本发明专利技术提供的是一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。一、建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；二、根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；三、将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分配功率资源；四、基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；五、联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。本发明专利技术的方法根据信道统计信息，实现了分布式的中继选择，同时联合了功率优化方法最小化了系统的中断概率，优化了通信系统的性能。
【技术实现步骤摘要】
一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法
本专利技术设计的是一种无线通信技术中的分布式中继选择及用户功率分配方法。
技术介绍
协作中继(cooperativerelaying)通过用户间的协作，不仅能有效地扩大无线网络覆盖范围还能抵抗信道衰落的影响，近年来得到广泛关注。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。本专利技术主要关注AF双向中继系统。中继选择和功率分配是提升双向系统性能的重要研究内容。针对双向AF多中继系统，瑞利衰落信道下的中继选择方案已被提出。唐伦等人提出一种联合考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点间信道增益，但该方案的信噪比阈值若设置不合适将对系统产生较大影响。YindiJing研究了基于最大化最小信噪比准则的Max-min中继选择方案，但都是在等功率条件下提出，未考虑各节点的功率消耗。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。ZhihangY研究了单中继场景下以最小化中断概率为目标、基于最大化最小接收信噪比的情况下求得一种功率分配的最优解。张鹏等人联合考虑中继选择和功率分配。但上述文献都只分析了对称速率情况。而PopovskiP指出不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。进一步，XuK分析了在单中继不对称速率场景下的功率优化问题，但未同时考虑中继选择影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在不对称速率的双向中继传输情况下能够优化通信系统的中断性能的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；步骤二：根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；步骤三：将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分配功率资源；步骤四：基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。本专利技术还可以包括：1、所述步骤三具体包括：(1)对于第一用户节点S1和第二用户节点S2之间的双向中继传输，定义双向通信的中断概率Pout为两者各自中断概率的最大值，即：Pout＝max{Pout,1,Pout,2}其中Pout,1为第一用户节点S1的中断概率，Pout,2为第二用户节点S2的中断概率；(2)将功率优化分配表示为：p1、p2，分别为第一用户节点S1、第二用户节点S2和中继Ri的发送功率，pt为系统总功率，最优解存在的条件是Pout,1＝Pout,2＝Pout；(3)由上述分析可知，功率优化分配问题可进一步表示为：(4)由Karush-Kuhn-Tucker条件，得最优解为：和分别为信道和复高斯随机变量的方差，第一用户节点S1和第二用户节点S2的目标速率为Rth1和Rth2，其中2、所述步骤四具体包括：(1)将得出的最优解代入中断概率表达式，得到在第i个中继节点协作下的中断概率：(2)依据上式，选择最小的中继作为最佳中继，中继选择准则述为：3、所述步骤五具体包括：：(1)双向中继传输开始前，初始化σ1i、σ2i及各节点的发送功率p1、p2、i＝1,2…,n；(2)根据中继选择准则选择最优中继Ri；(3)选中的中继广播出自己的序号i，其它中继保持沉默，并且退出协作；(4)用户节点和最佳中继Ri依据步骤三中得到的最优解计算各自的功率；(5)双向中继传输开始。本专利技术考虑在不对称速率的双向中继传输情况下，基于最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法。首先分析双向中继传输中基于信道统计信息的中断概率，然后以最小化中断概率为目标、总功率作为约束条件推导出中继选择及功率分配的联合优化方法。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
在于通过分析双向中继传输中基于信道统计信息的中断概率，将最小化中断概率得出的功率优化分配优化值代入中断概率表达式，提出一种新的最小化系统中断概率的分布式中继选择方法。本专利技术提供的方法根据信道统计信息，实现了分布式的中继选择，同时联合了功率优化方法最小化了系统的中断概率，优化了通信系统的性能。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术的系统模型图；图3是考虑中继节点在两用户节点连线上的情境下功率优化方案，系统平均中断概率在各节点的功率分配值受信道状态影响的情况，分对称速率与不对称速率两种情况进行讨论；图4是本专利技术在更一般的情况(中继节点位于两个用户节点连线以外的位置)下的仿真情景；图5是在图3情景下研究不对称速率情况下不同中继选择方案系统平均中断概率与Rth2的关系曲线，其中Rth1固定；图6是在图3情景下给出了不同中继选择和功率分配策略下系统平均中断概率和总功率的关系。对比了本专利技术的联合优化策略与另外三种策略的中断性能。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。参照图1，本专利技术实现步骤如下：步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；(1.1)用户节点S1与S2通过中继节点Ri(i＝1,2…N)互相传递信息，中继节点采用AF模式，S1和S2之间的信息交换通过2个时隙完成。第一时隙，用户节点S1和S2分别向所有中继节点发送信息，各节点根据中继选择算法选出最佳中继节点(暂时考虑为Ri)；第二时隙，Ri将接收到的信息放大并转发到用户节点，其余中继节点保持沉默。步骤二：根据模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；(2.1)用户节点S1与S2的接收信噪比表达式，如式(1)：其中表示从用户节点S1到中继节点Ri的信道衰落系数(其中i＝1,2…n)，表示从用户节点S2到中继节点Ri的信道衰落系数。且和都是均值为0，方差分别为和的复高斯随机变量。假设信道具有互易性，即S1和S2的发送功率分别是p1、p2，为中继Ri的转发功率。(2.2)由上可知，通过双向中继传输，用户节点S1和S2获得的吞吐量如式(2)所示：(2.3)对于用户节点S1，定义2个新的随机变量γ1i可以改写成：(2.4)由于瑞利衰落，X1和X2分别服从参数为：的指数分布，假设用户节点S1的目标速率为Rth1，则S1的中断概率可表示：其中K1(·)为第二类一阶修正贝塞尔函数。由于x→0时K1(x)≈1/x，e-x≈1-x，在高信噪比区域(λ1,λ2→0)，则式(4)可以表示为：同理S2的中断概率可表示为：步骤三：将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分配功率资本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是：步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；步骤二：根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；步骤三：将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分配功率资源；步骤四：基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。
【技术特征摘要】
1.一种最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是：步骤一：建立双向中继网络模型，对用户节点和各中继节点功率进行初始化；步骤二：根据双向中继网络模型中信道状态信息，计算双向中继传输中基于信道统计信息的用户节点中断概率；步骤三：将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分配功率资源；步骤四：基于步骤三的功率分配方案，根据各候选中继节点的部署位置，以最小化中断概率为准则选择最优中继；步骤五：联合中继选择及功率分配策略，完成一次双向传输。2.根据权利要求1所述的最小化中断概率的分布式中继选择及用户功率分配方法，其特征是所述步骤三具体包括：(1)对于第一用户节点S1和第二用户节点S2之间的双向中继传输，定义双向通信的中断概率Pout为两者各自中断概率的最大值，即：Pout＝max{Pout,1,Pout,2}其中Pout,1为第一用户节点S1的中断概率，Pout,2为第二用户节点S2的中断概率；(2)将功率优化分配表示为：p1、p2，分别为第一用户节点S1、第二用户节点S2和中继Ri的发送功率，pt为系统总功率，最优解存在的条件是Pout,1＝Pout,2＝Pout；(3)由上述分析可知，功率优化分配问题可进一步表示为：(4)由Karush-Kuhn-Tucker条件，得最优解为：
【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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