一種多天線雙向中繼傳輸系統中的功率分配方法與流程
2023-05-30 19:37:11 2
本發明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼傳輸系統中的功率分配方法。
背景技術：
近幾年來，隨著無線通信業務需求量的增長，無線技術領域亦有著蓬勃發展。在具有中繼站的蜂窩通信系統中，基站與用戶通過中繼站協助進行上下行通信。這就構成了雙向中繼系統。
無論是對於移動蜂窩系統還是Ad-Hoc無線網絡，中繼技術都可以增大覆蓋範圍，提高鏈路可靠性並且增強鏈路容量。這是由於中繼站距離目的節點更近，中繼站通過轉發源節點的信號，可以顯著提高目的節點接收信噪比。同時目的節點收到的信號除了來自源節點的直連鏈路，又獲得了來自中繼節點的中繼鏈路。由於直連鏈路和中繼鏈路獨立，中繼又帶來了額外的分集增益。然而，由於通信系統節點一般是半雙工的，中繼的引入因此會帶來所謂的半雙工損失。這是由於每次傳輸過程中，由於中繼節點在同一時頻資源上無法同時發送與接收，所以在中繼系統中源或者中繼節點無法佔有所有時頻資源。這就帶來了頻譜效率的損失。而雙向中繼系統具有天然的避免半雙工損失的特性。
在點對點以及中繼系統中引入多天線可以有效地提高系統吞吐量以及鏈路可靠性。以點對點通信為例，具有M根發送天線，N根接收天線的MIMO系統的最大復用增益為min(M,N)，最大分集增益為MN。換句話說，在最大復用下，MIMO系統可以等效為min(M,N)個獨立的平行信道，此時即大大提高了吞吐量，而在最大分集下，MIMO系統的信道輸出將經過MN個獨立路徑，這將大大提高鏈路的可靠性。在中繼系統中引入多天線亦可以大大提高系統的性能，包括可達速率、錯誤概率等。同樣地，系統系能的提高依賴於各發送節點預編碼以及各接收節點的後編碼的合理設計。預編碼是多天線的一種信號處理方法，即是線性處理：接收端對在所有接收天線上的接收信號向量線性處理。
最後，自適應功率調整也是提升無線系統性能的重要技術。根據信道的實時增益，調整各個發送節點的功率，以及其在各個數據流或子信道上分配的功率，可以進一步提升通信系統的吞吐量。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的上述問題，本發明的目的是提供一種基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統中的聯合功率分配方法。它能在源節點以及中繼節點總功率受限情況下，最優分配各節點功率以及其在各個數據流上的功率，以達到最大化系統和吞吐量的目的。
所述的一種多天線雙向中繼傳輸系統中的功率分配方法，其特徵在於該系統採用基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼傳輸，在兩個源節點以及一個中繼節點總功率受限的情況下，以最大化系統吞吐量為目的，對源節點、中繼節點功率以及其在各數據流上的功率進行分配，具體包括如下步驟：
1.1)多天線雙向中繼系統中，兩個源節點S1和S2通過一個中繼節點交換信息，兩個源節點天線數為NS，中繼節點天線數為NR，源節點和中繼節點的總功率為P，其中兩個源節點的發送功率分別為P1和P2，中繼節點功率為PR＝P-P1-P2；
1.2)每次傳輸分為兩個時隙：在第一個時隙，兩個源節點同時發送信息，中繼R接收，源節點Si的發送信號表示為：xi＝Fisi,i＝1,2，其中Fi是源節點Si的預編碼矩陣，si是該源節點需要發送的消息向量；中繼R接收到來自兩個源節點的和信號，其接收信號表示為yR＝[H1 H2][x1 x2]T+ηR，其中H1是中繼節點R到源節點S1的信道矩陣，H2是中繼節點R到源節點S2的信道矩陣，ηR為中繼節點在各天線上的高斯噪聲，
所述源節點的預編碼矩陣具體為：來自於信道矩陣的廣義特徵值分解，即K是滿秩矩陣，Di是非負對角陣，用來對源節點的發送數據流進行功率分配，Vi是酉矩陣；由於源節點功率限制，Tr(Λi)＝Pi；
1.3)在第二個時隙，由中繼在系統中廣播，兩個源節點分別進行接收，中繼節點R的發送信號表示為：xR＝FR yR，其中FR是中繼節點所採用的線性厄米特預編碼矩陣，具體為FR＝(KT)+(ΠΛR)K+，Π是逆單位矩陣，ΛR為中繼在各數據流上的功率分配對角矩陣，由於中繼功率限制，功率分配矩陣需要滿足
1.4)接收端收到信號為系統總傳輸速率表示為其中以及噪聲方差歸一化為1。
所述的多天線雙向中繼傳輸系統中的功率分配方法，其特徵在於所述的兩個源節點功率P1、P2、中繼節點功率PR以及各節點在數據流上的功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR設計的具體步驟如下：
2.1)確定節點功率分配最大迭代次數T1,max，選取初始備選解集合其中NP是初始備選解集合數目，是初始備選解，代表源節點的功率為以及中繼節點的功率為初始解在(0，P)範圍內隨機選取產生，有效初始解的限制條件為各節點功率均大於0；
2.2)利用公式生成當前代解的變異體解，其中r1，r2，r3以及i互不相同且為隨機選取，F0>0，檢測得到的變異體解是否合理，若不合理，重新選取隨機數產生；
2.3)對得到的合理的變異解個體以及原始解個體，做元素交叉，得到每個個體中元素具體交叉規則如下：
randperm(i)表示任意取1或者2，CR>0，新產生的個體若不能滿足系統的限制條件，則取
2.4)對當前代解與變異解作比較，選取使得系統傳輸速率Rsum較大的作為下一代解Rsum的計算按步驟1.4，其中各節點在數據流上的功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR按如下方法設計：
2.4.1)初始化令兩個源節點功率P1、P2、中繼節點功率PR取自當前代解或變異解令N＝min(NS,NR)，功率分配矩陣以及其中來自於
2.4.2)優化源節點功率分配矩陣Λ1和Λ2，令λi,j代表Λi的第j個對角線元素的平方，j＝1,…,N，則其中μ1以及μ2選擇使得和功率滿足功率限制的值，即以及di,j為矩陣Di對角線元素，tj為矩陣對角線元素，λr,j為上一輪確定的中繼功率分配矩陣ΛR的對角線元素平方；
2.4.3)優化中繼功率分配矩陣ΛR令ΛR對角線元素的平方值為λr,j，則其中aj＝μβ1,jβ2,j，bj＝μδj(β1,j+β2,j)，μ選擇使得中繼和功率滿足功率限制的值，即λi,j為上一輪確定的源節點功率分配矩陣Λi的第j個對角線元素的平方，最後將所有的λr,j擴大κ倍，使得
2.4.4)若循環次數未超過設定值T2,max，則回到步驟2.4.2；否則結束；
2.5)若循環次數未超過設定值T1,max，則回到步驟2.2；否則選取下代解向量PG+1中使得系統和速率Rsum最大的解輸出源節點功率分配結果為以及中繼節點的功率為以及其對應的各節點數據流功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR。
通過採用上述技術，與現有技術相比，本發明的有益效果是，它對於基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統，根據信道狀態來優化源節點、中繼節點的發送功率，以及各節點在各數據流上的發送功率，在源節點以及中繼節點總功率受限情況下，最優分配各節點功率以及其在各個數據流上的功率，以達到最大化系統和吞吐量的目的。
附圖說明
圖1是基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統示意圖；
圖2是基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統在採用本發明的聯合功率分配方法後在不同總發送功率下的系統吞吐量，比較項為平均功率分配下的厄米特預編碼多天線雙向中繼系統吞吐量以及無預編碼下的多天線雙向中繼系統吞吐量示意圖。
具體實施方式
以下結合說明書附圖對本發明作進一步的描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此：
如圖1-2所示，為本發明的基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統傳輸過程示意圖，從圖中可以看出，在傳輸開始前，首先收集系統中的信道信息，然後各節點進行預編碼矩陣設計以及功率分配；之後的傳輸過程分為兩個時隙，在第一時隙，由兩個源節點同時發送，在第二時隙，中繼節點轉發上一時隙收到的信息，兩個源節點接收，具體步驟如下：
1.1)多天線雙向中繼系統中，兩個源節點S1和S2通過一個中繼節點交換信息，兩個源節點天線數為NS，中繼節點天線數為NR。源節點和中繼節點的總功率為P，其中源節點的發送功率分別為P1和P2，中繼節點功率為PR＝P-P1-P2；
1.2)每次傳輸分為兩個時隙。在第一個時隙，兩個源節點同時發送信息，中繼R接收。源節點Si的發送信號表示為：xi＝Fisi,i＝1,2，其中Fi是源節點Si的預編碼矩陣，si是該源節點需要發送的消息向量。中繼接收到來自兩個源節點的和信號，其接收信號可以表示為yR＝[H1 H2][x1 x2]T+ηR，其中，H1代表中繼節點R到源節點S1的信道矩陣，H2代表中繼節點R到源節點S2的信道矩陣，ηR是中繼節點在各天線上的高斯噪聲；源節點的預編碼矩陣具體為：其中來自於信道矩陣的廣義特徵值分解，即K是滿秩矩陣，D1和D2是非負對角陣，用來對源節點的發送數據流進行功率分配，V1和V2是酉矩陣。由於源節點功率限制，Tr(Λi)＝Pi；
1.3)、在第二個時隙，由中繼在系統中廣播，兩個源節點分別進行接收。中繼節點R的發送信號可以表示為：xR＝FR yR，其中FR是中繼節點所採用的線性厄米特預編碼矩陣，具體為FR＝(KT)+(ΠΛR)K+，Π是逆單位矩陣，ΛR為中繼在各數據流上的功率分配對角矩陣，由於中繼功率限制，功率分配矩陣需要滿足
1.4)、接收端收到信號為系統總傳輸速率可以表示為其中以及噪聲方差歸一化為1；
如圖所示，所述的源節點、中繼節點功率P1P2和PR以及各節點在數據流上的功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR設計的具體步驟如下：
2.1)確定節點功率分配最大迭代次數T1,max，選取初始備選解集合其中NP是初始備選解集合數目，是初始備選解，代表源節點的功率為以及中繼節點的功率為初始解在(0，P)範圍內隨機選取產生，有效初始解的限制條件為各節點功率均大於0；
2.2)利用公式生成當前代解的變異體解。其中r1，r2，r3以及i互不相同且為隨機選取，F0>0。檢測得到的變異體解是否合理，若不合理，重新選取隨機數產生；
2.3)對得到的變異解個體以及原始解個體，做元素交叉，得到每個個體中元素具體交叉規則如下：
randperm(i)表示任意取1或者2，CR>0。新產生的個體若不能滿足系統的限制條件，則取
2.4)對當前代解與變異解作比較，選取使得系統傳輸速率Rsum較大的作為下一代解Rsum的計算按步驟1.4。其中各節點在數據流上的功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR按如下方法設計；
2.4.1)初始化。令源節點以及中繼節點的功率P1P2和PR取自當前代解或變異解令N＝min(NS,NR)。功率分配矩陣以及其中來自於
2.4.2)優化源節點功率分配矩陣Λ1和Λ2。令λi,j代表Λi的第j個對角線元素的平方，j＝1,…,N。則其中μ1以及μ2選擇使得和功率滿足功率限制的值，即以及di,j為矩陣Di對角線元素，tj為矩陣對角線元素，λr,j為上一輪確定的中繼功率分配矩陣ΛR的對角線元素平方；
2.4.3)優化中繼功率分配矩陣ΛR。令ΛR對角線元素的平方值為λr,j，則其中aj＝μβ1,jβ2,j，bj＝μδj(β1,j+β2,j)，μ選擇使得中繼和功率滿足功率限制的值，即λi,j為上一輪確定的源節點功率分配矩陣Λi的第j個對角線元素的平方。最後將所有的λr,j擴大κ倍，使得
2.4.4)若循環次數未超過設定值T2,max，則回到步驟2.4.2；否則結束；
2.5)若循環次數未超過設定值T1,max，則回到步驟2.2；否則選取下代解向量PG+1中使得系統和速率Rsum最大的解輸出源節點功率分配結果為以及中繼節點的功率為以及其對應的各節點數據流功率分配矩陣Λ1,Λ2和ΛR。
從圖2可以得出，計算機仿真表明，基於厄米特預編碼的多天線雙向中繼系統，在採用了本專利的功率分配方法後，其系統和傳輸速率顯著高於採用平均功率分配的情況。