[发明专利]非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法

摘要

本发明提供了一种非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法，包括：步骤1：建立全双工双向中继通信系统，初始化功率分配因子；步骤2：测量各个节点的状态信息，所述状态信息包括：各个节点接收和发送的功率、各个节点的自干扰信息以及各个节点相互交换数据时的信道系数；步骤3：根据各个节点的状态信息以及功率分配因子的值判别所述功率分配因子是否需要调整，并按照判别结果调整功率分配因子的值，直到所述全双工双向中继通信系统的总速率和最大；步骤4：按照总速率和最大时的功率分配方案分配功率资源。本发明建立了全双工模式的中继协作通信机制，减少了时隙开销，增大了系统吞吐量和传输效率。

主权项

1.一种非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立全双工双向中继通信系统，初始化功率分配因子；步骤2：测量各个节点的状态信息，所述状态信息包括：各个节点接收和发送的功率、各个节点的自干扰信息以及各个节点相互交换数据时的信道系数；步骤3：根据各个节点的状态信息以及功率分配因子的值判别所述功率分配因子是否需要调整；‑当需要调整时，按照判别结果调整功率分配因子的值，返回步骤2；‑当无需调整时，进入步骤4，此时所述全双工双向中继通信系统的总速率和最大；步骤4：按照总速率和最大时的功率分配方案分配功率资源；所述步骤3包括：步骤3.1：根据各个节点的状态信息求解双向速率比λ的值，计算公式如下：R1≤min{log2(1+γ12)，log2(1+γ23)}R2≤min{log2(1+γ32)，log2(1+γ21)}R1+R2≤log2(1+γ2)，其中：式中：R1表示从终端节点N1到终端节点N3的数据传输速率，R2表示从终端节点N3到终端节点N1的数据传输速率，γ21表示中继节点N2到终端节点N1的有用信号的信干噪比，γ23表示中继节点N2到终端节点N3的有用信号的信干噪比，γ12表示终端节点N1到中继节点N2的有用信号的信干噪比，γ32表示终端节点N3到中继节点N2的有用信号的信干噪比，γ2表示多址接入阶段中的中继节点N2处的信干噪比，h11表示终端节点N1的自干扰信道系数，h12表示终端节点N1到中继节点N2的信道系数，h21表示中继节点N2到终端节点N1的信道系数，h22表示中继节点N2的自干扰系数，h23表示中继节点N2到终端节点N3的信道系数，h32表示终端节点N3到中继节点N2的信道系数，h33表示终端节点N3的自干扰信道系数，P1表示终端节点N1的发射功率，P2表示中继节点N2的发射功率，P3表示终端节点N3的发射功率，k1表示终端节点N1的自干扰消除能力，k2表示中继节点N2的自干扰消除能力，k3表示终端节点N3的自干扰消除能力，ρ表示功率分配因子，N0表示高斯白噪声功率；步骤3.2：根据所述功率分配因子的大小，判别是否需要调整所述功率分配因子的值；E1：当功率分配因子时，在直角坐标系中建立如下的方程组，其中横轴坐标为R₁，纵轴坐标为R₂：直线方程H1：直线方程H2：直线方程H3：直线方程H4：定义R1取最大值时的直线方程H2与直线方程H1的交点为A，定义R2取最大值时的直线方程H3与直线方程H1的交点为B，从直角坐标原点O连接直线段OA、直线段OB，则l1表示直线段OA的斜率，l2表示直线段OB的斜率；‑当l2≤λ≤l1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程H4与线段AB的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；‑当λ＞l1时，直线方程H4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值减小；‑当λ＜l2时，直线方程H4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值增大；E2：当功率分配因子时，在直角坐标系中建立如下的方程组，其中横轴坐标为R₁，纵轴坐标为R₂：直线方程G1：直线方程G2：直线方程G3：直线方程G4：定义R1取最大值时的直线方程G2与直线方程G1的交点为A，定义R2取最大值时的直线方程G3与直线方程G1的交点为B，从直角坐标原点O连接直线段OA、直线段OB，则l1表示直线段OA的斜率，l2表示直线段OB的斜率；‑当l2≤λ≤l1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程G4与线段AB的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；‑当λ＞l1时，直线方程G4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值减小；‑当λ＜l2时，直线方程G4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值增大；E3：当功率分配因子时，在直角坐标系中建立如下的方程组，其中横轴坐标为R₁，纵轴坐标为R₂：直线方程F1：直线方程F2：直线方程F3：直线方程F4：定义R1取最大值时的直线方程F2与直线方程F1的交点为A，定义R2取最大值时的直线方程F3与直线方程F1的交点为B，从直角坐标原点O连接直线段OA、直线段OB，则l1表示直线段OA的斜率，l2表示直线段OB的斜率；‑当l2≤λ≤l1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程F4与线段AB的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；‑当λ＞l1时，直线方程F4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值减小；‑当λ＜l2时，直线方程F4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值增大；E4：当功率分配因子时，在直角坐标系中建立如下的方程组，其中横轴坐标为R₁，纵轴坐标为R₂：直线方程M1：直线方程M2：直线方程M3：直线方程M4：定义R1取最大值时的直线方程M2与直线方程M1的交点为A，定义R2取最大值时的直线方程M3与直线方程M1的交点为B，从直角坐标原点O连接直线段OA、直线段OB，则l1表示直线段OA的斜率，l2表示直线段OB的斜率；‑当l2≤λ≤l1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程M4与线段AB的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；‑当λ＞l1时，直线方程M4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值减小；‑当λ＜l2时，直线方程M4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值增大；步骤3.3：根据步骤3.2判别结果调整功率分配因子的；‑当需要调整时，按照判别结果调整功率分配因子的值后，返回步骤2；‑当无需调整时，进入步骤4，此时所述全双工双向中继通信系统的总速率和最大；所述步骤4包括：按照总速率和最大时的功率分配方案分配功率资源，计算公式如下：式中：Y1(t)、Y2(t)、Y3(t)分别为终端节点N1、中继节点N2、终端节点N3在第t个时刻的接收信号；X1(t)、X2(t)、X3(t)分别为终端节点N1、中继节点N2、终端节点N3的在第t个时刻的发送信号；wi表示节点i处的高斯噪声，所述wi服从复高斯分wi～CN(0,N0)，所述wi的方差同为N0，hij表示节点i到节点j之间的无线信道系数，所述hij的概率分布服从复高斯分布，即hij～CN(0,σij)，i,j＝1,2,3且i≠j；hii表示节点i的自干扰信道系数；节点i，i＝1，表示终端节点N1；节点i，i＝2，表示中继节点N2；节点i，i＝3，表示终端节点N3；σij表示节点i到节点j的信道系数方差；k1表示终端节点N1的自干扰消除能力，k2表示中继节点N2的自干扰消除能力，k3表示终端节点N3的自干扰消除能力；当所述中继节点N2接收到信号Y2(t)后，通过解码电路将X1(t)和X2(t)分别解出后，重新分配功率资源，计算公式如下：若：则：t表示时刻，即当前时隙；式中：X1(t‑1)、X3(t‑1)分别表示终端节点N1、终端节点N3在上一个时隙即t‑1时刻的发射信号。