一种放大轉發雙向中繼系統中的功率分配方法與流程

2023-04-23 05:36:31 1

本發明涉及通信領域，具體涉及一种放大轉發雙向中繼系統中的功率分配方法。
背景技術：
：雙向中繼系統通過在基站與用戶或者用戶與用戶之間設置中繼站，有效地擴展網絡的覆蓋範圍，提供空間分集，並降低系統的能量損耗。與單向中繼系統相比，雙向中繼系統可以提高將近一倍的頻譜效率，但該系統也存在用戶之間幹擾嚴重的問題。據現有文獻報導，已經有很多方法可以消除用戶之間的幹擾，比如髒紙編碼和一些幹擾協調技術。但這些方法具有較高的算法複雜度，在實際系統中不利於實施。與此同時，大規模天線技術因為其出色的幹擾抑制能力得到業界的廣泛關注。因此，在中繼端部署大規模天線是一種非常有潛力並且簡單易行的幹擾協調方法。部署大規模天線的雙向中繼系統信道漸近正交，天線陣列的解析度提升，可以顯著地提高系統的頻譜效率。但隨著爆炸式的移動數據流量的增長，對雙向中繼系統的頻譜效率提出了更高的要求。現有文獻中提高雙向中繼系統的頻譜效率的方法，主要有：(1)優化波束成型器，控制基站端波束的發射方向；(2)在中繼端進行天線選擇，用最佳信道傳輸數據或者進行用戶調度，調度信道條件好的用戶傳輸數據；(3)利用信道瞬時狀態信息，實時地調整用戶和中繼的發送功率。對現有方法進行分析後，發明人發現：文獻中所提到的方法或是過於複雜，可行性方面有所欠缺，或是適用範圍狹窄，具有一定的局限性。方法(1)需要獲得全部信道信息，進行最優波束成型器的求解，相對比較複雜，不易實現；方法(2)中天線選擇或用戶調度需要引入中繼和用戶之間通信與協調，增加了不必要的開銷；方法(3)中需要實時的檢測信道變化，在信道變化較快的高移動系統中無法實施。技術實現要素：本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一种放大轉發雙向中繼系統中的功率分配方法，提升放大轉發雙向中繼系統的頻譜效率。本發明解決上述技術問題所提供的技術方案為：一种放大轉發雙向中繼系統中的功率分配方法，包括如下步驟：1)N對用戶TA,i和TB,i在每個信道的相干時間τc內同時發送互相正交的長度為τp的導頻序列到中繼TR，其中1≤i≤N；所述中繼TR配備M根天線；2)中繼TR收到N對用戶TA,i和TB,i發送的導頻序列後，根據導頻序列信息使用MMSE線性估計，得到信道狀態信息；3)根據信道狀態信息計算用戶TA,i的頻譜效率RA,i和用戶TB,i的頻譜效率RB,i，總頻譜效率4)將總頻譜效率轉換為建立功率優化問題；引入功率控制算法進行求解優化問題，得到使總頻譜效率R達到最大的功率分配參數和所述pA,i為用戶TA,i的發射功率，pB,i為用戶TB,i的發射功率，pr為中繼TR的發射功率；5)放大轉發雙向中繼系統利用最優的功率分配參數和進行數據傳輸。上述技術方案為放大轉發雙向中繼系統中的功率分配提供了一種具有指導意義的方法，即通過中繼估計信道狀態信息，並計算出總頻譜效率的表達式，在系統服從總功率約束的條件下，同時優化中繼和N對用戶的發射功率，使得系統的總頻譜效率最大。相比於傳統的如波束成形或天線選擇的提高頻譜效率的方法，具有算法複雜度低，簡單易實施的特點，迎合了未來爆炸式移動數據增長的需求。所述步驟2)中的信道狀態信息包括用戶TA,i與中繼TR，用戶TB,i與中繼TR的信道狀態信息，具體為：gAR,i=g^AR,i+eAR,igRB,i=g^RB,i+eRB,i,]]>其中，gAR,i和gRB,i分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的信道向量，和分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的估計信道向量，eAR,i和eRB,i為信道的估計誤差向量。所述估計信道向量和中的每個元素分別滿足均值為0，方差為和的復高斯分布，其中βAR,i為用戶TA,i與中繼TR的大尺度衰落因子，βRB,i為用戶TB,i與中繼TR的大尺度衰落因子，pp為導頻序列的發射功率。所述步驟3)中用戶TA,i的頻譜效率RA,i為：RA,i=τc-τp2τclog2(1+γA,i),]]>式中，其中，ai,j，bi,j，ci,j，di,j和ei為已知的定值。所述步驟3)中用戶TB,i的頻譜效率RB,i為：RB,i=τc-τp2τclog2(1+γB,i),]]>式中，其中，和為已知的定值。所述步驟4)中建立功率優化問題為：maximizeRs.t.Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0其中，P為放大轉發雙向中繼系統的總功率約束。進一步，所述建立功率優化問題等價變換為：minimizeΠi=1N(1+γA,i)-1(1+γB,i)-1]]>s.t.γA,i≤pB,iΣj=1N(ai,jpA,j+bi,jpB,j)+pr-1Σj=1N(ci,jpA,j+di,jpB,j)+ei,i=1,...,N]]>γB,i≤pA,iΣj=1N(a~i,jpA,j+b~i,jpB,j)+pr-1Σj=1N(c~i,jpA,j+d~i,jpB,j)+e~i,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0。上述功率優化問題為輔助幾何規劃問題，可以使用逐次逼近算法，通過解決一系列的幾何規劃問題求出原問題的近似解。所述步驟4)中功率控制算法為逐次逼近算法，包括：a)初始化：定義參數ε和θ；令k＝1，設置初始值b)迭代k：計算和然後解決下列幾何規劃問題:minimizeΠi=1N(γA,i)-μA,i(γB,i)-μB,i]]>s.t.θ-1γ^A,i≤γA,i≤θγ^A,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^B,i≤γB,i≤θγ^B,i,i=1,...,N]]>γA,ipB,i-1(Σj=1N(ai,jpA,j+bi,jpB,j)+pr-1Σj=1N(ci,jpA,j+di,jpB,j)+ei)≤1,i=1,...,N]]>γB,ipA,i-1(Σj=1N(a~i,jpA,j+b~i,jpB,j)+pr-1Σj=1N(c~i,jpA,j+d~i,jpB,j)+e~i)≤1,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0得到第k次迭代時的最優解，表示為和c)迭代停止準則：如果或者迭代停止，輸出此時幾何規劃問題的解，為和否則，執行步驟d)；d)更新初始值：令和k＝k+1；執行步驟b)。所述步驟5)中數據傳輸是指：用戶TA,i和TB,i分別發射功率為和的信號到中繼TR；中繼TR收到信號後，進行最大比合併/最大比傳輸的線性處理，並以的功率放大轉發給用戶TA,i和TB,i，實現用戶TA,i和TB,i之間的通信。同現有技術相比，本發明的有益效果體現在：(1)本發明充分結合了雙向中繼系統和大規模天線技術，不僅利用了雙向中繼系統覆蓋面積廣泛，能量損耗低的優勢，還具備大規模天線較強的幹擾協調能力。(2)本發明針對中繼端估計的信道狀態信息，得到總頻譜效率的表達式，利用逐次逼近算法，通過解決一系列幾何規劃問題，獲得用戶分配參數使得系統的頻譜效率最大，滿足了未來移動通信系統的需求。附圖說明圖1為本發明實施例中放大轉發雙向中繼系統中通信結構圖；圖2為本發明實施例中放大轉發雙向中繼系統的功率分配方法流程圖；圖3為本發明實施例中的功率分配方法與平均功率分配方法的頻譜效率比較曲線。具體實施方式下面結合實施例和說明書附圖對本發明進一步說明。如圖1所示放大轉發雙向中繼系統，該系統包括配備M根天線的中繼TR並工作在放大轉發的模式下，N對單天線用戶TA,i和TB,i；用戶TA,i和TB,i通過中繼TR實現通信，所有信道的散射充分，滿足瑞利衰落模型。如圖2所示的功率分配方法，包括如下步驟：1)N對用戶TA,i和TB,i在每個信道的相干時間τc內同時發送互相正交的長度為τp的導頻序列到中繼TR，其中1≤i≤N；所述中繼TR配備M根天線；2)中繼TR收到N對用戶TA,i和TB,i發送的導頻序列後，根據導頻序列信息使用MMSE線性估計，得到信道狀態信息；3)根據信道狀態信息計算用戶TA,i的頻譜效率RA,i和用戶TB,i的頻譜效率RB,i，總頻譜效率4)將總頻譜效率轉換為建立功率優化問題；引入功率控制算法進行求解優化問題，得到使總頻譜效率R達到最大的功率分配參數和所述pA,i為用戶TA,i的發射功率，pB,i為用戶TB,i的發射功率，pr為中繼TR的發射功率；5)放大轉發雙向中繼系統利用最優的功率分配參數和進行數據傳輸。所述步驟2)中的信道狀態信息包括用戶TA,i與中繼TR，用戶TB,i與中繼TR的信道狀態信息，具體為：gAR,i=g^AR,i+eAR,igRB,i=g^RB,i+eRB,i,]]>其中，gAR,i和gRB,i分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的信道向量，和分別表示用戶TA,i、TB,i與中繼TR之間的估計信道向量，eAR,i和eRB,i為信道的估計誤差向量。所述估計信道向量和中的每個元素分別滿足均值為0，方差為和的復高斯分布，其中βAR,i為用戶TA,i與中繼TR的大尺度衰落因子，βRB,i為用戶TB,i與中繼TR的大尺度衰落因子，pp為導頻序列的發射功率。所述步驟3)中用戶TA,i的頻譜效率RA,i為：RA,i=τc-τp2τclog2(1+γA,i),]]>式中，其中，ai,j，bi,j，ci,j，di,j和ei為已知的定值。所述步驟3)中用戶TB,i的頻譜效率RB,i為：RB,i=τc-τp2τclog2(1+γB,i),]]>式中，其中，和為已知的定值。所述步驟4)中建立功率優化問題為：maximizeRs.t.Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0其中，P為放大轉發雙向中繼系統的總功率約束。進一步，所述建立功率優化問題等價變換為：minimizeΠi=1N(1+γA,i)-1(1+γB,i)-1]]>s.t.γA,i≤pB,iΣj=1N(ai,jpA,j+bi,jpB,j)+pr-1Σj=1N(ci,jpA,j+di,jpB,j)+ei,i=1,...,N]]>γB,i≤pA,iΣj=1N(a~i,jpA,j+b~i,jpB,j)+pr-1Σj=1N(c~i,jpA,j+d~i,jpB,j)+e~i,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0。上述功率優化問題為輔助幾何規劃問題，可以使用逐次逼近算法，通過解決一系列的幾何規劃問題求出原問題的近似解。所述步驟4)中功率控制算法為逐次逼近算法，包括：a)初始化：定義參數ε和θ；令k＝1，設置初始值b)迭代k：計算和然後解決下列幾何規劃問題:minimizeΠi=1N(γA,i)-μA,i(γB,i)-μB,i]]>s.t.θ-1γ^A,i≤γA,i≤θγ^A,i,i=1,...,N]]>θ-1γ^B,i≤γB,i≤θγ^B,i,i=1,...,N]]>γA,ipB,i-1(Σj=1N(ai,jpA,j+bi,jpB,j)+pr-1Σj=1N(ci,jpA,j+di,jpB,j)+ei)≤1,i=1,...,N]]>γB,ipA,i-1(Σj=1N(a~i,jpA,j+b~i,jpB,j)+pr-1Σj=1N(c~i,jpA,j+d~i,jpB,j)+e~i)≤1,i=1,...,N]]>Σi=1N(pA,i+pB,i)+pr≤P]]>pA,i≥0,pB,i≥0,i＝1,...,Npr≥0得到第k次迭代時的最優解，表示為和c)迭代停止準則：如果或者迭代停止，輸出此時幾何規劃問題的解，為和否則，執行步驟d)；d)更新初始值：令和k＝k+1；執行步驟b)。所述步驟5)中數據傳輸是指：用戶TA,i和TB,i分別發射功率為和的信號到中繼TR；中繼TR收到信號後，進行最大比合併/最大比傳輸的線性處理，並以的功率放大轉發給用戶TA,i和TB,i，實現用戶TA,i和TB,i之間的通信。實施例達到的技術效果為：圖3為本實施例中的逐次逼近算法與平均功率分配算法的對比效果圖。其中設置放大轉發雙向中繼系統中隨機分布N＝5對用戶，大尺度衰落因子為βAR＝[0.2688,0.0368,0.00025,0.1398,0.0047]和βRB＝[0.0003,0.00025,0.0050,0.0794,0.0001]，總功率約束為P＝10dB，導頻發送功率為pp＝10dB。從圖中可以看出，與平均功率分配場景相比，最優功率分配可以有效地提高放大轉發中繼系統的頻譜效率，並且中繼配置越多天線，提升效果越明顯。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應涵蓋在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp