多跳无线通信系统中分布式功率分配的方法

摘要

多跳无线通信系统中分布式功率分配的方法涉及一种在多跳无线通信系统中为链路分配功率的方法，在使用单个信道的多跳无线通信系统中，需要为每条链路分配适当的功率，从而完成端到端的数据传输任务。对于每个节点，首先预测除该节点外的其他节点对于从该节点发出的各条链路可能造成的干扰，然后根据预先设定的权重参数在这些链路中选择一条最适合的，并把该节点的所有功率都分配给该链路。本发明的计算方法是分布式的，而且只需一次性计算就可以得到最终的功率分配结果，不需要执行迭代计算过程。

权利要求

1.一种多跳无线通信系统中分布式功率分配的方法，其特征在于该通信系统使用单个信道，而且为每条链路都赋予了一个大于零的数做为权重，以公式log2(1+SINR)/2来衡量每条链路的吞吐率，其中SINR是链路在接收端的接收信干噪比，对于每个节点i，该方法使所有从该节点发出的链路的吞吐率与相应权重的乘积的和为最大，该方法的具体实现包括以下三个步骤：第一步：对于每个节点i，预测除该节点外的其他节点对从该节点发出的每条链路可能造成的干扰；

第二步：对于每个节点i，根据所预测的干扰，以及预先设定的权重，在所有从该节点发出的各条链路中选择一条最适合的作为候选链路；

第三步：对于每个节点i，把该节点的所有功率都分配给该候选链路；

其实现步骤中的第二步候选链路选择过程中包括以下步骤：

1)对于从节点i发出的每一条链路，节点i将本节点的最大发射功率与该链路的路径损耗相乘，然后再除以在前一步骤中得到的该链路的预测干扰值，从而计算得到该链路的预测信干噪比；

2)对于从节点i发出的每一条链路，节点i将前一步骤中得到的该链路的预测信干噪比的取值X代入公式c(x)＝log2(1+x)/2中，从而计算得到该链路的预测吞吐率c(x)；

3)对于从节点i发出的每一条链路，节点i将计算该链路的预测吞吐率与相应链路权重的乘积作为该链路的度量；

4)对于从节点i发出的所有链路，节点i选择度量取值最大的链路作为候选链路；如果有两条或两条以上的链路的度量取值相同，则任意选择其中之一作为候选链路。

2.如权利要求1所述的多跳无线通信系统中分布式功率分配的方法，其特征在于，其实现步骤中的第一步干扰预测过程中包括以下步骤：

1)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点确定除节点i外有哪些节点会对该链路造成干扰；

2)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点逐一估计这些会对该链路造成干扰的节点与该链路接收节点之间的路径损耗；

3)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点逐一估计这些会对该链路造成干扰的节点的最大发射功率；

4)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点计算所有这些会对该链路造成干扰的节点的最大发射功率与相应路径损耗的乘积的和，再加上该链路在接收端的接收噪声功率，就得到了对该链路的预测干扰值；

5)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点把对该链路的预测干扰值上报给节点i知道。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在多跳无线通信系统中为链路分配功率的方法，特别是涉及一种分布式的多跳无线通信系统功率分配的方法，属于无线通信领域。

背景技术

传统无线网络都是单跳的，即通信源端产生的数据包只需经过一次空中无线传输就到达了通信宿端。近年来，人们开始关注多跳无线通信，如图1所示，即在通信源端和宿端之间存有多个无线跳。与单跳相比，多跳无线通信降低了对通信基础设施的依赖，扩大了无线通信的覆盖范围，进一步提高无线传输的效率。
在使用单个信道的多跳无线网络中，功率分配技术是一项重要的组成部分。
对于单跳无线通信系统来说，用户就是链路，因此链路级的功率分配就可以满足用户的服务质量(Quality of Service，QoS)要求。但对于多跳无线通信系统来说，用户和链路是两个概念，用户是有多个链路构成的。因此，多跳无线网络中的链路功率分配只是保证用户QoS机制中的一部分。
对于使用单个信道的多跳无线网络，参考文献“M.Chiang，S.H.Low，A.R.Calderbank，and J.C.Doyle，Layering as Optimization Decomposition：AMathematical Theory of Network Architectures，Proceedings of the IEEE，Vol.95，No.1，pp.255-312，Jan.2007”，系统总结了其中的QoS保证问题，并且明确指出，链路功率分配问题是实现用户QoS保证的一个重要的子问题。如果为每条链路都赋予一个大于零的数做为权重，则功率分配的目标，是要使所有链路的吞吐率与相应权重的乘积的和为最大，其中每条链路的权重是由某种上层需要(如路由算法)来决定，而链路吞吐率则以公式log2(1+SINR)/2来衡量，其中SINR是该链路在接收端的接收信干噪比。
由于SINR是各链路功率分配的复杂函数，导致最优功率分配问题是一个非凸的优化问题，是不容易求解的。
参考文献“M.Chiang，Balancing Transport and Physical Layer in WirelessMultihop Networks：Jointly Optimal Congestion Control and Power Control，IEEE Journal of Selected Areas in Communications，Vol.23，No.1，pp.104-116，Jan.2005”，近似假设SINR的取值是远远大于1的，因而使得最优功率分配问题变为一个凸优化问题。然而，这种技术不适用于当SINR取值为中等或偏小时的情形。
参考文献“M.Johansson and L.Xiao，Cross-Layer Optimization ofWireless Networks Using Nonlinear Column Generation，IEEE Transactions onWireless Communications，Vol.5，No.2，pp.435-445，Feb.2006”，采用非凸优化算法求解最优功率分配问题。然而，这种技术的计算复杂度非常高，不适合要求分布式特点的场合。

发明内容

技术问题：针对现有多跳无线网络链路功率分配方案中的问题，本发明提出了一种计算非常简单的多跳无线通信系统中分布式功率分配的方法。
技术方案：本发明的多跳无线网络是使用单个信道的。该通信系统使用单个信道，而且根据具体需要为每条链路都赋予了一个大于零的数做为权重，以公式log2(1+SINR)/2来衡量每条链路的吞吐率，其中SINR是链路在接收端的接收信干噪比，对于每个节点i，该方法将使所有从该节点发出的链路的吞吐率与相应权重的乘积的和为最大，
本发明的功率分配方法，包括步骤：
第一步：对于每个节点i，预测除该节点外的其他节点对从该节点发出的每条链路可能造成的干扰；
第二步：对于每个节点i，根据所预测的干扰，以及预先设定的权重，在所有从该节点发出的各条链路中选择一条最适合的作为候选链路；
第三步：对于每个节点i，把该节点的所有功率都分配给该候选链路。
在上述实现步骤中的第一步干扰预测过程包括以下步骤：
1)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点确定除节点i外有哪些节点会对该链路造成干扰；
2)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点逐一估计这些会对该链路造成干扰的节点与该链路接收节点之间的路径损耗；
3)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点逐一估计这些会对该链路造成干扰的节点的最大发射功率；
4)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点计算所有这些会对该链路造成干扰的节点的最大发射功率与相应路径损耗的乘积的和，再加上该链路在接收端的接收噪声功率，就得到了对该链路的预测干扰值；
5)对于从节点i发出的每一条链路，由该链路的接收节点把对该链路的预测干扰值上报给节点i知道。
在上述实现步骤中的第二步候选链路选择过程包括以下步骤：
1)对于从节点i发出的每一条链路，节点i把本节点的最大发射功率与该链路的路径损耗相乘，然后再除以在前一步骤中得到的该链路的预测干扰值，从而计算得到该链路的预测信干噪比；
2)对于从节点i发出的每一条链路，节点i将前一步骤中得到的该链路的预测信干噪比代入公式c(x)＝log2(1+x)/2中，计算得到该链路的预测吞吐率；
3)对于从节点i发出的每一条链路，节点i计算该链路预测吞吐率与相应链路权重的乘积作为该链路的度量；
4)对于从节点i发出的所有链路，节点i选择度量取值最大的那条链路作为候选链路；如果有两条或两条以上的链路的度量取值是相同的，则任意选择其中之一为候选链路。
有益效果：与现有技术相比，本发明的单信道多跳无线网络中的链路功率分配方法，对于每个节点来说，可以使得从该节点发出的所有链路的吞吐率与相应权重的乘积的和的值达到最大；是分布式的，即不需要某个中央控制单元进行协调；而且只需要一次性计算就可以得到最终的功率分配结果，而不需要执行迭代计算过程。

附图说明

图1为多跳无线网络结构示意图。
图2为本发明分布式多跳无线网络链路功率分配方法的流程图。

具体实施方式

考虑一个含有N个节点的单信道多跳无线网络，其中第i(1≤i≤N)个节点的最大发射功率为Pi，接收噪声功率为Ni。记由所有传输链路组成的集合为E，其中任意元素(i，k)∈E都代表从节点i到节点k存有一条单向无线传输信道。
记每个节点i的邻居列表为A(i)。对于任意两个节点i和k来说，如果在i和k之间存在有一条通信质量超过某一门限的信道，则称节点i和k是相邻的，即k∈A(i)且i∈A(k)。因此，每个节点i在开始运行时，首先要设法获得自己的邻居列表A(i)，并且在系统运行过程中不断更新维护该列表。
每个节点i要通过某种信令方式得到所有邻居节点k的最大发射功率Pk，其中k∈A(i)。在系统运行过程中，如果集合A(i)发生变化，则要及时获得新近加入集合A(i)的节点的最大发射功率。
给定链路(i，k)∈E，假设发送节点i分配给该链路的功率为pik，则接收节点k所收到的功率为Gik·pik，其中Gik是从节点i到节点k的路径衰减系数。每个节点i在获得邻居列表A(i)后，要通过某种信道估计方法估计所有的Gik，其中k∈A(i)。并且，在系统运行过程中，要不断地更新维护所有Gik的取值。
给定链路(i，k)∈E，都会根据某种上层算法(如路由算法)的需要而被赋予了一个大于零的数μik做为权重。
本发明所涉及的分布式多跳无线网络链路功率分配方法，将对每个节点i实现下列最优化目标：
$\underset{p_{\mathrm{ik}},k\in A\left(i\right)}{\max }\underset{k}{\Sigma }{\mu }_{\mathrm{ik}}\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{G_{\mathrm{ik}}{p}_{\mathrm{ik}}}{\underset{(j,l)\ne (i,k)}{\Sigma }{G}_{\mathrm{jk}}{p}_{\mathrm{jl}}+N_k}).$
$s.t.\underset{k}{\Sigma }{p}_{\mathrm{ik}}\le P_i,p_{\mathrm{ik}}\ge 0,\forall k\in A\left(i\right).$
如图2所示，本发明的功率分配过程如下。
第一步，每个节点i需要预测除节点i外的其他节点对从该节点发出的每条链路(i，k)可能造成的干扰。具体来说，节点k做为链路(i，k)的接收节点，首先可以判断知道邻居列表A(k)中除节点i外的其他所有节点都会对链路(i，k)造成干扰。对于所有的这些干扰节点j(即j∈A(k)且j≠i)，节点k可以通过某种信道估计方法逐一估计与节点k之间的路径损耗Gjk，并通过某种信令方式获得其最大发射功率Pj。然后节点k把所有这些会对链路(i，k)造成干扰的节点的最大发射功率与相应路径损耗相乘后再求和，再加上在节点k处的接收噪声功率Nk，就可以得到对链路(i，k)的干扰预测值为
${\hat{I}}_{\mathrm{ik}}=\underset{j\in A\left(k\right),j\ne i}{\Sigma }{G}_{\mathrm{jk}}{P}_j+N_k,$
最后节点k把计算得到的预测干扰值通过某种信令方式汇报给节点i。
第二步，每个节点i，对于所有从该节点发出的链路(i，k)，需要根据预测干扰值以及预先设定的该链路的权重μik，选择一条最适合的链路作为候选链路。
具体来说，节点i首先需要计算从该节点发出的每一条链路(i，k)的预测信干噪比为：
$\mathrm{SI}\hat{N}{R}_{\mathrm{ik}}=\frac{G_{\mathrm{ik}}{p}_{\mathrm{ik}}}{{\hat{I}}_{\mathrm{ik}}};$
然后节点i计算从该节点发出的每条链路(i，k)的预测吞吐率为：
${\hat{c}}_{\mathrm{ik}}\frac{1}{2}{\log }_2(1+\mathrm{SI}\hat{N}{R}_{\mathrm{ik}})=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{G_{\mathrm{ik}}{p}_{\mathrm{ik}}}{{\hat{I}}_{\mathrm{ik}}});$
并赋予每条链路(i，k)以度量
${\mathrm{metric}}_{\mathrm{ik}}={\mu }_{\mathrm{ik}}·{\hat{c}}_{\mathrm{ik}}.$
最后，节点i选择度量取值最大的那条链路作为候选链路。如果有两条或两条以上的链路的度量取值相同，则任意选择其中之一作为候选链路。
第三步，对于每个节点i，把该节点的所有功率Pi都分配给该候选链路。