[發明專利]基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統聯合功率分配方法

有效

• 申請號: 201510310268.X
• 申請日: 2015-06-08
• 公開（公告）號: CN105188142B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 李春國;王毅;楊綠溪;王東明;鄭福春
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04W72/08;H04W52/24
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發明公開了一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統聯合功率分配方法。該通信系統由一個信源節點，一個信宿節點，一個放大轉發中繼節點所組成，且三個節點均為配置單天線。該方法以系統能效最大化為設計目標，以滿足指定的系統服務質量QoS為約束條件，建立了以源節點和中繼節點發射功率為設計變量的數學優化模型。通過大信噪比區間近似等效，將原始的非凸優化問題轉化為凸優化問題。再利用拉格朗日對偶函數凸優化算法，并借助于Lambert W函數，最終得到一種功率分配方案的閉合形式解。本發明能夠更好的提升系統整體能效，同時降低了功率分配算法的復雜度。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統聯合功率分配設計方法。

背景技術

近年來，兩跳中繼無線通信技術得到了充分的發展。它利用中繼輔助轉發信源信號，使得蜂窩系統在鏈路可靠性、小區覆蓋范圍以及系統頻譜效率等方面取得了顯著提升，也使其成為無線通信領域中的研究熱點之一。特別是中繼系統不需要昂貴的有線回程鏈路作為支撐，大幅降低網絡部署及運營成本開銷。因此，中繼通信技術也被業內普遍認為是未來異構無線通信網絡中的重要組成部分。

然而，隨著社會對通信系統要求的提高，特別是整個通信系統的功率消耗對人類生存、健康及環境所帶來的問題越來越受到關注。由此，業界提出了以追求高能效為目標的綠色通信概念，而功率分配問題則直接影響到了整個系統的能效指標。系統的總功率消耗，不單包括發射機的實際發射功率，也包括維持設備運轉時的電路功耗。在傳統中繼系統功率分配方案中，都以系統頻譜效率最大化為目標，在忽略電路功耗的前提下，以提升發射功率來獲得最大的系統頻譜效率，在此情況下，就會造成系統的整體能效性能非常低。

為了使中繼系統滿足未來綠色通信對系統能量效率(能效)的要求，在系統設計方面引入能效作為優化準則，并考慮系統的QoS要求，從而在保證系統傳輸有效性的同時，盡可能提升系統的能效性能。同時，考慮中繼節點與信源節點發射功率聯合優化。由于目標函數的復雜性，目前還沒有很好的低復雜度聯合功率分配解決方案，對于最優功率分配方案的閉合形式解更是難于獲得。

本發明一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統聯合功率分配設計方法。該方法以系統能效最大化為設計目標，以滿足指定的系統服務質量(QoS，Quality-of-Service)為約束條件，建立了以源節點和中繼節點發射功率為設計變量的數學優化模型。通過大信噪比區間近似等效，將原始的非凸優化問題轉化為凸優化問題。再利用拉格朗日對偶函數凸優化算法，并借助于LambertW函數，最終得到一種低復雜度的功率分配方案的閉合形式解，避免了采用交替迭代方法來求解最優化問題。

發明內容

本發明為使單天線兩跳中繼系統獲得良好的能效性能而提出一種基于能效最大化的低復雜度聯合功率分配設計方法，并得到最優功率的閉合形式解。

本發明的一種基于能效最大化的單天線兩跳中繼系統聯合功率分配設計方法，包括以下步驟：

1)中繼節點通過信道估計獲取第一跳和第二跳信道增益值；

2)以系統QoS要求為約束(此處以系統頻譜效率表示QoS要求)，以最小化系統總能效為準則，求解以信源節點和中繼節點發射功率為參量的功率分配優化問題，如下：

3)利用高信噪比近似，即p_r|g|²+p_s|h|²＞＞1，將原優化問題進行近似轉化為擬凹問題，如下：

4)利用拉格朗日對偶優化方法，獲得3)中的優化問題的拉格朗日對偶函數如下：

5)當λ＞0時，解得最優的信源節點發射功率和中繼節點發射功率閉合形式解，如下：