多源多中继无线网络功率最小化的中继选择方法

摘要

一种多源多中继无线网络功率最小化的中继选择方法，包括以下步骤：1)每个中继节点感知从发送节点到其自身，以及从其自身到目的节点的信道增益，然后将信道增益和该中继节点的最大发送功率通知发送节点；2)每个源节点计算在满足中断概率的情况下源节点和中继节点的最小发送功率；3)对于无线通信网络,每个用户需要选择一个中继节点使整个系统的总传输功率最小；4)根据用户i到目的节点D的信道的中断概率，计算在保证信道不发生中断的情况下，源节点i和中继节点j的最小发送功率；5)用户i选择使效益最大的中继节点帮助自己中转信息。本发明在瑞利衰落信道下，源节点选择中继节点为以最小化系统总传输功率的中继节点。

主权项

一种多源多中继无线网络功率最小化的中继选择方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)每个中继节点感知从源节点到其自身，以及从其自身到接收节点的信道增益，然后将信道增益和该中继节点的最大发送功率通知源节点；通过中继节点感知到的信道信息和中继节点及接收节点接收到的噪音功率，得到相关信噪比如下：${\gamma }_j\left(p_i\right)=\frac{p_i{g}_{i,j}{f}_{i,j}}{n_j}$${\gamma }_D\left(p_j\right)=\frac{p_j{g}_{j,D}{f}_{j,D}}{n_D}---\left(1\right)$约束条件为：p_i≤SourceP_i,max,p_j≤RelayP_j,max其中，式中各参数定义如下：γ_j(p_i)：中继节点j收到的信噪比；p_i：源节点i的发送功率；g_i,j：从源节点i到中继节点j的信道增益；f_i,j:模拟从源节点i到中继节点j的瑞利衰落；n_j：中继节点j收到的噪声功率；SourceP_i,max：源节点i的最大发送功率；γ_D(p_j)：目的节点D收到的信噪比；p_j：中继节点j的发送功率；g_j,D：从中继节点j到目的节点D的信道增益；f_j,D:模拟从中继节点j到目的节点D的瑞利衰落；n_D：目的节点D收到的噪声功率；RelayP_j,max：中继节点j的最大发送功率；2)源节点选择所有符合要求的中继节点，所谓符合要求的中继节点应该满足两个条件：第一，公式(1)中得出的信噪比应该大于一个阈值γ；第二，中继节点的中断概率应该小于一个阈值β$\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{ij}}=1-\mathrm{Prob}({\gamma }_j\left(p_i\right)\ge \gamma ,{\gamma }_D\left(p_D\right)\ge \gamma )\\ =1-\mathrm{Prob}({\gamma }_j\left(p_i\right)\ge \gamma )\mathrm{Prob}({\gamma }_D\left(p_D\right)\ge \gamma )\\ =1-\exp (-\frac{n_i\gamma }{g_{i,j}{p}_i})\exp (-\frac{n_D\gamma }{g_{j,D}{p}_j})\end{array}---\left(2\right)$约束条件为:γ_j(p_i)≥γγ_D(p_j)≥γO_ij≤β其中，式中各参数定义如下：O_ij：源节点i和中继节点j组成的链路的中断概率；γ：信噪比的阈值，节点信噪比大于该阈值的点才被选取；β：中断概率的阈值，中继节点的中断概率小于该阈值时才被选取；3)对于具有n个用户，m个中继节点的无线通信网络,每个用户需要选择一个中继节点使整个系统的总传输功率最小，选择一种中继节点分配方式C满足下式：$\min {\Sigma }_{i=1}^n{\Sigma }_{j=1}^m(p_i+p_j)c_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$约束条件为：O_ij≤β,0≤p_i≤SourceP_I,max,0≤p_j≤RelayP_j,max,${\Sigma }_{i=1}^n{c}_{\mathrm{ij}}=1,i=\mathrm{1,2},...,N,$${\Sigma }_{i=1}^n{c}_{\mathrm{ij}}=1,j=\mathrm{1,2},...,M,$c_ij∈{0,1}其中，C是一个分配数组，c_ij表示用户i选择中继节点j，表示一个用户只能选择一个中继节点，表示一个中继节点最多被一个用户选择；定义一个映射α:{1,…,n}→{1,…,m}，即当且仅当用户i选择中继节点j时，α(i)＝j，另外，使用β_ij表示‑(p_i+p_j)，这样就将该最小化问题转换为最大化问题：${\Sigma }_{i=1}^n{\Sigma }_{j=1}^m{\beta }_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$约束条件为：O_ij≤β,${\Sigma }_{i=1}^n{c}_{\mathrm{ij}}=1,i=\mathrm{1,2},...,N,$${\Sigma }_{i=1}^n{c}_{\mathrm{ij}}=1,j=\mathrm{1,2},...,M,$c_ij∈{0,1}4)根据用户i到目的节点D的信道的中断概率，计算在保证信道不发生中断的情况下，源节点i和中继节点j的最小发送功率，对于用户i，如果那么源节点i不可能通过信道(i，j)和目的节点通信，所以在这种情况下将源节点i的功率与中继节点j的功率之和设为无穷大，在的情况下，将所有符合要求的中继节点分成两类，如果$(\sqrt{\frac{n_j}{g_{i,j}}}+\sqrt{\frac{n_D}{g_{j,D}}})\le$$-\frac{\ln (1-\beta )}{\gamma }\min \{{\mathrm{SourceP}}_{i,\max }\sqrt{\frac{g_{i,j}}{n_j}},{\mathrm{RelayP}}_{j,\max }\sqrt{\frac{g_{j,D}}{n_D}}\},$用户i和中继节点k的最小发送功率分别是$p_i=-\frac{\gamma }{\ln (1-\beta )}(\sqrt{\frac{n_j}{g_{i,j}}}+\sqrt{\frac{n_D}{g_{i,D}}})\sqrt{\frac{n_j}{g_{i,j}}},$$p_j=-\frac{\gamma }{\ln (1-\beta )}(\sqrt{\frac{n_j}{g_{i,j}}}+\sqrt{\frac{n_D}{g_{i,D}}})\sqrt{\frac{n_D}{g_{j,D}}}---\left(5\right)$如果$(\sqrt{\frac{n_j}{g_{i,j}}}+\sqrt{\frac{n_D}{g_{j,D}}})>-\frac{\ln (1-\beta )}{\gamma }\min \{{\mathrm{SourceP}}_{i,\max }\sqrt{\frac{g_{i,j}}{n_j}},{\mathrm{RelayP}}_{j,\max }\sqrt{\frac{g_{j,D}}{n_D}}\},$那么$p_i+p_j=\min \{{\mathrm{SourceP}}_{i,\max }+n_D{g}_{j,D}^{-1}(-\frac{\ln (1-\beta )}{\gamma }-$${g_{i,j}^{-1}{n}_j{\mathrm{SourceP}}_{i,\max })}^{-1},{\mathrm{RelayP}}_{i,\max }+n_j{g}_{i,j}^{-1}(-\frac{\ln (1-\beta )}{\gamma }-$${g_{j,D}^{-1}{n}_D{\mathrm{RelayP}}_{j,\max })}^{-1}\},$通过上式，每个用户节点都可以求出到达目的节点的所有信道的功率；5)假设每个中继节点在时刻t都有一个价格price_j(t)，用户如果想要选择该中继节点，必须要支付该价格，用户i选择使效益最大的中继节点帮助自己中转信息，定义β_ij‑price_j(t)表示用户i使用中继j的效益，如果用户i选择中继j，则应满足${\beta }_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{price}}_j\left(t\right)=\underset{1\le k\le m}{\max }\{{\beta }_{\mathrm{ik}}-{\mathrm{price}}_k\left(t\right)\};$如果每个用户所选择的中继节点都满足上述条件，那么这种分配状态就是一种均衡状态，此时的分配就是使总传输功率最小的分配。