本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及最優(yōu)功率分配方法，可用于全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡。

背景技術：

中繼是通過對數(shù)據(jù)信號的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，來擴大網(wǎng)絡傳輸?shù)木嚯x。最開始研究的中繼網(wǎng)絡是在半雙工模式下，可傳統(tǒng)的半雙工中繼協(xié)作通信系統(tǒng)利用正交的時隙發(fā)送和接收信號，極大浪費了無線頻譜資源，而全雙工中繼協(xié)作通信以其信道容量倍增且提升頻譜資源利用率得到了學術界的廣泛關注。然而全雙工中繼系統(tǒng)存在固有的問題就是自干擾，由于自干擾的功率和中繼的功率成正比，所以研究一個合理的功率分配方案有利于提升系統(tǒng)性能。

在協(xié)作通信系統(tǒng)中，由于協(xié)作分集技術要求節(jié)點之間傳輸信息的同時能夠輔助其它節(jié)點傳輸信息，必然會產(chǎn)生額外的帶寬、時隙和功率等資源的消耗，因此與無協(xié)作通信相比，協(xié)作通信更需要對各用戶的功率和帶寬采取合理地優(yōu)化分配，才能保證以較低的復雜度和較高的資源利用率去獲得良好的系統(tǒng)性能。

在資源需求日益緊張的今天，對資源分配問題的研究一直在繼續(xù)。目前的資源分配主要針對于功率的分配問題，如果系統(tǒng)資源有限，則怎樣合理地進行功率分配，更好地有助于提升系統(tǒng)性能就成為研究的重點。在中繼系統(tǒng)中源節(jié)點和中繼節(jié)點采用平均功率分配的方法，比較容易實現(xiàn)，但是由于存在系統(tǒng)信道質(zhì)量和時變性的影響，應用這種方法并不能充分地利用系統(tǒng)資源和減少系統(tǒng)開銷，因此需要研究最優(yōu)的功率分配方法。

目前協(xié)作通信系統(tǒng)的功率分配方法已經(jīng)進行了很多方面的研究，大多數(shù)是在三節(jié)點兩跳的系統(tǒng)中，同時忽略直達鏈路的影響或直接將直達鏈路作為干擾進行分析，選擇中繼在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下或在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下建立模型，研究的出發(fā)點一般包括:系統(tǒng)的容量、系統(tǒng)誤碼率、中斷概率、計算復雜度和系統(tǒng)開銷等，其分配方式包括：

l)發(fā)射端功率采用單獨功率分配，這種方式是通過發(fā)射端將全部發(fā)射功率都分配給源節(jié)點，僅適用于小型短距離網(wǎng)絡，無法擴大網(wǎng)絡傳輸距離。

2)發(fā)射端功率采用等功率分配，這種方式是通過等功率分配可以很簡單得到一定信道狀態(tài)下的系統(tǒng)容量，但不能有效利用功率資源。

3)發(fā)射端功率采用最優(yōu)功率分配，這種方式是通過最小化中斷概率，最大化信道容量或最小化誤碼率出發(fā)考慮功率分配，該分配方式相對前兩者所說能夠有效利用功率資源，但由于該方式是在單一功率受限或總功率受限情況下同時忽略直達鏈路的最優(yōu)分配方式，而未考慮單功率和總功率聯(lián)合的情況以及不同大小的網(wǎng)絡中直達鏈路對系統(tǒng)影響下的最優(yōu)方法，因而導致應用場景受限，不能滿足在不同大小的實際網(wǎng)絡中對于資源最優(yōu)分配提升網(wǎng)絡性能的需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡的最優(yōu)功率分配方法，以在單功率和總功率聯(lián)合受限下針對不同大小的全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡進行最優(yōu)功率分配，提升通信的服務質(zhì)量和吞吐量，以及協(xié)作通信系統(tǒng)的可靠性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案包括如下：

(1)采用最小均方誤差信道估計方法，分別估計源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道參數(shù)h_SR、中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道參數(shù)h_RD、源節(jié)點到目的節(jié)點的信道參數(shù)h_SD和中繼節(jié)點環(huán)路信道參數(shù)h_RR；

(2)源節(jié)點對發(fā)送信號進行調(diào)制，將調(diào)制后的信號x(i)發(fā)送給中繼節(jié)點和目的節(jié)點，中繼節(jié)點獲得接收信號g(i)，目的節(jié)點獲得接收信號d(i)；

(3)中繼節(jié)點對總的接收信號r(i)進行解調(diào)后再重新編碼，并將編碼后的信號t(i)發(fā)送給目的節(jié)點，目的節(jié)點獲得最終的接收信號：

y(i)＝d(i)+h_RDt(i)+n_D(i)，

其中，n_D(i)為目的節(jié)點的高斯噪聲，服從均值為0，方差為σ_D²的復高斯分布；

(4)建立最大化系統(tǒng)信道容量與系統(tǒng)信干噪比的關系式：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max，

其中，C為系統(tǒng)信道容量，B為系統(tǒng)帶寬，P_s為源節(jié)點的發(fā)射功率，P_r為中繼節(jié)點的發(fā)射功率，P_t為系統(tǒng)的總功率上限值，P_max＝wP_t為單功率上限值，w為控制單功率最大限制范圍的系數(shù)，0＜w＜1，0＜P_s+P_r≤P_t為系統(tǒng)總功率受限的約束條件，0＜P_s≤P_max為源節(jié)點功率受限的約束條件，0＜P_r≤P_max為中繼節(jié)點功率受限的約束條件；γ為系統(tǒng)信干噪比，其取值根據(jù)所使用的網(wǎng)絡確定：

在直達鏈路作為干擾信號的網(wǎng)絡中γ＝min{γ_SR,γ_RD}，為中繼節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比，為目的節(jié)點對中繼節(jié)點的信干噪比，其中，k_sr為源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益、k_rd為中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益、k_sd為源節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益和k_rr為中繼節(jié)點環(huán)路信道增益；

在直達鏈路作為有用信號的網(wǎng)絡中γ＝min{γ_SR,γ_SD+γ_RD}，為中繼節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比，γ_SD＝k_sdP_s為目的節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比，γ_RD＝k_rdP_r為目的節(jié)點對中繼節(jié)點的信干噪比；

(5)在功率受限條件下，根據(jù)最大化系統(tǒng)信道容量與系統(tǒng)信干噪比的關系，建立最大化信干噪比的目標函數(shù)：

5a)對于γ＝min{γ_SR,γ_RD}的系統(tǒng)信干噪比，根據(jù)最大化最小值理論，得到只與中繼節(jié)點功率P_r相關的新目標函數(shù)：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max，

5b)對于γ＝min{γ_SR,γ_SD+γ_RD}的系統(tǒng)信干噪比，根據(jù)最大化最小值理論，得到只與中繼節(jié)點功率P_r相關的新目標函數(shù)：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max；

(6)用(5)中得到的新目標函數(shù)γ對中繼節(jié)點功率P_r求導，得到中繼節(jié)點功率P_r的最優(yōu)值，再根據(jù)最大化最小值理論建立的源節(jié)點功率P_s與中繼節(jié)點功率P_r的關系，得到源節(jié)點功率P_s的最優(yōu)值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明由于根據(jù)直達鏈路作為干擾信號和有用信號的兩種情況，對其進行最優(yōu)功率分配，相比于現(xiàn)有技術可以靈活地應用于網(wǎng)絡傳輸距離大小不同的實際場景。

第二，在資源有限的情況下，本發(fā)明考慮了聯(lián)合單功率和總功率受限條件下的最優(yōu)功率分配，相比于只考慮單功率受限或總功率受限的場景，提高了有限資源的利用率。

第三，相比于半雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡，中繼節(jié)點在正交時隙分別接收和發(fā)送信號，本發(fā)明針對全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡，中繼節(jié)點在同一時隙接收和發(fā)送信號，可以實現(xiàn)更高頻譜效率，提升協(xié)作系統(tǒng)的整體性能。

第四，本發(fā)明協(xié)作網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略，相比于放大轉(zhuǎn)發(fā)策略，減少了系統(tǒng)中噪聲的傳播，提升系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；

圖2為本發(fā)明中使用直達鏈路作為干擾信號的系統(tǒng)框圖；

圖3為本發(fā)明中使用直達鏈路作為有用信號的系統(tǒng)框圖；

圖4為對本發(fā)明用直達鏈路作為干擾信號系統(tǒng)的信道容量仿真圖；

圖5為對本發(fā)明用直達鏈路作為有用信號系統(tǒng)的信道容量仿真圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步詳細描述。

參照圖2，在本全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡中，源節(jié)點和目的節(jié)點工作在半雙工模式且都設有一根天線，中繼節(jié)點使用全雙工模式同時接收和發(fā)送信號，并設有兩根天線。源節(jié)點對發(fā)射信號進行調(diào)制，然后在每一時隙向中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信號；中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF方式對接收到的信號進行解碼，然后再編碼轉(zhuǎn)發(fā)；目的節(jié)點采用最大比合并的方式接收直達鏈路和通過中繼鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的信號，由于源節(jié)點和目的節(jié)點的傳輸距離遠，受到路徑損耗和陰影衰落的影響，直達鏈路傳輸?shù)男盘栕鳛楦蓴_信號。

參照圖3，在本全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡中，源節(jié)點和目的節(jié)點工作在半雙工模式且都設有一根天線，中繼節(jié)點使用全雙工模式同時接收和發(fā)送信號，并設有兩根天線。源節(jié)點對發(fā)射信號進行調(diào)制，然后在每一時隙向中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信號；中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF方式對接收到的信號進行解碼，然后再編碼轉(zhuǎn)發(fā)；目的節(jié)點采用最大比合并的方式接收直達鏈路和通過中繼鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的信號，由于源節(jié)點和目的節(jié)點的傳輸距離不遠，信號的強度足夠在目的端獲得協(xié)作分集，直達鏈路傳輸?shù)男盘栕鳛橛杏眯盘枴?/p>

參照圖1，本發(fā)明基于圖2和3的網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)功率分配的方法包括如下：

步驟1，系統(tǒng)初始化：

源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點利用已知的發(fā)送信號序列，通過最小均方誤差信道估計方法，估計出各個信道的沖擊響應特性，包括源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道參數(shù)h_SR，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道參數(shù)h_RD，源節(jié)點到目的節(jié)點的信道參數(shù)h_SD，中繼節(jié)點環(huán)路信道參數(shù)h_RR。

步驟2，源節(jié)點向中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信號。

源節(jié)點對發(fā)射信號進行調(diào)制，同時向中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)射信號x(i)，調(diào)制方式可采用QPSK方式或BPSK方式或QAM方式，中繼節(jié)點在i時隙接收源節(jié)點發(fā)送的信號為：g(i)＝h_SRx(i)，目的節(jié)點在i時隙接收源節(jié)點發(fā)送的信號為：d(i)＝h_SDx(i+τ)，源節(jié)點的發(fā)射功率為P_r＝E[|t(i)|²]；

其中，i為整數(shù)，即i＞0，τ為直達鏈路和中繼鏈路之間的相對延時，E為數(shù)學期望。

步驟3，中繼節(jié)點的接收信號和轉(zhuǎn)發(fā)信號。

3a)中繼節(jié)點在i時隙接收源節(jié)點發(fā)送的信號g(i)，同時接收中繼節(jié)點自身轉(zhuǎn)發(fā)的信號f(i)，獲得接收信號r(i)為：r(i)＝g(i)+f(i)+n_R(i)，其中n_R(i)為中繼節(jié)點接收端i時隙的高斯噪聲，服從均值為0，方差為σ_R²的復高斯分布；

3b)中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略，對接收信號r(i)進行解碼，將解碼的信號再重新編碼，得到編碼信號為：t(i)＝r(i-1)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，中繼節(jié)點的發(fā)射功率為P_r＝E[|t(i)|²]。

步驟4,目的節(jié)點接收信號。

目的節(jié)點采用最大比合并的方式接收來自源節(jié)點的信號d(i)和中繼節(jié)點發(fā)送的信號h_RDt(i)，其獲得最終的接收信號表達式為：

y(i)＝d(i)+h_RDt(i)+n_D(i)；

其中，n_D(i)為目的節(jié)點接收端i時隙的高斯噪聲，服從均值為0，方差為σ_D²的復高斯分布；d(i)為目的節(jié)點接收的源節(jié)點信號，根據(jù)傳輸距離大小不同的網(wǎng)絡，其分為以下兩種情況：

第一種情況是在源節(jié)點和目的節(jié)點傳輸距離較大的網(wǎng)絡中，由于路徑損耗和陰影衰落的影響，使得信號強度衰減，對目的節(jié)點解調(diào)造成干擾，所以直達鏈路被視為干擾信號，即d(i)為目的節(jié)點接收的干擾信號；

第二種情況是在源節(jié)點和目的節(jié)點傳輸距離不大的網(wǎng)絡中，直達鏈路傳輸?shù)男盘枏姸葘δ康墓?jié)點解調(diào)有幫助，可以實現(xiàn)協(xié)作分集，所以直達鏈路被視為有用信號，即d(i)為目的節(jié)點接收的有用信號。

步驟5，根據(jù)所使用的網(wǎng)絡確定信干噪比。

5a)在直達鏈路作為干擾信號的網(wǎng)絡中，中繼節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比為目的節(jié)點對中繼節(jié)點的信干噪比為系統(tǒng)信干噪比為γ＝min{γ_SR,γ_RD}，其中，k_sr為源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益、k_rd為中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益、k_sd為源節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益和k_rr為中繼節(jié)點環(huán)路信道增益；

5b)在直達鏈路作為有用信號的網(wǎng)絡中，中繼節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比為目的節(jié)點對源節(jié)點的信干噪比為γ_SD＝k_sdP_s，目的節(jié)點對中繼節(jié)點的信干噪比為γ_RD＝k_rdP_r，系統(tǒng)信干噪比為γ＝min{γ_SR,γ_SD+γ_RD}。

步驟6，根據(jù)系統(tǒng)信干噪比γ，建立系統(tǒng)信道容量與系統(tǒng)信干噪比的關系式如下：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max，

其中，C為系統(tǒng)信道容量，B為系統(tǒng)帶寬，P_t為系統(tǒng)的總功率上限值，P_max＝wP_t為單功率上限值，w為控制單功率最大限制范圍的系數(shù)，0＜w＜1，0＜P_s+P_r≤P_t為系統(tǒng)總功率受限的約束條件，0＜P_s≤P_max為源節(jié)點功率受限的約束條件，0＜P_r≤P_max為中繼節(jié)點功率受限的約束條件。

步驟7，根據(jù)系統(tǒng)信道容量和信干噪比的關系式，建立基于最大化信干噪比的目標函數(shù)。

本步驟的具體實現(xiàn)是將最大化容量問題轉(zhuǎn)變成最大化信干噪比的問題，針對不同的傳輸網(wǎng)絡，建立基于最大化信干噪比的目標函數(shù)：

7a)在直達鏈路作為干擾信號的網(wǎng)絡中γ＝min{γ_SR,γ_RD}，根據(jù)最大化最小值理論，當γ_SR＝γ_RD時，系統(tǒng)信干噪比實現(xiàn)最大化，即γ＝γ_SR；

7b)在直達鏈路作為有用信號的網(wǎng)絡中γ＝min{γ_SR,γ_SD+γ_RD}，根據(jù)最大化最小值理論，當γ_SR＝γ_SD+γ_RD時，系統(tǒng)信干噪比實現(xiàn)最大化，即γ＝γ_SR；

7c)最終得到目標函數(shù)如下：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max。

步驟8，建立只與中繼節(jié)點功率P_r相關的基于最大化信干噪比的新目標函數(shù)。

8a)在直達鏈路作為干擾信號的網(wǎng)絡中，建立只與中繼節(jié)點功率P_r相關的基于最大化信干噪比的新目標函數(shù)：

8a1)根據(jù)γ_SR＝γ_RD，得到源節(jié)點功率與中繼節(jié)點功率的關系式：k_srk_sdP_s²+k_srP_s＝k_rrk_rdP_r²+k_rdP_r；

8a2)根據(jù)源節(jié)點功率與中繼節(jié)點功率的關系式，得到用中繼節(jié)點功率表示的源節(jié)點功率形式

8a3)將8a2)得到的P_s關系式代入代入步驟7的目標函數(shù)中，得到只與中繼節(jié)點功率P_r相關的基于最大化信干噪比的新目標函數(shù)：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max，

8b)在直達鏈路作為有用信號的網(wǎng)絡中，建立只與中繼節(jié)點功率P_r相關的基于最大化信干噪比的新目標函數(shù)：

8b1)根據(jù)γ_SR＝γ_SD+γ_RD，得到源節(jié)點功率與中繼節(jié)點功率的關系：k_srP_s-k_sdP_s＝k_rrk_rdP_r²+k_rdP_r+k_sdk_rrP_sP_r；

8b2)根據(jù)源節(jié)點功率與中繼節(jié)點功率的關系式，得到用中繼節(jié)點功率表示的源節(jié)點功率形式

8b3)將8b2)得到的P_s關系式代入步驟7的目標函數(shù)中，構造只與中繼節(jié)點功率P_r相關的基于最大化信干噪比的新目標函數(shù)：

s.t.0＜P_s+P_r≤P_t

0＜P_s≤P_max，0＜P_r≤P_max。

步驟9，獲取中繼節(jié)點和源節(jié)點的最優(yōu)功率。

9a)在直達鏈路視為干擾信號或有用信號的全雙工中繼網(wǎng)絡中，將新目標函數(shù)對P_r在(0,∞)求導，得到系統(tǒng)信干噪比隨著中繼節(jié)點的發(fā)射功率P_r的增大而單調(diào)遞增的特性；

9b)根據(jù)9a)中系統(tǒng)信干噪比的特性，中繼節(jié)點的發(fā)射功率選取滿足功率約束條件的最大值，即中繼節(jié)點功率P_r的最優(yōu)值。

9c)將P_r的最優(yōu)值代入步驟8a2)和8b2)的源節(jié)點功率與中繼節(jié)點功率的關系式中，得到源節(jié)點功率P_s的最優(yōu)值。

本發(fā)明的效果可通過以下仿真進一步說明：

(1)仿真條件

調(diào)制方式都采用QPSK，設各節(jié)點之間的信道均服從均值為0、方差為1的準靜態(tài)瑞利分布。系統(tǒng)帶寬為B＝4kHz，噪聲功率為N₀＝0dBw，各信道增益分別為k_sr＝8dB，k_rd＝12dB，k_sd＝0dB，k_rr＝4dB，總功率上限值P_t＝0:1:10dBw，控制單功率最大限制范圍的系數(shù)w＝0.55，其中k_sr為源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益、k_rd為中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益、k_sd為源節(jié)點到目的節(jié)點的信道增益和k_rr為中繼節(jié)點環(huán)路信道增益。

(2)仿真的內(nèi)容和結果

仿真1：用本發(fā)明方法和現(xiàn)有的平均功率分配方法、窮舉搜索方法分別在直達鏈路作為干擾信號的全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡進行仿真，結果如圖4。

從圖4可以看出，本發(fā)明方法的信道容量曲線與窮舉搜索方法完全重合，驗證了本發(fā)明最優(yōu)分配方法的準確性和有效性；在總功率上限一致的條件下，本發(fā)明方法得到的信道容量大于平均功率分配方法得到的信道容量，說明本發(fā)明方法明顯優(yōu)于平均功率分配方法。

仿真2：用本發(fā)明方法和現(xiàn)有的平均功率分配方法、窮舉搜索方法分別在直達鏈路作為有用信號的全雙工協(xié)作中繼網(wǎng)絡進行仿真，結果如圖5。

從圖5可以看出，本發(fā)明方法的信道容量曲線與窮舉搜索方法完全重合，驗證了本發(fā)明最優(yōu)分配方法的準確性和有效性；在總功率上限一致的條件下，本發(fā)明方法得到的信道容量大于平均功率分配方法得到的信道容量，說明本發(fā)明方法明顯優(yōu)于平均功率分配方法。

對比圖4和5可以看出，本發(fā)明方法應用在直達鏈路作為有用信號的網(wǎng)絡中獲得的性能明顯優(yōu)于應用在直達鏈路作為干擾信號的網(wǎng)絡中。