具有非理想电路的中继最优功率分配算法的制作方法

本发明涉及一种具有非理想电路的中继最优功率分配算法，属于电 子通信技术领域。

背景技术：

随着无线通信的发展，无线网络的巨大能耗直接导致温室气体的增 加，成为环境保护和可持续发展的重大威胁。中继协作传输技术能够抵抗 无线信道的衰落，增加系统吞吐率，覆盖小区盲点，扩展小区范围，提高 系统频谱效率从而减少能耗，为未来绿色通信的实现提供了无限的可能 性。中继按双工方式可分为半双工中继和全双工中继。相较于全双工存在 自干扰等问题，半双工中继成本更低易于部署。中继按工作方式可分为解 码转发和放大转发等。其中，解码转发是指中继节点首先对来自源节点编 码后的信号进行信道译码，然后对信号再次编码后转发给目的节点。

另一方面，传统通信系统中求解块衰落信道最优功率分配一般采用注 水算法。该算法分配给当前时隙的功率由当前时隙的瞬时信道状态信息、 信道统计状态信息及系统功率限制共同决定。然而在实际系统当中，采用 传统注水算法进行功率分配往往无法达到该算法的系统理论吞吐率。其中 一个重要原因是传统注水算法只考虑传输功率消耗，然而实际系统中非理 想电路功率消耗往往不可忽视。非理想电路功率消耗一般被建模为一个常 数。考虑非理想电路功耗之后，通信系统的能量效率与频谱效率的折中关 系发生了根本性的改变。因此，研究最优功率分配时，考虑非理想电路功 耗具有非常重大的实际意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有非理想电路的中继最优 功率分配算法，基于瞬时和统计信道状态信息、非理想电路功耗和系统平 均功率限制，获得每个时隙源节点和中继节点的功率分配，使得系统吞吐 率最大化。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种 具有非理想电路的中继最优功率分配算法，分别针对中继系统的各个时 隙，执行如下步骤：

步骤A.在当前时隙i开始前，中心节点通过信道估计反馈和信道状态 信息反馈，获取当前时隙i中源节点到中继节点链路的信道增益g₁(i)，以及 中继节点到目的节点链路的信道增益g₂(i)；

步骤B.中心节点根据整个中继系统的非理想电路功耗P_c，以及整个 中继系统的平均功率限制表示为P₀，计算获得电路开关判决门限g_th和常数 v，即g_th和v表示中心节点通过两条链路的统计信道状态信息，并根据g₁(i)、 g₂(i)，计算获得当前时隙i的最优电路开关指示标记、源节点最优功率分 配值，以及中继节点最优功率分配值；

步骤C.中心节点根据最优电路开关指示标记，判断当前时隙i是否进 行传输，是则中心节点将当前时隙i的源节点最优功率分配值和中继节点 最优功率分配值，分别广播给源节点和中继节点，实现源节点和中继节点 在当前时隙i进行传输；否则源节点和中继节点在当前时隙i不进行传输。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，中心节点根据整个 中继系统的非理想电路功耗P_c，以及整个中继系统的平均功率限制表示为 P₀，按如下步骤，获得电路开关判决门限g_th和常数v；

步骤B1.基于g_th＞ln(2)v，根据如下公式：

获得电路开关判决门限g_th，其中，W()表示Lambert-W函数；

步骤B2.基于v＞0，根据如下公式：

获得v，其中，表示源节点到中继节点链路信道增益g₁(i)的 概率密度函数；表示中继节点到目的节点链路信道增益g₂(i)的概 率密度函数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，根据如下公式：

获得当前时隙i的最优电路开关指示标记d^*(i)。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，根据如下公式：

获得源节点最优功率分配值

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，根据如下公式：

获得中继节点最优功率分配值

本发明所述一种具有非理想电路的中继最优功率分配算法的应用系 统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设 计具有非理想电路的中继最优功率分配算法，基于瞬时和统计信道状态信 息、非理想电路功耗和系统平均功率限制，获得每个时隙源节点和中继节 点的功率分配，使得系统吞吐率最大化。

附图说明

图1是无线中继系统模型图；

图2是平均功率限制对比最优功率分配与固定功率分配的吞吐率示意 图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，无线中继系统由源节点、中继节点和目的节点组成，源 节点到中继节点链路的信道增益表示为g₁(i)，中继节点到目的节点链路的 信道增益表示为g₂(i)。该中继系统中，根据实际情况选择一个节点作为中 心节点，负责进行计算功率分配和广播结果给其他节点。同时，中心节点 每个时隙进行一次判定：系统进行传输或者进行休眠节约能量。若该时隙 进行传输，则这个时隙分为两个阶段：第一阶段，源节点将信息发送给中 继节点；第二阶段，中继节点对接收到的源节点信号进行解码和重新编码， 然后发送给目的节点。第i时隙，源节点到中继节点链路的信道增益表示 为g₁(i)，中继节点到目的节点链路的信道增益表示为g₂(i)。中心节点已知 两条链路的统计信道状态信息和整个中继系统的非理想电路功耗P_c，整个 中继系统的平均功率限制表示为P₀。

本发明所设计一种具有非理想电路的中继最优功率分配算法，在具体 实际应用过程当中，分别针对中继系统的各个时隙，执行如下步骤：

步骤A.在当前时隙i开始前，中心节点通过信道估计反馈和信道状态 信息反馈，获取当前时隙i中源节点到中继节点链路的信道增益g₁(i)，以及 中继节点到目的节点链路的信道增益g₂(i)。

步骤B.中心节点根据整个中继系统的非理想电路功耗P_c，以及整个 中继系统的平均功率限制表示为P₀，计算获得电路开关判决门限g_th和常数 v，即g_th和v表示中心节点通过两条链路的统计信道状态信息，其中，按如 下步骤，获得电路开关判决门限g_th和常数v。

步骤B1.电路开关判决门限g_th是常数v的函数，它是等式 关于未知变量g_th在g_th＞ln(2)v时的唯一解。因此， 基于g_th＞ln(2)v，根据如下公式：

获得电路开关判决门限g_th，其中，W()表示Lambert-W函数。

步骤B2.基于v＞0，根据如下公式：

获得v，其中，表示源节点到中继节点链路信道增益g₁(i)的 概率密度函数；表示中继节点到目的节点链路信道增益g₂(i)的概 率密度函数。

并根据g₁(i)、g₂(i)，计算获得当前时隙i的最优电路开关指示标记、源 节点最优功率分配值，以及中继节点最优功率分配值。

其中，根据如下公式：

获得当前时隙i的最优电路开关指示标记d^*(i)。

根据如下公式：

获得源节点最优功率分配值

根据如下公式：

获得中继节点最优功率分配值

步骤C.中心节点根据最优电路开关指示标记，判断当前时隙i是否进 行传输，其中，d^*(i)＝1，即表示当前时隙i进行传输，则中心节点将当前 时隙i的源节点最优功率分配值和中继节点最优功率分配值，分别广播给 源节点和中继节点，实现源节点和中继节点在当前时隙i进行传输；否则 d^*(i)＝0，即表示当前时隙i不进行传输，源节点和中继节点在当前时隙i不 进行传输。

将本发明所设计一种具有非理想电路的中继最优功率分配算法应用 到实际过程当中，如图2所示，Γ是归一化的平均功率限制，源节点到中 继节点链路和中继节点到目的节点链路均为瑞利分布信道，且 ΩE[g₁(i)]＝E[g₂(i)]，P_c＝0.8W。固定功率分配方案对源节点和中继节点的 功率分配均为P₀-P_c。由图可见，最优功率分配吞吐性能始终好于固定功率 分配，且平均功率限制越低时，最优功率分配相对于固定功率分配的吞吐 增益越高。

因此，上述技术方案所设计具有非理想电路的中继最优功率分配算 法，基于瞬时和统计信道状态信息、非理想电路功耗和系统平均功率限制， 获得每个时隙源节点和中继节点的功率分配，使得系统吞吐率最大化。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限 于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在 不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。