qiáng) 度的關(guān)系;在總發(fā)射功率一定的約束條件下，得到最優(yōu)功率分配方案;將源節(jié)點和各中繼節(jié) 點W分配的功率參與直接傳輸或協(xié)同傳輸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，所述 第一個階段，各個中繼節(jié)點和目的節(jié)點收到的信號分別為恥S和ysD:(1) 啟 式（1)、式(2)中，X是源節(jié)點發(fā)送的信號，Po是源節(jié)點的發(fā)射功率，gk是源節(jié)點到各個中 繼節(jié)點間的信道增益，f是目的節(jié)點和源節(jié)點之間的信道增益;假設(shè)信道服從均值為零，源 節(jié)點到各中繼節(jié)點的信道符合方差為n心A的高斯分布，目的節(jié)點到源節(jié)點的信道符合方差 為曰SD的高斯分布;"邱是源節(jié)點和各中繼節(jié)點間的加性高斯白噪聲，nsD為源節(jié)點和目的節(jié)點 間的加性高斯白噪聲，它們服從均值為零，方差分別為和Nsd的復(fù)高斯分布。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，所述 第二個階段，目的節(jié)點接收到的信號表示為：(3) 式（3)中，hk為Rk到D(基站）之間的信道增益，^.^為對應(yīng)信道中的噪聲，運里假設(shè)其為 AWGN，Pk為第k個中繼用戶的發(fā)送功率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，所述 第二階段，為了使信噪比最大，采用MRC合并，目的節(jié)點接收信號的表達(dá)式如下：(4)式(4)中，、沸^分別為MRC合并中直接傳輸支路和協(xié)同傳輸支路的系數(shù)，其具體表達(dá) 式為： 巧） ㈱。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，所述 優(yōu)化功率分配方案中，在第一個階段，源節(jié)點到中繼節(jié)點Ri的信噪比為： (7)在第(i+lM ?點把到目的節(jié)點〇的信噪比為： (8) 式(7)與（8)中，Qi和01分別為源節(jié)點巧I忡繼節(jié)點Ri和中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的信道強(qiáng) 度，系統(tǒng)容量為：6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于多中繼與系統(tǒng)容量的功率分配方法，其特征在于，為了 所述系統(tǒng)容量最大，在Ps+Pr = P的約束下，運用拉格朗日乘子法得： (9) 式(9)中，(IQ) (11) 式中，Ps為源節(jié)點發(fā)送功率;Pr為中繼節(jié)點總功率;P為系統(tǒng)總發(fā)射功率； 式(10)和（11)中Gi、Fi、Ei是由ai，S海變量推算出來的表達(dá)式結(jié)果；S功高斯白噪聲服從分布的方差，Oi 為目的節(jié)點到源節(jié)點的信道符合為高斯分布的方差，扣中繼節(jié)點Ri到目的節(jié)點D的信道強(qiáng) 度。
【文檔編號】H04B7/02GK105991166SQ201610474642
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】丁青鋒, 邱翔
【申請人】華東交通大學(xué)