[论文解读] Optimal Relay Power Allocation for Amplify-and-Forward Relay Networks with Non-linear Power Amplifiers

Chao Zhang, Pinyi Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用 7

一句话总结

本文提出了一种非线性功率放大器（PA）的放大-转发（AF）中继网络中的最优中继功率分配方案，利用Bussgang线性化将非线性失真建模为等效线性系统。通过设计一种考虑非线性失真的最大比率合并接收机，并在总功率约束下建立凹优化问题，该方案最大化端到端信噪比（SNR），显著提升系统容量，尤其在非线性失真占主导的高SNR区域表现突出。

ABSTRACT

In this paper, we propose an optimal relay power allocation of an Amplify-and-Forward relay networks with non-linear power amplifiers. Based on Bussgang Linearization Theory, we depict the non-linear amplifying process into a linear system, which lets analyzing system performance easier. To obtain spatial diversity, we design a complete practical framework of a non-linear distortion aware receiver. Consider a total relay power constraint, we propose an optimal power allocation scheme to maximum the receiver signal-to-noise ratio. Simulation results show that proposed optimal relay power allocation indeed can improve the system capacity and resist the non-linear distortion. It is also verified that the proposed transmission scheme outperforms other transmission schemes without considering non-linear distortion.

研究动机与目标

• 解决非线性功率放大器（PA）失真导致的AF中继网络性能退化问题。
• 设计一种考虑非线性失真的实用接收机框架，通过最大比率合并实现空间分集。
• 在总功率约束下建立并求解最优中继功率分配优化问题，以最大化端到端信噪比（SNR）。
• 证明忽略非线性失真进行功率分配会导致次优性能，尤其在高SNR区域更为明显。
• 验证所提方案在对称与非对称中继网络中均优于传统功率分配策略。

提出的方法

• 利用Bussgang线性化理论将非线性PA建模为带有附加失真的等效线性系统，实现可分析的性能评估。
• 通过引入非线性失真模型并结合多跳中继链路的最大比率合并，推导出目的地的等效接收SNR。
• 设计一种考虑非线性PA影响的等效信道估计算法，以提升接收机精度。
• 建立一个非凸优化问题，以在总中继功率约束下最大化平均接收SNR。
• 证明在有效功率范围内，该优化问题为凹问题，从而可利用拉格朗日乘子法求解最优解。
• 基于统计信道状态信息，应用基于水填充算法的功率分配方法，实现对分集增益与非线性失真鲁棒性的联合优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性PA失真如何影响放大-转发中继网络的性能，特别是在SNR和系统容量方面的表现？
• RQ2 在实际接收机设计中，能否有效建模并补偿PA的非线性失真，以恢复空间分集增益？
• RQ3 在考虑非线性PA影响的前提下，如何制定最优中继功率分配策略，以在总功率约束下最大化端到端SNR？
• RQ4 与忽略非线性失真的传统功率分配方案相比，所提方案在频谱效率和鲁棒性方面有何优势？
• RQ5 在中继间信道增益显著差异的非对称中继网络中，所提方案是否仍保持性能优势？

主要发现

• 所提最优功率分配方案相比忽略非线性失真的传统方案，显著提升了系统容量，尤其在高SNR区域表现更优。
• 在SNR ≥ 18 dB时，所提方案保持恒定容量，而NLPA-TWF与NLPA-EPA因功率放大器引起的过度非线性失真导致容量下降。
• 在非对称中继网络中，该方案在整个SNR范围内均优于NLPA-TWF与NLPA-EPA，展现出对信道增益变化的强鲁棒性。
• 在低SNR区域，所提方案与NLPA-EPA相比表现出显著的容量增益，表明即使在非线性失真较小时也具备更优性能。
• 优化问题在有效功率范围内为凹问题，可通过拉格朗日乘子法获得全局最优解，确保收敛性与可靠性。
• 仿真结果证实，所提方案能有效抵抗非线性失真，尤其在中继功率被最优分配时，其性能趋近于理想线性PA方案（LPA-TWF）。