【摘要】：針對(duì)傳統(tǒng)協(xié)作功率分配方案中忽略信道估計(jì)誤差和電路能量消耗的問題,提出了一種改進(jìn)的綠色聯(lián)合優(yōu)化算法。該算法在保證用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下,引入信道估計(jì)誤差、中繼節(jié)點(diǎn)的電路能耗,聯(lián)合能量有效性和時(shí)間有效性進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇和各個(gè)節(jié)點(diǎn)功率分配分配,并利用拉格朗日方法得到了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的閉式解。仿真結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)的功率分配算法,高信噪比時(shí)改進(jìn)算法的能量有效性提高了30%左右,而低信噪比時(shí)性能接近傳統(tǒng)算法。
【圖文】：

優(yōu)化的算法，在不完善的信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)條件下，忽略直傳鏈路，以系統(tǒng)發(fā)送功率最小化、信噪比最大化進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。通過調(diào)整兩個(gè)子目標(biāo)的權(quán)重因子，提升系統(tǒng)的能效。但是該方案只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，沒有進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇。本文研究準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道下的源節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)功率聯(lián)合分配方案。融合系統(tǒng)的總功率和時(shí)間有效性為多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，基于該函數(shù)建模。利用經(jīng)典的基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件的Lagrange算法求解，得到了源節(jié)點(diǎn)功率和中繼節(jié)點(diǎn)功率的閉合表達(dá)式。1系統(tǒng)模型如圖1，考慮由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)以及N個(gè)備選中繼節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的協(xié)作通信系統(tǒng)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信道增益均服從準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利分布。源節(jié)點(diǎn)—目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)—中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)—目的節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)分別表示為hsd、hsr、hrd，它們均值為0，方差分別為σ2δsd、σ2δsr、σ2δrd［4］。hij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的信道增益，hij=(d0/dij)α，其中α為路徑損失系數(shù)，d0是參考距離，dij是節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離。圖1系統(tǒng)模型假設(shè)各信道的信道系數(shù)在每幀的傳輸過程中保持不變，并且?guī)c幀之間信道系數(shù)的變化相互獨(dú)立。目的節(jié)點(diǎn)可獲取系統(tǒng)中所有信道的瞬時(shí)信道信息，并可通過低速率反饋信道告知信源和中繼節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的信息，反饋所需要的能量很小，可以忽略不計(jì)。協(xié)議分為兩個(gè)階段。第一階段，源節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包，中繼節(jié)點(diǎn)中能夠正確接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)記為集合D(s)，直傳鏈路信道較差，不能解碼。第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，部分中繼節(jié)點(diǎn)盡管屬于集合D(s)，并不會(huì)參與轉(zhuǎn)發(fā)，而被選中的中繼節(jié)點(diǎn)采取分布式空時(shí)編碼的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)信源?

=3。假設(shè)系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術(shù)，中繼節(jié)點(diǎn)之間相互不形成干擾，且中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率相同。圖2是權(quán)重因子ω1=0．5時(shí)，不同中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量條件下，能量有效性最大化優(yōu)化算法(方案一)代價(jià)函數(shù)曲線圖。由圖中曲線可知，對(duì)于大多數(shù)信噪比要求，費(fèi)用函數(shù)是先減后增的趨勢(shì)。增加合適數(shù)量的中繼節(jié)點(diǎn)能夠減少費(fèi)用函數(shù)。但是由于中繼節(jié)點(diǎn)電路消耗Pcir的存在，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到一定值后，，再繼續(xù)增加，能量消耗的增速大于協(xié)作帶來(lái)的增益的增加，降低系統(tǒng)的能量有效性。圖2Cost(N)與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量N的關(guān)系圖3是相同中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目條件(N=5)，不同權(quán)重因子下能量有效性最大化優(yōu)化算法(方案一)能量有效性曲線圖。當(dāng)ω1=ω2=0．5時(shí)，該算法的能量有效性最高，這根曲線同時(shí)也是能量有效性和時(shí)間有效性的聯(lián)合優(yōu)化算法(方案二)的能量有效性曲線。由仿真結(jié)果可知，聯(lián)合能量有效性和時(shí)間有效性的算法復(fù)雜度明顯低于單獨(dú)考慮能量有效性，這時(shí)能量有效性達(dá)到最佳，是更加綠色的方案。但是方案二的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率不能隨著權(quán)重因子變化而調(diào)節(jié)。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)電量有限時(shí)，應(yīng)采取方案一，降低電量低節(jié)點(diǎn)的權(quán)重因子，減小該節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率。通過犧牲一部分能量有效性，延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的生命周期。圖3不同ω1時(shí)系統(tǒng)的能量有效性最后與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法［9］進(jìn)行比較，如圖4和圖5所示。在低信噪比需求的很低條件下，傳統(tǒng)的算法性能較好。但是在信噪比要求較高時(shí)，聯(lián)合優(yōu)化綠色通信算法代價(jià)函數(shù)只有傳統(tǒng)的25%～45%，擁有更高的能量有效性。圖4不同算法的代價(jià)函數(shù)曲線圖5不同算法的能量有效性曲線4結(jié)語(yǔ)本文提出一種基于協(xié)作通信的聯(lián)合能量有效性、時(shí)間有效性多目標(biāo)優(yōu)化算法。在系?
【作者單位】： 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院;寬帶無(wú)線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京郵電大學(xué));
【基金】：江蘇省“信息與通信工程”優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(YX002001) 南京郵電大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(NY212040)
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：2545184