基于吞吐量最大化的鲁棒功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电通信技术领域，特别设及一种功率分配方法，可用于认知双向 中继网络。
【背景技术】
[0002] 在新一代移动通信系统中，人们对于通信业务的服务质量和数据传输速率的要求 越来越高。高覆盖率、高速率、高服务质量、低成本、低功耗已经成为未来无线通信系统发展 的新趋势。然而，本身有限的频谱资源却面临着低利用率的问题，运严重制约了无线通信技 术的发展。认知无线电技术可W有效提高频谱利用率，缓解频谱资源的紧缺现状。同时，中 继技术通过提高传输效率、抑制相邻小区间的干扰和扩大网络覆盖度，可W极大地提升网 络的性能，尤其是在双向放大转发中继中采用模拟网络编码技术，不仅可W使信息交互在 两个时隙内完成，而且可W成倍的提高网络吞吐量，并且适合远距离通信。Katti等学者在 ('Acm Sigcomm Computer Communication Review,2007,37(4) :397-408"发表的论文 "Embracing wireless interference:analog network coding"说明 了采用模拟网络编码 技术后网络吞吐量明显得到提升。
[0003] 由于等功率分配并不是最好的功率分配方案，而合理的功率分配可W提升无线通 信系统性能，因此功率分配问题已经是当下的研究重点和热点。现阶段很多学者已经从信 息论角度如系统容量和端到端角度如误比特率对功率分配进行了广泛的研究。Q.Yuan等学 者在"I 趾E International Conference on CECNetJOll :4243-4246"发表的文章 ('Optimal transmission power allocation for two-way relay channel using analog network coding"针对采用模拟网络编码技术的对称业务双向中继系统，基于最大化系统 和速率，给出了一种最优功率分配的闭式数学表达式，但是该文章中并没有设及认知无线 电场景。Ubaidulla等学者在"I邸E Wireless Communication Letters,2012,1(3):225-228"上发表的论文('Optimal relay selection and power allocation for cognitive two-way relaying networks"针对认知无线电场景，考虑了次用户网络对主用户的干扰， 提出了一种使系统吞吐量最大化的功率分配方案，但是并未考虑系统中断性能。
[0004] 实际通信环境中，由于信道干扰、量化误差等各种因素的影响，想要获得理想信道 状态信息是十分困难的。而运对于无线通信中如数据传输速率、误比特率等众多性能是有 一定程度影响的。Gacanin等在"I邸E Trans.Wireless Communications,2012,11(2) :742-750"上的文章 ('Performance analysis of analog network coding with imperfect channel estimation in a frequency-selective fading channel"京尤分析了在频率选择 性衰落信道下，非理想信道状态信息对于使用模拟网络编码技术的系统误比特率性能的影 响。特别的是，信道估计误差的存在会使得基于模拟网络编码技术的双向中继系统不能完 全消除自干扰，从而降低了系统的性能，并且增加了研究的困难程度。E. DalTAnese在 "IEEE International Conf erence , 2011:1-6" 发表的文章 ('Power allocation for cognitive radio networks under channel unce;rtainty"在考虑对数正态阴影衰落和小 尺度衰落的前提下，基于最大化加权和速率，提出了一种功率分配方案。综上所述，并未有 学者结合认知无线电和使用模拟网络编码技术的双向放大转发中继，并且在非完美信道状 态信息下，研究基于吞吐量最大化的功率分配方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于在结合认知无线电和双向中继的系统中，通过信道估计的方法 获得非理想的信道状态信息，提出了一种基于吞吐量最大化的功率分配方法，从而提升通 信系统性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是:在认知双向中继网络中使用模拟网络 编码技术，并采用放大转发中继协议，通过信道估计的方法获得非理想的信道状态信息，包 括如下步骤：
[0007] (1)使用导频信号获取非理想信道状态信息：
[0008] (Ia)两个次用户节点Si、S2同时向中继发送导频信号，中继根据收到的导频信号获 取到两个次用户节点的非理想信道状态信息；
[0009] (Ib)中继节点R发送相同的导频信号给两个次用户节点，两个次用户节点获取到 中继节点的非理想信道状态信息；
[0010] (2)在系统总功率受限的条件下，W最大化系统吞吐量为目标，得到两个次用户节 点Si、S2处发射功率值Pi、P2与中继节点R处发射功率值Pr的关系式为：
[001^ 式中，Pt为系统总功率，山和Cb分别为次用户节点Si和S2到中继节点R的距离，a为信 道衰落系数，町和R2分别表示次用户节点Si和S2处的所需数据速率，A =2"4 -1，7。-1， T为相关信道估计误差因子，0 =巧;,+请，ie U，2，R}，(64、C自奇^别表示次用户网络和主 用户网络的信道增益方差，M=Pt-PR;
[OOU] (3)构建目标函数并求得功率值扣：
[0014] (3a)构建吞吐量目标函数为：/?，二(1-片+(I-,，式中，Ii和12分别表 示次用户节点Si和S2处的瞬时信息速率，瑞和瑞分别表示Sl和S2处的中断概率，通过香农 信道容量公式求得运两个中断概率的近似值为：
[0017] (3b)将(2)中的Pi、P2带入(3)中的目标函数，得到一个关于扣的一维函数f (扣），再 使用黄金分割法从该一维函数中求出初始的功率值Pr;
[0018] (3c)判断初始功率值Pr是否大于其上界值Pi/IhRP 12,若是，则得到最终功率值 遊=巧/|:/y2，否则，将初始值Pr带入(2)中关系式分别得到S1、S2处发射功率值P1、P2的初始 值，其中Pi表示次用户网络所有节点对主用户的干扰口限，hRP表示中继节点R到主用户的信 道增益；
[0019] (4)判断初始功率值Pi和P2是否满剧良制条件Pi I hiP I 2+P2 I h2P 12非I:
[0020]若条件满足，初始功率值Pi和P2即是最终功率值Pif和/V，功率分配结束；
[0021 ]若条件不满足，则根据假设I hiP 12 = I h2P 12和P1+P2=M^，得到= Pi/ I hiP 12，将代 替M带入(2)中关系式，得到最终功率值P/和巧f，其中hiP和h2P分别表示次用户节点Si和S2到 主用户的信道增益；
[0022] (5)两个次用户节点Si、S2分别按照最终功率值P/和C'发送信号，中继节点R按照 最终功率值P/转发信号，开始两时隙的信号互传；
[0023] (6)两个次用户节点和中继节点重新获取并估计信道状态信息，同时判断总功率 Pt值是否改变:如果信道的状态发生改变或者Pt值改变，则按步骤(2)重新计算功率分配结 果;否则，按照原有功率分配结果发送信息。
[0024] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0025] 第一，本发明充分考虑了实际通信环境中的非理想信道状态信息，而不是理想的 信道状态信息，因此本发明符合实际通信环境，对环境变化具有鲁棒性的优点；
[00%]第二，本发明与传统的等功率分配方法相比，不但高效地利用了频谱资源，而且可 W使系统吞吐量最大化，有效地提升了通信系统的性