非对称双向中继系统中的能量效率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，主要解决现有最佳功率分配方法能量效率低的问题。其技术方案包括：获取非对称双向中继系统中两个用户设备的和速率；提出以能量效率最大化为目标的初始优化问题；根据两个用户设备的速率，将初始优化问题重写为二次优化问题；再将二次优化问题转化为内层优化问题和外层优化问题，并获得该内、外层优化问题的最优解；最后，根据内、外层优化问题的最优解得到两个用户设备和中继的最佳功率分配。本发明专利技术完善了现有电路消耗功率模型，且能量效率优化方法计算复杂度低，实现简单，可用于非对称双向中继系统的数据传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动通信系统
，尤其涉及了一种中能量效率优化方法，可用于非对称双向中继系统。
技术介绍
随着移动互联网、物联网的逐渐兴起，爆炸式增长的移动数据流量和海量的设备连接致使能耗成本不断上升、生态环境日益恶化，绿色通信技术由此而备受关注。作为衡量通信系统能耗的绿色指标，能量效率成为了当今的研究热点。为了克服传统中继技术时隙浪费、谱效低的缺陷，双向中继信道TWRC被引入。在TWRC系统中，两终端节点通过中继实现数据交互，当中继节点对收到的信号仅作放大转发AF处理时，可将两终端实现一次信息交互的时隙数由传统中继的4个减少至2个，显著提升了频谱效率。当前，双向中继系统中能效优化方面的研究着重考虑天线发送数据时消耗的能量，并取得了一些科研成果。以最大化能效为目标，HuangR等在WirelessCommunicationsandNetworkingConferenceWorkshops.FRA:IEEE,2012:7-11上的文章“EnergyefficientdesigninAFrelaynetworkswithbidirectionalasymmetrictraffic”提出最佳的联合中继选择及功率分配的节能方案。在满足用户速率需求和发送能耗约束下，LiQ等在14thInternationalConferenceonCommunicationTechnology.China:IEEE,2012:929–934上的文章“TradeoffBetweenEnergyEfficiencyAndSpectralEfficiencyInTwo-WayRelayNetwork”中优化了分布式波束赋形ANC系统的链路级能量效率。这些研究考虑的是传统的长距传输场景，此时发送能量占系统总能量消耗的绝大部分，因此在建立总能耗模型时仅考虑发送能耗，忽略电路能耗。随着终端密度增大，终端间的间距逐渐减小，电路能耗接近于发送能耗甚至大于发送能耗，如：在感知网络，总能耗模型必须考虑电路能耗。WangT等在IEEETransactionsonCommunications,2013,61(12):4910–4921上的文章“OntheOptimumEnergyEfficiencyforFlat-fadingChannelswithRate-dependentCircuitPower”中在短距的点到点传输场景中考虑电路能耗，并将电路能耗建模为两个部分：静态电路能耗即独立于传输速率的电路能耗、动态电路能耗即依赖于传输速率的电路能耗，其中动态电路能耗为传输速率的凸递增函数。现有的电路能耗模型，如：常数、传输速率线性函数，均为其特例。该文章提出了能效最大化下的最佳功率分配方案，但是该方案考虑的仅仅是点到点直链的传输场景。为了满足不同用户对传输速率不同的需求，实现不同的应用，对于非对称传输速率需求的考虑是不可或缺的。ZhouM等在IEEECommunicationsLetters,2012,16(6):816-819上的文章“Energy-EfficientRelaySelectionandPowerAllocationforTwo-WayRelayChannelwithAnalogNetworkCoding”提出了在满足非对称双向中继系统端到端最低传输速率条件下，使总传输能耗最小时的中继选择策略和功率分配方案，该方案虽然考虑了双向链路和非对称传输速率的传输场景，但是并未考虑电路能耗对系统能效带来的影响，而在实际的短距传输场景中，由于电路能耗占系统总能量消耗的绝大部分，忽略电路能耗将会严重影响通信系统的能效，能效的急剧下降还会导致通信链路断开。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，以提高通信系统的能效，保证通信链路的可靠链接，实现了绿色通信。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)获取非对称双向中继系统中两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)：(1a)分别计算第一用户设备A的速率RA(P)和第二用户设备B的速率RB(P)：(1b)计算第一用户设备A与第二用户设备B的和速率：Rtot(P)＝RA(P)+RB(P)，其中，P＝[PA,PB,PR]为发送功率向量，PA、PB和PR分别表示用户设备A、B和中继R的发送功率；(2)计算非对称双向中继系统的能量效率ηEE(P)，并提出以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：(2a)根据两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)，计算系统的能量效率ηEE(P)＝Rtot(P)/Ptot(P)；其中Ptot(P)＝(PA+PB+PR)/ε+Pc为系统的总功率，为系统中电路消耗功率，r＝[RA,RB]为两个用户设备A、B的速率向量，为静态的电路消耗功率，为动态的电路消耗功率，ε∈(0,1]为功率放大效率；(2b)根据系统的能量效率ηEE(P)，构建以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：其中Rth,i表示用户设备i在单位带宽下的最低传输速率，PT为两个用户设备A、B和中继R的总发送功率阈值；(3)根据两个用户设备A、B的速率RA(P)和RB(P)，将初始优化问题P1重写为二次优化问题P2：其中表示用户设备B的发送功率，PR(r,PA)表示中继R的发送功率，gi＝|hi|2，表示两个用户设备A、B和中继R的总发送功率；(4)将二次优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：确定二次优化问题P2的自变量优化顺序，即首先优化第一用户设备A的发送功率PA，再优化速率向量r，则获得将第二优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：其中，分别为第一用户设备A、第二用户设备B和中继R以速率向量r为自变量的最优发送功率，为以速率向量r为自变量的最优总发送功率；(5)获得内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值(5a)根据内层优化问题P3_Inner为凸规划的特性，通过使用Karush-Kuhn-Tucker条件，获得第一用户设备A的发送功率最优解(5b)将分别带入步骤(3)的式PR(r,PA)、PB(r,PA)中，获得中继R、第二用户设备B在内层优化问题P3_Inner下的发送功率最优解(5c)根据(5a)和(5b)结果计算内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值(6)获得外层优化问题P3_Outter中系统的最佳速率r*：(6a)根据外层优化问题P3_Outter为非线性分式规划的特性，通过使用非线性分式规划定理，将外层优化问题P3_Outter转化为三次优化问题P4：其中q为任意非负参数；(6b)对于任意给定的非负参数q，通过凸优化方法，获得三次优化问题P4的最优速率向量和最优目标函数值F*(q)＝min{F(r,q)|r∈Ξ本文档来自技高网...

【技术保护点】
非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，包括：(1)获取非对称双向中继系统中两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)：(1a)分别计算第一用户设备A的速率RA(P)和第二用户设备B的速率RB(P)：(1b)计算第一用户设备A与第二用户设备B的和速率：Rtot(P)＝RA(P)+RB(P)，其中，P＝[PA,PB,PR]为发送功率向量，PA、PB和PR分别表示用户设备A、B和中继R的发送功率；(2)计算非对称双向中继系统的能量效率ηEE(P)，并提出以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：(2a)根据两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)，计算系统的能量效率ηEE(P)＝Rtot(P)/Ptot(P)；其中Ptot(P)＝(PA+PB+PR)/ε+Pc为系统的总功率，为系统中电路消耗功率，r＝[RA,RB]为两个用户设备A、B的速率向量，为静态的电路消耗功率，为动态的电路消耗功率，ε∈(0,1]为功率放大效率；(2b)根据系统的能量效率ηEE(P)，构建以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：(P1)---maxP{ηEE(P)}s.t.Ri≥Rth,i,ΣjPj≤PT,Pj>0,i∈{A,B},j∈{A,B,R}]]>其中Rth,i表示用户设备i在单位带宽下的最低传输速率，PT为两个用户设备A、B和中继R的总发送功率阈值；(3)根据两个用户设备A、B的速率RA(P)和RB(P)，将初始优化问题P1重写为二次优化问题P2：(P2)---maxPA,RRA+RBPTtp(r,PA)/ϵ+PT,Dc(r)+PScs.t.Ri≥Rth,i,PTtp(r,PA)≤PT,PA>0,Pj′(r,PA)>0,i∈{A,B},j′∈{B,R}.]]>其中表示用户设备B的发送功率，PR(r,PA)表示中继R的发送功率，PR(r,PA)=(1-gB/gA)αAαB+(gAαB+gBαA)PAPAgAgB-αBgB,]]>gi＝|hi|2，αi=N0(22Ri-1),]]>表示两个用户设备A、B和中继R的总发送功率；(4)将二次优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：确定二次优化问题P2的自变量优化顺序，即首先优化第一用户设备A的发送功率PA，再优化速率向量r，则获得将第二优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：(P3_Inner)---PA*(r)=argminPA{PTtp(RA,RB,PA)}]]>(P3_Outter)---maxRA,RBRA+RBPTt*(r)/ϵ+PT,Dc(r)+PScs.t.Ri≥Rth,i,PTt*(r)≤PT,Pj*(r)>0,i∈{A,B},j∈{A,B,R}.]]>其中，分别为第一用户设备A、第二用户设备B和中继R以速率向量r为自变量的最优发送功率，为以速率向量r为自变量的最优总发送功率；(5)获得内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值(5a)根据内层优化问题P3_Inner为凸规划的特性，通过使用Karush‑Kuhn‑Tucker条件，获得第一用户设备A的发送功率最优解(5b)将分别带入步骤(3)的式PR(r,PA)、PB(r,PA)中，获得中继R、第二用户设备B在内层优化问题P3_Inner下的发送功率最优解PB*(r)=αAgBgA+gBgA;]]>(5c)根据(5a)和(5b)结果计算内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值PTt*(r)=PA*(r)+PB*(r)+PR*(r);]]>(6)获得外层优化问题P3_Outter中系统的最佳速率r*：(6a)根据外层优化问题P3_Outter为非线性分式规划的特性，通过使用非线性分式规划定理，将外层优化问题P3_Outter转化为三次优化问题P4：(P4)---minRF(r,q)=q(PTt*(r)/ϵ+PT,Dc(r)+PT,Sc)-(RA+RB)s.t.Rth,i≤Ri,PTt*(r)≤PT,i∈{A,B}.]]>其中q为任意非负参数；(6b)对于任意给定的非负参数q，通过凸优化方法，获得三次优化问题P4的最优速率向量和最优目标函数值F*(q)＝min{F(r,q)|r∈Ξ}，其中Ξ表示三次优化问题P4的速率约束区域；(6c)令F*(q)＝0，得到F*...

【技术特征摘要】
1.非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，包括：
(1)获取非对称双向中继系统中两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)：
(1a)分别计算第一用户设备A的速率RA(P)和第二用户设备B的速率RB(P)：
(1b)计算第一用户设备A与第二用户设备B的和速率：
Rtot(P)＝RA(P)+RB(P)，
其中，P＝[PA,PB,PR]为发送功率向量，PA、PB和PR分别表示用户设备A、B和中继R的
发送功率；
(2)计算非对称双向中继系统的能量效率ηEE(P)，并提出以能量效率最大化为目标
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李靖，曾红霞，傅小叶，葛建华，王勇，宫丰奎，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61