一种基于系统中断概率的多中继选择及功率分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于中断概率的多中继选择及功率分配方法，针对多中继场景下的放大转发(AF)协作通信网络，在各用户功率以及总功率受限条件下，以最小化系统中断概率为目标，提供一种多中继选择和功率分配方法。该方法引入排序思想，根据各中继节点对系统中断概率的贡献因子对个中继的优劣进行排序，有效避免了穷举搜索，并通过简单的功率迭代的方法减少了功率分配的次数。本发明提供的多中继选择方法与基于中断概率的最优功率分配穷举遍历方案性能十分相近，由于在最优功率分配穷举遍历方案中，需要对于每一种可能存在的中继集采用最优功率分配，相比之下，本发明的复杂度大大减小。
【专利说明】一种基于系统中断概率的多中继选择及功率分配方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种基于中断概率的多中继选择和功率分配联合方法，属于无线通信的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]多输入多输出(MIMO)技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，难以应用在实际的无线通信终端中。协作通信技术通过利用单天线移动终端之间的相互协作，共享彼此的天线，形成一个虚拟MMO系统，从而获得空间分集。未来的无线通信系统需要提供更多高速率的多媒体业务和数据业务，协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行高速、可靠的无线通信。
[0003]协作通信技术得以发展主要有两方面的因素:网络中空闲资源的存在和协作通信所能提供的增益。
[0004]1.网络中空闲资源的存在
[0005]以移动通信系统为例来说明无线网络中空余资源的存在。某一时间段内移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中较多的移动终端处于空闲状态。但是传统的移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源被浪费掉；另一方面，移动通信系统中的移动终端往往具有差异性，如具有不同的计算处理能力以及不同的通信能力等。若将这些移动终端看成是一个可以相互或部分相互通信的整体，则差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。因此，如何利用空闲资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。
[0006]2.协作通信增益
[0007]无线通信中，由于受带宽、传输功率的限制，加上无线信道的多径衰落，很难达到理想的传输速率和通信质量。为了解决无线信道容量的瓶颈问题，人们给出了 MMO技术。该技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从而达到利用空间分集来提高无线信道传输能力的目的，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线终端不一定支持多天线安装。而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端。研究表明，协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，即η个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有η个独立的发射天线所提供的空间分集增益。
[0008]中继选择方案包含两个子问题，一个是参与协作的中继节点的集合的选取问题，一个是源节点和中继节点之间的功率分配问题。对于一种包含M个待选中继节点的场景，存在着2Μ-1个中继集合。当可用中继节点数目增加时，如果采用穷举遍历的方法来搜索的话，我们首先得确定参加中继的个数N，然后确定具体是哪N个中继节点参加中继过程，并且对每一种可能的中继集合进行最优功率分配。这种情况下中继选择的次数和最优功率分配的次数将随着中继个数M的指数次方增加，这虽然能得到最优中继集，但由于方法的复杂度过高，这种选择方法显然是不可取的。
【发明内容】
[0009]技术问题:本发明针对最优中继选择方法的计算复杂度高、实时性差的不足，提供一种次优的、低复杂度的基于系统中继概率的多中继选择及功率分配方法。
[0010]技术方案:本发明的基于系统中断概率的多中继选择及功率分配方法，包括如下步骤:
[0011]I)获取信道统计信息:目的节点通过训练序列获得可用中继集中的M个可用中继节点与源节点间的信道统计信息，以及中继节点与目的节点之间的信道统计信息；
[0012]2)基于系统中断概率上界值进行最优功率分配:在系统给定的各中继节点允许最大输出功率值Piniax、源节点允许最大输出功率值Psniax和总功率最大值P条件下，基于系统中断概率上界值，根据步骤I)中获取的信道统计信息，对所有可用中继节点和源节点进行一次最优功率分配；
[0013]3)中继节点的贡献因子排序:
[0014]首先根据步骤2)的最优功率分配结果，按照下式计算每个中继节点对中断概率的贡献因子
[0015]
【权利要求】
1.一种基于系统中断概率的多中继选择及功率分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)获取信道统计信息:目的节点通过训练序列获得可用中继集中的M个可用中继节点与源节点间的信道统计信息，以及中继节点与目的节点之间的信道统计信息； 2)基于系统中断概率上界值进行最优功率分配:在系统给定的各中继节点允许最大输出功率值Pimax、源节点允许最大输出功率值PsmajJP总功率最大值P条件下，基于系统中断概率上界值，根据所述步骤I)中获取的信道统计信息，对所有可用中继节点和源节点进行一次最优功率分配； 3)中继节点的贡献因子排序: 首先根据所述步骤2)的最优功率分配结果，按照下式计算每个中继节点对中断概率的贡献因子W:
Pxr2 + ρσ2 ft-，其中Ps与Pi分别是源节点与中继节点分配到的功率值，σΙ为源
KaS.η tIfjriJ节点到中继节点Ri间信道的方差，为中继节点Ri到目的节点之间信道的方差； 然后按照各中继节点的贡献因子从小到大对各中继节点进行排序； 4)最优中继集的选取:首先根据所述步骤2)得到的最优功率分配结果计算实时的系统中断概率上界值，然后从可用中继集中删除掉贡献因子最大的中继节点，并将该中继节点分配到的功率按照各节点功率与总剩余功率的比值重新分配给剩余的中继节点和源节点，并再次计算系统中断概率上界值； 5)判断中继集中是否已经没有中继节点，若是，则将最后删除的中继节点作为最终确定的最优中继集后进入步骤6)，否则判断中断概率上界值是否下降，如是，则返回步骤4)，否则将剩余的中继节点加上最后删除的中继节点作为最终确定的最优中继集后进入步骤6)； 6)对最终确定的最优中继集中的中继节点，以及源节点再进行一次最优功率分配，从而确定最优中继集中所有中继节点的功率，以及源节点的功率，目的节点将上述分配结果广播给各中继节点及源节点。
2.如权利要求1所述的基于系统中断概率的多中继选择及功率分配方法，其特征在于，所述步骤2)的具体流程为: 步骤a)定义一组包括N+1个标记变量的标记数组，并对所述标记数组进行初始化po\\_flag~"[Oj)_^——§ O]，前N个标记变量为O表示N个中继节点的分配到的功率值还没有
Λ T、0超过自己的最大功率值，最后一个标记数组为O表示源节点分配到的功率值还没有超过其能够输出的最大功率值； 步骤b)首先按照如下标准对源节点以及标记数组pow_f lag中为O的标记变量对应的中继节点在忽略各节点功率约束条件下进行功率分配:若中继节点Ri分配到的功率Pi >Pifflax,则取Pi = Pifflax,并置对应的标记变量为1，否则中继节点Ri对应的标记变量不变；若源节点分配到的功率值等于或大于Psmax，则取Ps = Psmax，并置对应的标记变量为1，否则源节点对应的标记变量不变；待所有中继节点的功率分配完成后，若此时标记数组pow_flag中为O的标记变量个数没有增加，则表示进行功率分配的节点功率都小于对应的最大功率，进入步骤f)，否则转至步骤c)； 步骤C)检索标记数组pow_f lag的标志变量,如果源节点对应的标记数组为O,即源节点分配到的功率没有达到其最大功率，则转到步骤d)，否则转到步骤e)； 步骤d)检索标记数组pow_flag的标志变量,如果前N个标记数组的值均为I,则表示此时所有中继节点均达到其能够输出的最大功率值，此时，
P然
后进入步骤f);否则返回步骤b)； 步骤e)源节点功率取最大值Psmax,并将Ps = Psmax作为已知条件进行一次功率分配功率分配后进入步骤f); 步骤f)最优功率分配流程结束。
【文档编号】H04W52/46GK104168638SQ201410401731
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】朱琦, 周志康 申请人:南京邮电大学