基于误码率的DF协作通信系统功率分配方法
2022-06-09
摘 要： 针对协作通信系统能量有限和误码率高等问题，在DF协作通信系统中，研究一种基于误码率的概率分配算法。在总发射功率一定的条件下，建立以满足最小误码率为目标的优化问题。利用Lagrange乘子，求解该优化问题的闭式解，得出最佳功率分配方案。仿真结果表明，在总功率一定的情况下，该功率分配算法较其他功率分配方案具有较低的误码率。
关键词： 协作通信； DF； 功率分配； 误码率
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0009?03
Power allocation method based on error rate in decode
and forward cooperative communication system
SHANG Min hong1， 2， WU Gui lu2， XU Ping ping2
（1. Department of Electronics and Information Engineering， Jiangsu College of Information Technology， Wuxi 214153， China；
2. National Key Lab for Mobile Communications， Southeast University， Nanjing 210096， China）
Abstract： Since the cooperative communication system′s energy is limited and its bit error rate is high， a probability allocation algorithm based on bit error rate is researched for the DF cooperative communication system. Under the condition that total transmission power is definite， an optimization approach is set up to minimize the bit error rate. The closed?form solution for the optimization approach is solved by means of Lagrange multiplier to achieve the optimal power allocation scheme. The simulation results show that， in the case of the definite total power， the bit error rate of the power allocation algorithm is lower than that of other power allocation schemes.
Keywords： cooperative communication； decode and forward； power distribution； bit error rate
0 引 言
协作通信技术是利用网络中闲置的多个基站或天线作为信号传输的中继，通过网络间节点资源协作的方式，有效地共享传输资源，形成分布式虚拟天线阵列，形成虚拟MIMO，获得分集增益[1]，从而对抗无线信道的多径衰落。根据不同的中继技术，主要的协作策略有放大转发（Amplify and Forward： AF，中继将接收到信号放大后转发）[2]、解码转发（Decode and Forward： DF，中继将接收到的信号译码并重新编码后转发）[2]和编码协作（Coded Cooperation： CC，中继传输不再是与信源相同的信息，而是增加的冗余）[3]等多种方式。
功率分配是协作通信的一个关键问题，在能量受限的情况下，合理配置节点的发射功率，最大限度地利用各节点的功率，有效地延长移动终端的寿命。文献[4]研究了在DF协作通信系统中，以最小化系统中断概率为目标，提出黄金分割迭代法分配源节点和中继节点的发射功率。文献[5]中研究了多中继协作系统问题，但作者在功率分配上使用的是源节点和中继节点平均功率分配。文献[6]研究了在多中继AF系统中基于差分演化的协作通信最优功率分配算法。文献[7]研究了在AF协议下，基于误符号率的最优功率分配与伙伴选择。论文网站本文提出了选择DF协作通信系统中以误码率为目标函数，基于Lagrange算法的最佳功率分配方案。
1 系统模型
协作通信系统模型如图1所示，S表示源节点，D表示目的节点，R为中继节点。假设源节点和中继节点的发射功率分别为[Ps]和[Pr，]源节点到中继节点和目的节点以及中继节点到目的节点的信道增益分别为[hsr，hsd，hrd，]它们是均值为零，相互独立的复高斯随机变量，方差分别为[σ2sr，σ2sd，σ2rd，]各信道统计独立，并服从瑞利平坦衰落。中继节点采用时分半双工工作模式。
图1 协作通信系统模型
协作过程分两个阶段：
第一阶段，源节点进行数据广播，被选择出来的中继节点和目的节点同时接收源节点的数据。收到的信号为：
[ysd=Pshsdx+nsd] （1）
[ysr=Pshsrx+nsr] （2）
关键词： 协作通信； DF； 功率分配； 误码率
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0009?03
Power allocation method based on error rate in decode
and forward cooperative communication system
SHANG Min hong1， 2， WU Gui lu2， XU Ping ping2
（1. Department of Electronics and Information Engineering， Jiangsu College of Information Technology， Wuxi 214153， China；
2. National Key Lab for Mobile Communications， Southeast University， Nanjing 210096， China）
Abstract： Since the cooperative communication system′s energy is limited and its bit error rate is high， a probability allocation algorithm based on bit error rate is researched for the DF cooperative communication system. Under the condition that total transmission power is definite， an optimization approach is set up to minimize the bit error rate. The closed?form solution for the optimization approach is solved by means of Lagrange multiplier to achieve the optimal power allocation scheme. The simulation results show that， in the case of the definite total power， the bit error rate of the power allocation algorithm is lower than that of other power allocation schemes.
Keywords： cooperative communication； decode and forward； power distribution； bit error rate
0 引 言
协作通信技术是利用网络中闲置的多个基站或天线作为信号传输的中继，通过网络间节点资源协作的方式，有效地共享传输资源，形成分布式虚拟天线阵列，形成虚拟MIMO，获得分集增益[1]，从而对抗无线信道的多径衰落。根据不同的中继技术，主要的协作策略有放大转发（Amplify and Forward： AF，中继将接收到信号放大后转发）[2]、解码转发（Decode and Forward： DF，中继将接收到的信号译码并重新编码后转发）[2]和编码协作（Coded Cooperation： CC，中继传输不再是与信源相同的信息，而是增加的冗余）[3]等多种方式。
功率分配是协作通信的一个关键问题，在能量受限的情况下，合理配置节点的发射功率，最大限度地利用各节点的功率，有效地延长移动终端的寿命。文献[4]研究了在DF协作通信系统中，以最小化系统中断概率为目标，提出黄金分割迭代法分配源节点和中继节点的发射功率。文献[5]中研究了多中继协作系统问题，但作者在功率分配上使用的是源节点和中继节点平均功率分配。文献[6]研究了在多中继AF系统中基于差分演化的协作通信最优功率分配算法。文献[7]研究了在AF协议下，基于误符号率的最优功率分配与伙伴选择。论文网站本文提出了选择DF协作通信系统中以误码率为目标函数，基于Lagrange算法的最佳功率分配方案。
1 系统模型
协作通信系统模型如图1所示，S表示源节点，D表示目的节点，R为中继节点。假设源节点和中继节点的发射功率分别为[Ps]和[Pr，]源节点到中继节点和目的节点以及中继节点到目的节点的信道增益分别为[hsr，hsd，hrd，]它们是均值为零，相互独立的复高斯随机变量，方差分别为[σ2sr，σ2sd，σ2rd，]各信道统计独立，并服从瑞利平坦衰落。中继节点采用时分半双工工作模式。
图1 协作通信系统模型
协作过程分两个阶段：
第一阶段，源节点进行数据广播，被选择出来的中继节点和目的节点同时接收源节点的数据。收到的信号为：
[ysd=Pshsdx+nsd] （1）
[ysr=Pshsrx+nsr] （2）