【协同通信的单向功率分配方案设计案例4100字】

协同通信的单向功率分配方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16559协同通信的单向功率分配方案设计案例 1154501.1协同通信网络的系统模型 1110001.2典型的功率分配算法 3296161.3协同通信的功率分配算法建模 4285481.1.1协同通信系统模型 4325131.1.2功率分配 6309231.4协同通信的功率分配算法 7161571.5协同通信系统容量分析 930161.5.1三节点两跳DF系统的信道容量 10222211.5.2多中继两跳DF系统的信道容量 10294031.5.3三节点两跳AF系统的信道容量 11140261.5.4多中继两跳AF系统的信道容量 11在协同通信中，节点相互协同不仅可以扩大通信范围，还能提升系统的信息传输速率。协同通信中资源分配的研究主要集中在功率分配上，对节点的功率进行合理分配，在提高系统性能的同时，降低功耗。中继节点在与其他节点协同传输信息时，不仅要考虑提升系统性能问题，还要考虑何时协同、与谁协同以及如何协同等问题。对比直传链路，协同通信传输的性能要优于直传链路，但是协同通信的结构复杂，计算量较大。而直传链路结构简单，复杂度低。由于无线通信资源有限，协同通信主要目标是在无线通信系统总功率约束的前提条件下，提升通信网络性能，合理分配功率。本章的主要的结构安排如下。第一部分阐述了协同通信网络系统模型；第二部分主要介绍几种典型的功率分配算法；第三、四部分在单中继场景中，研究最大化信息传输速率的目标函数，优化节点功率分配；第五部分研究AF和DF传输协议系统的信道容量；第六部分总结本章主要内容。1.1协同通信网络的系统模型在协同通信中，系统模型是最基本的研究内容。按照不同的划分标准，对以下几种简单的协同通信网络系统模型分别进行介绍。(1)单中继两跳系统模型在图1.1系统模型中，源节点、中继节点以及目的节点的个数均为1，源节点S发送的信号通过中继节点R转发，最终传输给目的节点D。单中继两跳网络模型结构简单，比较容易实现[58]。图1.1单中继两跳网络模型(2)多跳中继系统模型如图1.2所示，中继节点R按照顺序将源节点S发送的信号进行处理，再转发至目的节点D。中继节点转发一次，网络模型为两跳中继网络模型，如图1.1所示。中继节点转发两次或者多次，模型为多跳中继网络模型，如图1.2所示。该模型在源节点和目的节点之间距离比较远的情况下，减少路径损耗对传输性能影响，使得系统的覆盖半径扩大。图1.2多跳中继网络模型(3)单向多中继系统模型如图1.3所示，源节点S通过多个协同中继节点R转发信号，最终将信号传输给目的节点D。单中继协同传输与多中继协同传输取决于中继节点个数。当中继节点数量为1时，模型称为单中继协同通信；当中继节点数量为多个时，模型称为多中继协同通信。多个中继节点协同传输能够提升系统性能，同时还得到分集增益。图1.3单向多中继网络模型(4)多源多中继系统模型常用的协同通信网络模型由单个源节点、多个中继节点和单个目的节点组成，但实际场景下的系统以多源多中继模型为主。在实际通信中，多个源节点可能会同时传输信息，需要采用多址接入方案，例如时分多址、频分多址、码分多址以及空分多址等。单源节点传输与多源节点传输取决于源节点个数。当源节点数量为1时，模型称为单源通信；当源节点数量为多个时，模型称为多源通信。如图1.4所示，对比单源中继网络，多源中继网络更符合实际通信场景。多个源节点共同使用同一组协同中继节点集合完成通信传输，并使得中继节点合理分配到源节点的资源。图1.4多源多中继网络模型1.2典型的功率分配算法(1)等功率分配算法无线协同通信系统中，第一时隙，源节点向中继节点和目的节点传输信息。第二时隙，协同中继节点按照某一协议将接收的信息处理后，再将处理后的信息传输给目的节点。为源节点的发射功率，为第个中继节点的发射功率，为源节点与中继节点的总功率约束，功率约束条件为。等功率分配由以下公式表示：(1.1)等功率分配算法是将总功率平均分配给全部节点，算法复杂度低。但是当源节点与中继节点之间的链路状态较优时，该算法整体性能不高。对于本文要研究的三节点两跳协同通信系统，源节点与中继节点的传输功率为。(2)基于最小中断概率的功率分配算法随着协同通信的深入研究，功率分配已经逐渐成为协同通信技术的主要研究部分，而系统中断概率是最优功率分配方案的一个重要评判因素。最小中断概率的功率分配算法是指在约束系统总功率的前提条件下，计算源节点和中继节点的功率最优分配因子，从而使系统的中断概率最小。(3)基于最大化信道容量的功率分配算法通过分析三节点两跳模型，从信息论角度验证了中继信道可以提升信道容量，为协同分集技术研究提供了理论依据。基于最大化信道容量的分配算法是约束节点总功率的前提条件下，依据系统最大信道容量优化目标，建立目标函数。该功率分配算法通过计算最大信道容量的目标函数，得到节点之间的最优功率分配因子，合理分配系统总功率，并使得系统的性能达到最优[46]。(4)各种中继功率分配算法的比较等功率分配算法中所有节点的功率都相同，计算复杂度低，整体性能不高。基于最小中断概率的功率分配算法复杂度低，不需要知道全部中继节点的瞬时信道信息，以某个参数为优化目标，合理分配功率。基于最大化信道容量的功率分配算法主要应用于三节点经典模型和多中继模型中。1.3协同通信的功率分配算法建模1.1.1协同通信系统模型(1)系统模型如图1.5所示，系统模型由三个节点，即源节点S、中继节点R和目的节点D组成。整个通信分为两个时隙：第一时隙，源节点分别向中继节点和目的节点发送信号；第二时隙，中继节点通过DF传输方式将信号传输给目的节点。目的节点对从源节点和中继节点接收到的信号进行合并和解码，从而获得分集增益。图1.5协同通信系统模型在系统模型中，三条链路的信道系数分别为、和。三条链路的信道增益分别表示为：(1.2)三条链路的噪声相互独立，是均值为0、方差为的加性高斯白噪声。三条链路的噪声表示为：(1.3)(2)信道模型第一时隙，中继节点和目的节点接收的信号和分别为：(1.4)其中，为源节点的发射功率，为源节点发送信号，与为均值是0且方差是的加性高斯白噪声。第二时隙，目的节点接收的信号表示为：(1.5)其中，为中继节点的发射功率，为中继节点对接收到的信号进行处理后的信号。(3)协同通信系统的信息速率第一时隙，中继节点和目的节点得到的信息传输速率和分别表示为：(1.6)其中，公式中的是因为整个传输过程包括两个传输时隙。S-D链路信噪比为，S-R链路信噪比为。第二时隙，目的节点得到的信息传输速率表示为：(1.7)其中，R-D链路信噪比为。1.1.2功率分配功率分配是在约束节点总功率的条件下，以最大化目的节点处的QoS性能为目标，计算出功率最优分配因子。在功率分配问题中，本文以信息传输速率为优化目标，满足系统性能最优时，功耗降到最低。(1)定义变量节点功率分配向量由以下公式表示为：(1.8)比较中继节点和目的节点的信息传输速率，将最小值表示为：(1.9)(2)优化目标在系统模型中，提出的功率分配方案不仅要保证目的节点的信息传输速率达到最大化，还要将整个传输过程的功耗降到最小，减少功耗开销。优化目标函数由以下公式表示为：(1.10)约束条件由以下公式表示为：(1.11)(1.12)(1.13)其中，，公式(1.10)为优化目标函数，公式(1.11)是源节点与中继发射节点功率的约束条件，公式(1.12)为目的节点速率达到最大值，公式(1.13)为源节点与中继节点发射功率值大于0。基于以上三个约束条件，优化问题描述为在保证节点的功率是正且约束节点总发射功率的前提条件下，以目的节点的信息传输速率最大化为目标，获得源节点与中继节点的最优功率。1.4协同通信的功率分配算法为了减少资源浪费又能使系统性能得到提升，在单中继协同通信模型中，提出了功率分配方案。该功率分配方案是在保证总发射功率的约束条件下，建立目的节点信息传输速率最大值的凸优化函数，采用拉格朗日函数优化源节点与中继节点的发射功率。图1.6为协同通信的信息速率功率分配算法流程图。图1.6算法流程算法的具体步骤如下：Step1：优化目标函数(1.9)至(1.12)的Lagrange方程由以下公式表示为：(1.14)其中，为功率约束条件下的Lagrange乘数。Step2：由Karush–Kuhn–Tucker条件，将关于与的偏导数分别设置为0。最优解与应满足以下公式：(1.15)(1.16)Step3：优化公式(1.10)中在约束了节点总功率的条件下，当目的节点信息传输速率达到最大时，源节点与中继节点的最佳功率与分别为：(1.17)(1.18)其中，。公式(1.15)至(1.18)为优化问题(1.10)的最优解，其证明过程如下：为了降低优化目标函数(1.10)的计算复杂度，本文采用了Lagrange对偶法，由以下公式表示为：(1.19)公式(1.13)的对偶函数表示为：(1.20)由(1.19)获得的凸对偶函数为。然后，凸对偶函数(1.20)通过次梯度法来求解，其公式为：(1.21)因此，优化目标函数(1.10)在约束了节点总的功率值情况下，保证目的节点信息传输速率达到最大值。公式(1.17)与公式(1.18)获得的源节点与中继节点的最优功率分配是优化问题(1.10)的最优解，证毕。(1.22)1.5协同通信系统容量分析信道容量与功率分配都是衡量系统性能的指标。目前，很多学者开始对系统信道容量问题展开研究，并合理分配功率资源，但是只针对特定系统进行研究，很少全面地研究各种不同中继协同通信系统中的信道容量与功率分配问题。尽管中继的协同模式有很多种，但以DF传输协议和AF传输协议的研究为主。由于这两种传输协议实现过程简单，可以作为协同通信基础部分进行研究。1.5.1三节点两跳DF系统的信道容量如图1.5所示，在三节点两跳系统中，传输时间为，采用半双工通信模式，将传输时间平均分成两个时隙，中继节点通过DF方式进行协同传输，目的节点最终采用MRC方式对信息进行合并。第一时隙，源节点向中继节点，该信道容量由以下公式表示为：(1.23)第二时隙，目的节点将S-D链路与R-D链路信号进行合并，其信道容量由以下公式表示为：(1.24)因此，三节点两跳DF系统的信道容量受到源节点与中继节点链路的约束，理论值由以下公式表示为：(1.25)1.5.2多中继两跳DF系统的信道容量多中继两跳DF系统将中继个数从一个增加到个，但中继节点信号处理方式不发生改变。因此，第一时隙，源节点传输的信道容量为为：(1.26)目的节点信道容量为：(1.27)因此，该多中继两跳DF协同系统的信道容量理论值由以下公式表示为：(1.28)1.5.3三节点两跳AF系统的信道容量如图1.5所示，在三节点两跳协同