论文研究-解码转发中继系统能效性能研究 .pdf

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解码转发中继系统能效性能研究,孙蕊,王涛,针对采用MQAM调制的半双工解码转发两跳中继通信链路,研究了在给定BER条件下,真实调制速率对系统能效性能的影响。首先从系统传输��
山国武技记文在 那么,链路和的信噪比分别为: 对于图所示的传输链路,由噪声等原因,链路和都会引入一定的错误率 ,可分别表示为P和P,由此,整个链路的P便可由下式近似表示: P P +P PP P +p 由于PP<<P+P,故式中PP项可以忽略,这样可以得到P的一个简 化的上界P+P。 对于高斯信道,采用 传输方式时的可近似表小成: P 根据文献,式可以进步近似为如下等式: 其中, θ是调制速率,即每符号携带的比特数。该式是 一个经验公式,从文献中可以看出的曲线可以完美地逼近,因此可以用替代 这样,将 代入可以得到相应信道的 由和 可以相应得出源节点和中继节点的传输功率, P P 山国武技记文在 化问题建模与理论分析 优化问题建模 首先,定义能量效率n,即每焦耳能量所能传输的总比特数。 6 这里, ,定义为总发射功率,ξ是源节点和目的节点的功放效率, 是电路消耗的功率,由文献知真实系统中的电路功耗与传输速率成线性关系,且是传输 速率的增函数,故可将它建模为调制速率6的线性函数,即=a+B0。 由式可以看出,为了最大化能效,可首先找出满足约束的最小总发射功率 由此,功率优化问题可描述成: P +P < P 根据优化问题的最优解必须满足条件,结合式和,推导出使得源和中继的 发射功率最优的链路和的分别为: P P 具体推导过程参见附录,因此满足束的最小总发射功率是 由上式可见, 是调制速率θ的函数,且电路功率也是调制速率θ的函数。故总 功率可以表示为6的函数(O): e/2+6 综上可得能效n的最终表达式: (0) P +(a+B0) 理论分析 通过对能效函数式的分析,我们可以得出如下结论: 结论:能效函数m是是关于调制速率的严格拟凹函数。 证明:由文献可知,如果。={0n≥a}对任意实数值a都是严格凸集,那么 山国武技记文在 对于满足≥的能效函数n则是严格拟凹的。 显然,对于>,若α≤,则。是严格凸集。相反,若a>,则可以先将集合 衣示成 0)-(O)-a(O)≥},因为(0)=0和O成线性关系, (0)是O的拟凹函数:()同样也是的拟凹函数,故(aO)是关于O的严格拟凹函 假没O和0是。任意两点,因为(a)是关于O的严格拟凹函数,所以对于 v∈(00),(a)>{(a6)(aO}≥成立,也即,对」a中任意两点间 的任意b,必在的内部。因此,是调制速率b的严格拟凹函数。 结论:由于能效函数是调制速率6的严格拟凹函数,则如下性质成立: )必定存在唯一6使得(0)=成立 )对于y∈((有n'(0)>,即n()是关于O的严格增函数: )对于v∈+∞),有n'(0)<,即(0)是关于O的严格减函数: 证明:见附录 仿真结果 s R D d 佟简化的两跳中继传输方案 为了验证以上理论分析,这一部分将给出仿真结果。为了方便分析,将图所示的中继 传输方案简化为如上图所示的三点在同一直线上的两跳中继传输方案。设源节点和日的节 点之间的距离为 源节点和中继节点之间的距离为。通过调整, 即调整中继节点的位置,可以得到不同的曲线,以及不同的能效性能n(⊙)曲线 根据文献,其他系统参数设置为:n=, 。信道 功率增益根据 )设置,其中 -Dsr=600,Dsd=1000 Dsr=300, Dsd=1000 Dsr=000, Ds=1000 E M(bit/symbol) 图不同中继位置处最小传输功率与调制速率的关系 山国武技记文在 图给出满足给定的最小传输功率8关于调制速率O的函数曲线。从图中 可以看出,满足给定的最小传输功率日随着调制速率θ的增加而增大,即每符 号携带的比特数越多,所需要的传输功率越人。对比图中曲线发现,当中绊节点位于源 节点和口的节点中间时所需要的总发射功率远远小于中继节点靠近其中一端的情况。 另外,从图中也能直观地看出的拟凹性。 Dsr600. Dsd=1000 Dsr=300Dsd=1000 Dsr=800.Dsd=1000 M(bits/symbol) 图不同中继位置处系统能效性能与调制速率的关系 如图所示,当调制速率增加时,能量效率先増加;但当调制速率增加到一定程度,能 量效率持续下降。这个现象可以解释为:以高速率传输数据会消耗更多的能量,故能效性能 不会持续增大,当速率高到一定程度,能效性能反而会变低。这意味着在实际应用中,应当 考虑传输速率对能效性能的影响。另外,从图中依然可以看出,当中继节点位于源节点 和目的节点中间时,其能效性能要远好于中缑节点靠近源端(或目的端)的情况。因 此,在实际设计通信网络时,为了获得更高的能效性能,应当尽可能地把中继节点设定在通 信链路的中间位置。 附录 利用条件求解功率优化问题 重写功率优化问题如下 P +PP +及和,则上述优化问题可改写为: P P P+P≤P 利用条件,引入拉格朗日乘子,令P 山国武技记文在 =,可以得出如下拉格朗日表达式 n(P 其极值条件可完整的表示为: +- +-2 aP 由式中的、 式得=元 P 综合以上条件可得 P P 十 P P 、证明结论二 由n的严格拟凹性得,对于Ye∈(日),有{7(0)n(0)<n() 假设存在O和O满足0<6和n(0)=n(6)=*,从而对B∈(9) (0)n(6外<n(0)成立,但该结论与n*>”(日)相反。因此,存在唯 O+另外,由文献知,对VO≥,O*必须满足n(0)0-0)≥,因此,n(a)= 成立,结论得证。 对于任意O、日满足<0<≤0,则n(0)={(0)n(ay<n()成 表示在6∈(),n(0)是严格递增函数。因此,对于v∈(]n()>成 同样地对JvO满足>0≥,则n(0)={7(0)n(O (6)成 立。这表示在O∈(0”+∞),n(0)是严格递减函数。因此,对于Ⅴbc(0+)n(0)< 成立 山国武技记文在 参考文献 徐莉放大抟发双向中继网络的总速率最大化电子测量技术

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