[发明专利]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：Σi=1kPS(i)≤1BΣi=1kES(i),Σi=1kPR(i+1)≤1BΣi=1kER(i+1),k=1,...,N.]]>其中：PS(i)表示小蜂窝S发送第i个数据块时分配的功率，ES(i)表示小蜂窝S在i个传输时隙内采集到的功率，PR(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，ER(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：ysr(i)=hsrxs(i)+nr(i),ysd(i)=hsdxs(i)+nd(i),yrd(i+1)=hrdxr(i+1)+wd(i+1).]]>其中，xs(i)和xr(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，ysr(i)表示中继站R在第i个时隙的接收信号，ysd(i)和yrd(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，hsr表示小蜂窝S和中继站R之间的信道功率增益，hsd表示小蜂窝S和蜂窝用户D之间的信道功率增益，hrd表示中继站R和蜂窝用户D之间的信道功率增益，nr(i)表示中继站R在第i时隙的接收信号噪声，nd(i)和wd(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：γsr(i)＝PS(i)hsr,γsd(i)＝PS(i)hsd,γrd(i+1)＝PR(i+1)hrd.其中，γsr(i)表示基站S和中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γsd(i)和γrd(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：E~S(i)=ES(i)hsr,E~R(i+1)=ER(i+1)hrd,P~S(i)=PS(i)hsr,P~R(i+1)=PR(i+1)hrd.]]>由此可以获得新的信道增益的表达式如下：h~sr=h~rd=1,h~sd=hsdhsr=h0.]]>据此，我们重新改写信道模型的表达式如下：ysr(i)=xs(i)+nr(i),ysd(i)=h0xs(i)+nd(i),yrd(i+1)=xr(i+1)+wd(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(PS(i))其中R(i)表示第i时隙的速率，C(PS(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RB(i+1)≤C(PR(i+1)),R(i)≤RB(i+1)≤C(PR(i+1)).其中C(PR(i+1))表示第i+1时隙的容量，RB(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(PS(i)),C(PR(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:max{PS(i)},{PR(i+1)}12(N+1)Σi=1Nmin{C(PS(i)),C(PR(i+1))}]]>s.t.Σi=1kPS(i)≤1BΣi=1kES(i),k=1,...,N,;]]>Σi=1kPR(i+1)≤1BΣi=1kER(i+1),k=1,...,N,]]>PS(i)≥0,PR(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is，和ir如下is=argmini≤j≤N{E~S(i)+Σk=ijES(k)(j-i+1)B}]]>ir=argmini≤j≤N{E~R(i+1)+Σk=ijER(k+1)(j-i+1)B}]]>P~Si=E~S(i)+Σk=iisES(k)(is-i+1)B]]>P~Ri+1=E~S(i+1)+Σk=iirER(k+1)(ir-i+1)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，is和ir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，E~S(1)=E~S(2)=0,E~S(i)=Σk=1i-1ES(k)-BPS*(k)]]>E~R(i+1)=Σk=1i-1ER(k+1)-BPR*(k+1),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，...，ir，设置i＝ir+1，跳至步骤8；步骤7：计算其中k＝i，...，is，设置i＝is+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。