一種保證系統(tǒng)速率的多載波plc中繼系統(tǒng)功率優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明設(shè)及電力線通信(PLCJower Line Communication)技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于 正交頻分復(fù)用（0抑M，0;rthogonal Frequen巧Division Multiplexing)技術(shù)的多載波電力 線中繼通信系統(tǒng)功率分配方案設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力線通信是指W電力線作為傳輸媒介，在電力線通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間W及 在電力線通信網(wǎng)絡(luò)與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。特別地，室內(nèi)電力線通 信技術(shù)更是引起了眾多學(xué)者的研究注意。眾所周知，電力線纜的制造并非為了傳輸高頻信 號(hào)，運(yùn)對(duì)于基于電力線的寬帶通信是非常不利的。但是另一方面，我們也知道基于電力線的 信號(hào)傳輸與無(wú)線通信有著相似的廣播特性。然而經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索，[LLampe and A.J.化n Vinck, ('Cooperative multihop power line communicationsIEEE the 16th International Symposium on PowerLine Communications and its Applications (IS化C)，Beijing，China，March 2012，pp. 1-6.]指出了電力線通信中繼信道與無(wú)線中繼系 統(tǒng)的不同之處。在無(wú)線系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)W及中繼節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)的路徑都可視為相互獨(dú)立的因此可W容易得到其空間分集增益，而在電力線通信系統(tǒng) 中，運(yùn)=條路徑卻是高度緊密相聯(lián)的。因此，為了讓電力線通信系統(tǒng)更好地為人們服務(wù)，可 W將一些先進(jìn)的中繼輔助系統(tǒng)引入電力線通信系統(tǒng)中。
[000引因此，針對(duì)PLC中繼系統(tǒng)，本發(fā)明首先考慮源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn) W及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率都相等，然后基于凹凸優(yōu)化方法和拉格朗日對(duì)偶方法 設(shè)計(jì)了一種功率分配方案，實(shí)現(xiàn)了在達(dá)到系統(tǒng)總速率要求的同時(shí)降低化C中繼系統(tǒng)總功率 的目的。該方法的核屯、思想為：利用凹凸優(yōu)化思想將非凸的系統(tǒng)功率最小化問(wèn)題近似為凸 問(wèn)題，并利用拉格朗日對(duì)偶方法迭代地求解近似的系統(tǒng)功率最小化問(wèn)題得到最后的系統(tǒng)發(fā) 射功率分配值，該方法可W保證在迭代過(guò)程中系統(tǒng)功率單調(diào)遞減，從而不僅實(shí)現(xiàn)了化C系統(tǒng) 的信息傳輸，還使得在達(dá)到系統(tǒng)總速率要求的同時(shí)降低化C中繼系統(tǒng)總功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種保證系統(tǒng)速率的多載波化C中 繼系統(tǒng)功率優(yōu)化方法，包括W下步驟：
[000引步驟1:系統(tǒng)確定選擇使用的子載波集合，總的子載波數(shù)為K;利用導(dǎo)頻方法進(jìn)行信 道估計(jì)得到各子載波上的信道系數(shù)巧|1^=1，2...1(，其中巧!|表示^￡{5，1?}到1^2￡{1?，0} 之間第k個(gè)子載波的信道系數(shù)，S表示源節(jié)點(diǎn)，R表示中繼節(jié)點(diǎn)，D表示目的節(jié)點(diǎn)，設(shè)定總速率 設(shè)計(jì)目標(biāo)值q;
[0006] 步驟2:初始化迭代次數(shù):n = 0,首先令巧]二巧二巧]=片"，k=l，2...K，pU]=P [2]=. . .=pm且C({pW})=q，對(duì)其采用二分法求得初始功率分配(pW)*，k=i，2. . .K。令 (戶則。、=俾r=情r=(片叩k=I，2... K，并計(jì)算皆1>=純巧"r ^錢節(jié)1+(帶r;， 其中皆1是第n次迭代的系統(tǒng)總傳輸功率值，巧W，巧1和巧3分別是系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn) 第一階段、源節(jié)點(diǎn)第二階段第k個(gè)子載波的發(fā)射功率;C({pW})表示系統(tǒng)總速率函數(shù)；
[0007]步驟3:在{(駕")^,(巧Sf i，饋]巧處，對(duì)系統(tǒng)總功率最小化問(wèn)題中系統(tǒng)總速率 約束進(jìn)行凸逼近，得到C({巧"，巧巧巧)，從而將原問(wèn)題近似為如下凸問(wèn)題：
{R，D}之間第k個(gè)子載波的信道歸一化增益
巧是L2E{R，D}的第k個(gè)子載波 上的噪聲功率；
[0013]步驟4:利用對(duì)偶方法求解得至化述凸近似問(wèn)題的最優(yōu)解{(聲]f，俾]f，巧弓f .， 更新迭代次數(shù)：n = n +1，令(巧")("1 =(巧Hf，(戶則。1 =(賀f，(雙；T =(銷；T k = 1， 2...K，并計(jì)算皆，'二卻聲])樹(shù)+俾])(")+(雙f):];
[0014]步驟5 :判斷I皆"-巧"-。| > Cl是否成立，其中e 1表示判定闊值，其值在0.00 1~ 0 . 0 0 0 0 0 1之間，如果成立則重復(fù)步驟3 - 5 ;否則輸出問(wèn)題最后的解 (巧呼=(舉 f，俾)'=俾，r，俾;f=(雙；T，k=i，2.. .K;
[001引步驟6:多載波化帥繼系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)按照{(diào)(墻])*，(巧)*}設(shè)定第一和第二階段各 個(gè)子載波的發(fā)射功率，中繼按照設(shè)定各個(gè)子載波的發(fā)射功率，從而實(shí)現(xiàn)化C系統(tǒng)收 發(fā)兩端的信息傳輸。
[0016 ]進(jìn)一步地，所述的步驟4中的對(duì)偶方法，具體包括W下步驟：
[0017] 步驟4.1:對(duì)近似后的系統(tǒng)速率約束引入拉格朗日乘子A得到部分拉格朗日函數(shù)：
[0018] i： ({啤]，蠟，巧P )蘭戶S ^ (e ({巧"，蠟]，巧]})-《）
[0019] 和對(duì)偶問(wèn)題；
[0020] …[IX d (/.)
[0021 ] d(A)為對(duì)偶函數(shù)，定義為：
[0022] ^義}蘭牌'誠(chéng)邱,:自巧"，蠟，巧]}，義）
[002引 Si.巧"> 0,巧'2] > 0,巧V > 0, * = 1，2 足
[0024]其中，Ps表示系統(tǒng)發(fā)射總功率；
[002引步驟4.2:根據(jù)二分法思想，初始化拉格朗乘子的下界Amin = O和上界Amax= A，八表 示使得d(A)次梯度為負(fù)數(shù)的最小實(shí)數(shù);令拉格朗乘子
[0026]步驟4.3:然后將求d(A)的問(wèn)題分解為K個(gè)子問(wèn)題，其中第k個(gè)子問(wèn)題可W表示為：
利用塊坐標(biāo)下降法(Block Coordinate Decent ,BCD)全局求解運(yùn)些子問(wèn)題得到K個(gè)子問(wèn)題 的最優(yōu)解{(駕呼堿，(巧P，(銷r]，其中，
，b山，C山，d山，e山，f山如步驟 3中定義。
[0029] 步驟4.4:計(jì)算對(duì)偶函數(shù)的次梯度之(2H-部巧-1，增，巧})，若如)>〇,令入m… 二入，(6/ (.乂 .) < 0 ,入111331 二入；
[0030] 步驟4.5:判斷-
是否成立，其中E2表示判定闊值，其值在0.001~ 0.000001之間。如果
成立則更新拉格朗乘子
，然后重復(fù)步驟 4 . 3~4 . 4 ;否則輸出對(duì)偶問(wèn)題最優(yōu)解，從而得到上述凸近似問(wèn)題的最優(yōu)解 {俾T，(賀r，(幫巧。
[0031 ] 進(jìn)一步地，所述步驟4.3中的BCD方法，具體包括W下步驟：
[0032] 4.3.1令迭代次數(shù)m = 0，初始化僻])('"1，俾];T .，俾]f)為任意正實(shí)數(shù)，將初始化 點(diǎn)代入步驟4.3中的目標(biāo)函數(shù)％ (硬-]，巧fj，巧引得到初始目標(biāo)函數(shù)值(灼)'"'j;
[0033] 4.3.2首先固定貨=(巧巧…，增=(哦f'，根據(jù)一階最優(yōu)性條件求解下述關(guān)于 巧W慚優(yōu)化問(wèn)題
[0034] mm扔（巧"，巧導(dǎo)，巧,V)
[00對(duì)得到最優(yōu)解(皆If';
[0036] 4.3.4其次固定帶]=(碟])6%，/搜=(巧弓)""，根據(jù)一階最優(yōu)性條件求解下述關(guān)于 巧的優(yōu)化問(wèn)題
[00別喃n所（邸]，巧2]，蠟1) 也1含0
[0038] 得到最優(yōu)解(巧If";
[0039] 4.3.3接著固定巧'^=(皆，嚴(yán)，領(lǐng)]:=(巧叩"，根據(jù)一階最優(yōu)性條件求解下述關(guān)于 巧.則勺優(yōu)化問(wèn)題
[00側(cè)巧 m 口4 邱-]，/^]，巧])
[0041] 得到最優(yōu)解(巧:5r，并將(巧"f'，(巧引WW，(巧引W代入步驟4.3中的目標(biāo)函數(shù) 蔣(巧"，巧，巧])得到當(dāng)前的目標(biāo)函數(shù)值(巧r"i;
[0042] 4 . 3 . 5 更新迭代次數(shù) m = m + 1，令巧'-])('"'=(巧叩'，倘])('"'=(貨f'， (巧r=(巧r，判斷(約r)-(約)("一) >《3是否成立，其中表示判定闊值，其值在0.001 ~0.000001之間。若成立，重復(fù)步驟4.3.2-4.3.5;否則完成BCD求解方法，輸出步驟4.3中問(wèn) 題的最優(yōu)解俾]f。')=(巧"f，俾f'')=俾f '，俾f氣
[0043] 本發(fā)明有益效果:本發(fā)明方法首先通過(guò)設(shè)定源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié) 點(diǎn)W及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率相等從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，然后再基于凹凸優(yōu)化 方法和拉格朗日對(duì)偶方法設(shè)計(jì)了 一種化C設(shè)計(jì)中繼系統(tǒng)的功率分配方法，該方法可W保證 在迭代過(guò)程中系統(tǒng)傳輸功率一直單調(diào)遞減，從而實(shí)現(xiàn)在達(dá)到系統(tǒng)總速率要求的同時(shí)降低 PLC中繼系統(tǒng)總功率的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例采用該方法的系統(tǒng)模型圖。
[004引圖2是本發(fā)明實(shí)施例凹凸優(yōu)化方法的具體流程圖。
[0046] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例對(duì)偶方法的具體流程圖。
[0047] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例BCD方法的具體流程圖。
[0048] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)總功率與平均子載波速率的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 為了使本發(fā)明的目的和效果更加清楚，下面對(duì)多載波化C中繼系統(tǒng)及本發(fā)明方法 進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0050] 本發(fā)明考慮一個(gè)S節(jié)點(diǎn)化C中繼系統(tǒng)模型，如圖1所示，S個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為源節(jié)點(diǎn) (S )，中繼節(jié)點(diǎn)（R)和目的節(jié)點(diǎn)（D )，其中O S P、O R P、O D P分別表示S個(gè)節(jié)點(diǎn)分別到P節(jié)點(diǎn)的 ABCD矩陣，P節(jié)點(diǎn)表示主干網(wǎng)與中繼節(jié)點(diǎn)所