一种af双向中继系统节点发射功率控制和中继位置部署的联合实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种AF(Amplify-and-Forward)双向中继系统节点发射功率控制和 中继位置部署的联合实现方法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 本世纪初研究人员针对小型移动终端无法配置多天线的难题，提出协作分集（中 继）技术。不同于传统的点到点通信，协作分集技术允许无线网络中不同用户节点共享彼 此的天线和其它网络资源，有望大大提高无线网络容量和复用增益。同时在抗信道衰落、覆 盖阴影区域、扩大无线蜂窝系统的有效覆盖半径，增强特定区域数据速率等方面也有很大 的发展潜力，已经成为4G系统演进的重点方向。然而，由于实际中继通信系统的半双工限 制，使得传统的单向协作中继术在提高无线通信性能的同时也带来了频谱效率的损失。为 此，科研人员针对经典的三节点网络，基于放大转发（Amplify-and-Forward，AF)和解码转 发（Decode-and_Forward，DF)协议提出了一种称之为双向中继的协作中继机制。双向中继 作为一种特殊的协作传输形式，能够显著提升网络吞吐量和提高频谱利用率，为无线通信 网络（如蜂窝移动通信网络和无线传感器网络）中的高效数据通信提供了一种有效的技术 手段，已经得到学术界和产业界的高度重视。
[0003] 功率控制作为一种重要的链路自适应技术，通过对用户发射功率的有效控制，可 以有效地提升系统整体传输性能，提高能量利用率，达到绿色节能和高效的目的。一般而 言，功率控制对应于两类优化问题：1)以系统Q〇S(Quality of Service)为目标，系统功率 为约束条件；2)以系统功率为目标，系统QoS为约束条件。学术界针对第一类功率控制优 化问题，已经展开了广泛而又深入的研究工作。随着"绿色无线电"概念的提出，如何节能 减排，降低无线通信系统的能量消耗，提高移动终端的电池使用周期，吸引了科技人员越来 越多的关注。
[0004] 在实际无线中继通信系统中，例如无线传感器网络和无线局域网，中继节点用于 扩展覆盖区域或增强传输质量。研究表明，在无线中继通信系统中，可以通过部署中继位 置，来获得最佳的系统性能。实际上，协作中继系统中的最佳中继位置部署问题是一个典型 的系统性能优化问题。因此，存在这样一个疑问：双向中继通信系统中的中继节点应该部署 在什么位置才能够获得最佳的系统性能？目前，双向中继通信系统中的中继位置部署和节 点功率控制问题已吸引了科技人员很多的关注。但是，很少从绿色节能的角度来考虑这两 者的联合问题。因此，非常有必要，从"绿色无线电"的角度，研究满足系统QoS要求条件下 的高能效的节点功率控制和中继位置部署的联合实现技术，以便具体应用。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种AF双向中继通信系统节点发射功率控制和中继位置部署的联合 实现方法，利用统计信道状态信息，根据源节点的目标速率，来进行节点发射功率和中继位 置部署的联合调整，在满足系统QoS要求条件下，实现系统总发射功率的最小化。本方法适 用于采用放大转发协议的双向中继通信系统。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种AF双向中继系统节点功率控制和中继位置部署的联合实现方法，其特征在 于：利用信道状态信息的统计值，根据源节点的目标速率，对系统节点的发射功率和中继节 点的位置进行联合调整，在满足系统QoS要求条件下，实现系统总发射功率的最小化；
[0008] 对于采用AF协议的双向中继系统，网络中两个源节点A和B通过位于两者之间的 中继节点R进行信息的互换，源节点A和B之间的一次信息互换分为多址接入和广播两个 阶段，在时分双工模式下，源节点A和B之间的一次信息互换将占用两个连续并等长的时 隙，其中第一时隙对应多址接入阶段，第二时隙对应广播阶段，第一个时隙初，源节点A和B 以及中继节点R首先计算参数n =zB/zA的值，这里1，4=2%-1，其中rdPrB 分别为A和B的目标速率，接着根据式（1)和式（2)计算dAR的下界和上界，
[0011] 这里，dAB是源节点A和B之间的距离，d AR是源节点A到中继节点R之间的距离；
[0012] 然后检查n和a的取值，其中a是信道的路径损耗因子，并根据q和a的取 值选择以下3种情况之一：
[0013] Case 1，若 a = 2 和 q < 1 时，dAR= 0 ;
[0014] Case 2,若 a = 2 和 q > 1 时，dAR= 00 ;
[0015] Case 3,其它情况，即，a乒2时，源节点A到中继节点R之间的距离为：
[0016]
[0017] 需要说明的是：在典型的无线传播环境中，信道的路径损耗因子a -般大于等于 2,小于等于4,其中a =2表示小损耗无线传播环境，如无线自由空间传播，a =4表示大 损耗无线传播环境，如城市中的无线传播；
[0018] 接着，根据上面获得的dAR的值来选择以下3种情况之一：
[0019] Case 1，若U 时，f lag = 1，源节点A到中继节点R之间的距离为： -
[0020]
(4)
[0021] Case 2,若心时，flag = 3,源节点A到中继节点R之间的距离为：
[0022]
(5)
[0023] Case 3,其它情况，即，时，f lag = 2,源节点A到中继节点R之 间的距离由式（3)给出；
[0024] 由源节点A到中继节点R之间的距离，可得源节点B到中继R之间的距离，即，dBR =dAB-dAR，这样中继节点可以根据它与源节点A和B之间的距离，即，dAR和d BR，来决定它的 位置；
[0025] 下面，节点A，B和R将根据flag的取值来决定各自的发射功率，可分为以下3种 情况，
[0026] Case 1，若flag = 1时，节点A，B和R的发射功率为：
[0027]
((，
[0028] Case 2,若flag = 2时，节点A，B和R的发射功率为：
[0029]
(7)
[0030] Case3,若flag= 3时，节点A，B和R的发射功率为：
[0031]
(8)
[0032] 这里，SQ为系统可接受的服务质量，是一种系统参数，4 =4和A=4是指数随 机变量IhAR |2和|hBR |2的率参数，能够在节点A、B和R处通过长期观测得到，其中hAR和h 分别为源节点A和B到中继节点R的瑞利信道增益；
[0033] 完成上述操作后，源节点A和B将各自的二进制信息叫和mB通过编码调制为发送 信号^和sB，并同时发送给中继节点R，则中继节点R接收的两路合并信号为：
[0034] sR = ARsi+ 沉hmsB +nR (9)
[0035] 其中nR为中继节点R处的高斯白噪声；
[0036] 在第一时隙末，中继R将对接收信号sR进行缩放，S卩，乘上缩放因子
[0037]
.(轉
[0038] 然后，在第二时隙广播给两个源节点，在第二时隙末，源节点A和B接收到中继广 播来的信号分别为：
[0041] 其中hRA和hRB分别为中继节点R到源节点A和B的信道增益，假设信道具有互易 性，g卩，hAR=hRA，hBR=hRB，并且接收机能够获得理想的信道状态信息，那么，在第二时隙末， 源节点A和B能够利用自干扰消除技术，将自己在第一时隙发送的信号项,.v, 和G」EBERh mhRBsB去除，得
[0044] 这样，在第二时隙末，源节点A和B能够获得的互信息量分别为：IA= log2(l+Ya)/2和IB= l〇g2(l+y B)/2, y B分别为源节点A和B的接收信噪比：
[0047]