一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，尤其为一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，在传统信道容量模型的基础上，引入调和平均值，同时采用信道强度的平均权值简化目标函数的求解过程。本发明专利技术综合考虑中继两端信道的质量，通过引入信道强度的调和平均值和权值进行计算，简化了信道容量模型目标函数的求解过程，减少计算复杂度；采用的PAACC算法以粒子群算法PSO为基础，引入线性变化的惯性权重因子和遗传算法中的交叉和变异思想，结合粒子的智能速度约束条件，提高算法收敛性，提升了系统信道容量；通过信道强度权值对每一个中继节点进行功率分配，提升分配的公平性，减少了功率资源的浪费。资源的浪费。资源的浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体为一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法。

技术介绍

[0002]协同通信是一种将空间分集与中继传输结合的技术，并且能够将其引入到虚拟MIMO(Multiple
‑
intput Multiple
‑
output，MIMO)天线阵列构成多输入多输出系统。随着协同通信逐渐发展起来，很多学者提出无线通信系统中每个用户都可以通过协同方式进行信息传输。其中功率分配是协同通信的一个研究热点之一，合理的功率分配方案是协同通信中提高中继策略性能和资源利用率的一项关键技术。在设计的协同通信功率分配算法中，由于通信技术的不断发展使得频谱资源变得越来越紧缺，恰当的功率分配能更好地改善通信系统的性能、降低无线资源的浪费，所以如何高效的利用资源是功率分配的核心问题。
[0003]随着协同通信用户数量不断增加以及通信业务需求的不断增长，对系统信道容量提出了更高的要求。特别是在应对紧急突发事件的应急通信中，当通信量突发时，信道容量显得尤为重要。
[0004]协同通信过程中各个节点需要相互协作进行信息的可靠传输，这必然导致系统中带宽、时隙和功率等资源的额外消耗，而大部分的功率分配方案采用等功率进行信息传输。这不仅严重浪费了功率资源，也在一定程度上影响了协作系统的性能。
[0005]目前，众多学者对于协同通信中功率分配方法进行了较为深入的研究，主要有：EPA、OPA、SPA，其中EPA是等功率分配，OPA算法可以降低系统的中断概率，SPA在等功率基础上有所改进，源节点和中继节点的功率各占功率一半，然后将中继功率等分给各个中继节点。现有的协同通信功率分配方法，其算法复杂度低，稳定性较低，普遍存在功率分配不均、系统稳定性低、资源容易浪费的问题。
[0006]因此我们提出了一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0007](一)解决的技术问题
[0008]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，解决了现有的协同通信功率分配方法存在功率分配不均、系统稳定性低、资源容易浪费的问题。
[0009](二)技术方案
[0010]本专利技术针对目前协同通信中功率分配算法存在功率分配不均、系统稳定性低、资源容易浪费等问题，提出了一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，即在传统信道容量模型的基础上，引入调和平均值，同时采用信道强度的平均权值简化目标函数的求解过程。本算法综合考虑信道强度、节点数目以及转发方式等方面，结合权值法、粒子群算
法、遗传算法等方法，提出了新的功率分配算法，提高了系统的信道容量。
[0011]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
[0012]一种基于信道容量的协同通信功率分配算法(Power Allocation Algorithm based on Channel Capacity，PAACC)方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1，构建系统模型：多中继协同系统模型包含源节点S、目的节点D以及n个潜在的中继节点R
i
(i＝1，2，...，n)；
[0014]步骤2，系统信道容量分析：对系统模型中，源节点S到中继节点信道以及中继节点R
i
(i＝1，2，...，n)到目的节点D信道进行分析，得到两部分的信噪比以及系统信道容量公式；
[0015]步骤3，最大化系统信道容量：在总发射功率受限的情况下，对步骤2中所得到的系统信道容量公式进行最大化处理，得到初步目标函数；
[0016]步骤4，信道强度权值简化目标函数：综合考虑中继两端信道的质量，引入调和平均值进行权值计算，得到每个中继节点的信道强度权值公式和发射功率公式，将两个公式带入步骤3所得到的初步目标函数中，简化初步目标函数；
[0017]步骤5，改进的粒子群算法求解目标函数：在传统粒子群算法的基础上进行改进，利用改进的粒子群算法对步骤4所得到的目标函数进行求解；
[0018]步骤6，对节点进行功率分配：利用步骤5所求解和步骤4的信道强度权值公式对源节点和每一个中继节点进行功率分配。
[0019]进一步地，所述步骤1中，所述系统采用放大转发协作方式、半双工协同中继方式；基于时分复用构成正交信道，以减少各中继发送信息之间的相互干扰；同时，假设所有中继传输信道服从瑞利分布，具有瑞利衰落特性，设源节点和所有中继节点的发送功率之和为P，源节点发射功率为P
s
，所有中继节点发射功率之和为P
r
，其中第i个中继节点的发送功率为P
i
；
[0020]所述多中继协同通信过程包含以下两个阶段：
[0021]在第一阶段内，源节点S广播信息到各个中继节点，则第i个中继节点R
i
接收信号为：
[0022][0023]其中，Y
si
表示中继节点R
i
的接收信号；h
si
表示源节点S到中继节点R
i
的信道衰落系数，设H
si
＝|h
si
|2，H
si
表示源节点到中继节点的信道强度；Z
si
表示源节点S到中继节点R
i
处的高斯白噪声，其中Z
si
～(0,σ2)；
[0024]在第二阶段内，中继节点将接收到的信号Y
si
放大后，转发给目的节点。则目的节点接收信号为：
[0025][0026]其中，Y
id
表示目的节点D的接收信号；h
id
表示中继节点R
i
到目的节点D的信道衰落系数，设H
id
＝|h
id
|2，H
id
表示中继节点到目的节点的信道强度；同时，在放大转发方式中，q(
·
)表示将信号放大；Z
id
表示中继节点R
i
到目的节点D处的高斯噪声，其中Z
id
～(0,σ2)。
[0027]进一步地，所述步骤2中，所述源节点到中继节点的信道传输中，源节点到第i个中继节点的信噪比为：
[0028][0029]同样得到，在屮继节点到目的节点的信道传输中，第i个中继节点到目的节点的信噪比为：
[0030][0031]在放大转发协同中继环境下，系统信道容量公式为：
[0032][0033]其中，
[0034][0035]同时，因子1/n+1表示整个传输过程需n+1个时隙来形成n+1个相互正交的信道；
[0036]整理可得，
[0037][0038]进一步地，所述步骤3中，所述系统总发射功率一定时，为了使系统信道容量最大，源节点和中继节点的功率分配本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，构建系统模型：多中继协同系统模型包含源节点S、目的节点D以及n个潜在的中继节点R
i
(i＝1，2，...，n)；步骤2，系统信道容量分析：对系统模型中，源节点S到中继节点信道以及中继节点R
i
(i＝1，2，...，n)到目的节点D信道进行分析，得到两部分的信噪比以及系统信道容量公式；步骤3，最大化系统信道容量：在总发射功率受限的情况下，对步骤2中所得到的系统信道容量公式进行最大化处理，得到初步目标函数；步骤4，信道强度权值简化目标函数：综合考虑中继两端信道的质量，引入调和平均值进行权值计算，得到每个中继节点的信道强度权值公式和发射功率公式，将两个公式带入步骤3所得到的初步目标函数中，简化初步目标函数；步骤5，改进的粒子群算法求解目标函数：在传统粒子群算法的基础上进行改进，利用改进的粒子群算法对步骤4所得到的目标函数进行求解；步骤6，对节点进行功率分配：利用步骤5所求解和步骤4的信道强度权值公式对源节点和每一个中继节点进行功率分配。2.根据权利要求1所述的一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，其特征在于：所述步骤1中，所述系统采用放大转发协作方式、半双工协同中继方式；基于时分复用构成正交信道，以减少各中继发送信息之间的相互干扰；同时，假设所有中继传输信道服从瑞利分布，具有瑞利衰落特性，设源节点和所有中继节点的发送功率之和为P，源节点发射功率为P
s
，所有中继节点发射功率之和为P
r
，其中第i个中继节点的发送功率为P
i
；所述多中继协同通信过程包含以下两个阶段：在第一阶段内，源节点S广播信息到各个中继节点，则第i个中继节点R
i
接收信号为：其中，Y
si
表示中继节点R
i
的接收信号；h
si
表示源节点S到中继节点R
i
的信道衰落系数，设H
si
＝|h
si
|2，H
si
表示源节点到中继节点的信道强度；Z
si
表示源节点S到中继节点R
i
处的高斯白噪声，其中Z
si
～(0,σ2)；在第二阶段内，中继节点将接收到的信号Y
si
放大后，转发给目的节点。则目的节点接收信号为：其中，Y
id
表示目的节点D的接收信号；h
id
表示中继节点R
i
到目的节点D的信道衰落系数，设H
id
＝|h
id
|2，H
id
表示中继节点到目的节点的信道强度；同时，在放大转发方式中，q(
·
)表示将信号放大；Z
id
表示中继节点R
i
到目的节点D处的高斯噪声，其中Z
id
～(0,σ2)。3.根据权利要求1所述的一种基于信道容量的协同通信功率分配算法方法，其特征在于：所述步骤2中，所述源节点到中继节点的信道传输中，源节点到第i个中继节点的信噪比为：同样得到，在屮继节点到目的节点的信道传输中，第i个中继节点到目的节点的信噪比
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕鸿阳，陈桂芬，陈广交，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：