基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法，包括：计算单个中继参与转发时的最优功率分割因子及其对应的频带利用率；对频带利用率按降序排序并得到该顺序下对应的中继索引号组成的候选中继集合；从候选中继集合中得到不同的中继子集，计算不同中继子集参与转发时的信噪比；计算出目的节点在不同中继子集参与转发时反馈选择结果的位数，并根据信噪比和反馈位数计算出权衡效益值，权衡效益值变小时，将对应的中继子集确定为参与转发的中继集合；将确定的中继集合带入原始优化问题，求解多中继参与转发的最优功率分割因子。本发明专利技术实现了基于速率的联合多中继选择和功率分割因子优化。多中继选择和功率分割因子优化。多中继选择和功率分割因子优化。

【技术实现步骤摘要】
基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法。

技术介绍

[0002]协作通信系统由源、中继以及目的节点组成。中继节点会协助源节点将数据信号转发到目的节点，无论对于源节点还是目的节点不同中继的信道条件都有优劣之分，为提升协作通信系统性能，可利用中继选择技术选择出较好的中继协助源与目的节点之间通信。在传统的协作通信系统中，中继节点的电池容量有限不愿参与协作转发，导致系统性能较差，因此，如果不能提供恒定电源，中继有限的能量会限制协作通信系统寿命。
[0003]无线携能SWIPT技术，是一种利用存在于自由空间的射频信号携带能量和信息的特点，在节点接收射频信号后可同时进行信息处理和能量收集的能量收集技术。其是解决传统设备供电难问题的有效技术，在进行数据传输的同时为无线设备提供能量。在当前无处不在的射频环境中，SWIPT中继为部署和物理维护提供了更大的灵活性，可延长系统寿命，克服了传统中继电源供电的局限性。SWIPT中继是否收集到足够多的能量用于转发信号，取决于中继信道条件和功率分割因子，因此需要中心节点制定中继选择方法选择合适的中继参与转发，中心节点一般已知全局信道状态信息并将选择结果反馈给中继节点。中继选择一般分为单中继选择和多中继选择，但随着系统高速率高可靠性的发展要求，仅选择单个中继参与转发已经不能满足。中继选择的概念进而被扩展到选择多个中继在共享带宽下转发。单中继选择不再是最优的，因为选择多个中继可以增强目的节点处的信噪比。另外选择结果产生的反馈位、反馈时间与选择的中继数量呈正相关，不意味着越多的中继节点参与转发系统的性能就越好，而且从实际通信角度出发，多中继选择应该明确出选择的数量与转发中继，但现有研究几乎并未给出数量选择，大多是给定一个常数作为参与转发的中继数量，也没有分析数量对于系统性能的具体影响。
[0004]此外，最优多中继选择问题具有指数的计算复杂度，降低其选择复杂度通过定义中继排序函数，按该函数排序得到的序列为最优中继序列并提出中继优先级概念，序列中排在前面的中继优先级更高，中继是否被选由其优先级决定。衡量系统有效性指标的重要参数为传输速率，最大化速率的中继排序函数有最坏信道排序WCO、平均调和信道排序CHMO等。而对于SWIPT多中继协作通信系统来说，中继排序函数的选择更加复杂，因为中继具有能量收集能力，功率分割因子会直接影响性能指标，亟需一种适用于SWIPT多中继协作通信系统的最大化速率中继排序函数。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法，该方法设计了一种新的权衡效益函数来权衡速率与反馈位之间的关系，以确定参与转发中继数量；同时考虑功率分割因子对传输速率的影响，设计了可表征速率贡
献度的频带利用率排序函数，从而获得转发中继子集；最后求出转发中继对应的功率分割因子，实现了基于速率的功率分割因子优化。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法，所述方法包括：
[0008]步骤1、初始化SWIPT多中继协作通信系统的模型参数：h
k
,g
k
,β
k
(k＝1,2...,L)；S、R
k
、D分别表示源、第k个中继和目的节点；L为中继节点数量；h
k
和g
k
分别表示S
‑
R
k
和R
k
‑
D的信道参数；表示第k个中继的天线噪声功率，表示从射频转换到基带信号的加性噪声功率；为目的节点引入的加性噪声功率；β
k
为能量转换效率；
[0009]步骤2、计算单个中继参与转发时的最优功率分割因子，进而计算其对应的频带利用率；
[0010]步骤3、对频带利用率按降序排序并得到该顺序下对应的中继索引号组成的候选中继集合；
[0011]步骤4、从所述候选中继集合中分别按顺序取1个，2个，
…
，K个元素得到不同的中继子集，将所有中继的功率分割因子设置为1，计算出不同中继子集参与转发时的信噪比；
[0012]步骤5、计算出目的节点在不同中继子集参与转发时反馈选择结果的位数，并根据信噪比和反馈位数计算出权衡效益值，权衡效益值变小时，将对应的中继子集确定为参与转发的中继集合；所述权衡效益值表示增加一个中继参与转发的值得程度，其值越大，代表增加一个中继强化了信噪比增量部分而弱化了反馈位增量的影响；用于计算权衡效益值的权衡效益函数如下：
[0013][0014]其中，profit
i
为权衡效益值，λ是权重系数，为一常数，表示不同的中继子集Ω
i
、Ω
j
的接收信噪比，表示不同的中继子集Ω
i
、Ω
j
的总反馈位数；
[0015]步骤6、将确定的中继集合带入原始优化问题，利用梯度下降算法求解多中继参与转发的最优功率分割因子。
[0016]进一步地，接收信噪比计算公式如下：
[0017][0018]其中，P
S
为源的发射信号功率；i表示选择中继的索引号，h
i
和g
i
分别为源与被选择
中继i以及被选择中继i与目的节点的信道参数；ρ
i
为被选择中继i的功率分割因子；表示被选择中继i的天线噪声功率；表示被选择中继i从射频转换到基带信号的加性噪声功率；为被选择中继i的信道缩放参数，表达式为：为被选择中继i的信道缩放参数，表达式为：表示被选择中继i的总噪声功率；Q
i
为被选择中继i转发信号的能量；α
i
表示为了系统波束成形被选择中继i的功率控制因子。
[0019]进一步地，计算单个中继参与转发时的最优功率分割因子的公式如下；
[0020][0021]其中，P
S
为源的发射信号功率；k表示系统内中继的索引号，P
C,k
为中继k信息处理消耗的电路功率；β
k
为中继k的能量转换效率。
[0022]进一步地，频带利用率计算公式如下：
[0023][0024]其中，BE
k
为中继k的频带利用率；ρ
k
为中继k的功率分割因子；Q
k
为中继k转发信号的能量；表示中继k的总噪声功率。
[0025]进一步地，步骤6具体包括：
[0026]步骤6.1、初始化步长、终止门限以及功率分割因子；
[0027]步骤6.2、根据初始化的功率分割因子计算出信噪比和梯度；
[0028]步骤6.3、根据梯度和上一步的功率分割因子更新出新的功率分割因子，并利用新的功率分割因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、初始化SWIPT多中继协作通信系统的模型参数：S、R
k
、D分别表示源、第k个中继和目的节点；L为中继节点数量；h
k
和g
k
分别表示S
‑
R
k
和R
k
‑
D的信道参数；表示第k个中继的天线噪声功率，表示从射频转换到基带信号的加性噪声功率；为目的节点引入的加性噪声功率；β
k
为能量转换效率；步骤2、计算单个中继参与转发时的最优功率分割因子，进而计算其对应的频带利用率；步骤3、对频带利用率按降序排序并得到该顺序下对应的中继索引号组成的候选中继集合；步骤4、从所述候选中继集合中分别按顺序取1个，2个，
…
，K个元素得到不同的中继子集，将所有中继的功率分割因子设置为1，计算出不同中继子集参与转发时的信噪比；步骤5、计算出目的节点在不同中继子集参与转发时反馈选择结果的位数，并根据信噪比和反馈位数计算出权衡效益值，权衡效益值变小时，将对应的中继子集确定为参与转发的中继集合；所述权衡效益值表示增加一个中继参与转发的值得程度，其值越大，代表增加一个中继强化了信噪比增量部分而弱化了反馈位增量的影响；用于计算权衡效益值的权衡效益函数如下：其中，profit
i
为权衡效益值，λ是权重系数，为一常数，表示不同的中继子集Ω
i
、Ω
j
的接收信噪比，表示不同的中继子集Ω
i
、Ω
j
的总反馈位数；步骤6、将确定的中继集合带入原始优化问题，利用梯度下降算法求解多中继参与转发的最优功率分割因子。2.根据权利要求1所述的一种基于速率的联合多中继选择和功率分割因子的优化方法，其特征在于，接收信噪比计算公式如下：其中，P
S
为源的发射信号功率；i表示选择中继的索引号，h
i
和g
i
分别为源与被选择中继i以及被选择中继i与目的节点的信道参数；ρ
i
为被选择中继i的功率分割因子；表示被
选择中继i的天线噪声功率；表示被选择中继i从射频转换到基带信号的加性噪声功率；为被选择中继i的信道缩放参数，表达式为：为被选择中继i的信道缩放参数，表达式为：表...

【专利技术属性】
技术研发人员：于尧，陆萌，胡文健，王红丽，郭磊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：