一種基于系統(tǒng)中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法，針對(duì)多中繼場(chǎng)景下的放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)，在各用戶功率以及總功率受限條件下，以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo)，提供一種多中繼選擇和功率分配方法。該方法引入排序思想，根據(jù)各中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中斷概率的貢獻(xiàn)因子對(duì)個(gè)中繼的優(yōu)劣進(jìn)行排序，有效避免了窮舉搜索，并通過(guò)簡(jiǎn)單的功率迭代的方法減少了功率分配的次數(shù)。本發(fā)明提供的多中繼選擇方法與基于中斷概率的最優(yōu)功率分配窮舉遍歷方案性能十分相近，由于在最優(yōu)功率分配窮舉遍歷方案中，需要對(duì)于每一種可能存在的中繼集采用最優(yōu)功率分配，相比之下，本發(fā)明的復(fù)雜度大大減小。
【專利說(shuō)明】一種基于系統(tǒng)中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種基于中斷概率的多中繼選擇和功率分配聯(lián)合方法，屬于無(wú)線通信的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)能夠有效抵抗無(wú)線通信中多徑衰落帶來(lái)的影響，但是由于受設(shè)備尺寸、造價(jià)和硬件性能等條件限制，難以應(yīng)用在實(shí)際的無(wú)線通信終端中。協(xié)作通信技術(shù)通過(guò)利用單天線移動(dòng)終端之間的相互協(xié)作，共享彼此的天線，形成一個(gè)虛擬MMO系統(tǒng)，從而獲得空間分集。未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)需要提供更多高速率的多媒體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，協(xié)作通信的目的就是充分利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)資源來(lái)幫助有通信需求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高速、可靠的無(wú)線通信。
[0003]協(xié)作通信技術(shù)得以發(fā)展主要有兩方面的因素:網(wǎng)絡(luò)中空閑資源的存在和協(xié)作通信所能提供的增益。
[0004]1.網(wǎng)絡(luò)中空閑資源的存在
[0005]以移動(dòng)通信系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中空余資源的存在。某一時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能僅有部分移動(dòng)終端有通信需求，因而網(wǎng)絡(luò)中較多的移動(dòng)終端處于空閑狀態(tài)。但是傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)將所有移動(dòng)終端看成是互不通信的個(gè)體，從而使這部分空閑硬件資源被浪費(fèi)掉；另一方面，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)終端往往具有差異性，如具有不同的計(jì)算處理能力以及不同的通信能力等。若將這些移動(dòng)終端看成是一個(gè)可以相互或部分相互通信的整體，則差異性的存在可使不同的移動(dòng)終端在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的角色，從而有利于整個(gè)通信系統(tǒng)性能的提高。因此，如何利用空閑資源來(lái)幫助有通信需求的移動(dòng)終端進(jìn)行有效通信便成為一個(gè)值得深入研究的課題。
[0006]2.協(xié)作通信增益
[0007]無(wú)線通信中，由于受帶寬、傳輸功率的限制，加上無(wú)線信道的多徑衰落，很難達(dá)到理想的傳輸速率和通信質(zhì)量。為了解決無(wú)線信道容量的瓶頸問(wèn)題，人們給出了 MMO技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端放置多根天線，形成多個(gè)獨(dú)立的發(fā)/收信道，從而達(dá)到利用空間分集來(lái)提高無(wú)線信道傳輸能力的目的，但是由于受設(shè)備尺寸、造價(jià)和硬件性能等條件限制，無(wú)線終端不一定支持多天線安裝。而協(xié)作通信技術(shù)能夠利用無(wú)線信道的廣播特性，允許單天線終端設(shè)備在多用戶環(huán)境中通過(guò)一定規(guī)則共享其他用戶的天線，形成虛擬天線陣列，使得同一信息能夠通過(guò)不同的獨(dú)立無(wú)線信道到達(dá)接收端。研究表明，協(xié)作通信可以提供全部的空間分集增益效果，即η個(gè)參與協(xié)作通信的節(jié)點(diǎn)所提供的空間分集增益等同于信源節(jié)點(diǎn)具有η個(gè)獨(dú)立的發(fā)射天線所提供的空間分集增益。
[0008]中繼選擇方案包含兩個(gè)子問(wèn)題，一個(gè)是參與協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)的集合的選取問(wèn)題，一個(gè)是源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的功率分配問(wèn)題。對(duì)于一種包含M個(gè)待選中繼節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，存在著2Μ-1個(gè)中繼集合。當(dāng)可用中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，如果采用窮舉遍歷的方法來(lái)搜索的話，我們首先得確定參加中繼的個(gè)數(shù)N，然后確定具體是哪N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參加中繼過(guò)程，并且對(duì)每一種可能的中繼集合進(jìn)行最優(yōu)功率分配。這種情況下中繼選擇的次數(shù)和最優(yōu)功率分配的次數(shù)將隨著中繼個(gè)數(shù)M的指數(shù)次方增加，這雖然能得到最優(yōu)中繼集，但由于方法的復(fù)雜度過(guò)高，這種選擇方法顯然是不可取的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明針對(duì)最優(yōu)中繼選擇方法的計(jì)算復(fù)雜度高、實(shí)時(shí)性差的不足，提供一種次優(yōu)的、低復(fù)雜度的基于系統(tǒng)中繼概率的多中繼選擇及功率分配方法。
[0010]技術(shù)方案:本發(fā)明的基于系統(tǒng)中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法，包括如下步驟:
[0011]I)獲取信道統(tǒng)計(jì)信息:目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)訓(xùn)練序列獲得可用中繼集中的M個(gè)可用中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)間的信道統(tǒng)計(jì)信息，以及中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道統(tǒng)計(jì)信息；
[0012]2)基于系統(tǒng)中斷概率上界值進(jìn)行最優(yōu)功率分配:在系統(tǒng)給定的各中繼節(jié)點(diǎn)允許最大輸出功率值Piniax、源節(jié)點(diǎn)允許最大輸出功率值Psniax和總功率最大值P條件下，基于系統(tǒng)中斷概率上界值，根據(jù)步驟I)中獲取的信道統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)所有可用中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次最優(yōu)功率分配；
[0013]3)中繼節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)因子排序:
[0014]首先根據(jù)步驟2)的最優(yōu)功率分配結(jié)果，按照下式計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)中斷概率的貢獻(xiàn)因子
[0015]

【權(quán)利要求】
1.一種基于系統(tǒng)中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)獲取信道統(tǒng)計(jì)信息:目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)訓(xùn)練序列獲得可用中繼集中的M個(gè)可用中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)間的信道統(tǒng)計(jì)信息，以及中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道統(tǒng)計(jì)信息； 2)基于系統(tǒng)中斷概率上界值進(jìn)行最優(yōu)功率分配:在系統(tǒng)給定的各中繼節(jié)點(diǎn)允許最大輸出功率值Pimax、源節(jié)點(diǎn)允許最大輸出功率值PsmajJP總功率最大值P條件下，基于系統(tǒng)中斷概率上界值，根據(jù)所述步驟I)中獲取的信道統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)所有可用中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次最優(yōu)功率分配； 3)中繼節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)因子排序: 首先根據(jù)所述步驟2)的最優(yōu)功率分配結(jié)果，按照下式計(jì)算每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)中斷概率的貢獻(xiàn)因子W:
Pxr2 + ρσ2 ft-，其中Ps與Pi分別是源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)分配到的功率值，σΙ為源
KaS.η tIfjriJ節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)Ri間信道的方差，為中繼節(jié)點(diǎn)Ri到目的節(jié)點(diǎn)之間信道的方差； 然后按照各中繼節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)因子從小到大對(duì)各中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序； 4)最優(yōu)中繼集的選取:首先根據(jù)所述步驟2)得到的最優(yōu)功率分配結(jié)果計(jì)算實(shí)時(shí)的系統(tǒng)中斷概率上界值，然后從可用中繼集中刪除掉貢獻(xiàn)因子最大的中繼節(jié)點(diǎn)，并將該中繼節(jié)點(diǎn)分配到的功率按照各節(jié)點(diǎn)功率與總剩余功率的比值重新分配給剩余的中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)，并再次計(jì)算系統(tǒng)中斷概率上界值； 5)判斷中繼集中是否已經(jīng)沒(méi)有中繼節(jié)點(diǎn)，若是，則將最后刪除的中繼節(jié)點(diǎn)作為最終確定的最優(yōu)中繼集后進(jìn)入步驟6)，否則判斷中斷概率上界值是否下降，如是，則返回步驟4)，否則將剩余的中繼節(jié)點(diǎn)加上最后刪除的中繼節(jié)點(diǎn)作為最終確定的最優(yōu)中繼集后進(jìn)入步驟6)； 6)對(duì)最終確定的最優(yōu)中繼集中的中繼節(jié)點(diǎn)，以及源節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行一次最優(yōu)功率分配，從而確定最優(yōu)中繼集中所有中繼節(jié)點(diǎn)的功率，以及源節(jié)點(diǎn)的功率，目的節(jié)點(diǎn)將上述分配結(jié)果廣播給各中繼節(jié)點(diǎn)及源節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)中斷概率的多中繼選擇及功率分配方法，其特征在于，所述步驟2)的具體流程為: 步驟a)定義一組包括N+1個(gè)標(biāo)記變量的標(biāo)記數(shù)組，并對(duì)所述標(biāo)記數(shù)組進(jìn)行初始化po\\_flag~"[Oj)_^——§ O]，前N個(gè)標(biāo)記變量為O表示N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的分配到的功率值還沒(méi)有

Λ T、0超過(guò)自己的最大功率值，最后一個(gè)標(biāo)記數(shù)組為O表示源節(jié)點(diǎn)分配到的功率值還沒(méi)有超過(guò)其能夠輸出的最大功率值； 步驟b)首先按照如下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)以及標(biāo)記數(shù)組pow_f lag中為O的標(biāo)記變量對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)在忽略各節(jié)點(diǎn)功率約束條件下進(jìn)行功率分配:若中繼節(jié)點(diǎn)Ri分配到的功率Pi >Pifflax,則取Pi = Pifflax,并置對(duì)應(yīng)的標(biāo)記變量為1，否則中繼節(jié)點(diǎn)Ri對(duì)應(yīng)的標(biāo)記變量不變；若源節(jié)點(diǎn)分配到的功率值等于或大于Psmax，則取Ps = Psmax，并置對(duì)應(yīng)的標(biāo)記變量為1，否則源節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)記變量不變；待所有中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配完成后，若此時(shí)標(biāo)記數(shù)組pow_flag中為O的標(biāo)記變量個(gè)數(shù)沒(méi)有增加，則表示進(jìn)行功率分配的節(jié)點(diǎn)功率都小于對(duì)應(yīng)的最大功率，進(jìn)入步驟f)，否則轉(zhuǎn)至步驟c)； 步驟C)檢索標(biāo)記數(shù)組pow_f lag的標(biāo)志變量,如果源節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)記數(shù)組為O,即源節(jié)點(diǎn)分配到的功率沒(méi)有達(dá)到其最大功率，則轉(zhuǎn)到步驟d)，否則轉(zhuǎn)到步驟e)； 步驟d)檢索標(biāo)記數(shù)組pow_flag的標(biāo)志變量,如果前N個(gè)標(biāo)記數(shù)組的值均為I,則表示此時(shí)所有中繼節(jié)點(diǎn)均達(dá)到其能夠輸出的最大功率值，此時(shí)，
P然


后進(jìn)入步驟f);否則返回步驟b)； 步驟e)源節(jié)點(diǎn)功率取最大值Psmax,并將Ps = Psmax作為已知條件進(jìn)行一次功率分配功率分配后進(jìn)入步驟f); 步驟f)最優(yōu)功率分配流程結(jié)束。
【文檔編號(hào)】H04W52/46GK104168638SQ201410401731
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】朱琦, 周志康 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)