隧道多中继协作通信系统功率分配与容量优化.pdf

第 4 1 卷 第 u 期 2 0 1 5年 1 i月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0 I ． 4l NO ． 1 1 NO V ．2 O 1 5 ● ● ●Il ● ● i实验 研 究 ． 一” ◆1 ◆1 ◆Ⅲ， 文章 编 号 1 6 7 1 - 2 5 1 X 2 0 1 5 1 1 0 0 2 1 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 6 翟文艳 ， 孙彦景 ， 李松 ， 等． 隧道多中继协作通信系统功率分配与容量优化[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 ． 2 1 2 5 ． 隧道多中继协作通信系统功率分配与容量优化 翟 文艳 一 ， 孙 彦景 ， 李松 ， 梁迪 慧 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 江苏省煤矿电气与 自动化工程实验室 ，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 基 于 多波模信 道模 型 建立 了矩 形 隧道 多 中继 协作 通信 系统模 型 ， 给 出了放 大 转发和 译码 转发 协作 模式下多中继协作通信 系统的信道容量计算公式。在 系统总功率受限的情况下， 提 出了基于遗传算法的隧 道 多中继放 大转发 协作 通信 系统优化 功 率分 配方 法和 隧道 多中继译码 转 发 协作 通 信 系统 多重 KK T 优 化功 率 分配 方 法 ， 以优 化 系统 的信道 容量 。仿 真结 果表 明 ， 隧道 多中继协 作通信 系统优化 功 率分 配方 法可提 升 系 统 的信道 容 量 。 关键 词 矩形 隧道 ； 协 作通 信 ；放 大 转发 ；译码 转发 ；信道 容 量 ；功率 分配 中图分类号 T D6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 1 1 0 2 1 4 5 O 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 1 0 2 ． 1 4 5 0 ． 0 0 6 ． h t ml Po we r a l l o c a t i o n a n d c a pa c i t y op t i mi z a t i o n o f mu l t i r e l a y c o o p e r a t i v e c o mmu ni c a t i o n s ys t e m i n t un ne l Z HAI We n y a n 一， S UN Ya n j i n g 一， LI S o n g 一， LI ANG Di h u i 。 1． Sc ho ol o f I nf or ma t i o n a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g，Ch i na U n i v e r s i t y o f M i n i ng a n d Te c hn o l og y Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a；2 ． J i a n g s u Pr o v i n c e La b o r a t o r y o f El e c t r i c a l a n d Au t o ma t i o n En g i n e e r i n g f o r Co a l Mi n i n g，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t The m u l t i - r e l a y c o o pe r a t i ve c o mm u ni c a t i o n s y s t e m m o de 1 i n r e c t a n gul a r t u nn e 1 ba s e d o n mul t i mo de c h a nne l mod e l wa s e s t a b l i s h e d， a nd t he c h a nne l c a pa c i t y c a l c ul a t i o n f or mul a s o f mul t i r e l a y c o o pe r a t i v e c o m mun i c a t i o n s y s t e m i n a m p l i f y a nd f o r wa r d mod e a n d de c o d e a n d f o r wa r d mo de we r e g i ve n． Unde r t h e c i r c u m s t a n c e o f l i m i t e d po we r i n t un ne l ， o pt i m a l po we r a l l oc a t i on me t h od o f a mpl i f y a nd f o r wa r d mu l t i r e l a y c o o p e r a t i v e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n g e n e t i c a l g o r i t h m a n d mu l t i p l e KKT o pt i m a l po we r a l l oc a t i on m e t ho d o f m u l t i r e l a y c o op e r a t i v e c o mm un i c a t i o n s ys t e m i n d e c od e a n d f or wa r d we r e p r o p o s e d t o o p t i mi z e t h e c h a n n e l c a p a c i t y ．S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d o p t i ma l p o we r a l l o c a t i on me t h od s c a n i mpr o v e c ha nn e l c a p a c i t y of t he t un ne l m ul t i r e l a y c o op e r a t i ve c omm u ni c a t i o n sys t em ． 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 8 - 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 9 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然科学基金面上项 目 5 1 2 7 4 2 0 2 ； 国家 自然科学基金青年 项 目 5 1 5 0 4 2 1 4 ， 5 1 5 0 4 2 5 5 ； 中央高校基本 科研业务费专 项资金资 助项 目 2 0 1 3 R C1 1 ； 江苏省科技成果转化项 目 子课题 B A2 0 1 2 0 6 8 ； 江苏省 自然科学 基金面上项 目 B K2 0 1 3 0 1 9 9 ， B K2 0 1 3 1 1 2 4 ； 江苏 省产 学研前瞻性联合研究项 目 B Y2 0 1 4 0 2 8 0 1 ； 中国矿业大学重大项 目培育 专项项 目 2 0 1 4 Z D P Y1 6 。 作者简介 翟文艳 1 9 8 3 一 ， 女 。 江苏无锡人 ， 博 士研究生 ， 研究方 向为挑 战环 境下 电磁波传 播特 性、 协作 通信等 ， E ma i l z h a i we n y a n c u mt ． e d u ． c n 。通信作者 孙彦景 1 9 7 7 一 ， 男 ， 山东滕州人 ， 教 授， 博 士研究 生导师 ， 主要研究 方向为挑 战环境下 的嵌入式 实时系统 、 无线传感 器网 络 、 协作通信等 ， E ma i l y j s u n c u mt ． e d u ． c r l 。 2 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 Ke y wo r d s r e c t a ng ul a r t u nne l ；c o o pe r at i v e c ommun i c a t i o n；a mpl i f y a nd f o r wa r d；d e c od e a nd f o r wa r d c ha nne l c a pa c i t y；p o we r a l l oc a t i on 0 引言 在矿 井隧 道 、 地 下 隧道等受 限隧道空 间 ， 受 隧道 壁反射等因素的影响 ， 电磁波传播频繁发生反射 和 散射 ， 多径 效应 严重 _ 1 ] ， 制 约 了隧道无 线通 信系 统性 能的提高 。协作通信允许多个节点共享天线 ， 构成 虚拟 MI M0 2 j ， 在 不 增 加 天 线 的前 提 下 ， 利 用 隧 道 内的多径 衰落 特性 ， 提 升隧道无 线通 信 系统性 能 。 资源配置策略在很大程度上决定隧道协作通信 系统性能的提升 ， 功率分配是资源配置的重要 内容 ， 如何有效 、 合理地对源节点和各中继节点进行功率 分配 ， 具有 重要 意义 。本 文基 于多 波模信 道模 型 ， 建 立矩形隧道多 中继协作通信系统模型 ， 针对系统总 功率 受 限情况 ， 提 出不 同协 作 模式 下 的功 率 分 配 方 法 ， 以优化 系 统 的信 道容 量 。 1 矩形 隧道 多 中继 协 作通信 系统 模型及 信 道容量 建 立 的矩 形 隧 道 多 中继 协 作 通 信 系统 模 型 如 图 1 所示 。模 型 由源节 点 S 、 K 个 中继 节 点 R 忌 一 1 ， 2 ， ⋯， K 和 目的节点 D组成。每个节点均配置单 根 天线 ， 系统 采用 半双 工工作 模 式 。 图 1 矩 形 隧 道 多 中 继 协作 通 信 系 统 模 型 由于 源 节点 S与 目的节 点 D之 间 距 离较 长 或 隧道中存在分支、 弯道和坡道等复杂情况 ， 不失一般 性 ， 可 认 为 源 节 点 S和 目的 节 点 D 之 间 无 视 距 信 道 ， 通 过 中继协 作 方式 实 现 隧 道 复杂 情 况 下 节 点 间 的有 效信 息传 输 。 协 作 通 信 基 本 的 协 作 模 式 包 括 放 大 转 发 Amp l i f y a n d F o r wa r d ，AF 模 式 和 译 码 转 发 De c o d e a n d F o r wa r d ，D F 模 式 。D F模 式 又 包 括 固定 D F和 选择 性 D F模式 ， 其 中选 择性 D F模式 可 克服固定 D F模式可能转发错误信号和信道容量受 限于源 节点 到 中继节 点和 中继节 点 到 目的节点 中较 差 信道 的 问 题【 3 ] 。下 文 中 的 D F模 式 是 指 选 择 性 DF模 式 。 AF模 式 和 DF模 式 下 矩 形 隧道 多 中继 协 作 通 信系统的信道容量 C ， C 。 分别为Ⅲ 一 砉 1 C 一 1 o g z 1 ∑lD l h 。 I 。 ID I h l ≥ 2 式中 l D 为源节点 S的发送信噪 比； h s 和h o 分别 表示 源 节点 S和 中继 节 点 、 中继 节点 和 目的 节点 D间的信道增益 ； 为中继节点 R 的发送信 噪 比 ； 为 中继 节点 接收 信 号信 噪 比的设 定 门限 ， 需 根据 具体 情况 设定 。 若 中继 节 点 接 收信 号 的信 噪 比超 过设 定 门限 ， 中继 节点 对接 收信 号 进 行 解码 和重 新 编 码 ， 并 将 信 号转 发 给 目的节点 ； 若 源节 点 和 中继 节点 之 间发 生 了深度衰落 ， 使得 中继 节点 的接收信噪 比低于设定 门限 ， 则 中继 节点 不 进 行 任 何操 作 。将 噪声 信 号 建 模 为方 差为 的加性 高斯 白噪声 。 采 用多 波模 信道 模型 ， 信道 增益 为 h 一 ／ ∑ ∑c ． E z ， Y R x e x p 一 a j ZT R 3 式 中 G 和 G 分 别为 发射 天线 Tx和 接 收天 线 Rx 的增 益 ； C ， 为发 射 天线 Tx处 ， 阶波 模 的 强 度 ； E z ， Y 为 接收 天线 Rx处 ， n 阶波模 的 场分 布 ； a 和 J9 是 波 模 的 衰 减 系 数 和 相 位 系 数 ； Z 为发 射天 线 T x和接 收天线 R x之 间 的距 离 。 将相关参数代人式 3 ， 即可求得 h s 。 和 h R k D 。 2功 率 受 限 时 A F模 式 下 多 中继协 作通 信 系统 的 优 化功 率分 配 在 AF模 式 下 ， 总 功 率 P 和 节 点 功 率 P。均 受 限 ， 为实现信道容量优化， 源节点 s和中继节 点 的功 率 分配应 满 足式 4 f ma x CA F IPs．P J s t ． P ∑P ≤P 4 l 一 1 1 0≤ Ps ≤ P o 【 0≤ PR ≤ Po 式中 P 为源节点 S的功率； P 为 中继节点 心 的 功率 。 结合 式 1 ， 式 4 可 等效 为 2 0 1 5年第 1 1 期 翟文艳等 隧道多中继协作通信 系统功率分配与容量优化 2 3 詈 K 岛 s t ． P ∑P ≤P 5 0≤ Ps≤ Po 0≤ PR ≤ Po 式 5 是典 型 的 带有 约 束 条 件 的非 线性 优 化 问 题 。遗传算法是一种基于生物遗传和进化机制的 自 适应概率优化技术 ， 在非线性优化 问题求解方 面有 广泛的应用⋯ 。下面， 提出基于遗传算法的隧道 多 中继 AF协 作 通 信 系 统 优 化 功 率 分 配 方 法 ， 求 解 式 5 ， 具 体程 序如 下 Po we r Al i o c a t i on AF ① i n i t i a l i z a t i o n ② d e f i n e t a r g e t f u n c t i o n ③ F o r e a c h P ④ W h i l e c o n d i t i o n s a r e s a t i s f i e d ⑤ f i t n e s s e v a l u a t i o n ⑥ s e l e c t i o n ⑦ c r o s s o v e r ⑧ mu t a t i o n ⑨ r e i n s ⑩ En d wh i l e 程序解释 ① 定义遗传算法 的相关参数 ， 如个 体 数 目、 最 大 遗 传 代 数 等 。②定 义 目标 函 数。 ③ 针 对 不 同 的系 统 总功 率进 行 计 算 。④ 判 断 是否 满足循 环条件， 若满足， 则进入循环。⑤ 计算适应 度 值 。⑥ 选 择操 作 ， 随 机遍 历 采 样 选 择 方 式 ， 代 沟 为 0 ． 9 。⑦ 交叉操作 ， 采用单点交叉方式 。⑧ 变异 操作。⑨ 重插操作。⑩ 结束循环 。 3 功 率 受 限 时 D F模 式 下 多 中继 协 作通 信 系统 的 优化 功 率分配 在 DF模 式 下 ， 总 功 率 P 和节 点 功 率 P。均 受 限， 为实现信道容量 优化 ， 源节点 s和中继节点 的功率 分 配应满 足 式 6 K s t ． P s E P ≤P 6 k 1 0≤ Ps≤ Po 0≤ P ≤ Po 将 式 6 代 入式 2 可 得 I R D l s t P E P R k ≤P 7 ≤ Ps≤ P。 0≤ PR k≤ Po 式 8 保证 了参与协作 的中继节点接收信号 的 信噪比超过设定门限 ≤ Ps≤ P。 ㈣ 采用 遍历 法处 理 式 8 ， 对 于每种 情况 ， 式 8 为 带约束条件 的线性规划问题 ， 可采用 KKT优化方 法求解。隧道多中继 D F模 式下多重 KKT优化功 率分 配程 序如 下 Po we r Ai l oc at i o nDF ①F o r e a c h P ② Fo r i 1 t O K ③ s e t P s P ④ KKT ⑤ s e t f l a g i 一1 ⑥ F o r 一1 t O K e x c e p t ⑦ I f PR ． O ＆ P Ps ⑧ f l a g ／ 一0 ⑨ En d i f ⑩ E n d f o r ⑩ I f f l a g 一1 ⑩ c a l c u l a t e c h a n n e l c a p a c i t y C D F i ⑩ E n d i f ⑩ En d f o r ⑩ g e t ma x i mu m CD F ⑩ g e t c o r r e s p o n d i n g P s ， P R 1 ，P R 2 ，⋯ ，P R ⑥ En d f o r 程序 解 释 ① 针 对 不 同 的 系统 总 功 率 进 行 计 算。② 采用遍历法处理式 8 ， 分别针对每种情况 进行求解 。③ 设置 P 的值 。④ 利用 KKT方法求 解优化功率分配 P R ，P ，⋯，P R J 。⑤ 设置标志 位 f l a g 。⑥ 一⑩ 判断 P 是 否满 足所 有 参 与协作 中 继节点的门 限要求 ， 若满 足， 则令 f l a g 一1 ， 若 不满 足 ， 则 令 f l a g 0 。⑩ 一⑩ 若 P 满足 所有 参 与协 作 中继节 点 的 门限要 求 ， 则 计 算 当前 功 率分 配 下 的信 R P ∑ ／ X m凸 H 2 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 道容 量 。⑩ 结束 遍历 法 。⑩ 通 过 比较 获得 最 大 的 信道 容量 。⑩ 最 大信道 容量 所 对应 的功率 分 配 ， 即 为式 6 所 求 解 的 功率 受 限时 隧道 多 中继 D F协 作 通 信 系统 的优化 功率分 配方 法 。 4仿 真与 分析 在功率受限的条件下 ， 对基于遗传算法的隧道 多中继 AF协作通信系统优化功率分配方法和隧道 多中继 D F协作通信系统多重 KKT优化功率分配 方法进行仿真 。工作频率、 矩形 隧道侧壁和顶底壁 的相对介电常数、 电导率和隧道横截 面尺寸等参数 见参考文献[ 7 ] 。设置有 4个中继节点的场景 源节 点 S 、 中继节 点 R 忌 一1 ， 2 ， 3 ， 4 和 目的节 点 D的 位 置 坐标分 别 为 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 2 2 0 ， 0 ， 0 ， 4 0 0 ， 0 ， 0 ， 5 5 0 ， O ， 0 ， 6 5 0 和 O ， 0 ， 7 0 0 ， 节点 的功率 限制 为 P。 一 5 W 3 6 ． 9 8 9 7 d B m 。 4 ． 1 AF模 式 利用基于遗传算法的隧道多中继 AF协作通信 系统优化功率分配方法求解 AF模式下的优化功率 分配 ， 结果见表 1 。需要注意的是 ， 该方法所求得 的 是 近 似解 ， 存 在 较小误 差 。 表 1 A F模式下 ， 矩形 隧道多中继 协作 通信 系统优化功率分配d B m P Ps PR l PR 2 PR 3 PR 4 3 O 2 5 ． 7 5 0 3 8 ． 7 1 2 6 2 1 ． 9 1 9 2 2 5 ． 6 46 6 1 7 ． 5 8 5 9 3 1 2 6 ． 5 1 7 6 5 ． 3 3 5 5 2 3 ． 0 0 9 1 2 7 ． 1 5 0 1 1 8 ． 4 2 8 1 ； j i ； 4 2 3 6 ． 9 8 8 6 2 9 ． 1 5 2 0 3 6 ． 9 5 3 3 3 6 ． 9 4 3 0 1 8 ． 01 2 6 4 3 3 6 ． 9 8 9 7 3 6 ． 8 4 3 6 3 6． 9 4 4 3 3 6 ． 9 7 7 1 22 ． 0 4 6 6 4 4 3 6 ． 9 8 9 7 3 6 ． 9 4 3 7 3 6 ． 9 8 0 7 3 6 ． 9 8 6 3 3 6 ． 68 1 4 4 5 3 6 9 8 6 8 3 6 9 7 4 4 3 6 9 7 4] 3 6 ． 9 8 4 6 3 6 ． 7 5 2 3 仿 真 功率 受 限时 ， AF模 式下 ， 不 同功率 分 配方 法对矩形隧道多 中继协作通信 系统信道容量 的影 响， 仿真结果如 图 2所示 。从图 2可看出， 当总功率 P 4 4 d B m 时 ， 由于 节 点功率 限制 ， 信 道容 量不再 增加 。 当总功率 P一3 5 d B m 时 ， 基 于遗 传算 法 的隧 道 多 中继 AF协作 通信 系统 优化 功率 分配 方 法 的收 敛 性能 如 图 3所 示 。 图 3可 看 出 ， 迭 代 次数 对优 化 功率分配 和最 大信道容量的影响。经过 1 3 1次迭 代 ， 信 道容 量可 达到 6 ． 1 1 2 b i t ／ s ／ Hz 。 [ L J 二 二 二 二 二 二 二 二 二 0 5 O l O O l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 迭代次数 a 优化功率分配 b 最 大 信 遁 答 量 图 3 经过不同遗 传迭代次数的优化功率 分配 和最 大信道容量 4 ． 2 DF模 式 在 同样 的 场 景 下 ， 利 用 所 提 出 的 隧 道 多 中 继 D F协 作 通 信 系 统 多重 KKT 优 化功 率 分 配 方 法 求 解 D F模 式下 的优 化 功率分 配 ， 结 果见 表 2 。 由表 2 可 以看 出 ， 当 总功 率 P ≤ 3 7 d B 1 T I 时 ， 只对 4个 中继节点 中的 R 3分配功率， 即只有 参 与协作 ， 当总功率 P≥4 2 d B m 时 ， 中继节点 R ， R ， 和 R 均 参 加 协 作 。这 是 因为 中 继 节 点 R 。 与 目的节点 D之间的信道增益大， 信道特性好 。 仿 真功 率受 限时 ， D F模 式 下 ， 不 同功 率 分 配 方 法对矩形隧道多 中继协作通信 系统信道容量 的影 响 ， 仿 真结 果如 图 4所示 。由图 4可 以看 出 ， 当总功 率 P 4 4 d B m 时 ， 与 采 用 等 功率 分 配 方 法 相 比 ， ∞ ∞加 ∞加 m ∞ 加 如 如 加m 眦 ． H p 言 ． ∞ p ＼ 一 Ⅲ． ∞ ＼ 言 ． ∞ 口 ／ 言 ． ∞ 口 ／ ，