基于能量有效性和时间有效性的联合优化绿色通信算法

发布时间：2019-10-03 00:37

【摘要】：针对传统协作功率分配方案中忽略信道估计误差和电路能量消耗的问题,提出了一种改进的绿色联合优化算法。该算法在保证用户服务质量要求的前提下,引入信道估计误差、中继节点的电路能耗,联合能量有效性和时间有效性进行中继节点选择和各个节点功率分配分配,并利用拉格朗日方法得到了源节点和中继节点发送功率的闭式解。仿真结果表明,相对于传统的功率分配算法,高信噪比时改进算法的能量有效性提高了30%左右,而低信噪比时性能接近传统算法。
【图文】：

瑞利分布,信道,传输过程,系统模型

优化的算法，在不完善的信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)条件下，忽略直传链路，以系统发送功率最小化、信噪比最大化进行多目标优化。通过调整两个子目标的权重因子，提升系统的能效。但是该方案只有一个中继节点，没有进行中继节点选择。本文研究准静态瑞利衰落信道下的源节点、多个中继节点功率联合分配方案。融合系统的总功率和时间有效性为多目标优化函数，基于该函数建模。利用经典的基于KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件的Lagrange算法求解，得到了源节点功率和中继节点功率的闭合表达式。1系统模型如图1，考虑由一个源节点、一个目的节点以及N个备选中继节点所构成的协作通信系统，任意两个节点间的信道增益均服从准静态平坦瑞利分布。源节点—目的节点、源节点—中继节点、中继节点—目的节点之间的信道系数分别表示为hsd、hsr、hrd，它们均值为0，方差分别为σ2δsd、σ2δsr、σ2δrd［4］。hij表示节点i和节点j间的信道增益，hij=(d0/dij)α，其中α为路径损失系数，d0是参考距离，dij是节点i与节点j之间的距离。图1系统模型假设各信道的信道系数在每帧的传输过程中保持不变，并且帧与帧之间信道系数的变化相互独立。目的节点可获取系统中所有信道的瞬时信道信息，并可通过低速率反馈信道告知信源和中继节点相应的信息，反馈所需要的能量很小，可以忽略不计。协议分为两个阶段。第一阶段，源节点广播发送数据包，中继节点中能够正确接收数据的节点记为集合D(s)，直传链路信道较差，不能解码。第二阶段，中继节点转发数据包，部分中继节点尽管属于集合D(s)，并不会参与转发，而被选中的中继节点采取分布式空时编码的方式进行转发。假设信源?

中继,节点数,有效性,能量

=3。假设系统采用正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术，中继节点之间相互不形成干扰，且中继节点发送功率相同。图2是权重因子ω1=0．5时，不同中继节点数量条件下，能量有效性最大化优化算法(方案一)代价函数曲线图。由图中曲线可知，对于大多数信噪比要求，费用函数是先减后增的趋势。增加合适数量的中继节点能够减少费用函数。但是由于中继节点电路消耗Pcir的存在，中继节点数量增加到一定值后，，再继续增加，能量消耗的增速大于协作带来的增益的增加，降低系统的能量有效性。图2Cost(N)与中继节点数量N的关系图3是相同中继节点数目条件(N=5)，不同权重因子下能量有效性最大化优化算法(方案一)能量有效性曲线图。当ω1=ω2=0．5时，该算法的能量有效性最高，这根曲线同时也是能量有效性和时间有效性的联合优化算法(方案二)的能量有效性曲线。由仿真结果可知，联合能量有效性和时间有效性的算法复杂度明显低于单独考虑能量有效性，这时能量有效性达到最佳，是更加绿色的方案。但是方案二的各个节点的发送功率不能随着权重因子变化而调节。当无线网络中某些节点电量有限时，应采取方案一，降低电量低节点的权重因子，减小该节点发送功率。通过牺牲一部分能量有效性，延长整个系统的生命周期。图3不同ω1时系统的能量有效性最后与传统的优化算法［9］进行比较，如图4和图5所示。在低信噪比需求的很低条件下，传统的算法性能较好。但是在信噪比要求较高时，联合优化绿色通信算法代价函数只有传统的25%～45%，拥有更高的能量有效性。图4不同算法的代价函数曲线图5不同算法的能量有效性曲线4结语本文提出一种基于协作通信的联合能量有效性、时间有效性多目标优化算法。在系?
【作者单位】：南京邮电大学通信与信息工程学院;宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室(南京邮电大学);
【基金】：江苏省“信息与通信工程”优势学科建设工程项目(YX002001) 南京邮电大学科研基金资助项目(NY212040)
【分类号】：TN92

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