[发明专利]无线携能双向中继网络中面向用户公平性的容量最大化传输方法

权利要求书

1.无线携能双向中继网络中面向用户公平性的容量最大化传输方法，其特征在于，所述双向中继网络包括用户节点s、用户节点D和中继节点R，中继节点R为无源节点；该方法包括步骤：

(1)定义用户节点s、D通过中继节点R交互信息的整个过程所占用的时间为T；将T按照时间顺序，以占比比例为Δ₁、Δ₂、Δ₃分为第一、第二、第三传输阶段，Δ₁≥0，Δ₂≥0，Δ₃≥0，Δ₁+Δ₂+Δ₃＝1，其中：

第一传输阶段中，用户节点S向中继节点R发送信号；

第二传输阶段中，用户节点D向中继节点R发送信号；

第三传输阶段中，用户节点S和用户节点D所发送的信号分别被中继节点R分为两部分，一部分用于信号译码，另一部分用于能量提取，中继节点R利用提取的能量进行信号译码，并将用户节点S和用户节点D的信号译码结果异或后再广播给S和D；定义中继节点R接收到来自S和D的信号分别为y_s和y_d，y_s中用于信号译码的功率与y_s总功率的比例为δ₁，y_d中用于信号译码的功率与y_d总功率的比例为δ₂；δ₁，δ₂∈[0，1]；

(2)根据三个传输阶段的链路状态给出s和D消耗的能量和可达传输速率的约束条件，并以最大化系统公平性效用函数为目标问题，构建用户节点传输速率和功率分割比例优化问题模型：

P1：

其中，R₁、R₂分别为用户节点S和D的用户传输速率，α表示公平性水平，μ_α(·)为公平性效用函数，C(p)＝log(1+p)；表示第一传输阶段S-R链路的信噪比，z_s表示第一传输阶段S-R链路中信道慢衰落和路径损耗共同导致的信号功率衰减，P_n为信道高斯白噪声方差；表示第二传输阶段R-D链路的信噪比，z_d表示第二传输阶段R-D链路中信道慢衰落和路径损耗共同导致的信号功率衰减；和分别表示第三传输阶段R-D链路、R-S链路的信噪比，E_r表示中继节点R捕获到的总能量；

(3)通过求解上述问题P1的拉格朗日对偶问题来求取全局最优解，得到全局最优的用户传输速率和功率分割比例

2.根据权利要求1所述的无线携能双向中继网络中面向用户公平性的容量最大化传输方法，其特征在于，所述问题P1的求解方法包括步骤：

S1：计算P1对应的拉格朗日对偶函数为：

其中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅和λ₆为拉格朗日乘子；

S2：将拉格朗日对偶问题表示为：

P2：

S3：将P2分解为内层和外层；内层问题为固定拉格朗日乘子为特定值时，求取如下优化问题：

外层解决外部的最小化问题，即据内层优化求解得到的R₁，R₂，δ₁，δ₂，求解如下优化问题：

按照先内层后外层的顺序迭代求解；其中，外层的最小化问题用高效的梯度下降法求解，内层的最大化问题求解如下：

根据KKT条件要求：

求解得到δ₁和δ₂的全局最优解：

其中，(a)⁺表示取非负运算，即当a≥0，(α)⁺＝a；否则，(a)⁺＝0；

同理，通过求解和得到R₁和R₂的全局最优解：