【摘要】：針對傳統(tǒng)協(xié)作功率分配方案中忽略信道估計誤差和電路能量消耗的問題,提出了一種改進的綠色聯(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,引入信道估計誤差、中繼節(jié)點的電路能耗,聯(lián)合能量有效性和時間有效性進行中繼節(jié)點選擇和各個節(jié)點功率分配分配,并利用拉格朗日方法得到了源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)送功率的閉式解。仿真結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)的功率分配算法,高信噪比時改進算法的能量有效性提高了30%左右,而低信噪比時性能接近傳統(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、信噪比最大化進行多目標(biāo)優(yōu)化。通過調(diào)整兩個子目標(biāo)的權(quán)重因子，提升系統(tǒng)的能效。但是該方案只有一個中繼節(jié)點，沒有進行中繼節(jié)點選擇。本文研究準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道下的源節(jié)點、多個中繼節(jié)點功率聯(lián)合分配方案。融合系統(tǒng)的總功率和時間有效性為多目標(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)點功率和中繼節(jié)點功率的閉合表達式。1系統(tǒng)模型如圖1，考慮由一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點以及N個備選中繼節(jié)點所構(gòu)成的協(xié)作通信系統(tǒng)，任意兩個節(jié)點間的信道增益均服從準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利分布。源節(jié)點—目的節(jié)點、源節(jié)點—中繼節(jié)點、中繼節(jié)點—目的節(jié)點之間的信道系數(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i和節(jié)點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i與節(jié)點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)的變化相互獨立。目的節(jié)點可獲取系統(tǒng)中所有信道的瞬時信道信息，并可通過低速率反饋信道告知信源和中繼節(jié)點相應(yīng)的信息，反饋所需要的能量很小，可以忽略不計。協(xié)議分為兩個階段。第一階段，源節(jié)點廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包，中繼節(jié)點中能夠正確接收數(shù)據(jù)的節(jié)點記為集合D(s)，直傳鏈路信道較差，不能解碼。第二階段，中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，部分中繼節(jié)點盡管屬于集合D(s)，并不會參與轉(zhuǎn)發(fā)，而被選中的中繼節(jié)點采取分布式空時編碼的方式進行轉(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)點之間相互不形成干擾，且中繼節(jié)點發(fā)送功率相同。圖2是權(quán)重因子ω1=0．5時，不同中繼節(jié)點數(shù)量條件下，能量有效性最大化優(yōu)化算法(方案一)代價函數(shù)曲線圖。由圖中曲線可知，對于大多數(shù)信噪比要求，費用函數(shù)是先減后增的趨勢。增加合適數(shù)量的中繼節(jié)點能夠減少費用函數(shù)。但是由于中繼節(jié)點電路消耗Pcir的存在，中繼節(jié)點數(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)點數(shù)量N的關(guān)系圖3是相同中繼節(jié)點數(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，該算法的能量有效性最高，這根曲線同時也是能量有效性和時間有效性的聯(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)合能量有效性和時間有效性的算法復(fù)雜度明顯低于單獨考慮能量有效性，這時能量有效性達到最佳，是更加綠色的方案。但是方案二的各個節(jié)點的發(fā)送功率不能隨著權(quán)重因子變化而調(diào)節(jié)。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點電量有限時，應(yīng)采取方案一，降低電量低節(jié)點的權(quán)重因子，減小該節(jié)點發(fā)送功率。通過犧牲一部分能量有效性，延長整個系統(tǒng)的生命周期。圖3不同ω1時系統(tǒng)的能量有效性最后與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法［9］進行比較，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，聯(lián)合優(yōu)化綠色通信算法代價函數(shù)只有傳統(tǒng)的25%～45%，擁有更高的能量有效性。圖4不同算法的代價函數(shù)曲線圖5不同算法的能量有效性曲線4結(jié)語本文提出一種基于協(xié)作通信的聯(lián)合能量有效性、時間有效性多目標(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;寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室(南京郵電大學(xué));
【基金】：江蘇省“信息與通信工程”優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(YX002001) 南京郵電大學(xué)科研基金資助項目(NY212040)
【分類號】：TN92

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