[发明专利]一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法

摘要

本发明公开了一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，以最小化系统发射功率为目标，以系统QoS要求和节点峰值发射功率受限为条件，根据瞬时信道状态信息和系统目标速率，对网络节点的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化。

主权项

一种AF双向中继通信系统节点发射功率的控制方法，其特征在于：利用瞬时CSI信息，根据源节点的目标速率，对网络节点的发射功率进行动态调整，在满足系统QoS要求和节点峰值发射功率受限条件下，实现系统总发射功率的最小化；对于采用AF协议的双向中继系统，网络中两个源节点A和B通过位于两者之间的中继节点R进行信息的互换，源节点A和B之间的一次信息互换分两个阶段完成，在时分双工模式下，源节点A和B之间的一次信息互换占用两个连续并等长的时隙，第一个时隙初，源节点A和B首先检查不等式是否成立，其中，Z＝22r‑1，r为源节点A和B目标速率，是节点的最大峰值发射功率，QS为系统可接受的中断概率，是一种系统参数，λ1和λ2是指数随机变量|hAR|2和|hBR|2的率参数，能够在源节点A和B处通过长期观测得到；若成立，则源节点A和B回归空闲状态，否则将各自的二进制信息mA和mB通过编码调制为发送信号sA和sB，并同时发送给中继节点R，则中继节点R接收的两路合并信号为：sR=EAhARsA+EBhBRsB+nR---(1)]]>其中EA和EB分别为源节点A和B的发射功率：EA=Z(|hAR|+|hBR|)|hAR|2|hBR|]]>EB=Z(|hAR|+|hBR|)|hAR||hBR|2]]>hAR和hBR分别为源节点A和B到中继节点R的信道增益，nR为中继节点R处的高斯白噪声；在第一时隙末，中继R将首先检查不等式Z(|hAR|+|hBR|)2+|hAR||hBR||hAR|2|hBR|2>(Z+0.25)(λ1+λ2)2/QS]]>是否成立，若成立，则强制发生中断事件，即，中继R将不转发源节点发来的信号，否则将对接收信号sR进行缩放，即，乘上缩放因子G=1EA|hAR|2+EB|hBR|2+1---(2)]]>然后，在第二时隙广播给两个源节点，中继节点R的发射功率：ER=Z(|hAR|+|hBR|)2+|hAR||hBR||hAR|2|hBR|2]]>在第二时隙末，源节点A和B接收到中继广播来的信号分别为：yA=G(EAERhARhRAsA+EBERhRAhBRsB+ERhRAnR)+nA]]>yB=G(EAERhARhRBsA+EBERhBRhRBsB+ERhRBnR)+nB---(4)]]>其中hRA和hRB分别为中继节点R到源节点A和B的信道增益，假设信道具有互易性，即，hAR＝hRA,hBR＝hRB，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末，源节点A和B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项和去除，得yAC=G(EBERhARhBRsB+ERhAR+nR)+nA---(5)]]>yBC=G(EAERhARhBRsA+ERhBR+nR)+nB---(6)]]>这样，在第二时隙末，源节点A和B能够获得的互信息量分别为：IA＝log2(1+γA)/2和IB＝log2(1+γB)/2，γA和γB分别为源节点A和B的接收信噪比：γA=EBER|hAR|2|hBR|2(EA+ER)|hAR|2+EB|hBR|2+1---(7)]]>γB=EAER|hAR|2|hBR|2EA|hAR|2+(EB+ER)|hBR|2+1---(8)]]>最后，源节点A和B将分别对接收信号yA和yB进行自干扰消除，再通过解调、解码得到对方发送的信息，完成信息的互换；假设源节点A和B以及中继节点R的峰值发送功率受限，即0＜EA,其中为节点的最大峰值发送功率；系统的QoS要求为QS，这里，将中断概率作为系统QoS性能指标，双向中继系统作为一个多用户系统，当源节点中的任意一个不能够正确解码对端发射的信号，则认为系统发生中断事件，因此，系统中断概率为：Qout(EA,EB,ER)＝Pr[min(IA,IB)＜r]＝Pr[min(γA,γB)＜Z]   (9)因此，对于一个AF双向中继系统Qout(EA,EB,ER)≤QS必须得到满足；对于一个AF双向中继系统，以最小化系统总发射功率为目标，以节点发射功率受限和系统QoS要求为条件，建立高能效功率控制优化问题，得(EA*,EB*,ER*)=argminEA,EB,EREA+EB+ER---(10a)]]>subject to Qout(EA,EB,ER)≤QS   (10b)为了方便表示，下面将式(10a)、式(10b)和式(10c)组成的高能效功率控制优化问题称之为问题(10)；为了利用瞬时CSI信息进行节点功率控制，采用两阶段的方法解决高能效功率控制优化问题：第一阶段，省略约束条件(10c)，并将(10b)替换为min(γA,γB)≥Z，此时，新优化问题的解能够保证源节点始终可以成功解码接收信号，使得系统中断概率为零；第二阶段，将第一阶段问题解的最大值与门限进行比较，当第一阶段问题解的最大值大于该门限，则强制系统发生中断事件，反之则将第一阶段优化问题的解作为节点的发射功率，门限值是由第一阶段问题解的最大值和系统可接受中断概率来决定；此外，由于节点峰值发送功率受限，即，约束条件(10c)，需要将上述的门限与节点最大峰值发射功率进行比较，若门限值大于节点最大峰值发射功率，则认为优化问题(10)不可行，反之则用上述两阶段方法得到的解作为优化问题(10)的最终解；通过上述的两阶段方法可以得到问题(10)的最终解，即，源节点A和B以及中继节点R的发射功率，存在以下两种情况：1)若优化问题(10)不可行，意味着，在节点峰值发射功率限制下，无法找到可行解使得系统QoS要求也得到满足；2)若三个节点的最优发射功率由式(11)、式(12)和式(13)给出：EA*=Z(|hAR|+|hBR|)|hAR|2|hBR|---(11)]]>EB*=Z(|hAR|+|hBR|)|hAR||hBR|2---(12)]]>ER*=Z(|hAR|+|hBR|)2+|hAR||hBR||hAR|2|hBR|2---(13).]]>