專利名稱：協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種功率最優(yōu)聯合分配的方法，具體是一種協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法，用于未來4G通信領域。

背景技術：
無線通信是當今通信領域發(fā)展最快、應用最廣和最前沿的通信技術。無線網絡已從語音、低速數據業(yè)務的窄帶網絡發(fā)展到了可以支撐語音、高速分組以及多媒體業(yè)務的寬帶網絡。4G(或稱IMT-Advanced)也正在從理論探討和系統仿真評估階段逐步走向制定標準的階段。為了充分利用有限的無線資源、追求最大的系統容量和QoS保證，人們正在積極研究各種新的無線傳輸技術、無線網絡組網方法、無線網絡優(yōu)化策略和無線資源管理方法等，例如近年來人們熱衷研究的無線中繼技術，包括固定中繼和可移動中繼技術；網絡協作技術，包括單一無線網內部不同終端或不同技術的協作和不同異構無線網絡間的協作；高效可行的跨層優(yōu)化設計；以及認知無線電技術這些理論和技術一定會在將來的4G標準中得到體現和應用。據此我們有理由相信未來的無線網絡將會十分復雜，它將不再會是當前在移動通信中廣泛采用的單一蜂窩組網網絡，由于采用諸如無線中繼技術、無線網絡協作技術及認知無線電技術等，必將使無線網絡的拓撲結構和組網方式有很大的變化。這也對未來的無線網絡資源配置與性能優(yōu)化提出了極大的挑戰(zhàn)。
協作技術是在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動用戶可按照一定方式共享彼此的天線協作發(fā)送，從而產生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，即協作MIMO，獲得空間分集增益，提高系統的傳輸性能。作為一種分布式虛擬多天線傳輸技術，協作通信技術融合了分集技術與中繼傳輸技術的優(yōu)勢，在不增加天線數量的基礎上，可在傳統通信網絡中實現并獲得多天線與多跳傳輸的性能增益。它可應用于蜂窩移動通信系統、無線Ad hoc網絡、無線局域網以及無線傳感器網絡等多種場合，具有研究價值與意義?？梢哉f，協作通信技術將是繼多載波調制技術、多天線技術之后，可能會對未來無線通信的發(fā)展產生重大影響的一個研究熱點。而且，協作通信技術非常靈活，可與現有多種技術相結合，突出各自優(yōu)點。例如，與正交頻分復用(OFDM)技術相結合，可以充分利用其抗頻率選擇性衰落的優(yōu)點；與編碼或者空時編碼相結合，可以得到編碼增益；與感知無線電技術相結合，能夠提高頻譜檢測概率或者獲得更多的頻譜接入機會。
協作技術是未來4G網絡的關鍵技術之一，在4G引入協作技術是為了滿足4G系統對頻譜有效性、功率有效性及無縫覆蓋及容量提升的更高要求。然而，協作技術不僅對4G系統結構產生影響，還與其他的關鍵技術相互影響，相互制約，因此需要在協作多點傳輸技術的多個關鍵研究點實現突破，功率分配問題是其中重要的一個。
目前，關于協作通信中的功率分配，提出的主要方法有協作中繼節(jié)點間功率分配、協作源節(jié)點功率分配。這些方法僅僅單獨的考慮了中繼節(jié)點間、源節(jié)點的功率分配問題，沒有從整體系統的將二者的功率分配結合起來，從整體角度來進行聯合功率分配。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于將協作通信中各類節(jié)點間的功率進行統一處理，提出了一種協作通信中源與中繼節(jié)點間功率的最優(yōu)聯合分配方法。其根據注水算法的基本思想，利用拉格朗日乘子法對每個信道進行功率分配，并將兩跳系統模型按照迭代算法來進行聯合功率分配，使得在總功率受限的前提下使得系統信道容量最優(yōu)。仿真說明，這種方法使得系統信道容量優(yōu)于中繼節(jié)點間的最優(yōu)功率分配，并且采用迭代算法能極大地降低運算的復雜度，具有很強的實用價值。
本發(fā)明通過以下技術方案來實現 a、在總功率受限協作通信系統中，以系統容量最優(yōu)為前提，基于第一跳與第二跳的信道狀態(tài)信息，通過對第二跳信道(即虛擬MIMO信道)狀態(tài)信息通過奇異值分解轉換為獨立并行信道以及初始化的功率分配系數，采用注水算法對各個中繼節(jié)點進行最優(yōu)功率分配，完成各中繼節(jié)點間的一次功率分配； b、在步驟a的基礎上，將所有中繼節(jié)點看作整體，再根據第一跳信道(即廣播階段)狀態(tài)信息將其與源節(jié)點同樣采用注水算法進行最優(yōu)功率分配，此時完成一次源與中繼節(jié)點、各中繼節(jié)點間的最優(yōu)功率分配，即一次功率聯合分配； c、基于步驟a、b，采用迭代算法，在迭代精度控制下，重復上述步驟，直至達到迭代終止條件，從而達到系統所有節(jié)點的最優(yōu)聯合功率分配。
以下對本發(fā)明作進一步的說明，具體步驟如下 2、根據權利要求1所述的協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法，其特征是，通過以下步驟對其分別進行進一步限定。
步驟a具體為 1)根據系統模型，目的節(jié)點的接收信號Y表示為 Y＝H·(Λ·X+N0)+W0(1) 其中，Λ表征第一階段的正交信道矩陣，為一對角陣；H表示虛擬MIMO信道矩陣，表征了第二階段的多徑瑞利衰落；N0、W0分別表征了中繼節(jié)點處、接收天線處的噪聲，其每個元素服從均值為0的獨立同分布的復高斯隨機分布；X表示發(fā)送數據向量。
將(1)式矩陣元素展開即為

Y或者表示為 Y＝H′·(Λ′·X+N0′)+W0(3) 其中，hij(2)(1≤i≤N，1≤j≤M)表示第j個中繼節(jié)點與第i個接收天線之間的多徑衰落系數；hii(1)(1≤i≤M)表示源節(jié)點和第i個接收天線之間的多徑衰落系數；Pre表示中繼節(jié)點的總功率；βi(1≤i≤M)表示第i個中繼節(jié)點的功率分配因子；Ainorm表示在每個中繼節(jié)點進行歸一化接收功率的變量. 2)對變換后的MIMO信道矩陣H′作奇異值分解(SVD)，則式(3)可以寫成 Y＝U·S·VH·(Λ′·X+N0′)+W0，(4) 其中U和V均為酉矩陣，S是非對角線元素為0，對角線元素為矩陣H′H′H的特征值的平方根，(·)H表示(·)的共軛轉置。令(Λ′·X+N0′)′＝V·(Λ′·X+N0′)，可以得到式(5) Y′＝U·S·VH·V·(Λ′·X+N0′)+W0(5) ＝U·S·(Λ′·X+N0′)+W0 再對Y′左乘以矩陣UH，可得 Y″＝UH·U·S·(Λ′·X+N0′)+W0(6) ＝S·(Λ′·X+N0′)+W0＝S·Λ′·X+S·N0′+W0 3)假設和則整個協作中繼系統的信道可以通過奇異值分解等效成M個并行信道。由式(6)可得最后的噪聲功率矩陣Pnoise是一個對角陣 其中E是統計數學期望符號，IN為一個N階的單位矩陣。
4)信號功率矩陣也是一個對角陣，用Psignal表示 Psignal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)H]＝Ps·S·Λ′·Λ′H·SH(8) 對于第i個并行信道來說，噪聲功率可以寫成 其中信號功率為 5)單位帶寬下的信道容量(頻譜利用率，單位為bps/Hz)可以表示成 令 信道可以通過奇異值分解等效成M個并行信道，故單位帶寬下的信道容量可以表示成 6)以信道容量為最優(yōu)標準，則聯合功率分配的最優(yōu)化問題可以寫成 并且0≤βi≤1。
根據系統容量最優(yōu)化問題的表達式(14)以及各中繼節(jié)點的功率分配系數βi的限定條件，采用注水算法對式(14)進行求解，得出中繼節(jié)點間一次功率分配系數βi。
步驟b具體為 1)在步驟a的基礎上，已經求得各中繼節(jié)點間的一次功率分配系數βi，將中繼節(jié)點間的總功率看作整體，將其與源節(jié)點進行功率分配。
2)將源節(jié)點功率與中繼節(jié)點總功率的分配系數考慮進來，信號功率Psignal即變換為 Psignal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)H]＝Ps·S·Λ′·Λ′H·SH＝αP·S·Λ′·Λ′H·SH(15) 3)同樣，噪聲功率變換為 4)在2)、3)的基礎上，此階段的聯合功率分配的最優(yōu)化問題即表述為 (17) 其中，βi已知，0＜α＜1。
根據系統容量最優(yōu)化問題的表達式(17)以及源節(jié)點的功率分配系數α的限定條件，采用注水算法對式(17)進行求解，得出在中繼節(jié)點間一次功率分配基礎上的源節(jié)點功率分配系數α。此時，即完成一次聯合功率分配。
步驟c具體為 針對式(14)、式(17)所提出的最優(yōu)化問題均為單方面的最優(yōu)化問題，其無法保證系統整體的最優(yōu)化。因此，需要根據一方面的最優(yōu)化問題去動態(tài)地調整另一方面的最優(yōu)化問題，同樣也影響前一方面的最優(yōu)化問題，通過反復地的迭代修正，最終達到兩方面最優(yōu)化問題的動態(tài)平衡，即系統的容量最優(yōu)。
針對本專利具體涉及問題，在迭代法的基礎上，按系數的作用范圍分為兩部分，這樣可以先對一部分進行分配，然后利用前一部分的結果進行另一部分的分配，重復前述過程，直至求得最優(yōu)解。需要說明的是，在實際仿真中，我們α的初值設定為0.4，這是因為已有眾多研究表明α位于0.5附近，設定為0.4不但不會影響求解結果，而且能減少迭代次數，從而節(jié)省時間。
算法流程如下 for循環(huán)參量 生成初始參量，如H、h、alpha、β... while迭代條件 中繼節(jié)點間分配，更新β參數，并對其合理性判斷 利用新β求解源與中繼間系數alpha，判斷合理性 if alpha合理 保存信道容量 else 修正循環(huán)變量后，break end end 統計信道容量 end 該算法基于迭代算法，將求解參數劃分為兩部分，每部分單獨采用注水算法，通過迭代精度來控制迭代算法的終止，這樣就大大地降低了直接求解式(14)和式(17)聯合式的計算復雜度的問題，經過實際的仿真，能大大縮短求解時間。



圖1是單發(fā)送節(jié)點多中繼節(jié)點多接收天線協作通信系統模型框圖 圖2(a)是采用最優(yōu)聯合功率分配與中繼節(jié)點間最優(yōu)功率分配的系統容量仿真圖 圖2(b)是采用最優(yōu)聯合功率分配與中繼節(jié)點間最優(yōu)功率分配的系統容量之差仿真圖 圖3是最優(yōu)聯合功率分配時源節(jié)點的功率分配系數α的分布柱形圖
具體實施例方式 如圖1所示，一個發(fā)送節(jié)點多個中繼節(jié)點和一個接收節(jié)點的協作通信系統模型，發(fā)送節(jié)點S和中繼節(jié)點Ri都只有一根天線，而目的節(jié)點D配有多個天線，這樣中繼節(jié)點和目的節(jié)點之間可以形成一個虛擬MIMO系統。
系統中的每一個用戶都分配一個唯一的正交的多址接入信道，本文采用Amplify-and-Forward中繼模式，所有的中繼節(jié)點都是半雙工工作模式，這個過程分為兩個階段，在第一階段，S通過廣播信道廣播信息，此時Ri只收不發(fā)，稱此階段為監(jiān)聽階段(Listening Phase)，在第二階段，Ri向D發(fā)送信息，然后D將兩個階段接收到的信息進行結合再解碼，稱此階段為協作階段(Cooperative Phase)。
進行最優(yōu)聯合功率分配時，首先根據虛擬MIMO(即第二跳協作階段)的信道狀態(tài)信息，采用注水算法對Ri進行最優(yōu)功率分配，此時，達到了Ri之間的最優(yōu)功率分配，即達到了虛擬MIMO階段的系統容量最優(yōu)。然后，在虛擬MIMO階段系統容量最優(yōu)的前提下，根據第一跳監(jiān)聽階段的信道狀態(tài)信息，仍采用注水算法對S與中繼節(jié)點之間進行最優(yōu)功率分配，以保證第一跳階段的系統容量最優(yōu)。經過以上兩步后，完成一次功率分配。在迭代算法的控制下，重復上述兩步驟，直至二者達到動態(tài)平衡(即系統容量最大)時終止。
權利要求
1、一種協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
a、在總功率受限協作通信系統中，以系統容量最優(yōu)為前提，基于第一跳與第二跳的信道狀態(tài)信息，通過對第二跳信道(即虛擬MIMO信道)狀態(tài)信息通過奇異值分解轉換為獨立并行信道以及初始化的功率分配系數，采用注水算法對各個中繼節(jié)點進行最優(yōu)功率分配，完成各中繼節(jié)點間的一次功率分配；
b、在步驟a的基礎上，將所有中繼節(jié)點看作整體，再根據第一跳信道(即廣播階段)狀態(tài)信息將其與源節(jié)點同樣采用注水算法進行最優(yōu)功率分配，此時完成一次源與中繼節(jié)點、各中繼節(jié)點間的最優(yōu)功率分配，即一次功率聯合分配；
c、基于步驟a、b，采用迭代算法，在迭代精度控制下，重復上述步驟，直至達到迭代終止條件，從而達到系統所有節(jié)點的最優(yōu)聯合功率分配。
2、根據權利要求1所述的協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法，其特征是，通過以下步驟對其分別進行進一步限定。
步驟a具體限定為
1)根據系統模型，目的節(jié)點的接收信號Y表示為
Y＝H·(Λ·X+N0)+W0(1)
其中，Λ表征第一階段的正交信道矩陣，為一對角陣；H表示虛擬MIMO信道矩陣，表征了第二階段的多徑瑞利衰落；N0、W0分別表征了中繼節(jié)點處、接收天線處的噪聲，其每個元素服從均值為0的獨立同分布的復高斯隨機分布；X表示發(fā)送數據向量。
將(1)式矩陣元素展開即為
Y或者表示為
Y＝H′·(Λ′·X+N0′)+W0(3)
其中，hij(2)(1≤i≤N，1≤j≤M)表示第j個中繼節(jié)點與第i個接收天線之間的多徑衰落系數；hii(1)(1≤i≤M)表示源節(jié)點和第i個接收天線之間的多徑衰落系數；Pre表示中繼節(jié)點的總功率；βi(1≤i≤M)表示第i個中繼節(jié)點的功率分配因子；Ainorm表示在每個中繼節(jié)點進行歸一化接收功率的變量.
2)對變換后的MIMO信道矩陣H′作奇異值分解(SVD)，則式(3)可以寫成
Y＝U·S·VH·(Λ′·X+N0′)+W0，
其中U和V均為酉矩陣，S是非對角線元素為0，對角線元素為矩陣H′H′H的特征值的平方根，(·)H表示(·)的共軛轉置。令(Λ′·X+N0′)′＝V·(Λ′·X+N0′)，可以得到式(5)
Y′＝U·S·VH·V·(Λ′·X+N0′)+W0(5)
＝U·S·(Λ′·X+N0′)+W0
再對Y′左乘以矩陣UH，可得
Y″＝UH·U·S·(Λ′·X+N0′)+W0 (6)
＝S·(Λ′·X+N0′)+W0＝S·Λ′·X+S·N0′+W0
3)假設和則整個協作中繼系統的信道可以通過奇異值分解等效成M個并行信道。由式(6)可得最后的噪聲功率矩陣Pnoise是一個對角陣
其中E是統計數學期望符號，IN為一個N階的單位矩陣。
4)信號功率矩陣也是一個對角陣，用Psignal表示
Psignal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)H]＝Ps·S·Λ′·Λ′H·SH(8)
對于第i個并行信道來說，噪聲功率可以寫成
其中信號功率為
5)單位帶寬下的信道容量(頻譜利用率，單位為bps/Hz)可以表示成
信道可以通過奇異值分解等效成M個并行信道，故單位帶寬下的信道容量可以表示成
6)以信道容量為最優(yōu)標準，則聯合功率分配的最優(yōu)化問題可以寫成
并且0≤βi≤1。
根據系統容量最優(yōu)化問題的表達式(14)以及各中繼節(jié)點的功率分配系數βi的限定條件，采用注水算法對式(14)進行求解，得出中繼節(jié)點間一次功率分配系數βi。
步驟b具體限定為
1)在步驟a的基礎上，已經求得各中繼節(jié)點間的一次功率分配系數βi，將中繼節(jié)點間的總功率看作整體，將其與源節(jié)點進行功率分配。
2)將源節(jié)點功率與中繼節(jié)點總功率的分配系數考慮進來，信號功率Psignal即變換為
Psianal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)H]＝Ps·S·Λ′·Λ′H·SH＝αP·S·Λ′·Λ′H·SH (15)
3)同樣，噪聲功率變換為
4)在2)、3)的基礎上，此階段的聯合功率分配的最優(yōu)化問題即表述為
(17)
其中，βi已知，0＜α＜1。
根據系統容量最優(yōu)化問題的表達式(17)以及源節(jié)點的功率分配系數α的限定條件，采用注水算法對式(17)進行求解，得出在中繼節(jié)點間一次功率分配基礎上的源節(jié)點功率分配系數α。此時，即完成一次聯合功率分配。
步驟c具體限定為
針對式(14)、式(17)所提出的最優(yōu)化問題均為單方面的最優(yōu)化問題，其無法保證系統整體的最優(yōu)化。因此，需要根據一方面的最優(yōu)化問題去動態(tài)地調整另一方面的最優(yōu)化問題，同樣也影響前一方面的最優(yōu)化問題，通過反復地的迭代修正，最終達到兩方面最優(yōu)化問題的動態(tài)平衡，即系統的容量最優(yōu)。
針對本專利具體涉及問題，在迭代法的基礎上，按系數的作用范圍分為兩部分，這樣可以先對一部分進行分配，然后利用前一部分的結果進行另一部分的分配，重復前述過程，直至求得最優(yōu)解。需要說明的是，在實際仿真中，我們α的初值設定為0.4，這是因為已有眾多研究表明α位于0.5附近，設定為0.4不但不會影響求解結果，而且能減少迭代次數，從而節(jié)省時間。
算法流程如下
for循環(huán)參量
生成初始參量，如H、h、alpha、β...
while迭代條件
中繼節(jié)點間分配，更新β參數，并對其合理性判斷
利用新β求解源與中繼間系數alpha，判斷合理性
if alpha合理
保存信道容量
else
修正循環(huán)變量后，break
end
end
統計信道容量
end
該算法解決了直接求解式(14)和式(17)聯合式的計算復雜度的問題，經過實際的仿真，能大大縮短求解時間。
全文摘要
一種協作通信中源與中繼節(jié)點的功率最優(yōu)聯合分配的方法，用于無線通信領域。本發(fā)明在多中繼節(jié)點多接收天線系統模型下，系統的總功率額定，首先根據第二跳信道狀態(tài)信息利用注水算法對每個中繼節(jié)點進行一次功率分配，然后將中繼節(jié)點的總功率看作整體，將其與源節(jié)點根據第一跳信道狀態(tài)信息利用注水算法進行功率分配，此時完成一次系統中所有節(jié)點的聯合功率分配，隨后采用迭代算法，重復上述步驟，直至達到迭代精度要求，從而達到系統所有節(jié)點的最優(yōu)聯合功率分配，獲得系統最優(yōu)的信道容量。仿真結果證明了功率的最優(yōu)聯合分配能獲得更多的信道容量，并且迭代算法極大地簡化了計算的復雜度和計算量。本發(fā)明普遍適用于未來4G無線通信系統中。
文檔編號H04W52/00GK101588627SQ200910087328
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權日2009年6月23日
發(fā)明者鋼 啜, 劉洪來 申請人:北京郵電大學