非对称双向中继系统中的能量效率优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信系统技术领域，尤其设及了一种中能量效率优化方法，可用 于非对称双向中继系统。
【背景技术】
[0002] 随着移动互联网、物联网的逐渐兴起，爆炸式增长的移动数据流量和海量的设备 连接致使能耗成本不断上升、生态环境日益恶化，绿色通信技术由此而备受关注。作为衡量 通信系统能耗的绿色指标，能量效率成为了当今的研究热点。为了克服传统中继技术时隙 浪费、谱效低的缺陷，双向中继信道TWRC被引入。在TWRC系统中，两终端节点通过中继实现 数据交互，当中继节点对收到的信号仅作放大转发AF处理时，可将两终端实现一次信息交 互的时隙数由传统中继的4个减少至2个，显著提升了频谱效率。
[0003] 当前，双向中继系统中能效优化方面的研究着重考虑天线发送数据时消耗的能 量，并取得了一些科研成果。W最大化能效为目标，化ang R等在Wireless Communications and Networking Conference Workshops . FRA: IEEE , 2012 : 7-11上的文章 ('Energy efficient design in AF relay networks with bidirectional asymmetric traffic'' 提出最佳的联合中继选择及功率分配的节能方案。在满足用户速率需求和发送能耗约束 下，Li Q等在 14th Internstionsl Conference on Communicstion Technolo邑y.Chin曰： I趾E,2012:929-934上的文章 "Tradeoff Between !Energy Efficiency And Spectral Efficiency In Two-Way Relay化twork"中优化了分布式波束赋形ANC系统的链路级能量 效率。运些研究考虑的是传统的长距传输场景，此时发送能量占系统总能量消耗的绝大部 分，因此在建立总能耗模型时仅考虑发送能耗，忽略电路能耗。
[0004] 随着终端密度增大，终端间的间距逐渐减小，电路能耗接近于发送能耗甚至大于 发送能耗，如：在感知网络，总能耗模型必须考虑电路能耗。Wang T等在IE邸化ansactions on Communications,2013,61(12) :4910-4921 上的文章 "On the Optimum Energy Efficiency for Flat-fading Channels with Rate-dependent Circuit Power"中在短 距的点到点传输场景中考虑电路能耗，并将电路能耗建模为两个部分:静态电路能耗即独 立于传输速率的电路能耗、动态电路能耗即依赖于传输速率的电路能耗，其中动态电路能 耗为传输速率的凸递增函数。现有的电路能耗模型，如:常数、传输速率线性函数，均为其 特例。该文章提出了能效最大化下的最佳功率分配方案，但是该方案考虑的仅仅是点到点 直链的传输场景。
[0005] 为了满足不同用户对传输速率不同的需求，实现不同的应用，对于非对称传输速 率需求的考虑是不可或缺的。Zhou M等在IE邸Communications Letters,2012,16(6): 816-819上的文章('Energy-Efficient Relay Selection and Power Allocation for Two-Way Relay化annel with Analog化twork Coding"提出了在满足非对称双向中继系 统端到端最低传输速率条件下，使总传输能耗最小时的中继选择策略和功率分配方案，该 方案虽然考虑了双向链路和非对称传输速率的传输场景，但是并未考虑电路能耗对系统能 效带来的影响，而在实际的短距传输场景中，由于电路能耗占系统总能量消耗的绝大部分， 忽略电路能耗将会严重影响通信系统的能效，能效的急剧下降还会导致通信链路断开。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种非对称双向中继系统中的 能量效率优化方法，W提高通信系统的能效，保证通信链路的可靠链接，实现了绿色通信。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
[0008] (1)获取非对称双向中继系统中两个用户设备A、B的和速率RtDt(P):
[0009] (Ia)分别计算第一用户设备A的速率Ra(P)和第二用户设备B的速率Rb(P):
[0010] (Ib)计算第一用户设备A与第二用户设备B的和速率：
[001U Rtot(P) =Ra(P)+姑（P)，
[001^ 其中，P= [Pa, Pb, Pr]为发送功率向量，Pa、Pb和扣分别表示用户设备A、B和中继R的 发送功率；
[0013] (2)计算非对称双向中继系统的能量效率IlEE(P)，并提出W能量效率最大化为目标 的初始优化问题Pl:
[0014] (2a)根据两个用户设备A、B的和速率Rtot(P),计算系统的能量效率IlEE(P)=Rtot (P)ZPtot(P);
[001引其中Ptot(P) = (Pa+Pb+Pr) A +Pc为系统的总功率，€.=户(r) +巧S为系统中电路 消耗功率，r =[ Ra，Rb ]为两个用户设备A、B的速率向量，巧/为静态的电路消耗功率， C'-'./, (0为动态的电路消耗功率，e e (0,1]为功率放大效率；
[0016] (2b)根据系统的能量效率％E(P)，构建W能量效率最大化为目标的初始优化问题 Pl:
[0018] 其中Rth, 1表示用户设备i在单位带宽下的最低传输速率，Pt为两个用户设备A、B和 中继R的总发送功率阔值；
[0019] (3)根据两个用户设备A、B的速率Ra(P)和化(P)，将初始优化问题Pl重写为二次优 化问题P2:
[0021]其中
表示用户设备B的发送功率，PR(r ,Pa)表示中继R 的发送功率，
巧，（r. /，、）二/，, .f y Z^r.,。、）表示两个用户设备A、B和中继R的总发送功率. J
[0022] (4)将二次优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_0utter:
[0023] 确定二次优化问题P2的自变量优化顺序，即首先优化第一用户设备A的发送功率 Pa,再优化速率向量r，则获得将第二优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化 问题 P3_0utte;r:
[00%]其中，巧(r)、巧：(r)、砖(r)分别为第一用户设备A、第二用户设备B和中继RW速 率向量r为自变量的最优发送功率，皆(r)为W速率向量r为自变量的最优总发送功率； [0027] (5)获得内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值巧''(/);
[002引 （5a)根据内层优化问题P3_Inne;r为凸规划的特性，通过使用Karush-Kuhn-l'ucker 条件，获得第一用户设备A的发送功率最优解
；
[0029] (5b)将尸;(r)分别带入步骤(3)的式口1^^，口4)、口8片，口4)中，获得中继1?、第二用户设 备B在内层优化问题P3_Inner下的发送功率最优解
[0030] (5c)根据（5a)和（5b)结果计算内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值 聲的二 P,(〇 + /;:(>) +荀的；
[0031 ] (6)获得外层优化问题P3_0utter中系统的最佳速率
[0032] (6a)根据外层优化问题P3_0utter为非线性分式规划的特性，通过使用非线性分 式规划定理，将外层优化问题P3_0utter转化为S次优化问题P4: min ^= y (Tf (rr) + 尸;…
[003；3] (P4)化 8义及出,i含巧，if (r)<G.，i店{4及).
[0034] 其中q为任意非负参数；
[0035] (6b)对于任意给定的非负参数q，通过凸优化方法，获得S次优化问题P4的最优速 率向量r:'(y)二。卢1職{厂(叫)||-€;}和最优目标函数值护(9)二。1。巧片，9)^￡己}，其中5 表示=次优化问题P4的速率约束区域；
[0036] (6c)令巧q)=0,得到巧q)的零点值cf={q|巧q)=〇U娜为系统的最佳能量效 率值；
[0037] (6d)将系统的最佳能量效率值Cf带入最优速率向量r^q)中，获得系统的最佳速率 r*=r*(q*);
[0038] (7)将系统的最佳速率r*分别带入步骤(5)的式f;(r)、巧(r)和