非對(duì)稱雙向中繼系統(tǒng)中的能量效率優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及了一種中能量效率優(yōu)化方法，可用 于非對(duì)稱雙向中繼系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的逐漸興起，爆炸式增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量和海量的設(shè)備 連接致使能耗成本不斷上升、生態(tài)環(huán)境日益惡化，綠色通信技術(shù)由此而備受關(guān)注。作為衡量 通信系統(tǒng)能耗的綠色指標(biāo)，能量效率成為了當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。為了克服傳統(tǒng)中繼技術(shù)時(shí)隙 浪費(fèi)、譜效低的缺陷，雙向中繼信道TWRC被引入。在TWRC系統(tǒng)中，兩終端節(jié)點(diǎn)通過中繼實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)交互，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的信號(hào)僅作放大轉(zhuǎn)發(fā)AF處理時(shí)，可將兩終端實(shí)現(xiàn)一次信息交 互的時(shí)隙數(shù)由傳統(tǒng)中繼的4個(gè)減少至2個(gè)，顯著提升了頻譜效率。
[0003] 當(dāng)前，雙向中繼系統(tǒng)中能效優(yōu)化方面的研究著重考慮天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)消耗的能 量，并取得了一些科研成果。W最大化能效為目標(biāo)，化ang R等在Wireless Communications and Networking Conference Workshops . FRA: IEEE , 2012 : 7-11上的文章 ('Energy efficient design in AF relay networks with bidirectional asymmetric traffic'' 提出最佳的聯(lián)合中繼選擇及功率分配的節(jié)能方案。在滿足用戶速率需求和發(fā)送能耗約束 下，Li Q等在 14th Internstionsl Conference on Communicstion Technolo邑y.Chin曰： I趾E,2012:929-934上的文章 "Tradeoff Between !Energy Efficiency And Spectral Efficiency In Two-Way Relay化twork"中優(yōu)化了分布式波束賦形ANC系統(tǒng)的鏈路級(jí)能量 效率。運(yùn)些研究考慮的是傳統(tǒng)的長(zhǎng)距傳輸場(chǎng)景，此時(shí)發(fā)送能量占系統(tǒng)總能量消耗的絕大部 分，因此在建立總能耗模型時(shí)僅考慮發(fā)送能耗，忽略電路能耗。
[0004] 隨著終端密度增大，終端間的間距逐漸減小，電路能耗接近于發(fā)送能耗甚至大于 發(fā)送能耗，如：在感知網(wǎng)絡(luò)，總能耗模型必須考慮電路能耗。Wang T等在IE邸化ansactions on Communications,2013,61(12) :4910-4921 上的文章 "On the Optimum Energy Efficiency for Flat-fading Channels with Rate-dependent Circuit Power"中在短 距的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸場(chǎng)景中考慮電路能耗，并將電路能耗建模為兩個(gè)部分:靜態(tài)電路能耗即獨(dú) 立于傳輸速率的電路能耗、動(dòng)態(tài)電路能耗即依賴于傳輸速率的電路能耗，其中動(dòng)態(tài)電路能 耗為傳輸速率的凸遞增函數(shù)?，F(xiàn)有的電路能耗模型，如:常數(shù)、傳輸速率線性函數(shù)，均為其 特例。該文章提出了能效最大化下的最佳功率分配方案，但是該方案考慮的僅僅是點(diǎn)到點(diǎn) 直鏈的傳輸場(chǎng)景。
[0005] 為了滿足不同用戶對(duì)傳輸速率不同的需求，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用，對(duì)于非對(duì)稱傳輸速 率需求的考慮是不可或缺的。Zhou M等在IE邸Communications Letters,2012,16(6): 816-819上的文章('Energy-Efficient Relay Selection and Power Allocation for Two-Way Relay化annel with Analog化twork Coding"提出了在滿足非對(duì)稱雙向中繼系 統(tǒng)端到端最低傳輸速率條件下，使總傳輸能耗最小時(shí)的中繼選擇策略和功率分配方案，該 方案雖然考慮了雙向鏈路和非對(duì)稱傳輸速率的傳輸場(chǎng)景，但是并未考慮電路能耗對(duì)系統(tǒng)能 效帶來的影響，而在實(shí)際的短距傳輸場(chǎng)景中，由于電路能耗占系統(tǒng)總能量消耗的絕大部分， 忽略電路能耗將會(huì)嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的能效，能效的急劇下降還會(huì)導(dǎo)致通信鏈路斷開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種非對(duì)稱雙向中繼系統(tǒng)中的 能量效率優(yōu)化方法，W提高通信系統(tǒng)的能效，保證通信鏈路的可靠鏈接，實(shí)現(xiàn)了綠色通信。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：
[0008] (1)獲取非對(duì)稱雙向中繼系統(tǒng)中兩個(gè)用戶設(shè)備A、B的和速率RtDt(P):
[0009] (Ia)分別計(jì)算第一用戶設(shè)備A的速率Ra(P)和第二用戶設(shè)備B的速率Rb(P):
[0010] (Ib)計(jì)算第一用戶設(shè)備A與第二用戶設(shè)備B的和速率：
[001U Rtot(P) =Ra(P)+姑（P)，
[001^ 其中，P= [Pa, Pb, Pr]為發(fā)送功率向量，Pa、Pb和扣分別表示用戶設(shè)備A、B和中繼R的 發(fā)送功率；
[0013] (2)計(jì)算非對(duì)稱雙向中繼系統(tǒng)的能量效率IlEE(P)，并提出W能量效率最大化為目標(biāo) 的初始優(yōu)化問題Pl:
[0014] (2a)根據(jù)兩個(gè)用戶設(shè)備A、B的和速率Rtot(P),計(jì)算系統(tǒng)的能量效率IlEE(P)=Rtot (P)ZPtot(P);
[001引其中Ptot(P) = (Pa+Pb+Pr) A +Pc為系統(tǒng)的總功率，€.=戶(r) +巧S為系統(tǒng)中電路 消耗功率，r =[ Ra，Rb ]為兩個(gè)用戶設(shè)備A、B的速率向量，巧/為靜態(tài)的電路消耗功率， C'-'./, (0為動(dòng)態(tài)的電路消耗功率，e e (0,1]為功率放大效率；
[0016] (2b)根據(jù)系統(tǒng)的能量效率％E(P)，構(gòu)建W能量效率最大化為目標(biāo)的初始優(yōu)化問題 Pl:
[0018] 其中Rth, 1表示用戶設(shè)備i在單位帶寬下的最低傳輸速率，Pt為兩個(gè)用戶設(shè)備A、B和 中繼R的總發(fā)送功率闊值；
[0019] (3)根據(jù)兩個(gè)用戶設(shè)備A、B的速率Ra(P)和化(P)，將初始優(yōu)化問題Pl重寫為二次優(yōu) 化問題P2:
[0021]其中
表示用戶設(shè)備B的發(fā)送功率，PR(r ,Pa)表示中繼R 的發(fā)送功率，
巧，（r. /，、）二/，, .f y Z^r.,。、）表示兩個(gè)用戶設(shè)備A、B和中繼R的總發(fā)送功率. J
[0022] (4)將二次優(yōu)化問題P2轉(zhuǎn)化為內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inner和外層優(yōu)化問題P3_0utter:
[0023] 確定二次優(yōu)化問題P2的自變量?jī)?yōu)化順序，即首先優(yōu)化第一用戶設(shè)備A的發(fā)送功率 Pa,再優(yōu)化速率向量r，則獲得將第二優(yōu)化問題P2轉(zhuǎn)化為內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inner和外層優(yōu)化 問題 P3_0utte;r:
[00%]其中，巧(r)、巧：(r)、磚(r)分別為第一用戶設(shè)備A、第二用戶設(shè)備B和中繼RW速 率向量r為自變量的最優(yōu)發(fā)送功率，皆(r)為W速率向量r為自變量的最優(yōu)總發(fā)送功率； [0027] (5)獲得內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inner的最佳目標(biāo)函數(shù)值巧''(/);
[002引 （5a)根據(jù)內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inne;r為凸規(guī)劃的特性，通過使用Karush-Kuhn-l'ucker 條件，獲得第一用戶設(shè)備A的發(fā)送功率最優(yōu)解
；
[0029] (5b)將尸;(r)分別帶入步驟(3)的式口1^^，口4)、口8片，口4)中，獲得中繼1?、第二用戶設(shè) 備B在內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inner下的發(fā)送功率最優(yōu)解

[0030] (5c)根據(jù)（5a)和（5b)結(jié)果計(jì)算內(nèi)層優(yōu)化問題P3_Inner的最佳目標(biāo)函數(shù)值 聲的二 P,(〇 + /;:(>) +荀的；
[0031 ] (6)獲得外層優(yōu)化問題P3_0utter中系統(tǒng)的最佳速率
[0032] (6a)根據(jù)外層優(yōu)化問題P3_0utter為非線性分式規(guī)劃的特性，通過使用非線性分 式規(guī)劃定理，將外層優(yōu)化問題P3_0utter轉(zhuǎn)化為S次優(yōu)化問題P4: min ^= y (Tf (rr) + 尸;…
[003；3] (P4)化 8義及出,i含巧，if (r)<G.，i店{4及).
[0034] 其中q為任意非負(fù)參數(shù)；
[0035] (6b)對(duì)于任意給定的非負(fù)參數(shù)q，通過凸優(yōu)化方法，獲得S次優(yōu)化問題P4的最優(yōu)速 率向量r:'(y)二。盧1職{廠(叫)||-€;}和最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值護(hù)(9)二。1。巧片，9)^￡己}，其中5 表示=次優(yōu)化問題P4的速率約束區(qū)域；
[0036] (6c)令巧q)=0,得到巧q)的零點(diǎn)值cf={q|巧q)=〇U娜為系統(tǒng)的最佳能量效 率值；
[0037] (6d)將系統(tǒng)的最佳能量效率值Cf帶入最優(yōu)速率向量r^q)中，獲得系統(tǒng)的最佳速率 r*=r*(q*);
[0038] (7)將系統(tǒng)的最佳速率r*分別帶入步驟(5)的式f;(r)、巧(r)和