多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法技术方案

本发明专利技术公开了一种多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，包括以下步骤：建立通用化最优求解框架结构模型；建立源节点用户总功率优化问题模型；建立系统总功率优化问题模型；基于通用化最优求解框架结构模型，进行源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型求解，实现功率分配。本发明专利技术以提出的两个定理和一个引理为基础，求解源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型，在确保各个用户获得其目标信噪比的情况下，分别使各个源节点用户功率消耗和系统总功率消耗达到最小，符合定理和引理约束条件的同类优化问题都可以用该算法进行优化求解，适用范围广，既能满足用户的通信服务质量，又能降低系统的功率消耗。

Optimal power allocation algorithm for multi-user single relay cooperative communication system

The present invention discloses a kind of optimal power allocation for multiuser single relay cooperative communication system, which comprises the following steps: the establishment of a general model of optimal frame structure; establish the source node user total power optimization model; establish the system total power optimization model; generalized optimal frame structure model based on source node user power optimization model and the total system power optimization problem model, realize the power allocation. The present invention proposed two theorems and a lemma based solution to the source node user total power optimization model and optimization model of power system, to ensure that all users in the target SNR, respectively, so that each source node user power consumption and system the total power consumption to achieve the minimum. A similar optimization problem with theorems and lemmas constraints can be optimized for the algorithm, wide application range, which can meet the communication quality of service users, but also can reduce the power consumption of the system.

【技术实现步骤摘要】
多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法
本专利技术涉及一种多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法。
技术介绍
无线宽带绿色通信是未来通信的发展趋势和目前的研究热点，在确保通信质量的前提下降低能量消耗是实现宽带绿色通信的关键，而中继协作是达到该目标的有效途径。近年来中继协作系统的功率分配引起了人们的广泛关注，专利CN101282199A公开了一种多中继协作通信的中继策略的自适应选择和功率分配方法；CN103068027A公开了一种频率平坦性衰落信道下多中继的最优功率分配方法，对于两跳并行的直接放大型(AF)中继网络，该方法在频率平坦衰落环境下，考虑了节点自身的电路处理功率，提出了一种混合功率约束下的最优功率分配方法；专利CN104093210A公开了一种总功率受限的双跳全双工解码转发中继系统的最优化功率分配算法。然而这些都针对单用户中继或者多中继系统，并不适用于多用户共享单个中继，相互竞争中继功率的网络场景。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种适用于功率受限情况下、算法简单的多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，包括以下步骤：步骤一：建立通用化最优求解框架结构模型；步骤二：建立源节点用户总功率优化问题模型；步骤三：建立系统总功率优化问题模型；步骤四：基于通用化最优求解框架结构模型，当中继有固定电源供电时，进行源节点用户总功率优化问题模型求解，实现功率分配；当中继无固定电源供电或为普通移动用户时，进行系统总功率优化问题模型求解，实现功率分配。上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤一具体步骤为：对于具有n个元素的集合φ＝{(S1,D1),(S2,D2),…,(Sn,Dn)}，Sn为第n个源节点用户，D1,D2,…,Dn为n个源节点用户S1,S2,…,Sn所对应的目标节点用户，每个源节点用户和其所对应的目标节点用户构成用户对，用户对都通过同一个中继节点R进行信号传输，gi(xi,yi)为元素(Si,Di)的目标函数，它对yi是可微的，i＝1,2，…，n；而且xi＝fi(yi)是yi的单调递增函数，其中xi>0，yi>0；由n个元素构成系统的目标函数为：上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤二中，源节点用户总功率优化问题模型为：其中，和为归一化信道增益，其表达式为和为对应的信道系数，σ2为加性噪声的功率，Γi为用户对(Si,Di)的目标信噪比，为用户对(Si,Di)能提供的最大发射功率，为中继最大发射功率；不考虑源节点用户与目的节点用户之间的相直链路，信号通过中继信道进行传输，分别为源节点用户S1,S2,…,Sn的发射功率；分别为中继分配给源节点用户S1,S2,…,Sn的中继转发功率。上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤三中，系统总功率优化问题模型为：上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤四中，源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型以定理1、定理2和引理1为基础进行求解；定理1为：在约束条件下，其中C为大于零的常数，则只要当时，系统总优化目标函数G(x1，y1，x2，y2，…，xn，yn)在点取到极值；定理2为：设为定理1中系统目标函数获得极值的点，若要求满足约束条件xi≤xi,max，其中xi,max为一给定的常数，那么，当时，只有取xi＝xi,max时，G(x1,y1,…,xn,yn)才能取到极值；引理1为：对xy＝U，其中x，y为变量，U为大于零的常数，要求满足约束条件0<x≤xmax和y>0，其中xmax为大于零的常数；若则当x＝xmax时，x+y达到最小值。上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤四中，源节点用户总功率优化问题模型的求解，即源节点用户总功率消耗最小化实现步骤为：步骤1)：参数初始化：对用户对集合Φ:＝{(S1,D1),…,(Sn,Dn)}，令初始化标志Flag＝0,剩余中继功率PΔ为中继最大发射功率即步骤2)：如果Flag＝0成立，进入步骤3)；步骤3)：令标志Flag＝1，对于Φ中的每个用户对，根据定理1获得等比率分配功率和，并令每个用户对源节点和从中继处分配的功率分别为和步骤4)：对于Φ中的每个用户对，假如源节点用户提供的功率小于等比率功率，即则根据定理2得到其发射功率为和并将该用户对从Φ中删除，即Φ:＝Φ-(Si,Di)，同时更新剩余中继功率和标志状态，即PΔ:＝PΔ-PiR和Flag＝0，返回步骤3)，循环执行步骤3)-步骤4)，直至所有用户对都分配到功率。上述多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，所述步骤四中，系统总功率优化问题模型的求解，即系统总功率消耗最小化实现步骤为：步骤(1)：参数初始化：对用户对集合Φ:＝{(S1,D1),…,(Sn,Dn)}，令初始化标志Flag＝0；步骤(2)：不考虑用户源节点和中继的发射功率限制，根据用户对的信道参数获得每个用户对的最高能效分配功率和即和步骤(3)：对于Φ的每个用户对，根据与的关系，将Φ分成两个子集Ψ和Ω，Ψ中每个元素满足Ω的每个元素满足步骤(4)：根据引理1，对于Ψ的元素，令对Ω中的元素，令并求据此求得步骤(5)：如果所需要的总的中继功率大于或等于中继能提供的最大功率，即则令标志Flag＝0，剩余中继功率PΔ为中继最大发射功率即进入步骤(6)进行功率分配；步骤(6)：如果Flag＝0成立，进入步骤(7)；步骤(7)：令标志Flag＝1，对于Φ中的每个用户对，根据定理1获得等比率分配功率和并令每个用户对源节点和从中继处分配的功率分别为和步骤(8)：对于Φ中的每个用户对，假如源节点用户提供的功率小于等比率功率，即则根据定理2得到其发射功率为和并将该用户对从Φ中删除，即Φ:＝Φ-(Si,Di)，同时更新剩余中继功率和标志状态，即PΔ:＝PΔ-PiR和Flag＝0，返回步骤(7)，循环执行步骤(7)-步骤(8)，直至所有用户对都分配到功率。本专利技术的有益效果在于：本专利技术首先建立通用化最优求解框架结构模型，然后建立源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型，再基于通用化最优求解框架结构模型，以提出的两个定理和一个引理为基础，进行源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型求解，实现功率分配，算法在确保各个用户获得其目标信噪比的情况下，分别使各个源节点用户功率消耗和系统总功率消耗达到最小。凡是符合定理和引理约束条件的同类优化问题都可以用该算法进行优化求解，适用范围广，既能满足用户的通信服务质量，又能降低系统的功率消耗。附图说明图1为多用户单中继协作通信系统的结构示意图。图2为用户对数为两对时，随变化的趋势图。图3为用户对数为10时，源节点用户功率消耗随中继节点功率变化的趋势图。图4为时，源节点用户功率消耗随中继节点位置变化的趋势图。图5为用户对数为两对时，随和变化的趋势图。图6为用户对数为10时，源节点用户功率消耗随中继节点功率变化的趋势图。图7为时，源节点用户功率消耗随中继节点位置变化的趋势图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。一种多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，包括以下步骤：步骤一：建立通用化最优求解框架结构模型；步骤二：建立源节点用户总功率优化问题模型；步骤三：建立系统总功率优化问题模型；步骤四：基于通用化最优求解框架结构模型，当中继有固定电源供电时，进行源节点用户总功率优化问题模型求解，实现功率分配；当中继无固定电源供电或为普通移动用户时，进行系统总功率优化问题模型求解，实现功率分配。

【技术特征摘要】
1.一种多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，包括以下步骤：步骤一：建立通用化最优求解框架结构模型；步骤二：建立源节点用户总功率优化问题模型；步骤三：建立系统总功率优化问题模型；步骤四：基于通用化最优求解框架结构模型，当中继有固定电源供电时，进行源节点用户总功率优化问题模型求解，实现功率分配；当中继无固定电源供电或为普通移动用户时，进行系统总功率优化问题模型求解，实现功率分配。2.根据权利要求1所述的多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，其特征在于，所述步骤一具体步骤为：对于具有n个元素的集合φ＝{(S1,D1),(S2,D2),…,(Sn,Dn)}，Sn为第n个源节点用户，D1,D2,…,Dn为n个源节点用户S1,S2,…,Sn所对应的目标节点用户，每个源节点用户和其所对应的目标节点用户构成用户对，用户对都通过同一个中继节点R进行信号传输，gi(xi,yi)为元素(Si,Di)的目标函数，它对yi是可微的，i＝1,2，…，n；而且xi＝fi(yi)是yi的单调递增函数，其中xi>0，yi>0；由n个元素构成系统的目标函数为：3.根据权利要求2所述的多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，其特征在于，所述步骤二中，源节点用户总功率优化问题模型为：其中，和为归一化信道增益，其表达式为和为对应的信道系数，σ2为加性噪声的功率，Γi为用户对(Si,Di)的目标信噪比，为用户对(Si,Di)能提供的最大发射功率，为中继最大发射功率；不考虑源节点用户与目的节点用户之间的相直链路，信号通过中继信道进行传输，分别为源节点用户S1,S2,…,Sn的发射功率；分别为中继分配给源节点用户S1,S2,…,Sn的中继转发功率。4.根据权利要求3所述的多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，其特征在于，所述步骤三中，系统总功率优化问题模型为：5.根据权利要求4所述的多用户单中继协作通信系统的最优化功率分配算法，其特征在于，所述步骤四中，源节点用户总功率优化问题模型和系统总功率优化问题模型以定理1、定理2和引理1为基础进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王仕果，曹姝，李志军，姚志强，邓清勇，许海霞，全世齐，王梦蛟，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43