一种频率平坦性衰落信道下多中继的最优功率分配方法

摘要

本发明公开了一种频率平坦性衰落信道下多中继的最优功率分配方法，对于两跳并行的直接放大型(AF)中继网络，该方法在频率平坦衰落环境下，考虑了节点自身的电路处理功率，提出了一种混合功率约束下的最优功率分配方法。其中，混合功率约束是指同时具有上下限约束的中继独立功率约束和中继和功率约束，优化的目标是使系统输出的信噪比最大化。本发明给出了几种情况下系统最大输出信噪比的性能比较，仿真结果表明，当中继节点的独立功率约束的上限约束值一定时，下限约束值越大系统输出的最大信噪比性能越差；当中继节点的独立功率约束的上下限约束值都给定时，中继混合最优功率分配策略的性能优于中继等功率分配策略的性能；系统中继数的增加会为系统带来输出信噪比增益。

主权项

一种频率平坦性衰落信道下多中继的最优功率分配方法，其特征是：针对频率平坦信道衰落情况下的两跳并行直接放大型中继网络，并考虑节点自身的电路处理功率的情况下，提供一种混合功率约束下的频率平坦性衰落信道下多中继的最优功率分配方法；其中，混合功率约束是指同时具有上下限约束的中继独立功率约束和中继和功率约束，该方法包括以下步骤：A.在数据由源节点到目的节点的传输过程中，在第一时隙中，源节点向全部中继节点发射信号，目的节点处于关闭状态；B.在后续的K个时隙中，源节点处于关闭状态，每个时隙只有一个中继节点向目的节点传数据，其余的K‑1个中继节点都处于关闭状态；K个中继节点依次向目的节点传输数据；经过K个时隙后，全部中继节点都与目的节点完成一次通信，且每次中继只通信一次；第i个中继节点工作时，它先对接收到的信号r_i做功率放大，再将放大后的信号往目的节点传输，其中，K为时隙的个数，r_i表示接收信号，i∈{1,2,…,K}；C.经过K+1时隙后，源节点到目的节点可以看成是一个单输入多输出系统；D.关于第i个中继节点，假设源节点发送功率固定为P_s，每个中继节点受同时带上下限的独立功率约束，用Q表示中继节点的和功率约束，代表第i中继节点的下限功率约束，代表第i中继节点的上限功率约束，同时满足和功率约束和独立功率约束的条件下，求中继最优功率分配策略,则化简公式如下，记$x_i=P_i,a_i=\frac{(P_s{\left|h_i\right|}^2+{\sigma }_i^2){\sigma }_D^2}{P_s{\left|h_i{g}_i\right|}^2},b_i=\frac{{\sigma }_i^2}{P_s{\left|h_i\right|}^2}$其中i表示中继节点的序数，P_i表示第i个中继节点的发送功率；h_i为源节点到中继节点的信道系数；表示信号方差；表示噪声的方差；g_i代表第i个中继节点到目的节点的信道系数；R表示全部中继的索引集，即R＝{1,2,…,K}；定义如下函数：$f(x_1,...,x_K)=\underset{i\in R}{\Sigma }\frac{x_i}{a_i+b_i{x}_i}$则，上述功率优化问题表示为：$\left\{\begin{array}{c}\{{\hat{x}}_i,i\in R\}=\arg \underset{x_i,i\in R}{\max }f(x_1,...,x_K)\\ \begin{array}{cc}s.t.x_i\ge Q_{b_i}& (\forall i\in R)\\ x_i\le Q_{t_i}& (\forall i\in R)\\ \underset{i\in R}{\Sigma }{x}_i\le Q.& \end{array}\\ \\ \end{array}\right.$表示x_i的估计值；整理变形得$\left\{\begin{array}{c}\{{\hat{t}}_i,i\in R\}=\arg \max f(t_1,...t_K)\\ s.t.t_i\ge 0(\forall i\in R)\\ t_i\le Q_{t_i}-Q_{b_i}(\forall i\in R)\\ \underset{i\in R}{\Sigma }{t}_i\le Q-\underset{i\in R}{\Sigma }{Q}_{b_i}\end{array}\right.$其中表示t_i的估计值，$f(t_1,...t_K)=\underset{i\in R}{\Sigma }\frac{t_i+Q_{b_i}}{a_i+b_i(t_i+Q_{b_i})},t_i=x_i-Q_{b_i},\forall i\in R,Q_{b_i}<Q_{t_i}$$\forall i\in R;$E.假定目的节点知道源节点的信号发送功率，全部噪声分量的方差；先在目的节点求解上式，然后求解相应的功率放大因子，最后，目的节点将功率放大因子无失真地反馈给相应的中继；F.因目标函数f(t₁,…,t_K)关于自变量在[0,+∞]上呈单调递增，故需要分以下三种情况来求最优解：①.如果那么约束不起作用，又由于f(t₁,…,t_K)关于每一个自变量t_i单调递增，因此最优解是②.如果则约束条件不起作用；③.如果$\min \{Q_{t_i}-Q_{b_i}\}<Q-\underset{i\in R}{\Sigma }{Q}_{b_i}<\underset{i\in R}{\Sigma }(Q_{t_i}-Q_{b_i})$则所有约束共同起作用。