针对总功率和单个节点功率联合受限的双跳全双工DF中继最优功率分配方法

摘要

一种针对总功率和单个节点功率联合受限的双跳全双工DF中继最优功率分配方法，涉及移动通信技术领域。本发明针对双跳全双工解码转发中继(Decode-and-Forward,DF)系统的总功率和单个节点功率联合受限问题而提出的，使得系统的端到端的中断性能达到最佳。当节点总的发射功率受限为P_Total并且单个节点的发射功率受限为P_Max时，建立双跳全双工DF中继系统的最优功率分配目标函数并对其进行最优化解算，求得使该式最大且满足其约束条件得到的p₀和p₁；完成最优功率分配。使用最优功率分配算法时系统的中断概率明显低于使用等功率分配算法时系统的中断概率。

主权项

一种针对总功率和单个节点功率联合受限的双跳全双工DF中继最优功率分配方法，定义双跳全双工DF中继系统由源节点(R₀)、中继节点(R₁)以及目的节点(R₂)组成，信号传播的信道为瑞利衰落信道，假设p_i为节点R_i(i＝0,1)的发射信号的功率，当不考虑自由空间传播损耗时，中继节点R_j(j＝1,2)的接收到的来自中继节点R_i(i＝0,1)的经过衰落信道后信号的平均信噪比为：${\bar{\gamma }}_{i,j}=\frac{{\Omega }_{i,j}{p}_i}{N_0}---\left(1\right)$其中Ω_i,j为信道衰落系数的模值的均方值，N₀为噪声功率；当给定接收信噪比门限γ_th时，双跳全双工DF中继系统的端到端的中断概率P_o(γ_th)为：$P_o\left({\gamma }_{\mathrm{th}}\right)=1-\frac{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,1}}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}}}·\frac{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{0,2}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}}---\left(2\right)$其中，γ_th＝2^R‑1，R为系统端到端的传输效率；其特征在于：所述最优功率分配方法的过程为：步骤一、双跳全双工DF中继系统的最优功率分配目标函数的建立：当节点总的发射功率受限为P_Total并且单个节点的发射功率受限为P_Max时，双跳全双工DF中继最优功率分配策略等价为非线性最优化问题：$\begin{array}{cc}\min & 1-\frac{{\bar{\gamma }}_{0,1}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,1}}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}}}·\frac{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,2}}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}}\\ \mathrm{subject\; to}:& \begin{array}{c}0<p_0+p_1\le P_{\mathrm{Total}}\\ 0<p_0\le P_{\mathrm{Max}},0<p_1\le P_{\mathrm{Max}}\end{array}\end{array}---\left(3\right)$其中，P_Max＝κP_Total并且0.5<κ<1；当κ≤0.5时，联合受限将退化为单个节点功率受限；而当κ≥0.5时，联合受限将退化为总功率受限；所述最优化问题又等价于：$\begin{array}{cc}\min & \frac{{\bar{\gamma }}_{0,1}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,1}}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,1}}}}·\frac{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}+{\gamma }_{\mathrm{th}}{\bar{\gamma }}_{\mathrm{0,2}}}{e}^{-\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{{\bar{\gamma }}_{\mathrm{1,2}}}}\\ \mathrm{subject\; to}:& \begin{array}{c}0<p_0+p_1\le P_{\mathrm{Total}}\\ 0<p_0\le P_{\mathrm{Max}},0<p_1\le P_{\mathrm{Max}}\end{array}\end{array}---\left(4\right)$设则对目标函数去自然对数运算后，则最优化问题等价为：$\begin{array}{cc}\max & -(\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{k_{\mathrm{0,1}}{p}_0}+\frac{{\gamma }_{\mathrm{th}}}{k_{\mathrm{1,2}}{p}_1})-\ln M(p_0,p_1)\\ \mathrm{subject\; to}:& \begin{array}{c}0<p_0+p_1\le P_{\mathrm{Total}}\\ 0<p_0\le P_{\mathrm{Max}},0<p_1\le P_{\mathrm{Max}}\end{array}\end{array}---\left(5\right)$其中：$\begin{array}{c}M(p_0,p_1)=1+\mathrm{AB}+A\frac{p_1}{p_0}+B\frac{p_0}{p_1}\\ A=\frac{k_{\mathrm{1,1}}{\gamma }_{\mathrm{th}}}{k_{\mathrm{0,1}}},B=\frac{k_{\mathrm{0,2}}{\gamma }_{\mathrm{th}}}{k_{\mathrm{1,2}}}\end{array}---\left(6\right)$最终最优功率分配问题转化如公式(5)所示；步骤二、根据上述式(5)进行最优化解算，求得使式(5)最大且满足其约束条件得到的p₀和p₁；完成最优功率分配。