劉春生,徐家品

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610064)

雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)最優(yōu)功率分配策略研究

劉春生,徐家品

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,四川 成都 610064)

為了提高雙向中繼系統(tǒng)總速率,針對雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)提出了一種運(yùn)用信噪比平衡技術(shù)進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)間功率分配的最優(yōu)功率分配方案,并推導(dǎo)得出了最優(yōu)功率分配方案表達(dá)式。理論分析和仿真結(jié)果表明,所提出的最優(yōu)功率分配方案有效提高了系統(tǒng)可達(dá)總速率,改善了系統(tǒng)性能。

雙向中繼系統(tǒng);放大轉(zhuǎn)發(fā);功率分配;信噪比平衡

中繼協(xié)作通信技術(shù)在不增加發(fā)射功率的前提下可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,克服陰影效應(yīng),更重要的是能提高邊緣小區(qū)的頻譜效率,提高通信傳輸可靠性,是目前的研究熱點(diǎn)之一。單向(One-way)中繼系統(tǒng)因?yàn)槠浒腚p工的工作模式導(dǎo)致頻譜效率的降低,系統(tǒng)容量偏低,針對這一問題,Shannon在文獻(xiàn)[1]中首先提出分析了雙向(Two-way)系統(tǒng),Rankov等人則在文獻(xiàn)[2～3]中對Two-way中繼系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析,推導(dǎo)了Two-way中繼系統(tǒng)中AF模式和DF模式下的系統(tǒng)容量取值界限,研究表明Two-way中繼比One-way中繼系統(tǒng)可獲得更高的頻譜效率,有關(guān)Two-way中繼系統(tǒng)的研究受到了廣泛關(guān)注。

在功率受限的中繼系統(tǒng)中,對系統(tǒng)中信源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行優(yōu)化分配能進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。AF(Amplify-and-Forward)中繼結(jié)構(gòu)簡單,無需解碼,信號處理時延小,故被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]對雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)討論了如何進(jìn)行功率分配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)速率的最大化,但沒有得出具體的表達(dá)式。文獻(xiàn)[5]對Two-way中繼系統(tǒng)提出了一種凸優(yōu)化的功率分配策略。本文在系統(tǒng)總功率一定的情況下,以最大化系統(tǒng)的可達(dá)總速率為優(yōu)化目標(biāo),對AF雙向中繼系統(tǒng)運(yùn)用信噪比平衡技術(shù)[6]對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行了優(yōu)化分配,將所提分配方案與文獻(xiàn)[5]中提出的凸優(yōu)化功率分配策略進(jìn)行了仿真比較,結(jié)果表明本文所提方案提高了系統(tǒng)總速率。

1 AF雙向中繼系統(tǒng)模型

放大轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)模型如圖1所示,兩個用戶節(jié)點(diǎn)S1和S2借助一個中繼節(jié)點(diǎn)R相互交換信息,S1、S2間無直達(dá)路徑,所有節(jié)點(diǎn)都配置單天線。假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)S1(或S2)至中繼節(jié)點(diǎn)的信道和節(jié)點(diǎn)至用戶節(jié)點(diǎn)S1(或S2)的信道均為瑞利衰落信道,且信道信息是完全可知的。從用戶S1到中繼R之間的信道系數(shù)表示為h,從中繼R到用戶S1之間的信道系數(shù)表示為hT;同樣地,從用戶S2到中繼R的信道系數(shù)表示為g,從中繼R到用戶S2之間的信道系數(shù)表示為gT。

圖1 AF雙向中繼系統(tǒng)模型

系統(tǒng)工作在半雙工模式,信息交換過程在兩時隙完成,假設(shè)信道在兩時隙保持穩(wěn)定,則h=hT,g=gT。在第1時隙,S1和S2同時將信息發(fā)送給R,R在接收到信號之后對其進(jìn)行放大處理;在第2時隙,R將放大之后的信號進(jìn)行廣播給S1和S2,S1和S2對接收到的信號利用網(wǎng)絡(luò)編碼消除自干擾后進(jìn)行解碼。

假設(shè)S1,S2發(fā)送的信號分別為x1、x2,則R接收到的信號為

r=hx1+gx2+nr

(1)

y1=hTwr+n1=whhTx1+wghTx2+whTnr+n1

(2)

y2=gTwr+n2=wggTx2+whgTx1+wgTnr+n2

(3)

(4)

(5)

假設(shè)戶S1、S2、R的發(fā)射功率分別為p1、p2、pr,由文獻(xiàn)[3]知中繼節(jié)點(diǎn)R的放大系數(shù)為

(6)

因此,用戶節(jié)點(diǎn)S1和S2處的接收信噪比分別為

(7)

(8)

雙向AF中繼模式下的S1至S2鏈路與S2至S1鏈路速率表達(dá)式分別為

(9)

(10)

則雙向AF中繼模式下系統(tǒng)的可達(dá)總速率為

R=R12+R21

(11)

2 雙向中繼功率分配策略

在有限功率資源的前提下,通過有效的功率分配策略來提髙雙向中繼系統(tǒng)的性能是一個重要問題,假設(shè)系統(tǒng)的總功率為p,則有下式成立

p1+p2+pr≤p

(12)

功率優(yōu)化即通過對各節(jié)點(diǎn)的功率進(jìn)行合理的分配,使系統(tǒng)總速率達(dá)到最大,其優(yōu)化模型為

(13)

針對上述優(yōu)化問題,運(yùn)用信噪比平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間的功率分配,即當(dāng)兩信噪比相等

SNR1=SNR2

(14)

系統(tǒng)的可達(dá)總速率達(dá)到最大,即

(15)

(16)

由式(16)可得到以下的最大化問題

(17)

由式(17)可解得最優(yōu)解

(18)

又由式(6)得

(19)

將式(19)代入式(12)得

(20)

將式(18)代入式(20)可得到p1、p2的最優(yōu)解

(21)

(22)

(23)

則可得信源節(jié)點(diǎn)S1、S2的最大信噪比為

(24)

系統(tǒng)的可達(dá)總速率為

R=log2(1+SNR*)

(25)

3 仿真結(jié)果與分析

仿真圖中,所提功率優(yōu)化分配即指本文所提出的運(yùn)用信噪比平衡技術(shù)進(jìn)行功率分配的功率分配策略;OPA-CO表示文獻(xiàn)[5]中提出的凸優(yōu)化功率分配策略;平均功率分配表示在各節(jié)點(diǎn)平均功率分配,運(yùn)用本文式(7)～式(10)進(jìn)行仿真的功率分配策略。

從圖2可以看出,在Two-way中繼系統(tǒng)中,發(fā)射總功率P=60 W,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)位于兩個信源節(jié)點(diǎn)中間,即d=0.5時,系統(tǒng)總速率達(dá)到最大、系統(tǒng)性能最優(yōu),文中所提功率優(yōu)化分配方案比平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案大約有0.25 bit/·(s·Hz)-1的速率提高,而平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案系統(tǒng)速率相等;當(dāng)d在其它位置時本文所提功率優(yōu)化分配方案較其余兩種方案得到了更大的系統(tǒng)速率提升。

圖2 不同中繼節(jié)點(diǎn)位置與系統(tǒng)總速率的關(guān)系

在圖3中為方便比較,用戶節(jié)點(diǎn)S1到中繼節(jié)點(diǎn)R的距離d=0.3,如圖所示,在總功率相等的情況下,本文所提功率優(yōu)化分配方案在系統(tǒng)性能方面總要優(yōu)于平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案,如當(dāng)總功率為40W時,所提功率優(yōu)化分配方案相比于平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案分別提高了約0.9bit·(s·Hz)-1和1.3bit·(s·Hz)-1的系統(tǒng)速率。

圖3 系統(tǒng)總速率比較(d=0.3)

4 結(jié)束語

本文主要分析研究了雙向AF中繼系統(tǒng)的功率優(yōu)化策略。在系統(tǒng)總功率一定的情況下,以最大化系統(tǒng)總速率為優(yōu)化目標(biāo),運(yùn)用信噪比平衡技術(shù)對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行了優(yōu)化分配,對優(yōu)化分配策略的仿真結(jié)果表明,所提優(yōu)化策略提高了系統(tǒng)的可達(dá)速率,改善了系統(tǒng)性能。

[1]ShannonCE.Two-waycommunicationchannels[C].California,America:Proceedingof4thBerkeleySymp.Math.Statist.Stat.Prob.,1961:611-644.

[2]RankovB,WittnebenA.Achievablerateregionsforthetwo-wayrelaychannelinProc[C].IEEEInternationalSymposiumonInformationTheory,Seattle(WA),2006:1668-1672.

[3]RankovB,WittnebenA.Spectralefficientprotocolsforhalf-duplexfadingrelayahannels[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2007,25(2):379-389.

[4]ZhangYuanyuan,MaYi,TafazolliR.PowerallocationforbidirectionalAFrelayingoverrayleighfadingchannels[J].IEEECommunicationLetters,2010,14(2):145-147.

[5] 唐倫,劉通,陳前斌,等.Two-way中繼系統(tǒng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇及功率分配策略[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010,32(9):2077-2082.

[6]HavaryNassabVA,ShahbazpanahiS,GramiA.AnSNRbalancingapproachtotwo-wayrelaying[C].IEEEWirelessCommunicationSignalProcessing,2009:250-254.

Research on Optimal Power Allocation Strategy for Two-wayAmplify-and-forward Relay System

LIU Chunsheng,XU Jiapin

(College of Electronics and Information Engineering,Sichuan University,Chengdu 610064,China)

In order to improve the sum-rate of the two-way relay system,this paper proposes an optimal power allocation scheme in Two-way AF relay system which uses the technology of SNR Balancing(SNR-Balancing-IPA),and the expression of the optimal power allocation is derived.The theoretical analysis and simulation results show that the proposed Optimal Power Allocation scheme can effectively improve the sum rate of the system,thus improving the performance of the system.

two-way relay system;amplify-and-forward;power allocation;signal noise rate(SNR) balancing

2014- 11- 27

劉春生(1983—),男,碩士研究生。研究方向:多媒體通信與信息系統(tǒng)。E-mail:cs.liu313@163.com。徐家品(1957—),男,教授。研究方向:多體通信與信息系統(tǒng),第四代移動通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.022

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