一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法技术方案

本发明专利技术公开了一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法，包括以下步骤：计算时隙1和时隙2的时长；计算在时隙1的发送功率，然后进行信息的发送；计算在时隙2的发送功率，然后进行信息的发送；算法结束，完成一次信息的交互；本发明专利技术在不对称业务情况下，所提算法具有能效性能优势，并且随着业务不对称度的提高，能效性能优势越加明显；此外，当信道处于对称状态，所提算法具有最大的性能优势；在信道不对称情况下，随着信道不对称度的提高，相比于仅进行节点功率控制的算法，所提算法的优势逐渐减弱。因此，在信道不对称情况下，传输时隙分配对能效性能的影响变小，并且随着信道不对称度的提高，这种影响逐渐减弱。

A Joint Implementation of Node Power Control and Transmission Slot Allocation for Minimizing the Total Transmitting Power of the System

【技术实现步骤摘要】
一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法
本专利技术涉及无线通讯
，具体为一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法。
技术介绍
协作分集作为一项新技术，能够通过用户之间的协作来提高无线网络的覆盖区域及抵抗信道衰落对无线信号传输的不利影响，已经得到学术界和产业界的高度重视。一个传统的三节点协作分集系统包括两个源节点和一个中继节点，其中两个源节点之间由于通信距离或信道衰落等因素的影响，必须借助中继节点才能够进行消息的互通，即所谓的双向中继系统。传统的三节点协作分集系统中，中继节点可以工作在半双工(half-duplex)和全双工(full-duplex)两种模式。半双工模式下，中继节点在不同的时隙或频带接收和转发信号。全双工模式下，中继节点能够在同一时间及同一频带内进行信号的接收和转发。因此，从理论上来讲，全双工中继的频谱利用率是半双工中继的双倍。然而，由于同时同频的信号接收和转发会产生巨大的信号自干扰(Self-Interference)。虽然，可以依靠额外的软硬件和计算资源来去除这些自干扰，但并非能够全部的消除。另一方面，虽然能够最大限度的消除这些自干扰，但高复杂度的软硬件和计算将消耗巨大的能量资源。因此，从实践的角度，需要考查存在残留自干扰情况下的全双工中继技术，并注重能量资源消耗的考量。目前，对于全双工协作分集系统的中断概率和频谱效率研究已经全面展开。分别针对全双工协作分集系统的中断概率和频谱效率问题进行了研究，并通过功率分配、中继选择等技术对系统性能进行了优化。然而，关于协作分集系统能效性能的研究主要集中在半双工模式方面。针对采用半双工放大转发中继的两阶段双向中继系统，研究通过功率分配和中继选择技术达到系统能耗最小化的目标。研究放大转发、解码转发和压缩转发半双工协作分集系统的能效和频效关系，对采用不同中继策略的半双工协作分集系统的能效性能进行了比较。例如，通过使用一个解码转发半双工中继完成了两个源节点之间的信息互换，并将源节点之间的信息互换传输分成了5个模式，通过对每个模式的时长进行优化，解决了系统能耗优化问题。另外，在此的基础上，比较了中继节点采用不同编码方式(数字网络编码、物理层网络编码、叠加编码)时的系统最优能耗差别。需要说明的是：针对能效问题，学术界更多考虑的是半双工系统，对于全双工协作分集系统能耗的研究还比较少。因此，本专利技术针对基于解码转发中继策略的全双工双向中继系统，研究源节点具有不对称业务特性时的能效性能。在频率非选择性瑞利衰落信道环境下，提出一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法，并通过仿真实验验证所提算法的有效性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法，包括以下步骤：步骤一、节点TA、TB和TR分别根据式(24)和式(25)计算时隙1和时隙2的时长；步骤二、节点TA和TR分别根据式(20)和式(23)计算在时隙1的发送功率，然后进行信息的发送；步骤三、节点TB和TR分别根据式(21)和式(22)计算在时隙2的发送功率，然后进行信息的发送；步骤四、算法结束，TA和TB之间完成一次信息的交互；其中，TA和TB为源节点，TR为位于源节点之间的解码转发中继节点，需要指出的是：系统中的中继节点TR工作在全双工模式，并且源节点TA和TB之间的一次消息互通分两个时隙来完成，即，时隙1：TA通过TR向TB发送信息，时隙2：TB通过TR向TA发送信；时隙1情况下，源节点TA将需要发送的信息编码调制为发送信号SA，其中，假设SA具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TA发送来的信息，然后再编码调制为发送信号SRB，同时将SRB转发给TB，TB接收到SRB后，进行解调解码获得TA发送给他的信息，其中，假设SRB具有单位功率；时隙2情况下，源节点TB将需要发送的信息通过编码调制为发送信号SB，其中，假设SB具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TB发送来的信息，然后再编码调制为发送信号的SRA，同时将SRA转发给TA，TA接收到SRA后，进行解调解码获得TB发送给他的信息，以此实现源节点之间信息的互通，其中，假设SRA具有单位功率；需要说明的是：这里两个源节点发送给对方的数据量不一样，因此发送信息的速率也不一样，即，具有不对称业务特性；在频率非选择性瑞利衰落信道环境下，研究全双工双向中继系统的能效性能；为此，做了如下假设：一、分别用hAR和hBR表示节点TA和TB到中继TR的信道增益，用hRA表示中继TR到节点TA和TB的信道增益，假设信道特性具有互易性，即hAR＝hRA，并且信道特性是准静态的；二、hAR服从复高斯分布，hAR的实部和虚部是两个正交同分布的高斯信号，其均值为零、方差为hBR也服从复高斯分布，hBR的实部和虚部也是两个正交同分布的高斯信号，其均值为零、方差为并且hAR和hBR统计独立，其中dAR和dBR分别是源节点TA和TB到中继TR的距离，α为信道衰落因子，一般取值2到4；三、用|hAR|2、|hBR|2表示信道增益hAR和hBR模的平方；四、假设系统中各节点可以通过信道估计，得到准确的信道状态信息；五、用EA和ERB分别表示时隙1节点TA和中继TR的发射功率，用EB和ERA分别表示时隙2节点TB和中继TR的发射功率；六、用nR1和nB分别表示时隙1中继TR和节点TB接收到的高斯白噪声，用nR2和nA分别表示时隙2中继TR和节点TA接收到的高斯白噪声，系统中每个节点接收到的高斯白噪声方差为1，并且不同节点处的噪声信号是统计独立的；七、节点TA和TB分别以速率rA和rB进行信息的发送，这里是对频带归一化的速率，量纲为bit/s/Hz；八、时隙1和时隙2的时长分别为θ1和θ2，并且有θ1+θ2≤1；九、由于中继TR工作在全双工模式，同时频的发射和接收会引起自干扰，假设hRR为TR的自干扰信道，gRR为TR通过自干扰消除后的残留自干扰因子，并且0＜gRR≤1；第1个时隙，TR和TB接收到的信号可分别表示为此时TR和TB能够获得的互信息分别为：CB＝log2(1+ERB|hBR|2)(4)第2个时隙，TR和TA接收到的信号可分别表示为此时TR和TA能够获得的互信息分别为：CA＝log2(1+ERA|hAR|2)(8)源节点TA和TB的信息发送速率分别为rA和rB，并且时隙1和时隙2的时长分别为θ1和θ2；这里θ1≥0，θ2≥0，并且θ1+θ2≤1；下面以最优化系统总发射功率为目标，研究满足源节点发射速率情况下的最佳功率控制和时隙分配，其最优化问题可写为s.t.rA≤min(θ1CR1,θ1CB)(9b)rB≤min(θ2CR2,θ2CA)(9c)θ1+θ2≤1(9d)θ1≥0,θ2≥0(9e)其中，CR1、CB、CR2、CA分别由式(3)、式(4)、式(7)和式(8)给出，和分别表示优化问题(9)，即，式(9a)、式(9b)、式(9c)、式(9d)和式(9e)组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、节点TA、TB和TR分别根据式(24)和式(25)计算时隙1和时隙2的时长；步骤二、节点TA和TR分别根据式(20)和式(23)计算在时隙1的发送功率，然后进行信息的发送；步骤三、节点TB和TR分别根据式(21)和式(22)计算在时隙2的发送功率，然后进行信息的发送；步骤四、算法结束，TA和TB之间完成一次信息的交互；其中，TA和TB为源节点，TR为位于源节点之间的解码转发中继节点，需要指出的是：系统中的中继节点TR工作在全双工模式，并且源节点TA和TB之间的一次消息互通分两个时隙来完成，即，时隙1：TA通过TR向TB发送信息，时隙2：TB通过TR向TA发送信；时隙1情况下，源节点TA将需要发送的信息编码调制为发送信号SA，其中，假设SA具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TA发送来的信息，然后再编码调制为发送信号SRB，同时将SRB转发给TB，TB接收到SRB后，进行解调解码获得TA发送给他的信息，其中，假设SRB具有单位功率；时隙2情况下，源节点TB将需要发送的信息通过编码调制为发送信号SB，其中，假设SB具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TB发送来的信息，然后再编码调制为发送信号的SRA，同时将SRA转发给TA，TA接收到SRA后，进行解调解码获得TB发送给他的信息，以此实现源节点之间信息的互通，其中，假设SRA具有单位功率；需要说明的是：这里两个源节点发送给对方的数据量不一样，因此发送信息的速率也不一样，即，具有不对称业务特性；在频率非选择性瑞利衰落信道环境下，研究全双工双向中继系统的能效性能；为此，做了如下假设：一、分别用hAR和hBR表示节点TA和TB到中继TR的信道增益，用hRA表示中继TR到节点TA和TB的信道增益，假设信道特性具有互易性，即hAR＝hRA，并且信道特性是准静态的；二、hAR服从复高斯分布，hAR的实部和虚部是两个正交同分布的高斯信号，其均值为零、方差为...

【技术特征摘要】
1.一种最小化系统总发射功率的节点功率控制和传输时隙分配的联合实现算法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、节点TA、TB和TR分别根据式(24)和式(25)计算时隙1和时隙2的时长；步骤二、节点TA和TR分别根据式(20)和式(23)计算在时隙1的发送功率，然后进行信息的发送；步骤三、节点TB和TR分别根据式(21)和式(22)计算在时隙2的发送功率，然后进行信息的发送；步骤四、算法结束，TA和TB之间完成一次信息的交互；其中，TA和TB为源节点，TR为位于源节点之间的解码转发中继节点，需要指出的是：系统中的中继节点TR工作在全双工模式，并且源节点TA和TB之间的一次消息互通分两个时隙来完成，即，时隙1：TA通过TR向TB发送信息，时隙2：TB通过TR向TA发送信；时隙1情况下，源节点TA将需要发送的信息编码调制为发送信号SA，其中，假设SA具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TA发送来的信息，然后再编码调制为发送信号SRB，同时将SRB转发给TB，TB接收到SRB后，进行解调解码获得TA发送给他的信息，其中，假设SRB具有单位功率；时隙2情况下，源节点TB将需要发送的信息通过编码调制为发送信号SB，其中，假设SB具有单位功率，并向中继TR进行发送；与此同时中继TR解码出TB发送来的信息，然后再编码调制为发送信号的SRA，同时将SRA转发给TA，TA接收到SRA后，进行解调解码获得TB发送给他的信息，以此实现源节点之间信息的互通，其中，假设SRA具有单位功率；需要说明的是：这里两个源节点发送给对方的数据量不一样，因此发送信息的速率也不一样，即，具有不对称业务特性；在频率非选择性瑞利衰落信道环境下，研究全双工双向中继系统的能效性能；为此，做了如下假设：一、分别用hAR和hBR表示节点TA和TB到中继TR的信道增益，用hRA表示中继TR到节点TA和TB的信道增益，假设信道特性具有互易性，即hAR＝hRA，并且信道特性是准静态的；二、hAR服从复高斯分布，hAR的实部和虚部是两个正交同分布的高斯信号，其均值为零、方差为hBR也服从复高斯分布，hBR的实部和虚部也是两个正交同分布的高斯信号，其均值为零、方差为并且hAR和hBR统计独立，其中dAR和dBR分别是源节点TA和TB到中继TR的距离，α为信道衰落因子，一般取值2到4；三、用|hAR|2、|hBR|2表示信道增益hAR和hBR模的平方；四、假设系统中各节点可以通过信道估计，得到准确的信道状态信息；五、用EA和ERB分别表示时隙1节点TA和中继TR的发射功率，用EB和ERA分别表示时隙2节点TB和中继TR的发射功率；六、用nR1和nB分别表示时隙1中继TR和节点TB接收到的高斯白噪声，用nR2和nA分别表示时隙2中继TR和节点TA接收到的高斯白噪声，系统中每个节点接收到的高斯白噪声方差为1，并且不同节点处的噪声信号是统计独立的；七、节点TA和TB分别以速率rA和rB进行信息的发送，这里是对频带归一化的速率，量纲为bit/s/Hz；八、时隙1和时隙2的时长分别为θ1和θ2，并且有θ1+θ2≤1；九、由于中继TR工作在全双工模式，同时频的发射和接收会引起自干扰，假设hRR为TR的自干扰信道，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉晓东，钱冲，田培胜，
申请(专利权)人：南通大学，南通先进通信技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32