[发明专利]一种OFDM多中继网络中能量效率的优化方法

摘要

本发明公开了一种多中继OFDM网络中在满足系统最小传输速率的前提下最大化系统的能量效率的资源分配方法。在该中继网络中，一个子载波对可以分配给源节点和多个中继节点，以此来为系统提供空间分集。包含子载波配对以及功率分配的以最大化系统能量效率的最优化模型是一个典型的非线性混合整数规划问题，这类问题通常有着极大的计算复杂度。本发明通过定义等效信道增益，将复杂的原最优化问题简化为准凹规划问题，并通过Dinkelbach方法、匈牙利算法以及次梯度算法来求得最优解，大大减小了计算复杂度。

主权项

一种OFDM多中继网络中能量效率的优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取瞬时信道信息：目的节点通过训练序列获得各信道的瞬时信道信息，其中包括源节点S到目的节点D的信道在第i个子载波上的瞬时信道增益S到中继节点R_k的信道在第i个子载波上的瞬时信道增益以及中继节点R_k到目的节点D的信道在第j个子载波上的瞬时信道增益各个中继节点通过训练序列获取各自前向和后向信道的瞬时信道增益以及目的节点获取系统中加性高斯白噪声的功率N₀；2)计算子载波对SP(i，j)对应的等效信道增益${\mathrm{\γ}}_{(i,j)}=\frac{1}{N_0}[{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}{\left|h_i^{s,d}\right|}^2+(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}){\left|h_j^{s,d}\right|}^2+{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*})\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}{{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2+(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}){\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}],$其中SP(i，j)表示在第一个时隙通过第i个子载波发送的信息在第二个时隙在第j个子载波上进行转发，K为系统中可用的中继节点个数，是使得等效信道增益γ_(i，j)取得最大值的最优解，其值可以通过对上述γ_(i，j)的表达式在区间(0，1]上使用二分法求解得到；3)初始化初始能量效率q＝0，迭代常数ε_inner以及ε_outer；4)选取合适的拉格朗日因子λ以及μ的初始值μ(0)以及λ(0)；5)定义决策矩阵t＝{t_(i，j)}，t_(i，j)＝1表示第i个子载波和第j个子载波对进行配对，t_(i，j)＝0表示第i个子载波不和第j个子载波对进行配对。计算子载波配对决策因子其中x⁺＝max(0，x)，表示功率转换效率的倒数。定义矩阵A＝{A_(i，j)}，然后以矩阵A为参数通过匈牙利算法得到决策矩阵t，使得从矩阵A中每一行以及每一列取出且仅取出一个元素时取出的元素之和最大；6)计算其中P_(i，j)表示子载波对SP(i，j)上两个时隙消耗的总功率，根据更新表达式$\mathrm{\λ}(n+1)={[\mathrm{\λ}\left(n\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}\left(n\right)(P_{\max }-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{(i,j)}{P}_{(i,j)})]}^{+}$以及$\mathrm{\μ}(n+1)={[\mathrm{\μ}\left(n\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\μ}}\left(n\right)(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{t_{(i,j)}}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{(i,j)}{P}_{(i,j)})-R_{\mathrm{req}})]}^{+}$更新λ和μ，其中α_λ(n)以及α_μ(n)是正的并逐渐减小的第n次的内循环迭代步长，P_max是系统最大可输出功率，R_req表示系统要求的最小传输速率，N表示子载波个数；7)重复步骤5)和步骤6)直到相邻两次的拉格朗日因子的差值的绝对值小于常数ε_inner或内循环迭代次数大于50次，同时相应的决策矩阵t也被确定；8)计算$R_{\mathrm{total}}=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{(i,j)}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{(i,j)}{P}_{(i,j)})$以及其中R_total表示系统总的传输速率，P_total表示系统消耗的总功率，P_C是固定为常数的环路电流。然后根据公式来计算此时对应的能量效率q；9)如果相邻两次计算得到的能量效率的差值的绝对值小于常数ε_outer或外循环迭代次数大于50次，转入步骤10)；否则重复步骤4)至步骤8)；10)根据公式$P_i^{\mathrm{sl}}={\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*}{P}_{(i,j)}$和公式$P_{(i,j)}^{p2}=(1-{\mathrm{\τ}}_{(i,j)}^{*})P_{(i,j)}$分别计算以及其中表示在第一个时隙子载波对SP(i，j)上分配给源节点S的功率，表示第二个时隙分配给子载波对SP(i，j)的总功率；11)根据公式$l_{(i,j)}=\sqrt{\frac{1}{P_{(i,j)}^{p2}(\frac{{\left|h_j^{s,d}\right|}^2}{P_i^{\mathrm{sl}}}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left|h_{(i,k)}^{s,r}{h}_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k}{{(1+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2{P}_{(i,j)}^{p2})}^2})}},$公式$P_{(i,j,k)}^r=\frac{l_{(i,j)}^2{\left({\mathrm{\β}}_{(i,j)}^k\right)}^2}{1/P_{(i,j)}^{p2}+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}$以及公式$P_j^{s2}=l_{(i,j)}^2{\left({\mathrm{\β}}_{(i,j)}^{K+1}\right)}^2{P}_{(i,j)}^{p2}$对满足t_(i，j)＝1的所有子载波对SP(i，j)计算l_(i，j)、以及以获得功率分配信息，其中表示在第二个时隙在子载波对SP(i，j)上分配给源节点S的功率，表示在子载波对SP(i，j)上分配给中继节点R_k的功率，并且${\mathrm{\β}}_{(i,j)}^k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\left|h_{(i,k)}^{s,r}{h}_{(j,k)}^{r,d}\right|\sqrt{{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k}}{\sqrt{1/P_{(i,j)}^{p2}+{\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k{\left|h_{(j,k)}^{r,d}\right|}^2}},& k\≤K\\ \sqrt{P_{(i,j)}^{p2}/P_i^{s1}}\left|h_j^{s,d}\right|,& k=K+1\end{array}\right.,$${\mathrm{\θ}}_{(i,j)}^k=\left\{\begin{array}{cc}1/(P_i^{\mathrm{sl}}{\left|h_{(i,k)}^{s,r}\right|}^2+N_0),& k\≤K\\ 0,& k=K+1\end{array}\right.;$12)目的节点将子载波配对信息以及功率分配信息通过广播信道广播给源节点和各中继节点。