解码转发全双工中继网络的能效谱效均衡

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022091414

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (10): 3188-3194.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022091414

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解码转发全双工中继网络的能效谱效均衡

张茜¹^,², 仇润鹤¹^,²()

^1.东华大学信息科学与技术学院，上海 201620
^2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心（东华大学），上海 201620

收稿日期:2022-09-22 修回日期:2022-12-26 接受日期:2023-01-13 发布日期:2023-04-14 出版日期:2023-10-10
通讯作者: 仇润鹤
作者简介:张茜（1998—），女，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向：协作中继网络；
基金资助:
上海市自然科学基金资助项目(20ZR1400700)

Trade-off between energy efficiency and spectrum efficiency for decode-and-forward full-duplex relay network

Qian ZHANG¹^,², Runhe QIU¹^,²()

^1.College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China
^2.Engineering Research Center of Digitalized Textile and Apparel Technology，Ministry of Education （Donghua University），Shanghai 201620，China

Received:2022-09-22 Revised:2022-12-26 Accepted:2023-01-13 Online:2023-04-14 Published:2023-10-10
Contact: Runhe QIU
About author:ZHANG Qian， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include cooperative relay network.
Supported by:
Natural Science Foundation of Shanghai(20ZR1400700)

摘要/Abstract

摘要：

为优化解码转发（DF）全双工中继网络的能量效率（EE）与频谱效率（SE），提出一种DF全双工中继网络的EE和SE的均衡方法。在全双工中继网络中，首先，以提高网络的SE为目标来优化网络的EE，并结合求导和牛顿?拉弗森方法得到中继的最优功率，进而给出目标函数的帕累托最优集；然后，通过加权标量法引入均衡因子，构建一个EE和SE的折中优化函数，通过归一化将EE最优化和SE最优化这一多目标优化问题转化为单目标的能量?频谱效率的优化问题，并分析不同均衡因子下的EE、SE和折中优化的性能。仿真实验结果表明，相较于全双工?最优功率方法、半双工?最佳中继最优功率分配方法，所提方法的SE和EE在相同数据传输速率下更高；通过调整不同均衡因子，可以实现EE和SE的最优均衡与优化。

关键词: 全双工, 解码转发, 能量效率, 频谱效率, 均衡因子

Abstract:

In order to optimize the Energy Efficiency （EE） and Spectrum Efficiency （SE） of Decode-and-Forward （DF） full-duplex relay network， a trade-off method of EE and SE for DF full-duplex relay network was proposed. In full-duplex relay network， firstly， the EE of the network was optimized with the goal of improving the SE of the network. And the optimal power of the relay was obtained by combining the derivation and the Newton-Raphson method， then the Pareto optimal set of the objective function was given. Secondly， a trade-off factor was introduced through the weighted scalar method， a trade-off optimization function of EE and SE was constructed， and the multi-objective optimization problem of EE optimization and SE optimization was transformed into a single-objective energy-spectrum efficiency optimization problem by using normalization. At the same time， the performance of EE， SE and trade-off optimization under different trade-off factor was analyzed. Simulation results show that the SE and EE of the proposed method are higher at the same data transmission rate compared with the those of the full-duplex-optimal power method and the half-duplex-optimal relay-optimal power allocation method. By adjusting different trade-off factors， the optimal trade-off and the optimization of EE and SE can be achieved.

Key words: full-duplex, Decode-and-Forward (DF), Energy Efficiency (EE), Spectrum Efficiency (SE), trade-off factor

中图分类号:

TN925

张茜, 仇润鹤. 解码转发全双工中继网络的能效谱效均衡[J]. 计算机应用, 2023, 43(10): 3188-3194.

Qian ZHANG, Runhe QIU. Trade-off between energy efficiency and spectrum efficiency for decode-and-forward full-duplex relay network[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(10): 3188-3194.

图/表 7

图1 解码转发全双工中继网络模型

Fig. 1 Decode-and-forward full-duplex relay network model

表1 仿真参数

Tab. 1 Simulation parameters

参数	取值
源节点与目的节点的距离d	1
源节点与中继节点的距离 $d S R$	（0，1）
非理想功率放大因子 $ε$	2.875
信道衰落因子v	2.5
信道带宽W/Hz	1
各节点发射功率上限/W	0.875
残余自干扰功率 $σ r 2$ /W	0.05
频谱效率下限 $r m i n$ /（ $b i t · s - 1 · H z - 1$ ）	0.2
电路功率 $P C$ /W	1.2
自干扰消除功率 $P S I C$ /W	0.1
噪声功率 $σ 2$ /W	1

表1 仿真参数

Tab. 1 Simulation parameters

参数	取值
源节点与目的节点的距离d	1
源节点与中继节点的距离 $d S R$	（0，1）
非理想功率放大因子 $ε$	2.875
信道衰落因子v	2.5
信道带宽W/Hz	1
各节点发射功率上限/W	0.875
残余自干扰功率 $σ r 2$ /W	0.05
频谱效率下限 $r m i n$ /（ $b i t · s - 1 · H z - 1$ ）	0.2
电路功率 $P C$ /W	1.2
自干扰消除功率 $P S I C$ /W	0.1
噪声功率 $σ 2$ /W	1

图2 DT、HD和FD传输模型下的EE-SE均衡

Fig. 2 EE-SE trade-off under DT， HD and FD transmission models

图3 不同中继距离下的EE-SE均衡

Fig. 3 EE-SE trade-off at different relay distances

图4 不同方案下SE、EE与SNR的关系

Fig. 4 Relationship between SE， EE and SNR under different schemes

图5 不同均衡因子下的最优传输功率

Fig. 5 Optimal transmission power under different trade-off factor

图6 不同均衡因子下的EE、SE和EE-SE

Fig. 6 EE， SE and EE-SE under different trade-off factor

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解码转发全双工中继网络的能效谱效均衡

Trade-off between energy efficiency and spectrum efficiency for decode-and-forward full-duplex relay network

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