多跳協作網絡中基于遺傳算法的功率優化方法
【專利摘要】針對多跳多中繼協作網絡，本發明提出了一種基于遺傳算法的功率優化方法。在保證接收端信噪比大于一定的門限值的情況下，優化兩個中繼組群的波束成形權值，使得所有中繼節點總發送功率最小化，實現能量的節約。通過計算，其中一個波束成形變量可以表述成另一個的函數，使得兩個變量的問題簡化為一個變量的優化問題，然后通過遺傳算法獲得最優的中繼權值變量和最小的中繼功率。該算法在統計意義上可以獲得全局最優解，避免了以往用凸優化迭代計算兩個變量，容易陷入局部最優的困擾。
【專利說明】多跳協作網絡中基于遺傳算法的功率優化方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種在多跳協作網絡中基于遺傳算法的功率優化方法，該方法屬于無線通信、信號處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]人們對實時通信速率越來越高的需求和現代無線通信技術的迅猛發展，使得多輸入多輸出(MIMO)技術應運而生。MIMO技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過多個天線分別實現發送和接收。MIMO在不需要增加總帶寬和總發送功率損耗的情況下，利用空間復用技術，可以大幅度增加系統的容量，提升頻譜效率。MMO系統通過多根天線帶來的空間分集，可以對抗傳播中遇到的信道衰落，增強數據的傳輸質量。在MIMO系統的多輸出天線中，利用多根天線將信號能量集中在一個方向進行波束成形，可以加強信號質量，減少干擾。然而由于多天線直接為避免相互干擾，天線直接需要有一定間距，從而使得MMO系統終端的體積和消耗功率隨著天線數目的增加而隨之增長，不便攜帶和移動。對于這個問題，隨之提出的協作通信技術可以很好的解決。
[0003]現階段中，由于移動終端體積的限制，每個移動終端皆配有一根天線。協作通信是指在通信網絡中通過配備單根天線的移動終端相互配合轉發信號，從而形成一種虛擬的MIMO系統，獲得MMO系統中分集增益。在現階段研究過程中，由于發送端到接收端距離較遠，信道衰落較大，從而協作通信通常在移動網絡中選取一部分移動終端作為中繼節點轉發信號。中繼節點轉發信號通常有三種模式，分別是放大轉發、解碼轉發和壓縮轉發。由于其中放大轉發實施起來最為方便，我們通常采用此種模式。
[0004]在信號衰落和路徑損耗非常嚴重的時候，僅靠一組中繼節點轉發信號并不能獲得非常良好的效果。在這種情況下，我們考慮多跳的中繼網絡，即在發送端和接收端之間有兩組中繼節點群依次通過加權波束形成轉發信號，從而獲得信號質量的改善和傳輸距離的增力口。由于傳輸過程中中繼節點數目的增多，導致總的中繼轉發功率損耗增大。在保障接收端信噪比大于一定的門限值時，如何優化兩個中繼群組的波束成形權值，從而使得中繼轉發功率最小，是一個值得研究的問題。以往有通過凸優化迭代方法來解決這個問題，但容易陷入局部最優解。這里通過使用遺傳算法來尋求全局最優解，在統計上來說，能夠得到所需最小功率值。
【發明內容】
[0005]本發明提出了一種在多跳中繼協作網絡中的新的優化算法，即在保證接收端的信噪比大于一定的門限值時，聯合優化兩個中繼群組的波束成形權值變量，從而使中繼轉發信號所需功率最小化，從而實現能量的節約。在本方法中，通過簡化求解，使得其中一個權值變量可以完全被另一個波束成形權值變量表述出來，把兩個變量簡化為一個變量然后運用遺傳算法進行計算，從而在統計意義上得到功率的最小值，即全局最優解。
[0006]本發明的技術解決方案如下:[0007]—種在多跳協作網絡中基于遺傳算法的功率優化方法，該方法基于一個多跳多中繼協作網絡，該網絡由一個源節點，兩個中繼節點組群和一個目的節點組成，每一個節點均配置單根天線采用半雙工的方式來發送或接收信號；假設由于信道衰落的嚴重影響，在源節點與目的節點，源節點與第二個中繼群組，目標節點與第一個中繼群組之間沒有直接鏈路進行通信，源節點與目的節點之間的信息傳輸需要通過兩個中繼組群的協作來完成；
[0008]在該系統中，信息傳輸的過程分為三個階段:在第一個階段，源節點向第一個中繼群組發送廣播信息；在第二個階段，第一個中繼組群接收到疊加了信道噪聲的信息后，對收到的信號進行波束成形加權，然后通過放大轉發模式向第二個中繼群組發送廣播信號；在第三個階段，第二個中繼群組收到混疊了噪聲的信號，同樣通過放大轉發的模式向目的節點發送波束成形加權廣播信號，最后目的節點接收到混疊信道噪聲后的信號；
[0009]在保證目的節點接收到信號的信噪比不小于給定的門限值的情況下，優化兩個中繼群組的波束成形向量，使得兩個中繼群組的總功率消耗最小；具體實施中，通過數學運算把兩個波束成形向量中第二個波束成形向量完全用第一個向量來表述，從而把兩個變量的優化問題簡化為單變量優化問題，最后采用遺傳算法解決，獲得全局最優解，具體步驟如下:
[0010]步驟一、選擇固定的M個節點組成第一個中繼群組，另外選擇固定的K個節點組成第二個中繼組群，設定目的節點接收信號信噪比的門限值Y，通過信道估計獲得源節點到第一個中繼群的信道參數向量Ii=Dll, h2...hM]T，兩個中繼群之間的信道參數矩陣L e Rkxm和第二個中繼群到目的節點的信道參數向量g=[gl，g2...gK]T;
[0011]步驟二、設定第一個中繼群的波速成形權值向量為W=IiW1, W2...wM]τ,第二個中繼群的權值為V=[Vl，V2...νκ]τ ;初始化w的種群，根據兩個波束成形向量之間的關系得出等式
【權利要求】
1.一種在多跳協作網絡中基于遺傳算法的功率優化方法，該方法基于一個多跳多中繼協作網絡，該網絡由一個源節點，兩個中繼節點組群和一個目的節點組成，每一個節點均配置單根天線采用半雙工的方式來發送或接收信號；假設由于信道衰落的嚴重影響，在源節點與目的節點，源節點與第二個中繼群組，目標節點與第一個中繼群組之間沒有直接鏈路進行通信，源節點與目的節點之間的信息傳輸需要通過兩個中繼組群的協作來完成； 在該系統中，信息傳輸的過程分為三個階段:在第一個階段，源節點向第一個中繼群組發送廣播信息；在第二個階段，第一個中繼組群接收到疊加了信道噪聲的信息后，對收到的信號進行波束成形加權，然后通過放大轉發模式向第二個中繼群組發送廣播信號；在第三個階段，第二個中繼群組收到混疊了噪聲的信號，同樣通過放大轉發的模式向目的節點發送波束成形加權廣播信號，最后目的節點接收到混疊信道噪聲后的信號； 在保證目的節點接收到信號的信噪比不小于給定的門限值的情況下，優化兩個中繼群組的波束成形向量，使得兩個中繼群組的總功率消耗最小；具體實施中，通過數學運算把兩個波束成形向量中第二個波束成形向量完全用第一個向量來表述，從而把兩個變量的優化問題簡化為單變量優化問題，最后采用遺傳算法解決，獲得全局最優解，具體步驟如下:步驟一、選擇固定的M個節點組成第一個中繼群組，另外選擇固定的K個節點組成第二個中繼組群，設定目的節點接收信號信噪比的門限值Y，通過信道估計獲得源節點到第一個中繼群的信道參數向量Ii=Di1, h2...hM]T，兩個中繼群之間的信道參數矩陣L e Rkxm和第二個中繼群到目的節點的信道參數向量S=Iig1, g2...gK]T; 步驟二、設定第一個中繼群的波速成形權值向量為w=[Wl，w2...wM]T，第二個中繼群的權值為V=[Vl，V2...νκ]τ ;初始化W的種群，根據兩個波束成形向量之間的關系得出等式
【文檔編號】H04B7/06GK103873126SQ201410130886
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】劉琚, 盧冰冰, 王超 申請人:山東大學