一种保证系统速率的多载波plc中继系统功率优化方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明设及电力线通信(PLCJower Line Communication)技术领域，具体为基于 正交频分复用（0抑M，0;rthogonal Frequen巧Division Multiplexing)技术的多载波电力 线中继通信系统功率分配方案设计。
【背景技术】
[0002]电力线通信是指W电力线作为传输媒介，在电力线通信网络的各个节点之间W及 在电力线通信网络与其他通信网络之间实现数据交换和信息传递。特别地，室内电力线通 信技术更是引起了众多学者的研究注意。众所周知，电力线缆的制造并非为了传输高频信 号，运对于基于电力线的宽带通信是非常不利的。但是另一方面，我们也知道基于电力线的 信号传输与无线通信有着相似的广播特性。然而经过文献检索，[LLampe and A.J.化n Vinck, ('Cooperative multihop power line communicationsIEEE the 16th International Symposium on PowerLine Communications and its Applications (IS化C)，Beijing，China，March 2012，pp. 1-6.]指出了电力线通信中继信道与无线中继系 统的不同之处。在无线系统中，源节点到目的节点，源节点到中继节点W及中继节点到目的 节点的路径都可视为相互独立的因此可W容易得到其空间分集增益，而在电力线通信系统 中，运=条路径却是高度紧密相联的。因此，为了让电力线通信系统更好地为人们服务，可 W将一些先进的中继辅助系统引入电力线通信系统中。
[000引因此，针对PLC中继系统，本发明首先考虑源节点到目的节点、源节点到中继节点 W及中继节点到目的节点的发射功率都相等，然后基于凹凸优化方法和拉格朗日对偶方法 设计了一种功率分配方案，实现了在达到系统总速率要求的同时降低化C中继系统总功率 的目的。该方法的核屯、思想为：利用凹凸优化思想将非凸的系统功率最小化问题近似为凸 问题，并利用拉格朗日对偶方法迭代地求解近似的系统功率最小化问题得到最后的系统发 射功率分配值，该方法可W保证在迭代过程中系统功率单调递减，从而不仅实现了化C系统 的信息传输，还使得在达到系统总速率要求的同时降低化C中继系统总功率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种保证系统速率的多载波化C中 继系统功率优化方法，包括W下步骤：
[000引步骤1:系统确定选择使用的子载波集合，总的子载波数为K;利用导频方法进行信 道估计得到各子载波上的信道系数巧|1^=1，2...1(，其中巧!|表示^￡{5，1?}到1^2￡{1?，0} 之间第k个子载波的信道系数，S表示源节点，R表示中继节点，D表示目的节点，设定总速率 设计目标值q;
[0006] 步骤2:初始化迭代次数:n = 0,首先令巧]二巧二巧]=片"，k=l，2...K，pU]=P [2]=. . .=pm且C({pW})=q，对其采用二分法求得初始功率分配(pW)*，k=i，2. . .K。令 (戶則。、=俾r=情r=(片叩k=I，2... K，并计算皆1>=纯巧"r ^钱节1+(帶r;， 其中皆1是第n次迭代的系统总传输功率值，巧W，巧1和巧3分别是系统的中继节点、源节点 第一阶段、源节点第二阶段第k个子载波的发射功率;C({pW})表示系统总速率函数；
[0007]步骤3:在{(驾")^,(巧Sf i，馈]巧处，对系统总功率最小化问题中系统总速率 约束进行凸逼近，得到C({巧"，巧巧巧)，从而将原问题近似为如下凸问题：
{R，D}之间第k个子载波的信道归一化增益
巧是L2E{R，D}的第k个子载波 上的噪声功率；
[0013]步骤4:利用对偶方法求解得至化述凸近似问题的最优解{(聲]f，俾]f，巧弓f .， 更新迭代次数：n = n +1，令(巧")("1 =(巧Hf，(戶則。1 =(贺f，(雙；T =(销；T k = 1， 2...K，并计算皆，'二却聲])树+俾])(")+(雙f):];
[0014]步骤5 :判断I皆"-巧"-。| > Cl是否成立，其中e 1表示判定阔值，其值在0.00 1~ 0 . 0 0 0 0 0 1之间，如果成立则重复步骤3 - 5 ;否则输出问题最后的解 (巧呼=(舉 f，俾)'=俾，r，俾;f=(雙；T，k=i，2.. .K;
[001引步骤6:多载波化帥继系统中源节点按照{(墙])*，(巧)*}设定第一和第二阶段各 个子载波的发射功率，中继按照设定各个子载波的发射功率，从而实现化C系统收 发两端的信息传输。
[0016 ]进一步地，所述的步骤4中的对偶方法，具体包括W下步骤：
[0017] 步骤4.1:对近似后的系统速率约束引入拉格朗日乘子A得到部分拉格朗日函数：
[0018] i： ({啤]，蜡，巧P )兰户S ^ (e ({巧"，蜡]，巧]})-《）
[0019] 和对偶问题；
[0020] …[IX d (/.)
[0021 ] d(A)为对偶函数，定义为：
[0022] ^义}兰牌'诚邱,:自巧"，蜡，巧]}，义）
[002引 Si.巧"> 0,巧'2] > 0,巧V > 0, * = 1，2 足
[0024]其中，Ps表示系统发射总功率；
[002引步骤4.2:根据二分法思想，初始化拉格朗乘子的下界Amin = O和上界Amax= A，八表 示使得d(A)次梯度为负数的最小实数;令拉格朗乘子
[0026]步骤4.3:然后将求d(A)的问题分解为K个子问题，其中第k个子问题可W表示为：
利用块坐标下降法(Block Coordinate Decent ,BCD)全局求解运些子问题得到K个子问题 的最优解{(驾呼碱，(巧P，(销r]，其中，
，b山，C山，d山，e山，f山如步骤 3中定义。
[0029] 步骤4.4:计算对偶函数的次梯度之(2H-部巧-1，增，巧})，若如)>〇,令入m… 二入，(6/ (.乂 .) < 0 ,入111331 二入；
[0030] 步骤4.5:判断-
是否成立，其中E2表示判定阔值，其值在0.001~ 0.000001之间。如果
成立则更新拉格朗乘子
，然后重复步骤 4 . 3~4 . 4 ;否则输出对偶问题最优解，从而得到上述凸近似问题的最优解 {俾T，(贺r，(帮巧。
[0031 ] 进一步地，所述步骤4.3中的BCD方法，具体包括W下步骤：
[0032] 4.3.1令迭代次数m = 0，初始化僻])('"1，俾];T .，俾]f)为任意正实数，将初始化 点代入步骤4.3中的目标函数％ (硬-]，巧fj，巧引得到初始目标函数值(灼)'"'j;
[0033] 4.3.2首先固定货=(巧巧…，增=(哦f'，根据一阶最优性条件求解下述关于 巧W惭优化问题
[0034] mm扔（巧"，巧导，巧,V)
[00对得到最优解(皆If';
[0036] 4.3.4其次固定带]=(碟])6%，/搜=(巧弓)""，根据一阶最优性条件求解下述关于 巧的优化问题
[00別喃n所（邸]，巧2]，蜡1) 也1含0
[0038] 得到最优解(巧If";
[0039] 4.3.3接着固定巧'^=(皆，严，領]:=(巧叩"，根据一阶最优性条件求解下述关于 巧.則勺优化问题
[00側巧 m 口4 邱-]，/^]，巧])
[0041] 得到最优解(巧:5r，并将(巧"f'，(巧引WW，(巧引W代入步骤4.3中的目标函数 蒋(巧"，巧，巧])得到当前的目标函数值(巧r"i;
[0042] 4 . 3 . 5 更新迭代次数 m = m + 1，令巧'-])('"'=(巧叩'，倘])('"'=(货f'， (巧r=(巧r，判断(約r)-(約)("一) >《3是否成立，其中表示判定阔值，其值在0.001 ~0.000001之间。若成立，重复步骤4.3.2-4.3.5;否则完成BCD求解方法，输出步骤4.3中问 题的最优解俾]f。')=(巧"f，俾f'')=俾f '，俾f气
[0043] 本发明有益效果:本发明方法首先通过设定源节点到目的节点、源节点到中继节 点W及中继节点到目的节点的发射功率相等从而简化了设计复杂度，然后再基于凹凸优化 方法和拉格朗日对偶方法设计了 一种化C设计中继系统的功率分配方法，该方法可W保证 在迭代过程中系统传输功率一直单调递减，从而实现在达到系统总速率要求的同时降低 PLC中继系统总功率的目的。
【附图说明】
[0044] 图1是本发明实施例采用该方法的系统模型图。
[004引图2是本发明实施例凹凸优化方法的具体流程图。
[0046] 图3是本发明实施例对偶方法的具体流程图。
[0047] 图4是本发明实施例BCD方法的具体流程图。
[0048] 图5是本发明实施例系统总功率与平均子载波速率的关系图。
【具体实施方式】
[0049] 为了使本发明的目的和效果更加清楚，下面对多载波化C中继系统及本发明方法 进行详细描述。
[0050] 本发明考虑一个S节点化C中继系统模型，如图1所示，S个节点分别为源节点 (S )，中继节点（R)和目的节点（D )，其中O S P、O R P、O D P分别表示S个节点分别到P节点的 ABCD矩阵，P节点表示主干网与中继节点所