一种用于高效协同组播通信中的中继选择和功率控制方法

摘要

本发明属于移动通信领域的协同组播领域，尤其涉及通过最优中继概率和中继功率来实现高效组播通信。本发明采用的模型将协同组播通信的每个组播分为两个时隙。在第一时隙，基于在第一个时隙中是否成功接收到数据，将均匀分布的N个用户划分为两个集合S和F，其中，S代表成功用户集，F代表失败用户集。在第二时隙，成功用户将数据转发给失败用户。与传统方法相比，本发明设计的最佳中继概率P_a^*和最佳中继功率值p₁₁^*，能实现协同组播通信支持任意数据传输率的能效最大化。

主权项

一种用于高效协同组播通信中的中继选择和功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于双时隙组播通信的总数据量和能耗问题，建立关于最优中继概率P_a和最优中继功率p₁₁的系统能效η的模型，具体如下：S11、在第一时隙中，对于第i个用户，设基站的发射功率为p₁，组播用户的噪声功率为p_n，系统带宽为B，组播用户信道的大尺度衰落系数为g_i，小尺度衰落系数为h_i，则第i个用户和基站之间的信道容量表达式为其中，1≤i≤N，N为用户个数；S12、设R₁为基站的传输数据率，则第i个用户在第一时隙能够成功接收数据的概率为P_S1＝Pr{C_1i≥R₁}；S13、在第二时隙中，对于第j个失败用户，设g_ij为路径损耗，h_ij为多路径衰落系数，p₁₁为第i个成功用户传输的功率，则第i个成功用户和第j个失败用户间的信道容量为$C_{11\mathrm{ij}}=B\log (1+\frac{p_{11}{h_{\mathrm{ij}}}^2{g}_{\mathrm{ij}}}{p_n}),$其中，1≤j＜N；S14、设R₁₁为第i个成功用户转发的数据率，则第j个失败用户在第二时隙能够成功接收到数据的概率为P_S11＝Pr{C₁₁i_j≥R₁₁}；S15、设R_B为系统的平均数据率，则第一时隙和第二时隙的数据量等于系统的总数据量，表示为R₁·T/2＝R₁₁·T/2＝R_BT，设P_S为用户在经过两个时隙以后能够成功收到数据的概率，那么系统的能效表示为用户收到的总数据量与系统消耗的总能量的比值即中继选择和功率分配问题简化为Q＝1‑P_S≤ε为J的约束条件，其中，第一时隙和第二时隙的持续时间相等，T为总持续时间，P_a为最优中继概率，p₁₁为最优中继功率，ε为组播中断概率要求，Q为整个组播系统的平均中断概率；S2、在获得最大能效的条件下，得出关于最优中继概率P_a和最优中继功率p₁₁的整个组播系统的中断概率Q的模型，具体如下：S21、在第一时隙中，当用户与基站之间的距离为d时，第一时隙的中断概率Q₁(d)＝1‑P_S1(d)＝F_C1(R₁|l＝d)；S22、在第二时隙中，与基站的距离为d的失败用户的中断概率为$Q_{11}\left(d\right)=1-P_{S11}\left(d\right)={\left[F_{C11}\left(R_{11}\right)\right]}^{N_S{P}_a};$S23、系统总的中断概率为Q(d)＝Q₁(d)Q₁₁(d)，将S21所述Q₁(d)和S22所述Q₁₁(d)代入Q(d)，即$Q\left(d\right)=F_{C1}\left(R_1\right|l=d){\left[F_{C11}\left(R_{11}\right)\right]}^{N_S{P}_a};$S24、S15所述约束条件可以表示为其中，f_d(d)为d的概率分布函数；S3、根据S1所述系统能效η的模型和S2所述总中断概率限制Q的模型，设计出最佳中继概率P_a^*和最佳中继功率值p₁₁^*，最后求得系统最大能效J，具体为：S31、令Q(R)＝Q_c(R)，则Q(R)＝Q₁(R)＝F_C1(R_B^max|l＝R)，其中，Q(R)为以基站为圆心R为半径的覆盖范围中的中断概率，Q_c(R)表示在传统的单时隙组播通信中基站直接发射数据给所述基站以基站为圆心R为半径的覆盖范围内的中断概率，R_B^max为传统的组播通信的最大数据传输率，R_B^max＝F_C1^‑1(ε)；S32、设P_a^*为最佳中继概率，p₁₁^*为相应的最佳功率值，则P_a为p₁₁的函数$P_a\left(p_{11}\right)=\frac{\ln 1{(F}_{C1}\left({R_B}^{\max }\right|l=R))-\ln \left(F_{C1}\left(2R_B\right|R)\right)}{\mathrm{\alpha N}[1-F_{C1}\left(2R_B\right)]\ln \left(\right[F_{C11}\left(2R_B\right)\left]\right)},$其中，中继概率P_a(p₁₁)的范围P_a(p₁₁)∈[0,1]，p₁₁的范围为为P_a＝1时的值；S33、将S32所述P_a(p₁₁)代入S15所述η(P_a,p₁₁)，得到目标函数$\eta \left(p_{11}\right)=\frac{2P_{S}N{R}_B}{p_1+p_{11}{P}_a{P}_{S1}N}=\frac{2P_{S}N{R}_B}{p_1+p_{11}{P}_{S1}N\left\{\frac{\ln \left(F_{C1}\left({R_B}^{\max }\right|l=R)\right)-\ln \left(F_{C1}\left(2R_B\right|R)\right)}{\mathrm{\alpha N}[1-F_{C1}\left(2R_B\right)]\ln \left(\right[F_{C11}\left(2R_B\right)\left]\right)}\right\}},$其中，对于不同的参数设置，η(p₁₁)均有一个唯一的最大值，当能效η(p₁₁)单调递增，当时，能效η(p₁₁)单调递减；S34、S15所述等效表示为其中，0≤p₁₁≤p₁₁^max，p₁₁^max为中继功率p₁₁的最大值；S35、根据S34所述超方程得出时的数值，则不同情形的最优中继功率可以表示为${p_{11}}^{*}=\left\{\begin{array}{c}{p_{{11}_1}}^{*},{p_{{11}_1}}^{*}\le {p_{{11}_2}}^{*}\le {p_{11}}^{\max }\mathrm{case}\left(a\right)\\ {p_{{11}_1}}^{*},{p_{{11}_2}}^{*}\le {p_{{11}_1}}^{*}\le {p_{11}}^{\max }\mathrm{case}\left(b\right)\\ {p_{11}}^{\max },{p_{{11}_2}}^{*}\le {p_{11}}^{\max }\le {p_{{11}_1}}^{*}\mathrm{case}\left(c\right)\end{array}\right.$S36、根据S32所述_a(p₁₁)，得到最大化的能效表达式为