放大转发协同通信的功率分配

石 海, 周 健

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

放大转发协同通信的功率分配

石 海, 周 健

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海 200072)

针对非再生放大转发协同通信系统中协同伙伴容量受限时的功率分配问题,基于容量最大化的功率分配准则,提出两种不同的功率分配方案——慷慨分配与吝啬分配方案.仿真结果证实,提出的两种基于容量最大化的功率分配准则能在不同程度上改善系统的容量.

协同通信;功率分配;容量受限

本研究针对AF方式中基于容量最大化的功率分配准则,提出了两种不同的功率分配方案,分别为慷慨方案和吝啬方案.在慷慨方案中,CP在保证自身基本通信容量需求的条件下,将尽可能地提供最大的放大转发功率,以帮助提出协同要求的用户(cooperation raiser,CR)提高系统容量.在吝啬方案中,CP只为保持 CR的基本通信容量需求提供必要的放大转发功率.仿真结果证实了最优功率分配方案的局限性,并验证了本研究所提方法的可行性.

1 AF方式的协同通信系统模型

蜂窝小区中AF方式的协同通信系统模型如图1所示.图中,CR和 CP都是移动用户,小区基站(base station,BS)即为协同通信的目的节点.

图 1 蜂窝小区中协同通信系统模型Fig.1 Cooperative commun ication system model in a cellular

假设通信时,CR首先向 CP和 BS发送发射功率为 P1的信号 X1,则 CP和 BS接收到的信号可以分别表示为

式中,h12和 h10分别表示 CR至 CP和 CR至 BS的信道衰落系数,z12和 z10为相互独立的零均值高斯白噪声.若 CP接受 CR的协同请求,则将自身的发射功率 P2分为两部分,分别为发射自身数据 X2的功率P2S和协同放大转发 CR数据 Y12的功率 P2C,其中P2S+P2C=P2.因此,BS收到来自 CP发送的信号分别为

式中,h20为 CP至 BS的信道衰落系数,z20为零均值高斯白噪声.由BS和 CP所接收到的信号,可分别给出对应信号的输入信噪比 (signal to noise ratio,SNR).CP的输入 SNR为

2 基于容量限制的功率分配方案

最优功率分配方案一般以系统容量最大化为目标,因此,对于上述系统模型的最优功率分配方案就是使 CR数据传输容量达到最大化.CR的单位频带的信道容量为

式中,P0为 CR和 CP用于传输数据 X1的总功率.将式 (3)～(5)代入式 (7),可得

由拉格朗日极值法可知,C1最大时,P1和 P2C的最优功率分配值和分别为

在实际的协同系统中,P＊

1可由 CR确保,然而P2C的提供却是由 CP决定的.若 CP愿意降低自身的容量需求为 CR提供足够的功率,则 CR可以达到其最大容量;若 CP不愿降低自身的容量需求为 CR提供足够的功率,则 CR将不可能达到其最大容量.本研究将上述两种功率分配情形分别称为慷慨功率分配方案和吝啬功率分配方案.

2.1 慷慨功率分配方案

慷慨功率分配方案的思想是 CP在确保自身最低通信容量的同时,尽可能地提高 CR的通信容量,其具体做法如下.

设M为 CP通信业务所需的最小通信容量,则CP发送自身数据的容量 C2必须满足 C2≥M,即

将式 (6)代入式 (10),可得

由于 P2C+P2S=P2,则

式中,P2Cmax表示 CP能够提供给 CR的最大转发功率.针对的需求,P2Cmax将会出现下述两种情形:

(1)P2Cmax≥P2＊C的情形.

该情形表示 CP能为 CR提供足够的转发功率以保证 C1达到最大,此时的功率分配方案为

由此可见,P2C和 P1满足式 (8)的最优功率分配,C1达到了最优.对于 C2来说,由于 C2是 P2C的减函数,所以当 P2Cmax≥时 ,C2()≥C2(P2Cmax)=M.此时 CP不仅能够协同 CR达到最大容量,而且也能保证自身的基本通信容量.

(2)P2Cmax＜P2＊C的情形.

该情形表示 CP无法为 CR提供足够的转发功率以使 C1达到最大,则此时只能采取次优的功率分配方法,即在保证 CP基本通信容量的前提下,尽可能地提高 CR的容量.由 0＜P2C≤P2Cmax和 P2S+P2C=P2的约束条件,并由式 (7)和 (10)分别对 P2C的偏导可知,此时 C1为 P2C的增函数,而 C2为 P2C的减函数,因此,P2Cmax＜P2＊C时的功率分配方案为

显然,当 P2C=P2Cmax,且满足 0＜P2C≤P2Cmax条件时,C2取最小值M,C1则可以取得最大值.

2.2 吝啬功率分配方案

与慷慨功率分配方案截然相反,吝啬功率分配方案的思想是在 CP接收到 CR的协同请求时,只确保 CR的基本容量,完全不考虑 CR期望的最优功率分配要求.假设 CR通信业务所需最低的基本通信容量为 N,则

式中,N的设定必须保证公式有解.由于 C1(P2C)是P2C的二次方程,该方程的根 p1和 p2满足 0＜p1,p2＜P2的关系,且 CP能提供给 CR的转发功率为p=min(p1,p2).由此可得吝啬功率分配方案为

此时,CP为了尽量不使 CR影响自身的通信质量,仅仅使 CR的容量 C1达到最基本的通信容量 N,这是一种非常吝啬的协同方式.

3 仿真分析

仿真中,本研究采用了大尺度衰落的信道模型,且设大尺度衰落的传播参数为 Kd-α,其中 K满足瑞利分布,d为收发节点间的距离,衰落指数α设为 2.所有信道的噪声功率都归一化.由于在实际的蜂窝移动通信中,CR和 CP都是功率大致相同的移动用户,为了方便起见,我们把 P1和 P2都设为 1 W.

图 2分别给出了在慷慨分配与最优分配方案下,CR与 CP的系统容量,其横坐标表示 CR到 CP的距离 d12与 CR到 BS的距离 d10的比值,粗黑线表示 CP的最小容量值M.由图可见,虽然在慷慨分配下 CR的容量略低于最优分配容量,但是在慷慨分配方案下 CP的容量总能大于M.由此可见,慷慨分配方案在为 CR提供接近于最大系统容量的同时,又能保证自身的基本通信;若采用最优分配方案[8],则在大部分情况下将无法满足自身的基本通信容量.

图 3给出了在吝啬分配与最优分配方案下,CR与 CP的系统容量,其中粗黑线表示 CR的最低基本通信容量 N.由图也可明显看出,在吝啬分配方案下,CR的系统容量基本上与粗黑线吻合,而 CP的实际系统容量远大于其最优功率分配中的系统容量.这表明在吝啬方案中,CP为使自身的系统容量不受影响,不惜将 CR容量限制到最低值,故 CR的通信容量远小于其最优功率分配方案中的最大系统容量.

图 2 慷慨分配与最优分配下的容量比较Fig.2 Channel capacity compar ison between generous scheme and optimal scheme

4 结 束 语

本研究通过对 2跳中继通信的最优功率分配方案的分析,发现其在实际协同通信系统中不能无限制地满足基于系统容量最大化的最优功率分配.由此,本研究提出了在实际协同通信系统容量受限条件下的功率分配方案,并根据CP所提供的不同转发功率,提出了慷慨功率分配和吝啬功率分配方案.仿真结果证实了最优功率分配方案的局限性,并验证了改进算法的可行性.本研究所提出的思想不仅可用于功率分配,也为协同通信中的节点选择策略提供了一个可供参考的方法.

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上海大学期刊社接受市新闻出版行业文明单位评选考核验收

2011年 3月 11日,上海市新闻出版局报刊处陈丽处长一行,代表市新闻出版局对上海大学期刊社进行新闻出版行业文明单位评选考核验收.

此次文明单位评选活动在上海市新闻出版行业尚属首次,目的在于以此为抓手,推动各新闻出版单位提升综合实力、实现全面发展.考核验收是评选活动中的一个重要环节,包括听取汇报、座谈交流、现场巡视和问卷调查等几个步骤.

汇报暨座谈交流会于上午 10时在我校出版大楼二楼会议室召开,出版社党委书记、社长郭纯生主持会议,校党委宣传部副部长刘绍学致欢迎辞,期刊社社长秦钠以《创美德讲原则文明在心,务进取求卓越文明在行——上海大学期刊社创建文明单位工作汇报》为主题作专题汇报.回顾了近年来期刊社精神文明创建工作的制度、组织、措施、活动及成果,以及创建工作在期刊社实现全面发展和重点突破过程中的重要作用.

在随后的座谈交流中,陈丽处长充分肯定了上海大学期刊社近年来在提高办刊质量、提升刊物的社会影响力等方面取得的显著成绩,并就此次新闻出版行业文明单位评选活动的举办目的、运作方式等作了简要说明.《应用科学学报》执行主编王朔中教授和《社会》执行主编仇立平教授作为校办期刊主编代表先后发言,感谢新闻出版局、上海大学及期刊社为期刊发展提供的广阔空间和大力支持,感谢编辑部同仁所付出的辛勤劳动.与会人员还就期刊年检、学术期刊改制、数字化出版等问题进行了深入交流.

会后,陈丽处长一行对期刊社办公场所进行了现场巡视和指导,期刊社 20位编辑接受了市新闻出版行业精神文明建设问卷调查,并就新闻出版行业的精神文明建设积极建言献策.

Power Allocation for Am plif ication-and-Forward ing Cooperative Commun ication

SHIHai, ZHOU Jian
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

To solve the problem of power allocation for non-regenerative amplification-and-forwarding relaying communication systems with limited capacity,two power allocation schemes based on optimal capacity rule are p roposed,called generous scheme and stingy scheme,respectively.The simulation results have shown that the p roposed two power allocation schemes can imp rove system capacity w ith different degrees.

cooperative communication;power allocation;capacity limitation

TN 925.5

A

1007-2861(2011)02-0115-04

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.002

2009-10-12

上海市重点学科建设资助项目 (S30108);上海市科委重点实验室资助项目(08DZ2231100)

石 海 (1954～),男,副教授,博士,研究方向为通信系统与网络交换.E-mail:haishi@staff.shu.edu.cn

(编辑:赵 宇 )

(上海大学期刊社)

随着多媒体业务需求的发展,现今的无线移动通信不仅需要提供话音服务,而且需要提供如图像、视频等多元数据传输速率的通信业务,这就要求移动设备能根据实际业务需求达到相应的系统容量.由信息论可知,在系统带宽一定的情况下,提高发射功率可提高系统的容量[1],但是移动用户的发射功率是受限的.为了不增加发射功率,而又能满足移动用户容量增加的需求,多输入多输出 (multiple-input multiple-output,M IMO)系统通过在发送端和接收端安装多根天线,使用空间分集技术,能够在很大程度上提高系统容量.然而,一般蜂窝移动通信系统在基站可以安装多天线以达到空间分集,但是移动台往往受到物理尺度的限制而无法配置多根天线.为了解决这个问题,Sendonaris等[2-3]提出了协同通信的新技术.该技术通过多个单天线移动用户协同工作的方式形成一个虚拟的M IMO系统,以此满足提高系统容量的需求.

针对协同通信中的功率分配问题,已有许多研究者提出了基于系统容量最大化的协同通信最优功率分配方案[4-7].然而,在协同通信系统的最优功率分配方案中,协同伙伴 (cooperation partner,CP)必须提供足够的发射功率才能满足系统容量最大化的要求.如果协同伙伴由于自身的资源限制无法满足整个协同系统功率分配要求,则无法实现系统容量最大化的目标,因此,只能选择一些次优的分配方法来满足实际要求.Zhao等[8-9]提出两种次优的功率分配方案,分别是在放大转发 (amp lify and forward,AF)和解码转发 (decode and forward,DF)协同通信中基于最小误码率的功率分配方案.