[发明专利]一种保证系统速率的多载波PLC中继系统功率优化方法

摘要

本发明公开了一种保证系统速率的多载波PLC中继系统功率优化方法，包括以下步骤：首先设定系统所使用的子载波、系统总速率目标值并初始化系统功率分配值。然后利用凹凸优化思想将非凸的系统功率最小化问题近似为凸问题，并利用拉格朗日对偶方法迭代地求解近似的系统功率最小化问题得到最后的系统发射功率分配值；最后系统根据计算得到的发射功率值设定源端、中继的发射功率，实现多载波PLC系统的信息传输。本发明通过利用凹凸优化方法和拉格朗日对偶方法设计PLC中继系统的功率分配，从而在达到系统总速率要求的同时降低PLC中继系统的总功率。

主权项

一种保证系统速率的多载波PLC中继系统功率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：系统确定选择使用的子载波集合，总的子载波数为K；利用导频方法进行信道估计得到各子载波上的信道系数k＝1,2…K，其中表示L₁∈{S,R}到L₂∈{R,D}之间第k个子载波的信道系数，S表示源节点，R表示中继节点，D表示目的节点，设定总速率设计目标值q；步骤2：初始化迭代次数：n＝0，首先令k＝1,2…K，P^[1]＝P^[2]＝...＝P^[K]且C({P^[k]})＝q，对其采用二分法求得初始功率分配(P^[k])^*，k＝1,2…K。令${\left({\tilde{P}}_R^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left({\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left(P^{\[k\]}\right)}^{*},$k＝1,2…K,并计算$P_{\mathrm{\Σ}}^{\left(n\right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\[{\left({\tilde{P}}_R^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}+{\left({\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}+{\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}\],$其中是第n次迭代的系统总传输功率值，和分别是系统的中继节点、源节点第一阶段、源节点第二阶段第k个子载波的发射功率；C({P^[k]})表示系统总速率函数；步骤3：在处，对系统总功率最小化问题中系统总速率约束进行凸逼近，得到从而将原问题近似为如下凸问题：$\begin{array}{cc}\underset{\{P_R^{\[k\]},P_{S,2}^{\[k\]},P_{S,1}^{\[k\]}\}}{min}& \underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}(P_R^{\[k\]}+P_{S,2}^{\[k\]}+P_{S,1}^{\[k\]})\end{array}$$\begin{array}{cc}s.t.& \tilde{C}\left(\right\{P_R^{\[k\]},P_{S,2}^{\[k\]},P_{S,1}^{\[k\]}\left\}\right)\≥q\end{array}$$P_R^{\[k\]}\≥0,P_{S,2}^{\[k\]}\≥0,P_{S,1}^{\[k\]}\≥0,$k＝1,2,...,K其中，$\tilde{C}\left(\right\{P_R^{\[k\]}{P}_{S,2}^{\[k\]},P_{S,1}^{\[k\]}\left\}\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\left(a^{\[k\]}{P}_{S,1}^{\[k\]}+b^{\[k\]}\sqrt{P_{S,1}^{\[k\]}{P}_R^{\[k\]}}+c^{\[k\]}\sqrt{P_{S,2}^{\[k\]}(1+P_{S,1}^{\[k\]}{d}^{\[k\]})}+e^{\[k\]}{P}_R^{\[k\]}+f^{\[k\]}\right)$$a^{\[k\]}={\mathrm{\γ}}_{SD}^{\[k\]}-\frac{x_0^2}{t_0^2}{\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]},b^{\[k\]}=\frac{2x_0}{t_0}\sqrt{{\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{RD}^{\[k\]}},c^{\[k\]}=\frac{2x_0}{t_0}\sqrt{{\mathrm{\γ}}_{SD}^{\[k\]}},d^{\[k\]}={\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]},e^{\[k\]}=-\frac{x_0^2}{t_0^2}{\mathrm{\γ}}_{RD}^{\[k\]},f^{\[k\]}=1-\frac{x_0^2}{t_0^2}$$x_0=\sqrt{{\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]}{\tilde{P}}_R^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{RD}^{\[k\]}}+\sqrt{{\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{SD}^{\[k\]}(1+{\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]})},t_0=1+{\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{SR}^{\[k\]}+{\tilde{P}}_R^{\[k\]}{\mathrm{\γ}}_{RD}^{\[k\]},$节点L₁∈{S,R}到L₂∈{R,D}之间第k个子载波的信道归一化增益是L₂∈{R,D}的第k个子载波上的噪声功率；步骤4：利用对偶方法求解得到上述凸近似问题的最优解更新迭代次数：n＝n+1，令${\left({\tilde{P}}_R^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left({\tilde{P}}_R^{\[k\]}\right)}^{(*)},{\left({\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left({\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}\right)}^{(*)},{\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}={\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{(*)}$k＝1,2…K，并计算$P_{\mathrm{\Σ}}^{\left(n\right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\[{\left({\tilde{P}}_R^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}+{\left({\tilde{P}}_{S,1}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}+{\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)}\];$步骤5：判断是否成立，其中ε₁表示判定阈值，其值在0.001～0.000001之间，如果成立则重复步骤3‑5；否则输出问题最后的解${\left(P_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{*}={\left({\tilde{P}}_{S,2}^{\[k\]}\right)}^{\left(n\right)},$k＝1,2…K；步骤6：多载波PLC中继系统中源节点按照设定第一和第二阶段各个子载波的发射功率，中继按照设定各个子载波的发射功率，从而实现PLC系统收发两端的信息传输。