能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法

摘要

本发明公开了一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，属于无线通信技术领域。包括步骤:系统场景分析，问题归结；系统数学模型建立；然后利用优化方法求出最优解。本发明针对特殊的应用场景，来源实际应用，充分考虑可再生能源的环保方案，结合中继站的协作转发功能，采用能量采集中继站协作转发数据。本发明针对最优化问题的求解，采用凸优化处理，转化优化问题的目标函数，不经过近似计算，不影响问题的精度的同时极大的降低的计算复杂度，减少系统开销产生的时延，寻优过程采用拉格朗日乘子方法，寻优速度快，算法迭代过程中采用次梯度方法，并选用渐进步长，寻优更加精确。本发明的资源分配方法，算法设计合理，易于实现。

主权项

一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，其特征在于，包括：步骤1:系统场景分析，问题归结；考虑一个经典的三节点场景，场景中有一个能量采集的小蜂窝S，一个能量采集的中继站R和一个目标通信蜂窝用户D，考虑小蜂窝S和蜂窝用户D之间的无直达路径，中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，基站S和中继R占用相等的带宽B，考虑该场景下的小蜂窝S和中继站R的功率指派问题；假设用于能量采集的电池容量足够大，用于传输消耗的能量可以忽略不计，在传输每一次的数据块时总的能量约束方程必须满足：$\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_S\left(i\right)\le \frac{1}{B}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{E}_S\left(i\right),\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_R(i+1)\le \frac{1}{B}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{E}_R(i+1),k=1,...,N.$其中：P_S(i)表示小蜂窝S发送第i个数据块时分配的功率，E_S(i)表示小蜂窝S在i个传输时隙内采集到的功率，P_R(i+1)表示中继站R在第i+1个时隙转发第i个数据块时分配的功率，E_R(i+1)表示中继站R在第i+1个传输时隙内采集到的功率，信道的输入输出关系满足：$y_{sr}\left(i\right)=\sqrt{h_{sr}}{x}_s\left(i\right)+n_r\left(i\right),y_{sd}\left(i\right)=\sqrt{h_{sd}}{x}_s\left(i\right)+n_d\left(i\right),y_{rd}(i+1)=\sqrt{h_{rd}}{x}_r(i+1)+w_d(i+1).$其中，x_s(i)和x_r(i+1)分别表示小蜂窝S在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，y_sr(i)表示中继站R在第i个时隙的接收信号，y_sd(i)和y_rd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，h_sr表示小蜂窝S和中继站R之间的信道功率增益，h_sd表示小蜂窝S和蜂窝用户D之间的信道功率增益，h_rd表示中继站R和蜂窝用户D之间的信道功率增益，n_r(i)表示中继站R在第i时隙的接收信号噪声，n_d(i)和w_d(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，基站S和中继站R之间，基站S和蜂窝用户D之间以及中继站R和蜂窝用户D之间的接收信噪比分别满足：γ_sr(i)＝P_S(i)h_sr,γ_sd(i)＝P_S(i)h_sd,γ_rd(i+1)＝P_R(i+1)h_rd.其中，γ_sr(i)表示基站S和中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γ_sd(i)和γ_rd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i时隙以及第i+1时隙的接收信噪比，定义新的小蜂窝S和中继站R的能量和功率曲线为：${\tilde{E}}_S\left(i\right)=E_S\left(i\right)h_{sr},{\tilde{E}}_R(i+1)=E_R(i+1)h_{rd},{\tilde{P}}_S\left(i\right)=P_S\left(i\right)h_{sr},{\tilde{P}}_R(i+1)=P_R(i+1)h_{rd}.$由此可以获得新的信道增益的表达式如下：${\tilde{h}}_{sr}={\tilde{h}}_{rd}=1,{\tilde{h}}_{sd}=\frac{h_{sd}}{h_{sr}}=h_0.$据此，我们重新改写信道模型的表达式如下：$y_{sr}\left(i\right)=x_s\left(i\right)+n_r\left(i\right),y_{sd}\left(i\right)=\sqrt{h_0}{x}_s\left(i\right)+n_d\left(i\right),y_{rd}(i+1)=x_r(i+1)+w_d(i+1).;$步骤2:系统数学模型建立，在DF中继的传输模式下，当第i个数据块被传输时，必须满足R(i)≤C(P_S(i))其中R(i)表示第i时隙的速率，C(P_S(i))表示第i时隙的容量，下一个数据块i+1传输的时间内，同样需要满足R_B(i+1)≤C(P_R(i+1)),R(i)≤R_B(i+1)≤C(P_R(i+1)).其中C(P_R(i+1))表示第i+1时隙的容量，R_B(i+1)表示中继站R第i+1时隙的分割速率，由此可以得到第i个数据块传输时的可达速率：R(i)＝min{C(P_S(i)),C(P_R(i+1))}考虑一个N个数据块的传输过程，可以归结出平均吞吐量最大化的最优化问题如下：$P1:\underset{\left\{P_S\left(i\right)\right\},\left\{P_R(i+1)\right\}}{max}\frac{1}{2(N+1)}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}min\{C\left(P_S\right(i\left)\right),C\left(P_R\right(i+1\left)\right)\}$$s.t.\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_S\left(i\right)\le \frac{1}{B}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{E}_S\left(i\right),k=1,...,N,;$$\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_R(i+1)\le \frac{1}{B}\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{E}_R(i+1),k=1,...,N,$P_S(i)≥0,P_R(i+1)≥0,i＝1,...N.步骤3:设置i＝1，判断当i≤N时，跳转至步骤4，否则跳转至步骤7算法结束；步骤4:分别计算i_s，和i_r如下$i_s=\arg \underset{i\le j\le N}{\min }\left\{\frac{{\tilde{E}}_S\left(i\right)+{\Sigma }_{k=i}^j{E}_S\left(k\right)}{\left(j-i+1\right)B}\right\}$$i_r=\arg \underset{i\le j\le N}{\min }\left\{\frac{{\tilde{E}}_R\left(i+1\right)+{\Sigma }_{k=i}^j{E}_R\left(k+1\right)}{\left(j-i+1\right)B}\right\}$${\tilde{P}}_S^i=\frac{{\tilde{E}}_S\left(i\right)+{\Sigma }_{k=i}^{i_s}{E}_S\left(k\right)}{\left(i_s-i+1\right)B}$${\tilde{P}}_R^{i+1}=\frac{{\tilde{E}}_S\left(i+1\right)+{\Sigma }_{k=i}^{i_r}{E}_R\left(k+1\right)}{\left(i_r-i+1\right)B}$其中，表示小蜂窝S在第i时隙预分配的发射功率，表示中继站R在第i+1时隙预分配的发射功率，i_s和i_r分别表示小蜂窝S以及中继站R的能量耗尽时隙，表示小蜂窝S在第i个时隙发射信号以前剩余的功率，表示中继站R在第i+1个时隙发射信号以前剩余的功率，${\tilde{E}}_S\left(1\right)={\tilde{E}}_S\left(2\right)=0,{\tilde{E}}_S\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{E}_S\left(k\right)-{\mathrm{BP}}_S^{*}\left(k\right)$${\tilde{E}}_R(i+1)=\underset{k=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{E}_R(k+1)-{\mathrm{BP}}_R^{*}\left(k+1\right),i=2,...,N$其中，和分别表示小蜂窝S在第i时隙以及中继站R在第i+1时隙的最优发射功率；步骤5：判断是否成立，是就跳至步骤6，否就跳至步骤7；步骤6：计算其中k＝i，...，i_r，设置i＝i_r+1，跳至步骤8；步骤7：计算其中k＝i，...，i_s，设置i＝i_s+1，跳至步骤8；步骤8：算法结束，输出和获得该场景下的小蜂窝S和中继站R的最优功率指派。