[发明专利]一种全双工双向中继系统节点发射功率的控制方法

权利要求书

1.一种全双工双向中继系统节点发射功率的控制方法，系统中的三个节点，即两个源节点和一个中继节点，均工作在全双工模式，假设信道为频率非选择性瑞利衰落信道，S₁和S₂为源节点，R为位于源节点之间的解码转发中继节点，系统中源节点S₁、S₂和中继节点R三个节点能够通过信道估计得到准确的信道状态信息，其特征在于，利用信道知识，并根据源节点对数据速率的要求，对源节点和中继节点发射机的发射功率以及中继节点处的叠加编码功率分配因子进行动态调整，在满足系统中断概率性能要求条件下，实现源节点S₁、S₂和中继节点R三个节点的发射功率和的最小化；首先检验信道条件能否满足系统通信业务要求，若能够满足，则通过最小化节点发射功率和的功率控制算法，计算系统中各个节点的发射功率，并计算功率门限；若源节点S₁、S₂和中继节点R三个节点的发射功率和小于等于功率门限，则源节点S₁、S₂和中继节点R同时进行信息的发送，完成源节点S₁与S₂之间的信息互通；若信道条件不能够满足系统通信业务要求或信道条件能够满足系统通信业务要求时的源节点S₁、S₂和中继节点R三个节点发射功率和大于功率门限，则源节点S₁、S₂和中继节点R处于静默状态，系统产生中断，在满足系统中断性能要求的条件下，提供较小的节点发射功率和；

所述最小化节点发射功率和的节点功率控制算法过程如下：在第k个时隙，k∈{1，2，3…}，源节点S₁将需要发送的信息编码调制为发送信号x₁[k]，假设x₁[k]具有单位功率，并向中继节点R进行发送；与此同时，源节点S₂将需要发送的信息编码调制为发送信号x₂[k]，假设x₂[k]具有单位功率，并向中继R进行发送；中继节点R在接收源节点S₁和S₂发送信号的同时，采用叠加编码技术，将接收到的源节点S₁和S₂的合并信号解码为源节点发送信息，然后再将该源节点发送信息编码调制为发送信号同时将x_R[k]转发给源节点S₁和S₂，其中，ρ为叠加编码功率分配因子，0≤ρ≤1；源节点S₁和S₂接收到信号x_R[k]后，去除自己发送的信号项，再解调、解码获得对方源节点发来的信息，实现源节点S₁和S₂间信息的交互；

在第k个时隙，源节点S₁、S₂和中继节点R接收到的信号分别为

因为信道特性是准静态的，并且具有互易性，h₁和h₂不仅分别表示源节点S₁和S₂到中继节点R的信道增益，还代表中继节点R到源节点S₁和S₂的信道增益；P₁、P₂和P_R分别表示源节点S₁、S₂和中继节点R的发送功率；g₁₁、g₂₂和g_RR分别为源节点S₁、S₂和中继节点R通过自干扰消除后的残留自干扰因子，假设g₁₁＝g₂₂＝g_RR＝g并且0≤g≤1；n₁、n₂和n_R分别表示源节点S₁、S₂和中继节点R接收到的高斯白噪声，系统中每个节点接收到的高斯白噪声方差为1，并且不同节点处的噪声信号统计独立；

此时，中继节点R到源节点S₁的可达速率为

中继节点R到源节点S₂的可达速率为

源节点S₁到中继R的可达速率为

源节点S₂到中继R的可达速率为

式(4)、式(5)、式(6)及式(7)中，|h₁|²、|h₂|²分别表示信道增益h₁和h₂模的平方；

在满足系统中断性能要求的条件下，最小化节点发送功率和，建立优化问题的公式(8)，得：

式(8a)、式(8b)、式(8c)和式(8d)组成了公式(8)，式(8b)中，P_out表示系统中断概率，s_Q表示系统能够接受的最大中断概率；式(8a)中，P₁^*、和ρ^*分别表示公式(8)的最优解，即针对变量P₁、P₂、P_R和ρ给出的最优解；

将公式(8)给出的最优解P₁^*、和ρ^*分别作为源节点S1、S2和中继节点R的发射功率以及中继节点R处的叠加编码功率分配因子，能够使源节点S1与S2之间借助中继节点R以中断概率s_Q进行消息的交互，并使源节点S1、S2和中继节点R的发射功率和最小化；

所述求解式(8a)、式(8b)、式(8c)和式(8d)组成的式(8)的最优解，采用递进式优化求解方法：

首先，忽略约束条件(8b)，假设源节点S₁、S₂与中继节点R均能够成功解码，即I_R1≥λ₂、I_R2≥λ₁、I_1R≥λ₁、I_2R≥λ₂和式(9)同时成立；

λ₁和λ₂分别为源节点S₁和S₂的信息发送速率，并且有λ₁≤λ₂，I_R1、I_R2、I_1R和I_2R分别由式(4)、式(5)、式(6)和式(7)给出；λ₁和λ₂是对频带归一化的速率，量纲为bit/s/Hz；

在源节点S₁、S₂与中继节点R均能够成功解码情况下，建立最小化节点发送功率和的问题即公式(10)，得：

式(10a)、式(10b)、式(10c)、式(10d)、式(10e)、式(10f)、式(10g)和式(10h)组成了公式(10)，g表示节点S₁、S₂和R处的残留自干扰因子，和分别表示公式(10)的最优解，即针对变量P₁、P₂、P_R和ρ给出的最优解；

若系统采用公式(10)的解进行信息的发送，此时系统中断概率为零；

全双工模式下，同时频的发射和接收会引起自干扰，公式(10)可能无可行解，即在源节点S₁和S₂的发送速率分别为λ₁和λ₂及三个节点的残留自干扰因子为g的条件下，找不到和使得源节点S₁、S₂和中继节点R均能够成功解码；

若公式(10)存在可行解，则对源节点S₁、S₂和中继节点R三个节点的发送功率和设定门限此时，若公式(10)给出的解和的和小于等于即系统中的源节点S₁、S₂和中继节点R将采用和进行信息的发送；若则源节点S₁、S₂和中继节点R保持静默状态，不发送任何信息，系统产生中断；

此时的系统中断概率定义为：公式(10)存在可行解且的概率与公式(10)无可行解概率的和，系统中断概率为

Pr(·)表示概率，E表示公式(10)不存在可行解的事件，表示E的逆事件，即公式(10)存在可行解；

公式(10)是一个凸优化问题，它的可行解能够通过Karush-Kuhn-Tucker条件来求得，利用拉格朗日乘子法，并利用KKT条件，解得公式(10)的最优解，分下面2种情况：

Case1：当不等式(13)成立时，公式(10)的最优解为

Case2：当不等式(15)或不等式(16)成立时，公式(10)的最优解为

其中

因此，不等式(13)、(15)或(16)成立时，公式(10)有最优解；当不等式(13)、(15)和(16)均不成立时，公式(10)无最优解；

此时，式(11)给出的系统中断概率为

为了方便求解式(18)给出的中断概率，下面给出式(12)和式(14)中的节点发射功率和的上界，即，的上界；

根据式(12)给出的节点发射功率，可得的上界为：

根据式(14)给出的节点发射功率，可得的上界为：

将式(19)和式(20)给出的的上界作为和的和，并代入式(18)得到系统中断概率的一个近似解：

式(21)中，σ₁和σ₂分别为|h₁|²和|h₂|²的均值；

观察式(21)发现，是的减函数，即大的将产生小的相反，大的将对应小的

因为，系统要求必须得到保证，因此，从能效的角度取

令得

公式(22)给出的就是源节点S1、S2和中继节点R三个节点发射功率和的门限；当公式(10)给出的最优解和的和小于等于时，源节点S1和S2之间借助中继节点R进行消息的交互，当公式(10)给出的最优解和的和大等于时，源节点S1、S2和中继节点R保持静默状态，不进行任何的信息发送，系统产生中断；

具体步骤如下：

步骤1，源节点S₁、S₂和中继节点R分别验证不等式(13)、(15)和(16)成立与否；

步骤2，若不等式(13)成立，则源节点S₁、S₂和中继节点R根据式(12)计算各自的发送功率，并且中继R根据式(12)计算叠加编码功率分配因子，若不等式(15)或不等式(16)成立，则源节点S₁、S₂和中继节点R根据式(14)计算各自的发送功率，并且中继节点R根据式(14)计算叠加编码功率分配因子；若不等式(13)、(15)和(16)均不成立，则到步骤5；

步骤3，源节点S₁、S₂和中继节点R根据式(22)计算功率门限；

步骤4，若源节点S₁、S₂和中继R的发射功率和小于等于功率门限，源S₁、S₂和中继节点R进行信息的发送，然后到步骤6；若源节点S₁、S₂和中继节点R的发射功率和大于功率门限，则进行下一步步骤5；

步骤5，源节点S₁、S₂和中继节点R保持静默状态，不进行任何的信息发送，产生一次中断；

步骤6，方法结束。