专利名称：非线性放大-转发中继最优功率分配方法
技术领域：
本发明属于无线中继网络中继功率分配方法，具体涉及一种非线性放大-转发中继最优功率分配的实现方法。
背景技术：
无线中继技术是一种利用地理上分散的单天线无线节点实现空间分集的新技术。 它利用无线信道的广播特性以及网络中闲置的节点，解决了由于尺寸、发射功率、以及系统造价的限制一个无线终端上无法通过安装多个天线获取空间分集增益的问题。自2003年正式提出无线中继(又称协作通信)的概念以来，无线中继技术得到了学术界、工业界的极大关注。工业界和移动通信运营商也对无线中继技术寄予了很高的期望。WiMAX系统的 802. 16j标准中就加入了中继多跳功能。在LTE-A设计中，3GPP工作组目前也已经提交了在蜂窝中使用中继站来扩大覆盖范围和容量的提议。欧盟的WINNER计划在2006年的技术报告中专门介绍了无线中继技术的概念。应用广泛的无线传感器网络中也在讨论使用无线中继技术实现数据高效传输。近来，国家重点发展和建设的物联网、三网融合项目中，无线中继技术也被看作是物理层数据传输的备选方案。无线中继网络常采用的中继方式有放大-转发方式和解码-转发方式。当中继解码出现错误时，解码-转发方式将会引起中继链路中断。而且当数据分组较长时，中继的解码延时将会引起系统效率的下降。放大-转发方式仅仅放大接收到的信号，因此处理延时和复杂度都很小。另一方面，虽然放大-转发方式会引起噪声传递，但是Jing和Hassibi 已经证明放大-转发方式也可以取得满分集增益。另一方面，正交频分复用调制技术(OFDM)因为其适于高速无线传输，已经被写入多个无线标准中，例如LTE、IEEE802. 16,802. 11。因此，为了取得大容量并且对抗频率选择性衰落，OFDM技术也被引入到无线中继网络中。然而，OFDM信号常常会引起较大的功率峰均比(PAPR)，进而使得功率放大器工作于非线性区域，从而引起发射信号的非线性失真。Del Razo等在2009年首次对无线中继网络功率放大器的非线性效应进行了讨论，并提出了两种能够补偿非线性失真的接收机算法。在2010年，Riihonen等对非线性中继网络的性能进行了分析，给出了误码率曲线。然而目前据调研还没有对非线性中继网络的最优功率分配进行研究和讨论。
发明内容
本发明对使用理想限幅功率放大器的无线中继网络，提出了一整套完整的中继最优功率分配方法。该方法对非线性功率放大器建立了线性化模型，设计了能够意识到非线性失真的最大合并比接收机，给出了系统等效信噪比，最后给出了最优的中继功率分配方案。为达到上述目的，本发明提供了一种非线性放大-转发中继最优功率分配方法， 按照如下步骤
首先，利用线性化理论将理想限幅放大器模型构造成一个具有高斯失真噪声项的线性模型；根据该线性模型，计算每个非线性中继贡献给目的接收机的链路等效信噪比； 设计最大合并比接收机，该最大合并比接收机能意识到非线性失真，从而取得最优的信噪比性能；其次，建立最优中继功率分配数学模型，通过分析信噪比与功率的曲线结构和限制最大发射功率，将最优中继功率分配问题转化为凸优化问题；最后，利用拉格朗日乘子法给出最优的功率分配方案。所述线性模型以及最大合并比接收机包括如下步骤1)信号传输过程分为两个阶段第一阶段源节点广播信号给所有中继，第i个中继接收信号为
权利要求
1.非线性放大-转发中继最优功率分配方法，其特征在于，按照如下步骤首先，利用线性化理论将理想限幅放大器模型构造成一个具有高斯失真噪声项的线性模型；根据该线性模型，计算每个非线性中继贡献给目的接收机的链路等效信噪比；设计最大合并比接收机，该最大合并比接收机能意识到非线性失真，从而取得最优的信噪比性能；其次，建立最优中继功率分配数学模型，通过分析信噪比与功率的曲线结构和限制最大发射功率，将最优中继功率分配问题转化为凸优化问题；最后，利用拉格朗日乘子法给出最优的功率分配方案。
2.如权利要求1所述非线性放大-转发中继最优功率分配方法，其特征在于，所述线性模型以及最大合并比接收机包括如下步骤1)信号传输过程分为两个阶段第一阶段源节点广播信号给所有中继，第i个中继接收信号为其中Ps为源节点发射功率，fi是源节点到目的节点的信道系数，其服从均值为零方差为《的复高斯分布，Hi是接收机噪声且服从零均值方差为Ntl复高斯分布。为了表达方便， 以下约定如果X服从均值为零方差为S 2的复高斯随机分布，那么表示为X CN(0，δ2)；之后，中继放大接收到的信号ρ JiS⑵；此时Xi的模平方的均值为Pi,其为第i个中继的平均发射功率；第二阶段按照中继的数量被分为N个子时隙，在第i个子时隙，第i个中继将^ci发射给目的节点；如果Xi处于中继功率放大器的线性区域，那么Xi则将无失真的经过信道被传递至目的接收机；然而由于发射符号s—般是多载波信号，会引起较大的峰均比，从而使得 Xi常常处于功率放大器的非线性区域；设输入信号为X，则理想限幅放大器的信号转移特性是.'(X)Jlxl |xM-(3)；[Aat\A>Aat这里Asat是输入饱和幅度，其中|X|为输入信号的模；非线性功率放大器输出可以表达为尺度变换后的输入信号加上一个非相关的高斯失真项；也就是F(x) = α x+d(4)；其中α是线性缩放印子，d是非线性失真项；如果发射符号的载波数足够多，那么d近似服从复高斯分布，即d ~ CN(0,δ2 )；令E {. }表示取均值和χ*表示信号χ的共轭，因此有α = Ε{\χ 和&2 =；代入理想限幅放大器的信号转移特性，可以第i个中继的线性缩放因子
3.如权利要求1所述非线性放大-转发中继最优功率分配方法，其特征在于，其特征在于，所述最优中继功率分配是指得到系统的等效容量后，以下对中继功率进行最优分配；设源节点的发射功率是固定的，而所有中继总的发射功率限制为P,;那么得到归一化信噪比的约束条件为
全文摘要
本发明公开了一种非线性放大-转发中继最优功率分配方法，首先利用线性化理论将理想限幅放大器模型构造成一个具有高斯失真噪声项的线性模型。根据该模型，计算了每个非线性中继贡献给目的接收机的链路等效信噪比。为了取得最优的信噪比性能，还设计了能意识到非线性失真的最大合并比接收机。接着建立了最优中继功率分配数学模型，通过分析信噪比与功率的曲线结构，发现虽然最优功率分配问题不是凸问题，但是通过限制最大发射功率，可以将最优中继功率分配问题转化为凸优化问题。最后利用拉格朗日乘子法给出了最优的功率分配方案。理论分析和仿真结果表明，本发明优于对非线性失真无意识的最优功率分配算法，能够有效提高系统容量。
文档编号H04W52/24GK102333368SQ20111015617
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者任品毅, 张超, 徐静, 杜清河, 王熠晨 申请人:西安交通大学