[發(fā)明專利]協(xié)作通信中源與中繼節(jié)點(diǎn)的功率最優(yōu)聯(lián)合分配的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910087328.0
• 申請(qǐng)日: 2009-06-23
• 公開（公告）號(hào): CN101588627A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 啜鋼;劉洪來
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W52/42
• 分類號(hào): H04W52/42;H04W52/46
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種協(xié)作通信中源與中繼節(jié)點(diǎn)的功率最優(yōu)聯(lián)合分配的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

a、在總功率受限協(xié)作通信系統(tǒng)中，以系統(tǒng)容量最優(yōu)為前提，基于第一跳與第二跳的信道狀態(tài)信 息，通過對(duì)第二跳信道狀態(tài)信息奇異值分解轉(zhuǎn)換為獨(dú)立并行信道以及初始化的功率分配系數(shù)， 采用注水算法對(duì)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)功率分配，完成各中繼節(jié)點(diǎn)間的一次功率分配，第二 跳信道即為虛擬MIMO信道；

b、在步驟a的基礎(chǔ)上，將所有中繼節(jié)點(diǎn)看作整體，再根據(jù)結(jié)合了中繼節(jié)點(diǎn)功率信息的第一跳信 道狀態(tài)信息將其與源節(jié)點(diǎn)同樣采用注水算法進(jìn)行最優(yōu)功率分配，此時(shí)完成一次源與中繼節(jié)點(diǎn)、 各中繼節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)功率分配，即一次功率聯(lián)合分配，第一跳信道即為廣播階段；

c、基于步驟a、b計(jì)算得出源節(jié)點(diǎn)、各中繼節(jié)點(diǎn)的功率，統(tǒng)計(jì)信道容量，在迭代精度控制下，重 復(fù)上述步驟a、b，直至達(dá)到迭代算法終止所滿足的迭代精度，從而達(dá)到系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的最優(yōu) 聯(lián)合功率分配；

步驟a具體限定為：

1)根據(jù)系統(tǒng)模型，目的節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)Y表示為

Y＝H·(Λ·X+N₀)+W₀????(1)

其中，Λ表征第一階段的正交信道矩陣，為一對(duì)角陣；H表示虛擬MIMO信道矩陣，表征了第二階段的 多徑瑞利衰落；N₀、W₀分別表征了中繼節(jié)點(diǎn)處、接收天線處的噪聲，其每個(gè)元素服從均值為0的獨(dú)立同 分布的復(fù)高斯隨機(jī)分布；X表示發(fā)送數(shù)據(jù)向量；

將(1)式矩陣元素展開即為

其中，(1≤i≤N，1≤j≤M)表示第j個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)接收天線之間的多徑衰落系數(shù)； (1≤i≤M)表示源節(jié)點(diǎn)和第i個(gè)接收天線之間的多徑衰落系數(shù)；P_re表示中繼節(jié)點(diǎn)的總功率； β_i(1≤i≤M)表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配因子；表示在每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸一化接收功率的變 量；

根據(jù)式(2)，Y改寫為

Y＝H′·(Λ′·X+N₀′)+W₀?????(3)

其中H′為變換后的第二階段的信道矩陣，Λ′為變換后的第一階段的信道矩陣，N₀′為變換后的中繼節(jié)點(diǎn)處 的噪聲矩陣；

2)對(duì)變換后的MIMO信道矩陣H′作奇異值分解(SVD)，則式(3)寫成 Y＝U·S·V^H·(Λ′·X+N₀′)+W₀，(H′SVD=U·S·VH)---(4)]]>

其中U和V均為酉矩陣，S是非對(duì)角線元素為0，對(duì)角線元素為矩陣H′H′^H的特征值的平方根，(·)^H表示 (·)的共軛轉(zhuǎn)置；令(Λ′·X+N₀′)′＝V·(Λ′·X+N₀′)，得到式(5)：

Y′＝U·S·V^H·V·(Λ′·X+N₀′)+W₀

????????????????????????????????????????????(5)

＝U·S·(Λ′·X+N₀′)+W₀

再對(duì)Y′左乘以矩陣U^H，得出

Y″＝U^H·U·S·(Λ′·X+N₀′)+W₀??????????????(6)

＝S·(Λ′·X+N₀′)+W₀＝S·Λ′·X+S·N₀′+W₀

3)假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)處噪聲方差滿足和接收天線處噪聲方差滿足 則整個(gè)協(xié)作中繼系統(tǒng)的信道通過奇異值分解等效成M個(gè)并行信道；由式(6) 得出最后的噪聲功率矩陣P^noise是一個(gè)對(duì)角陣：

Pnoise=E[(S·N0′+W0)·(S·N0′+W0)H]=σw02·IN+S·N0′·N0′H·SH---(7)]]>

其中E是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)期望符號(hào)，I_N為一個(gè)N階的單位矩陣；

4)信號(hào)功率矩陣也是一個(gè)對(duì)角陣，用P^signal表示：

P^signal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)^H]＝P_s·S·Λ′·Λ′^H·S^H?????(8)

其中，Ps為發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的功率；

對(duì)于第i個(gè)并行信道來說，噪聲功率寫成

σi2=σw02+σn02·Pre·βi[Ainorm]2·si2,1≤i≤M---(9)]]>

其中[Ainorm]2=Ps·|hii(1)|2+σn02,]]>信號(hào)功率為

Pi=Ps·|hii(1)|2·Pre·βi[Ainorm]2·si2,1≤i≤M---(10)]]>

其中為矩陣H′H′^H的第i個(gè)特征值，即為E[S·S^H]的第i個(gè)元素；

5)單位帶寬下的信道容量，即頻譜利用率，單位為bps/Hz，表示成

C=Σi=1Mlog2(1+Ps·|hii(1)|2·Pre·βi[Ainorm]2·si2σw02+σn02·Pre·βi[Ainorm]2·si2)---(11)]]>

令

λi=Pre·si2[Ainorm]2---(12)]]>

信道通過奇異值分解等效成M個(gè)并行信道，故單位帶寬下的信道容量表示成

C=Σi=1Mlog2(1+Ps·|hii(1)|2·λi·βiσw02+σn02·λi·βi)---(13)]]>

6)以信道容量為最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，則聯(lián)合功率分配的最優(yōu)化問題寫成

max(C)=max{Σi=1Mlog2(1+Ps·|hii(1)|2·λi·βiσw02+σn02·λi·βi)}]]>

=max{Σi=1Mlog2(1+Ps·|hii(1)|2·Pre·si2[Ainorm]2·βiσw02+σn02·Pre·si2[Ainorm]2·βi)}]]>

=max{Σi=1Mlog2(1+|hii(1)|2·Pre·si2·βi·Ps[Ainorm]2·σw02+σn02·Pre·si2·βi)}]]>

=max{Σi=1Mlog2(1+|hii(1)|2·Pre·si2·βi·Ps(Ps·|hii(1)|2+σn02)·σw02+σn02·Pre·si2·βi)}---(14)]]>

并且Σi=1Mβi=1,0≤βi≤1;]]>

根據(jù)系統(tǒng)容量最優(yōu)化問題的表達(dá)式(14)以及各中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配系數(shù)β_i的限定條件，采用注水算 法對(duì)式(14)進(jìn)行求解，得出中繼節(jié)點(diǎn)間一次功率分配系數(shù)β_i；

步驟b具體限定為：

1)在步驟a的基礎(chǔ)上，已經(jīng)求得各中繼節(jié)點(diǎn)間的一次功率分配系數(shù)β_i，將中繼節(jié)點(diǎn)間的總功率看作 整體，將其與源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率分配；

2)將源節(jié)點(diǎn)功率與中繼節(jié)點(diǎn)總功率的分配系數(shù)考慮進(jìn)來，信號(hào)功率P^signal變換為

P^signal＝E[(S·Λ′·X)·(S·Λ′·X)^H]＝P_s·S·Λ′·Λ′^H·S^H＝αP·S·Λ′·Λ′^H·S^H????(15)

其中，α為源節(jié)點(diǎn)功率占系統(tǒng)功率的比例；

3)同樣，噪聲功率變換為

σi2=σw02+σn02·Pre·βi[Ainorm]2·si2=σw02+σn02·(1-α)P·βi[Ainorm]2·si2,1≤i≤M---(16)]]>

4)在2)、3)的基礎(chǔ)上，此階段的聯(lián)合功率分配的最優(yōu)化問題即表述為

max(C)=max{Σi=1Mlog2(1+|hii(1)|2·Pre·si2·βi·Ps(Ps·|hii(1)|2+σn02)·σw02+σn02·Pre·si2·βi)}]]>(17)

=max{Σi=1Mlog2(1+|hii(1)|2·(1-α)P·si2·βi·αP(αP·|hii(1)|2+σn02)·σw02+σn02·(1-α)P·si2·βi)}]]>

其中，β_i已知，0＜α＜1；

根據(jù)系統(tǒng)容量最優(yōu)化問題的表達(dá)式(17)以及源節(jié)點(diǎn)的功率分配系數(shù)α的限定條件，采用注水算法對(duì) 式(17)進(jìn)行求解，得出在中繼節(jié)點(diǎn)間一次功率分配基礎(chǔ)上的源節(jié)點(diǎn)功率分配系數(shù)α；此時(shí)，即完成一次 聯(lián)合功率分配。