双向放大转发中继系统最优功率分配策略研究

刘春生,徐家品

(四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064)

双向放大转发中继系统最优功率分配策略研究

刘春生,徐家品

(四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064)

为了提高双向中继系统总速率,针对双向放大转发中继系统提出了一种运用信噪比平衡技术进行各节点间功率分配的最优功率分配方案,并推导得出了最优功率分配方案表达式。理论分析和仿真结果表明,所提出的最优功率分配方案有效提高了系统可达总速率,改善了系统性能。

双向中继系统;放大转发;功率分配;信噪比平衡

中继协作通信技术在不增加发射功率的前提下可以扩展网络覆盖范围,克服阴影效应,更重要的是能提高边缘小区的频谱效率,提高通信传输可靠性,是目前的研究热点之一。单向(One-way)中继系统因为其半双工的工作模式导致频谱效率的降低,系统容量偏低,针对这一问题,Shannon在文献[1]中首先提出分析了双向(Two-way)系统,Rankov等人则在文献[2～3]中对Two-way中继系统进行了详细分析,推导了Two-way中继系统中AF模式和DF模式下的系统容量取值界限,研究表明Two-way中继比One-way中继系统可获得更高的频谱效率,有关Two-way中继系统的研究受到了广泛关注。

在功率受限的中继系统中,对系统中信源节点和中继节点功率进行优化分配能进一步提升系统性能。AF(Amplify-and-Forward)中继结构简单,无需解码,信号处理时延小,故被广泛应用。文献[4]对双向放大转发中继系统讨论了如何进行功率分配实现系统速率的最大化,但没有得出具体的表达式。文献[5]对Two-way中继系统提出了一种凸优化的功率分配策略。本文在系统总功率一定的情况下,以最大化系统的可达总速率为优化目标,对AF双向中继系统运用信噪比平衡技术[6]对系统各节点功率进行了优化分配,将所提分配方案与文献[5]中提出的凸优化功率分配策略进行了仿真比较,结果表明本文所提方案提高了系统总速率。

1 AF双向中继系统模型

放大转发双向中继系统模型如图1所示,两个用户节点S1和S2借助一个中继节点R相互交换信息,S1、S2间无直达路径,所有节点都配置单天线。假设用户节点S1(或S2)至中继节点的信道和节点至用户节点S1(或S2)的信道均为瑞利衰落信道,且信道信息是完全可知的。从用户S1到中继R之间的信道系数表示为h,从中继R到用户S1之间的信道系数表示为hT;同样地,从用户S2到中继R的信道系数表示为g,从中继R到用户S2之间的信道系数表示为gT。

图1 AF双向中继系统模型

系统工作在半双工模式,信息交换过程在两时隙完成,假设信道在两时隙保持稳定,则h=hT,g=gT。在第1时隙,S1和S2同时将信息发送给R,R在接收到信号之后对其进行放大处理;在第2时隙,R将放大之后的信号进行广播给S1和S2,S1和S2对接收到的信号利用网络编码消除自干扰后进行解码。

假设S1,S2发送的信号分别为x1、x2,则R接收到的信号为

r=hx1+gx2+nr

(1)

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

(2)

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

(3)

(4)

(5)

假设户S1、S2、R的发射功率分别为p1、p2、pr,由文献[3]知中继节点R的放大系数为

(6)

因此,用户节点S1和S2处的接收信噪比分别为

(7)

(8)

双向AF中继模式下的S1至S2链路与S2至S1链路速率表达式分别为

(9)

(10)

则双向AF中继模式下系统的可达总速率为

R=R12+R21

(11)

2 双向中继功率分配策略

在有限功率资源的前提下,通过有效的功率分配策略来提髙双向中继系统的性能是一个重要问题,假设系统的总功率为p,则有下式成立

p1+p2+pr≤p

(12)

功率优化即通过对各节点的功率进行合理的分配,使系统总速率达到最大,其优化模型为

(13)

针对上述优化问题,运用信噪比平衡技术实现各节点间的功率分配,即当两信噪比相等

SNR1=SNR2

(14)

系统的可达总速率达到最大,即

(15)

(16)

由式(16)可得到以下的最大化问题

(17)

由式(17)可解得最优解

(18)

又由式(6)得

(19)

将式(19)代入式(12)得

(20)

将式(18)代入式(20)可得到p1、p2的最优解

(21)

(22)

(23)

则可得信源节点S1、S2的最大信噪比为

(24)

系统的可达总速率为

R=log2(1+SNR*)

(25)

3 仿真结果与分析

仿真图中,所提功率优化分配即指本文所提出的运用信噪比平衡技术进行功率分配的功率分配策略;OPA-CO表示文献[5]中提出的凸优化功率分配策略;平均功率分配表示在各节点平均功率分配,运用本文式(7)～式(10)进行仿真的功率分配策略。

从图2可以看出,在Two-way中继系统中,发射总功率P=60 W,当中继节点位于两个信源节点中间,即d=0.5时,系统总速率达到最大、系统性能最优,文中所提功率优化分配方案比平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案大约有0.25 bit/·(s·Hz)-1的速率提高,而平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案系统速率相等;当d在其它位置时本文所提功率优化分配方案较其余两种方案得到了更大的系统速率提升。

图2 不同中继节点位置与系统总速率的关系

在图3中为方便比较,用户节点S1到中继节点R的距离d=0.3,如图所示,在总功率相等的情况下,本文所提功率优化分配方案在系统性能方面总要优于平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案,如当总功率为40W时,所提功率优化分配方案相比于平均功率分配方案和OPA-CO功率分配方案分别提高了约0.9bit·(s·Hz)-1和1.3bit·(s·Hz)-1的系统速率。

图3 系统总速率比较(d=0.3)

4 结束语

本文主要分析研究了双向AF中继系统的功率优化策略。在系统总功率一定的情况下,以最大化系统总速率为优化目标,运用信噪比平衡技术对系统各节点功率进行了优化分配,对优化分配策略的仿真结果表明,所提优化策略提高了系统的可达速率,改善了系统性能。

[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] 唐伦,刘通,陈前斌,等.Two-way中继系统协作节点选择及功率分配策略[J].电子与信息学报,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

刘春生(1983—),男,硕士研究生。研究方向:多媒体通信与信息系统。E-mail:cs.liu313@163.com。徐家品(1957—),男,教授。研究方向:多体通信与信息系统,第四代移动通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.022

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