一种非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法组成比例

技术编号:14885989 阅读:96 留言:0更新日期:2017-03-25 12:41
本发明专利技术提供的是一种非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法。一、建立传统三节点双向中继通信系统模型,对各节点功率进行初始化;二、将非对称因子引入传统三节点模型中,分成四种非对称情况;三、分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较;四、对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理;五、将系统中断概率作为目标函数,总功率作为约束条件,按照目标函数最小时的功率分配方案自适应分配功率资源。本发明专利技术根据信道状态信息,来分配用户节点的功率值,该功率分配值为与非对称因子有关的分段函数,节点能根据信道状态的变化自适应地调整发射功率,提升了非对称信道通信系统的中断性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设计的是一种无线通信
中的功率分配方法,尤其涉及一种非对称双向中继信道的功率分配方法。
技术介绍
协作中继技术作为多天线技术的一种扩展,通过形成虚拟的MIMO技术获得协作分集,扩大信号传输范围,已经成为研究热点。放大转发(amplify-and-forward,AF)和解码转发(decode-and-forward,DF)两种中继协议已经表明,通过中继共享用户的天线,可以提高系统容量,降低系统随信道变化的敏感性。然而,由于实际通信系统的半双工限制,协作中继在提高无线传输性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此只需两个时隙即可完成信息交互的双向中继传输方案被提出。研究表明,双向中继较单向中继能够获得更高的吞吐量。由于DF双向中继需在中继端进行复杂的额外操作,而AF协议只需对双向接入信号进行简单的功率控制,因而简单、易行的AF协议得到更多的关注。针对双向AF中继系统,LongYanshan,ZhangChensi分析了双向中继中断概率问题。但LongYanshan的研究是基于大信噪比假设,ZhangChensi只考虑系统具有相同的信道条件。更进一步,LouSijia等人对信道具有互易特性但两端信道条件不对称的系统进行了中断概率分析。为了优化系统性能,有研究人员对双向中继系统中的功率分配问题进行了研究。但上述研究都只考虑了一种特殊的网络模型,即系统上行阶段和下行阶段的各个信道具有相同的信道条件。另外,PopovskiP也指出非对称性对双向中继系统中的许多性能指标,如:系统中断概率、误码率等,均有不同程度的影响。对于非对称信道问题,李博针对物理层网络编码在非对称双向中继信道中的误码率性能进行了分析。但是,对非对称信道条件双向中继放大转发协议的中断概率性能未见报导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能提升非对称信道通信系统的中断性能的非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法。本专利技术的目的是这样实现的:步骤一:建立传统三节点双向中继通信系统模型,对各节点功率进行初始化;步骤二:将非对称因子引入传统三节点模型中,分成四种非对称情况;步骤三:分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较;步骤四:对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理;步骤五:将系统中断概率作为目标函数,总功率作为约束条件,按照目标函数最小时的功率分配方案自适应分配功率资源。本专利技术还可以包括:1、所述分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较,具体包括:(1)第一用户节点S1与第二用户节点S2通过中继R互相传递信号,四种非对称信道情况下第一用户节点S1与第二用户节点S2的接收信噪比γ1与γ2为,上行非对称信道:下行非对称信道:节点非对称信道:阶段非对称信道上:阶段非对称信道下:其中,h、f分别为S1-R信道与S2-R信道的信道衰落系数;p1、p2、pR分别表示S1、S2和R的发射功率,且满足p1+p2+pR≤Pt;n1、n2、nR分别表示S1、S2和R处的高斯白噪声,a,b为非对称因子;中断概率表示式为Pout=P(γ1<γth∪γ2<γth),γth为门限;(2)下行非对称信道占用一条下行信道,它的中断概率最大;上行非对称信道占用一条上行信道,性能次之;阶段非对称信道下占用两条下行信道;节点非对称信道占用一条上行信道与一条下行信道;阶段非对称信道上占用两条上行信道、它的中断概率最小;一条不可靠信道比两条不可靠信道对系统的中断概率影响大;下行不可靠信道比上行不可靠信道对系统的中断概率影响大;下行信道越不可靠,越可能发生中断,对通信的影响越大。2、所述对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理具体包括:(1)用户端接收信噪比进一步表示为:其中,u=h2,v=f2,则u、v分别服从均值为Ωh,Ωf且Ωh=d-λ,Ωf=(1-d)-λ的指数分布;同理:(2)设则γ1<pRmin(a2ψ1v,a2u),γ2<pRmin(ψ2u,v),根据中断概率定义Pout=P(C<R)=P(γ<γth)得:min(a2ψ1v,ψ2u,a2u,v)做分段处理,等同于:(3)设ψ1′=min(a2ψ1,1),ψ2′=min(ψ2,a2)则min(a2ψ1v,ψ2u,a2u,v)=min(ψ1′v,ψ2′u),则:其中(4)在高信噪比区域(pR→∞)得中断概率的渐进表达式:(5)对ψ1′,ψ2′进行具体的分析:当a2p2≥p1+a2pR时,ψ1′=1,则Pout随p2增大而增大,当p2=(p1+a2pR)/a2时,Pout最小;同理当p1≥a2(p2+pR)时,p1=a2(p2+pR)的情况下,Pout最小;当p1≤a2(p2+pR),a2p2≤p1+a2pR,此时3、将系统中断概率作为目标函数,总功率作为约束条件,按照目标函数最小时的功率分配方案自适应分配功率资源的具体方法为:(1)当p1≤a2(p2+pR),a2p2≤p1+a2pR时,中断概率的上界目标函数最小的功率分配表述为:s.t.p1+p2+pR=Ptp1,p2,pR≥0得到:其中由p1≤a2(p2+pR)和a2p2≤p1+a2pR,计算得到ε的范围:(2)当a2p2≥p1+a2pR时,目标函数最小的功率分配表述为:s.t.p1+p2+pR=Ptp1,p2,p3≥0得到:此时系统中断概率的最小值出现在p2=(p1+a2pR)/a2处;(3)当p1≥a2(p2+pR)时,目标函数最小的功率分配表述为:s.t.p1+p2+pR=Ptp1,p2,p3≥0得到:此时系统中断概率的最小值出现在p1=a2(p2+pR)处。本专利技术针对瑞利衰落信道的非对称性对系统中断性能的影响,提出了一种非对称双向中继信道中断概率分析及功率分配方法。本专利技术考虑一般化的双向中继模型,即信道条件非对称,研究影响系统中断性能的最主要因素;从双向传输的角度,以降低非对称系统中断概率为目标来实现节点间的功率分配,达到系统中断性能的优化,并且仿真验证该专利技术对系统性能的改善效果。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术的核心
技术实现思路
在于引入非对称因子,通过理论分析给出传统三节点网络结构中四种非对称双向中继信道下系统中断概率的闭合表达式,并仿真比较发现下行信道非对称对系统中断性能影响最大。进一步,针对下行信道非对称系统中断性能最差这一问题,以优化系统中断性能为目标,提出一种基于信道状态信息的用户节点功率分配方案。本专利技术提供的方法根据信道状态信息,来分配用户节点的功率值,该功率分配值为与非对称因子有关的分段函数,节点能根据信道状态的变化自适应地调整发射功率,提升了非对称信道通信系统的中断性能。附图说明图1是本专利技术的流程图;图2是本专利技术的传统三节点系统模型图;图3是本专利技术的非对称双向中继信道模型;图4(a)是瑞利信道下信噪比变化时系统中对称与非对称情况下的中断概率对比图;图4(b)是在信噪比一定且a、b变化时各种情况系统的中断概率对比图;图5是在非对称因子取不同值时,等功率分配情况下,系统中断概率随信噪比变化的曲线;图6是分别仿真分析了d=0.1和d=0.2时本专利技术功率优化分配方案与等功率分配方案系统的中断性能;图7是在d=0.1的条件下,非对称因子取不同值时本专利技术功率优化分配方案与等功率分配方案的对比图;图8给出本文档来自技高网
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一种非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法

【技术保护点】
一种非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法,其特征是:步骤一:建立传统三节点双向中继通信系统模型,对各节点功率进行初始化;步骤二:将非对称因子引入传统三节点模型中,分成四种非对称情况;步骤三:分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较;步骤四:对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理;步骤五:将系统中断概率作为目标函数,总功率作为约束条件,按照目标函数最小时的功率分配方案自适应分配功率资源。

【技术特征摘要】
1.一种非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法,其特征是:步骤一:建立传统三节点双向中继通信系统模型,对各节点功率进行初始化;步骤二:将非对称因子引入传统三节点模型中,分成四种非对称情况;步骤三:分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较;步骤四:对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理;步骤五:将系统中断概率作为目标函数,总功率作为约束条件,按照目标函数最小时的功率分配方案自适应分配功率资源。2.根据权利要求1所述的非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法,其特征是:所述分别计算四种非对称情况的系统中断概率,并进行比较,具体包括:(1)第一用户节点S1与第二用户节点S2通过中继R互相传递信号,四种非对称信道情况下第一用户节点S1与第二用户节点S2的接收信噪比γ1与γ2为,上行非对称信道:γ1=p2pRh2f2(a2p1+pR)h2+p2f2+1]]>γ2=a2p1pRh2f2a2p1h2+(p2+pR)f2+1]]>下行非对称信道:γ1=a2p2pRh2f2(p1+a2pR)h2+p2f2+1]]>γ2=p1pRh2f2p1h2+(p2+pR)f2+1]]>节点非对称信道:γ1=b2p2pRh2f2(b2p1+b2pR)h2+p2f2+1]]>γ2=b2p1pRh2f2b2p1h2+(p2+pR)f2+1]]>阶段非对称信道上:γ1=b2p2pRh2f2(b2p1+pR)h2+b2p2f2+1]]>γ2=b2p1pRh2f2b2p1h2+(b2p2+pR)f2+1]]>阶段非对称信道下:γ1=b2p2pRh2f2(p1+b2pR)h2+p2f2+1]]>γ2=b2p1pRh2f2p1h2+(p2+b2pR)f2+1]]>其中,h、f分别为S1-R信道与S2-R信道的信道衰落系数;p1、p2、pR分别表示S1、S2和R的发射功率,且满足p1+p2+pR≤Pt;n1、n2、nR分别表示S1、S2和R处的高斯白噪声,a,b为非对称因子;中断概率表示式为Pout=P(γ1<γth∪γ2<γth),γth为门限;(2)下行非对称信道占用一条下行信道,它的中断概率最大;上行非对称信道占用一条上行信道,性能次之;阶段非对称信道下占用两条下行信道;节点非对称信道占用一条上行信道与一条下行信道;阶段非对称信道上占用两条上行信道、它的中断概率最小;一条不可靠信道比两条不可靠信道对系统的中断概率影响大;下行不可靠信道比上行不可靠信道对系统的中断概率影响大;下行信道越不可靠,越可能发生中断,对通信的影响越大。3.根据权利要求2所述的非对称双向中继信道基于中断概率分析的功率分配方法,其特征是:所述对下行非对称情况系统的中断概率进行分段处理具体包括:(1)用户端接收信噪比进一步表示为:γ1=a2p2pRuv(p1+a2pR)u+p2v+1≈a2p2pRuv(p1+a2pR)u+p2v=pRa2up2vp1+a2pRu+p2vp1+a2pR<pRmin(a2p2vp1+a2pR,a2u)]]>其中,u=h2,v=f2,则u、v分别服从均值为Ωh,Ωf且Ωh=d-λ,Ωf=(1-d)-λ的指数分布;同理:γ2<pRmin(p1up2+pR,v);]]>(2)设则γ1<pRmin(a2ψ1v,a2u),γ2<pRmin(ψ2u,v),根据中断概率定义Pout=P(C<R)=P(γ<γth)得:Pout=P(γ1<γth∪γ2<γth)=1-P(γ1>γth∩γ2>γth)=1-P(min(γ1,γ2)>γth)=1-P(min(a2ψ1v,ψ2u,a2u,v)>γthpR),]]>min(a2ψ1v...

【专利技术属性】
技术研发人员:国强孙嘉遥
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙江;23

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