放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信的功率分配

石 海, 周 健

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)

放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信的功率分配

石 海, 周 健

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200072)

針對(duì)非再生放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信系統(tǒng)中協(xié)同伙伴容量受限時(shí)的功率分配問題,基于容量最大化的功率分配準(zhǔn)則,提出兩種不同的功率分配方案——慷慨分配與吝嗇分配方案.仿真結(jié)果證實(shí),提出的兩種基于容量最大化的功率分配準(zhǔn)則能在不同程度上改善系統(tǒng)的容量.

協(xié)同通信;功率分配;容量受限

本研究針對(duì)AF方式中基于容量最大化的功率分配準(zhǔn)則,提出了兩種不同的功率分配方案,分別為慷慨方案和吝嗇方案.在慷慨方案中,CP在保證自身基本通信容量需求的條件下,將盡可能地提供最大的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率,以幫助提出協(xié)同要求的用戶(cooperation raiser,CR)提高系統(tǒng)容量.在吝嗇方案中,CP只為保持 CR的基本通信容量需求提供必要的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率.仿真結(jié)果證實(shí)了最優(yōu)功率分配方案的局限性,并驗(yàn)證了本研究所提方法的可行性.

1 AF方式的協(xié)同通信系統(tǒng)模型

蜂窩小區(qū)中AF方式的協(xié)同通信系統(tǒng)模型如圖1所示.圖中,CR和 CP都是移動(dòng)用戶,小區(qū)基站(base station,BS)即為協(xié)同通信的目的節(jié)點(diǎn).

圖 1 蜂窩小區(qū)中協(xié)同通信系統(tǒng)模型Fig.1 Cooperative commun ication system model in a cellular

假設(shè)通信時(shí),CR首先向 CP和 BS發(fā)送發(fā)射功率為 P1的信號(hào) X1,則 CP和 BS接收到的信號(hào)可以分別表示為

式中,h12和 h10分別表示 CR至 CP和 CR至 BS的信道衰落系數(shù),z12和 z10為相互獨(dú)立的零均值高斯白噪聲.若 CP接受 CR的協(xié)同請(qǐng)求,則將自身的發(fā)射功率 P2分為兩部分,分別為發(fā)射自身數(shù)據(jù) X2的功率P2S和協(xié)同放大轉(zhuǎn)發(fā) CR數(shù)據(jù) Y12的功率 P2C,其中P2S+P2C=P2.因此,BS收到來自 CP發(fā)送的信號(hào)分別為

式中,h20為 CP至 BS的信道衰落系數(shù),z20為零均值高斯白噪聲.由BS和 CP所接收到的信號(hào),可分別給出對(duì)應(yīng)信號(hào)的輸入信噪比 (signal to noise ratio,SNR).CP的輸入 SNR為

2 基于容量限制的功率分配方案

最優(yōu)功率分配方案一般以系統(tǒng)容量最大化為目標(biāo),因此,對(duì)于上述系統(tǒng)模型的最優(yōu)功率分配方案就是使 CR數(shù)據(jù)傳輸容量達(dá)到最大化.CR的單位頻帶的信道容量為

式中,P0為 CR和 CP用于傳輸數(shù)據(jù) X1的總功率.將式 (3)～(5)代入式 (7),可得

由拉格朗日極值法可知,C1最大時(shí),P1和 P2C的最優(yōu)功率分配值和分別為

在實(shí)際的協(xié)同系統(tǒng)中,P＊

1可由 CR確保,然而P2C的提供卻是由 CP決定的.若 CP愿意降低自身的容量需求為 CR提供足夠的功率,則 CR可以達(dá)到其最大容量;若 CP不愿降低自身的容量需求為 CR提供足夠的功率,則 CR將不可能達(dá)到其最大容量.本研究將上述兩種功率分配情形分別稱為慷慨功率分配方案和吝嗇功率分配方案.

2.1 慷慨功率分配方案

慷慨功率分配方案的思想是 CP在確保自身最低通信容量的同時(shí),盡可能地提高 CR的通信容量,其具體做法如下.

設(shè)M為 CP通信業(yè)務(wù)所需的最小通信容量,則CP發(fā)送自身數(shù)據(jù)的容量 C2必須滿足 C2≥M,即

將式 (6)代入式 (10),可得

由于 P2C+P2S=P2,則

式中,P2Cmax表示 CP能夠提供給 CR的最大轉(zhuǎn)發(fā)功率.針對(duì)的需求,P2Cmax將會(huì)出現(xiàn)下述兩種情形:

(1)P2Cmax≥P2＊C的情形.

該情形表示 CP能為 CR提供足夠的轉(zhuǎn)發(fā)功率以保證 C1達(dá)到最大,此時(shí)的功率分配方案為

由此可見,P2C和 P1滿足式 (8)的最優(yōu)功率分配,C1達(dá)到了最優(yōu).對(duì)于 C2來說,由于 C2是 P2C的減函數(shù),所以當(dāng) P2Cmax≥時(shí) ,C2()≥C2(P2Cmax)=M.此時(shí) CP不僅能夠協(xié)同 CR達(dá)到最大容量,而且也能保證自身的基本通信容量.

(2)P2Cmax＜P2＊C的情形.

該情形表示 CP無法為 CR提供足夠的轉(zhuǎn)發(fā)功率以使 C1達(dá)到最大,則此時(shí)只能采取次優(yōu)的功率分配方法,即在保證 CP基本通信容量的前提下,盡可能地提高 CR的容量.由 0＜P2C≤P2Cmax和 P2S+P2C=P2的約束條件,并由式 (7)和 (10)分別對(duì) P2C的偏導(dǎo)可知,此時(shí) C1為 P2C的增函數(shù),而 C2為 P2C的減函數(shù),因此,P2Cmax＜P2＊C時(shí)的功率分配方案為

顯然,當(dāng) P2C=P2Cmax,且滿足 0＜P2C≤P2Cmax條件時(shí),C2取最小值M,C1則可以取得最大值.

2.2 吝嗇功率分配方案

與慷慨功率分配方案截然相反,吝嗇功率分配方案的思想是在 CP接收到 CR的協(xié)同請(qǐng)求時(shí),只確保 CR的基本容量,完全不考慮 CR期望的最優(yōu)功率分配要求.假設(shè) CR通信業(yè)務(wù)所需最低的基本通信容量為 N,則

式中,N的設(shè)定必須保證公式有解.由于 C1(P2C)是P2C的二次方程,該方程的根 p1和 p2滿足 0＜p1,p2＜P2的關(guān)系,且 CP能提供給 CR的轉(zhuǎn)發(fā)功率為p=min(p1,p2).由此可得吝嗇功率分配方案為

此時(shí),CP為了盡量不使 CR影響自身的通信質(zhì)量,僅僅使 CR的容量 C1達(dá)到最基本的通信容量 N,這是一種非常吝嗇的協(xié)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,且設(shè)大尺度衰落的傳播參數(shù)為 Kd-α,其中 K滿足瑞利分布,d為收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離,衰落指數(shù)α設(shè)為 2.所有信道的噪聲功率都?xì)w一化.由于在實(shí)際的蜂窩移動(dòng)通信中,CR和 CP都是功率大致相同的移動(dòng)用戶,為了方便起見,我們把 P1和 P2都設(shè)為 1 W.

圖 2分別給出了在慷慨分配與最優(yōu)分配方案下,CR與 CP的系統(tǒng)容量,其橫坐標(biāo)表示 CR到 CP的距離 d12與 CR到 BS的距離 d10的比值,粗黑線表示 CP的最小容量值M.由圖可見,雖然在慷慨分配下 CR的容量略低于最優(yōu)分配容量,但是在慷慨分配方案下 CP的容量總能大于M.由此可見,慷慨分配方案在為 CR提供接近于最大系統(tǒng)容量的同時(shí),又能保證自身的基本通信;若采用最優(yōu)分配方案[8],則在大部分情況下將無法滿足自身的基本通信容量.

圖 3給出了在吝嗇分配與最優(yōu)分配方案下,CR與 CP的系統(tǒng)容量,其中粗黑線表示 CR的最低基本通信容量 N.由圖也可明顯看出,在吝嗇分配方案下,CR的系統(tǒng)容量基本上與粗黑線吻合,而 CP的實(shí)際系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于其最優(yōu)功率分配中的系統(tǒng)容量.這表明在吝嗇方案中,CP為使自身的系統(tǒng)容量不受影響,不惜將 CR容量限制到最低值,故 CR的通信容量遠(yuǎn)小于其最優(yōu)功率分配方案中的最大系統(tǒng)容量.

圖 2 慷慨分配與最優(yōu)分配下的容量比較Fig.2 Channel capacity compar ison between generous scheme and optimal scheme

4 結(jié) 束 語

本研究通過對(duì) 2跳中繼通信的最優(yōu)功率分配方案的分析,發(fā)現(xiàn)其在實(shí)際協(xié)同通信系統(tǒng)中不能無限制地滿足基于系統(tǒng)容量最大化的最優(yōu)功率分配.由此,本研究提出了在實(shí)際協(xié)同通信系統(tǒng)容量受限條件下的功率分配方案,并根據(jù)CP所提供的不同轉(zhuǎn)發(fā)功率,提出了慷慨功率分配和吝嗇功率分配方案.仿真結(jié)果證實(shí)了最優(yōu)功率分配方案的局限性,并驗(yàn)證了改進(jìn)算法的可行性.本研究所提出的思想不僅可用于功率分配,也為協(xié)同通信中的節(jié)點(diǎn)選擇策略提供了一個(gè)可供參考的方法.

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上海大學(xué)期刊社接受市新聞出版行業(yè)文明單位評(píng)選考核驗(yàn)收

2011年 3月 11日,上海市新聞出版局報(bào)刊處陳麗處長一行,代表市新聞出版局對(duì)上海大學(xué)期刊社進(jìn)行新聞出版行業(yè)文明單位評(píng)選考核驗(yàn)收.

此次文明單位評(píng)選活動(dòng)在上海市新聞出版行業(yè)尚屬首次,目的在于以此為抓手,推動(dòng)各新聞出版單位提升綜合實(shí)力、實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展.考核驗(yàn)收是評(píng)選活動(dòng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),包括聽取匯報(bào)、座談交流、現(xiàn)場(chǎng)巡視和問卷調(diào)查等幾個(gè)步驟.

匯報(bào)暨座談交流會(huì)于上午 10時(shí)在我校出版大樓二樓會(huì)議室召開,出版社黨委書記、社長郭純生主持會(huì)議,校黨委宣傳部副部長劉紹學(xué)致歡迎辭,期刊社社長秦鈉以《創(chuàng)美德講原則文明在心,務(wù)進(jìn)取求卓越文明在行——上海大學(xué)期刊社創(chuàng)建文明單位工作匯報(bào)》為主題作專題匯報(bào).回顧了近年來期刊社精神文明創(chuàng)建工作的制度、組織、措施、活動(dòng)及成果,以及創(chuàng)建工作在期刊社實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展和重點(diǎn)突破過程中的重要作用.

在隨后的座談交流中,陳麗處長充分肯定了上海大學(xué)期刊社近年來在提高辦刊質(zhì)量、提升刊物的社會(huì)影響力等方面取得的顯著成績(jī),并就此次新聞出版行業(yè)文明單位評(píng)選活動(dòng)的舉辦目的、運(yùn)作方式等作了簡(jiǎn)要說明.《應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)》執(zhí)行主編王朔中教授和《社會(huì)》執(zhí)行主編仇立平教授作為校辦期刊主編代表先后發(fā)言,感謝新聞出版局、上海大學(xué)及期刊社為期刊發(fā)展提供的廣闊空間和大力支持,感謝編輯部同仁所付出的辛勤勞動(dòng).與會(huì)人員還就期刊年檢、學(xué)術(shù)期刊改制、數(shù)字化出版等問題進(jìn)行了深入交流.

會(huì)后,陳麗處長一行對(duì)期刊社辦公場(chǎng)所進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巡視和指導(dǎo),期刊社 20位編輯接受了市新聞出版行業(yè)精神文明建設(shè)問卷調(diào)查,并就新聞出版行業(yè)的精神文明建設(shè)積極建言獻(xiàn)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

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目 (S30108);上海市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(08DZ2231100)

石 海 (1954～),男,副教授,博士,研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)交換.E-mail:haishi@staff.shu.edu.cn

(編輯:趙 宇 )

(上海大學(xué)期刊社)

隨著多媒體業(yè)務(wù)需求的發(fā)展,現(xiàn)今的無線移動(dòng)通信不僅需要提供話音服務(wù),而且需要提供如圖像、視頻等多元數(shù)據(jù)傳輸速率的通信業(yè)務(wù),這就要求移動(dòng)設(shè)備能根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求達(dá)到相應(yīng)的系統(tǒng)容量.由信息論可知,在系統(tǒng)帶寬一定的情況下,提高發(fā)射功率可提高系統(tǒng)的容量[1],但是移動(dòng)用戶的發(fā)射功率是受限的.為了不增加發(fā)射功率,而又能滿足移動(dòng)用戶容量增加的需求,多輸入多輸出 (multiple-input multiple-output,M IMO)系統(tǒng)通過在發(fā)送端和接收端安裝多根天線,使用空間分集技術(shù),能夠在很大程度上提高系統(tǒng)容量.然而,一般蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在基站可以安裝多天線以達(dá)到空間分集,但是移動(dòng)臺(tái)往往受到物理尺度的限制而無法配置多根天線.為了解決這個(gè)問題,Sendonaris等[2-3]提出了協(xié)同通信的新技術(shù).該技術(shù)通過多個(gè)單天線移動(dòng)用戶協(xié)同工作的方式形成一個(gè)虛擬的M IMO系統(tǒng),以此滿足提高系統(tǒng)容量的需求.

針對(duì)協(xié)同通信中的功率分配問題,已有許多研究者提出了基于系統(tǒng)容量最大化的協(xié)同通信最優(yōu)功率分配方案[4-7].然而,在協(xié)同通信系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方案中,協(xié)同伙伴 (cooperation partner,CP)必須提供足夠的發(fā)射功率才能滿足系統(tǒng)容量最大化的要求.如果協(xié)同伙伴由于自身的資源限制無法滿足整個(gè)協(xié)同系統(tǒng)功率分配要求,則無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量最大化的目標(biāo),因此,只能選擇一些次優(yōu)的分配方法來滿足實(shí)際要求.Zhao等[8-9]提出兩種次優(yōu)的功率分配方案,分別是在放大轉(zhuǎn)發(fā) (amp lify and forward,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā) (decode and forward,DF)協(xié)同通信中基于最小誤碼率的功率分配方案.