[发明专利]一种基于中继协作的蜂窝网络能量效率优化方法

摘要

本发明公开一种基于中继协作的蜂窝网络能量效率优化方法，属于协作通信技术领域。包括步骤：建立系统模型，系统场景分析，问题归结，使用凸优化方法求解最优化问题。本发明以最大化系统时间平均下每焦耳传输的比特数为效用函数，联合考虑多个中继和多个用户的OFDM中继网络场景下的联合中继选择、载波配对和功率分配问题，具有现实的指导意义。本发明区别与传统的中继协议，允许基站在第二个时隙通过这些空闲的子载波重发第一时隙的信息，能够降低基站和中继的发射功率，提高系统容量。本发明算法设计合理，易于实现。

主权项

1.一种基于中继协作的蜂窝网络能量效率优化方法，其特征在于：包括步骤1：建立系统模型；设小区半径为R，基站固定在圆心，M个中继均匀分布在以r为半径的圆环上(r＜R)，每个中继节点定义为m，m∈{1，...，M}，只考虑中继圆环以外的用户，K个用户随机地分布在中继圆环和小区边界之间，每个用户定义为k，k∈{1，...，K}，系统可用带宽为BHz，共划分为N个子信道，每个子信道定义为n，n∈{1，...，N}，子信道的带宽小于相干带宽，系统采用改进译码转发方式，系统工作在时分双工(TDD)方式；定义p_s，m，n(t)为第一个时隙在第t个时刻基站通过载波n广播发送给第m个中继节点的功率，定义p_s，k，n(t)第一个时隙在第t个时刻基站通过载波n广播发送给第k个用户节点的功率，其中从数值上来讲p_s，m，n(t)和p_s，k，n(t)相等，定义p_m，k，n(t)为第二个时隙在第t个时刻第m个中继节点通过载波n转发基站发来的信号给用户k，基站和用户之间的直接链路的信道容量为其中h_s，k，n(t)表示占用子载波n在基站和用户k之间传输的信道增益，σ²为接收端在每个子信道上的高斯白噪声(AWGN)的功率；对于中继转发的链路，第一个时隙，基站发送信号到中继m，则第一个时隙的速率可以表示为其中h_s，m，n(t)表示占用子载波n在基站和中继m之间传输的信道增益，第二个时隙中继m译码转发信号给用户k，用户k接收基站和中继发来的相同信号并采用最大比合并，第二个时隙用户k的接收速率为其中h_m，k，n(t)表示占用子载波n在中继m和用户k之间传输的信道增益，中继链路译码转发方式下用户k的接受速率表示为用户k在第t个时刻的速率表示为：其中，u_m，n代表中继选择因子，u_m，n∈{0，1}，当u_m，n＝1时表示载波n通过中继m转发给用户k，u_m，n＝0表示载波n直接从基站发送给用户k，φ_k，n表示载波分配因子，φ_k，n∈{0，1}，当φ_k，n＝1表示载波n分配给用户k，否则φ_k，n为0；用户k在第t个时刻所消耗的总功率表示为其中，p_c为基站的电路功率；步骤2：系统场景分析，问题归结；步骤2.1：推导该场景下能量效率；用户k时间平均下每瓦传输的比特速率定义为：其中a_k(t)可以被看作是用户k的所消耗的功率p_k(t)的函数，ω表示窗口长度，R_k(t‑1)和P_k(t‑1)分别表示用户k的平均传输速率和平均消耗的功率，最大化用户时间平均下每焦耳传输的比特数和最大化用户时间平均下每瓦传输的比特速率是等价的，表示为：其中，E_k(t)表示用户k平均消耗的能量；步骤2.2：推导该场景下基于能量效率最优的优化问题；在第t个时刻系统的平均能量效率可以表示为归结出该场景下优化问题为：其中，P_S表示基站最大发射功率，P_R表示中继最大发射功率；步骤3：使用凸优化方法求解优化问题；所述优化问题P1的求解可以采用拉格朗日因子方法：再联立和并用次梯度方法迭代求解，其中R_S，β_R，m，β_φ，n是相应的拉格朗日因子。