CN105451343A - 一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法，该方法中有多个工作于无线能量采集模式下的中继节点参与协作，在中继联合最大发送功率和节点采集能量独立受限的条件下，基于系统中断概率最小化构建优化模型，采用拉格朗日乘子法计算得到中继节点的最优发送功率。考虑到实际应用中单中继实现简单的特点，根据中断概率表达式提取出中继贡献因子，并以此作为中继选择的条件，在满足系统性能要求的情况下，选择出一个最优中继参与协作。本发明实现了多中继协作时节点间发送功率的最优分配，有效降低系统中断概率，且在满足性能要求的前提下，选择出最优单中继参与协作，具有节省能耗开销、便于实现的优点。

Description

一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，未来的无线通信网络将会是一个支持多种无线通信系统的异构通信网络，以提供更高的传输速率和更可靠的传输性能。在频谱资源日趋紧张的背景下，多天线系统由于能够显著提升系统的传输性能和频谱效率，已经受到了广泛的关注。

协作通信作为多天线技术的一种扩展，主要是通过中继技术来实现，其基本思想是利用无线电波的广播特性，不同用户共享彼此的天线，形成虚拟的MIMO系统，从而在单天线终端的条件下也可以获得分集增益。相比于以往的通信方式，协作通信可以提供更高的分集增益、更高的吞吐率、更高的资源利用率以及有效降低发射机的发射功率。

传统的中继技术中，参与协作的中继节点的电池容量是有限的，频繁地充电或更换电池极为不便，能量采集可以从周围环境的可再生资源中(如太阳能、风能、地热能和无线电信号等)收集能量，从而延长能量受限的无线网络的生存时间，因此被视为一种为中继节点供电的先进技术。由于射频信号可以同时携带信息和能量，因此能量受限的中继节点可以在接收信息的时候采集能量。

因此，在中继节点具有能量采集功能的情况下，如何根据瞬时信道状态和当前中继节点采集的到能量，合理地对中继网络的资源进行分配是目前的一个研究热点。本发明在两跳多中继(不考虑直传链路)场景下，以工作在能量采集模式下的中继节点为研究对象，在中继联合最大发送功率和节点采集能量独立受限的条件下，构建了以系统中断概率最小化为目标的优化模型，对每个能量受限中继节点的发送功率进行了最优分配。在中继选择方面，根据中断概率表达式提取出中继贡献因子，并以此作为中继选择的条件，在满足系统性能要求的情况下，选择出一个最优中继参与协作，具有减少能耗开销、实现简单的优点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法，通过合理分配中继节点的发送功率，降低系统中断概率，并且在满足系统性能要求的情况下，选择出一个最优中继参与协作。

技术方案：本发明的基于能量采集的多中继网络资源分配方法，包括以下步骤：

1)初始化中继节点序号k＝1；

2)所有中继节点都工作在无线能量采集模式下，且无线能量由源节点发送，计算第k个中继节点r_k(1≤k≤K)采集到的能量其中K为中继个数，0＜η≤1表示能量转换系数，表示源节点s和中继节点r_k之间的距离，T表示时隙的持续时间，P_s为源节点s的发送功率，为源节点s和中继节点r_k之间的信道增益；

3)计算中继节点r_k的发送功率其中 和分别表示源节点与第k个中继节点以及第k个中继节点与目的节点之间的信道增益，它们是相互独立的均值为零的复高斯变量，方差分别为和λ是拉格朗日乘子，用于限制中继节点发送功率之和不超过联合最大发送功率，其值可以由黄金分割法解得；

4)根据所述步骤3)中得到的中继节点r_k的发送功率，判断中继节点r_k的发送功率是否大于其采集到的能量值取二者中较小的一个作为r_k的最优发送功率即

$P_{r_k}^{*}=\min (\frac{\sqrt{P_s^2+4b_k{P}_s\mathrm{\λ}}-P_s}{2b_k,},P_{r_k}^{eh});$

5)k＝k+1，确定k是否大于K，若大于，转到步骤6)；否则转到步骤2)，对下一个中继节点进行功率分配；

6)置k＝1；

7)计算第k个中继节点的中断概率贡献因子其中为中继和目的节点的噪声功率；

8)k＝k+1，确定k是否大于K，若大于，转到步骤9)；否则转到步骤7)；

9)选取贡献因子最小的那一个中继节点参与协作转发信号；

10)对于选取出来的最优中继节点取其采集到的能量值和中继联合最大发送功率二者中的较小值作为的发送功率。

本发明方法在两跳多中继的网络场景下，以工作在无线能量采集模式下的中继节点为研究对象，通过构建以系统中断概率最小化为目标的优化模型，采用拉格朗日乘子法求解得到多中继节点的最优发送功率，有效降低系统中断概率；在满足系统性能要求的情况下，通过计算各个中继节点的贡献因子，选择出一个最优中继参与协作，可以减少系统能耗开销，且在实际应用中更加容易实现。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明方法以系统中断概率最小化为优化目标，对具有能量采集功能的中继节点的发送功率进行了最优分配，与等功率分配方法相比，能量分配更加合理，在有效提升系统性能的基础上，避免了能量的浪费；

2.本发明方法考虑了中继联合最大发送功率受限和节点采集能量独立受限这一实际系统应用中的关键因素，设计了基于中断概率最小化的功率分配和中继选择算法，具有创新和应用价值；

3.从实际应用的角度来看，本发明的单中继选择方法更加容易实现，并且在满足系统性能要求的情况下，可以有效节约系统能耗开销。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法的网络模型示意图。

图3为不同功率分配方案下的中断概率比较图。

图4为单中继选择方案的中断概率比较图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的两跳多中继无线协作网络模型如附图2所示，它由1个源节点、1个目的节点和K个中继节点组成，分别记做s，d和r_k(1≤k≤K)。假设源和目的节点之间无直传链路，由K个中继节点帮助源节点s把信息转发给目的节点d，所有中继节点都工作在半双工模式下，不能同时接收和传送信息。该模型采用时分双工传输协议，源节点s和目的节点d之间的通信过程分为两个时隙：在第一个时隙中，源节点s向所有K个中继节点广播信息；第二个时隙，K个中继节点将在第一个时隙接收到的信号经简单的放大处理后转发给目的节点d。源节点s是传统的稳定供电，并且发送功率固定为P_s，而中继节点r_k(1≤k≤K)则是工作在能量采集模式下，且从接收到的信号中采集能量。

中继节点在第一时隙接收到的信号以及目的节点d在第二时隙接收到的信号分别为：

$y_{s,r_k}=\sqrt{P_s}{h}_{s,r_k}x+n_{s,r_k};\∀k=1,2,...,K---\left(1\right)$

$y_{r_k,d}={\mathrm{\β}}_{r_k}\sqrt{P_{r_k}}{h}_{r_k,d}{y}_{s,r_k}+n_{r_k,d};\∀k=1,2,...,K---\left(2\right)$

其中x是要传输的数据符号，P_s和为源节点s和中继节点r_k的发送功率，是功率放大因子，表达式为：

${\mathrm{\β}}_{r_k}=\sqrt{\frac{1}{\left(P_s\right|h_{s,r_k}{|}^2+N_{s,r_k})}}---\left(3\right)$

和是源节点s和中继节点r_k之间以及r_k和目的节点d之间的信道增益，它们服从均值为0，方差分别为和的复高斯分布，和是方差为和的独立同分布的复高斯随机变量，不失一般性，假设目的节点d采用最大比合并(MRC)方式对K个中继节点转发来的信号进行合并，因此接收到的信号为：

$y=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_k{y}_{r_k,d}---\left(4\right)$

其中 ${\mathrm{\μ}}_k=\sqrt{P_s{P}_{r_k}}{h}_{s,r_k}^{*}{h}_{r_k,d}^{*}/\[\left(P_{r_k}{\mathrm{\β}}_{r_k}^2{\left|h_{r_k,d}\right|}^2+1\right){\mathrm{\σ}}_0^2\],\∀k=1,2,\mathrm{...},K,$ 表示的共轭值。因此在目的节点d处的信噪比可以表示为：

$\mathrm{\γ}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{r_k}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\frac{\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_0^2}\left|h_{s,r_k}{|}^2\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\σ}}_0^2}\right|h_{r_k,d}{|}^2}{\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_0^2}|h_{s,r_k}{|}^2+\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\σ}}_0^2}|h_{r_k,d}{|}^2+1}---\left(5\right)$

能量采集模式下的系统中断事件由两部分组成：中继节点r_k采集到的能量不足以支撑其进行信息转发；源节点s通过中继节点r_k到目的节点d的信道链路条件差。

链路s-r_k-d的瞬时信道容量为：

$C_{s,r_k,d}=\frac{1}{2}log(1+{\mathrm{\γ}}_k)=\frac{1}{2}log(1+\frac{\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_0^2}\left|h_{s,r_k}{|}^2\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\σ}}_0^2}\right|h_{r_k,d}{|}^2}{\frac{P_s}{{\mathrm{\σ}}_0^2}|h_{s,r_k}{|}^2+\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\σ}}_0^2}|h_{r_k,d}{|}^2+1})---\left(6\right)$

其中1/2表示信号从源节点传输到目的节点经过了两个时隙。

定义链路s-r_k-d发生中断的概率为：

$\begin{array}{c}{P}_{s,r_k,d}^{out}=P\{C_{s,r_k,d}<R_0\}\\ =P\left\{\frac{1}{2}\log \left(1+\frac{\frac{P_s}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}\left|h_{s,r_k}{|}^2\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}\right|h_{r_k,d}{|}^2}{\frac{P_s}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}|h_{s,r_k}{|}^2+\frac{P_{r_k}}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}|h_{r_k,d}{|}^2+1}\right)<R_0\right\}\\ =P\left\{{\mathrm{\&gamma;}}_k<2^{2R_0}-1\right\}\end{array}---\left(7\right)$

$\&ap;(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}})(2^{2R_0}-1)$

其中R₀表示信道容量阈值。

当源节点和目的节点之间不存在直达链路时，能量采集模式下的系统中断概率为：

$P_{co}^{out}=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Pi;}}\&lsqb;p_k^{ex}+\left(1-p_k^{ex}\right)\&CenterDot;P_{s,r_k,d}^{out}\&rsqb;---\left(8\right)$

其中记作中继节点r_k能量耗尽的概率，即中继节点r_k采集到的能量不足以支撑整个通信过程的概率。

把公式(7)带入公式(8)，可以得到：

$P_{co}^{out}=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Pi;}}\{p_k^{ex}+(1-p_k^{ex})\&CenterDot;(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}}\left)\right(2^{2R_0}-1\left)\right\}---\left(9\right)$

本发明假设源节点的发射功率为固定值P_s，不需要进行分配，所以在给定传输速率要求R₀的情况下，以最小化系统中断概率为目标的最优化问题可以表示为：

$\begin{array}{c}{P}^{*}=\underset{P}{\min }{P}_{\mathrm{co}}^{\mathrm{out}}\\ \begin{array}{cc}s.t.& \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{r_t}\&le;P_{\max }\end{array}\end{array}---\left(10\right)$

$0\&le;P_{r_k}\&le;P_{r_k}^{eh},\&ForAll;k=1,2,...,K$

其中P_max表示所有中继节点的最大发送功率，表示中继节点r_k从源节点处采集到的能量，即：

$P_{r_k}^{eh}=\frac{{\mathrm{\&eta;P}}_s|h_{s,r_k}{|}^2}{d_{s,r_k}^2}\&CenterDot;T---\left(11\right)$

其中0＜η≤1表示能量转换系数，表示源节点s和中继节点r_k之间的距离，T表示一个时隙的持续时间，由于本发明对时隙持续时间做了归一化处理，所以在本发明中功率和能量都指代同一个意思，即

根据公式(9)和(10)，不失一般性，假设每个中继节点的能量耗尽概率都相同，即那么公式(10)表示的最优化问题可以简化为：

$\begin{array}{c}{P}^{*}=\underset{P}{\min }\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}}\right)\\ \begin{array}{cc}s.t.& \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{r_k}\&le;P_{\max }\end{array}\end{array}---\left(12\right)$

$0\&le;P_{r_k}\&le;P_{r_k}^{eh},\&ForAll;k=1,2,...,K$

对目标函数取自然对数ln(·)，则目标函数可以改写为：

$f\left(P_{r_k}\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\ln (\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}})---\left(13\right)$

从公式(12)中可以看到，当满足条件时，中断概率可以取得最小值，否则可以继续增加中继节点的发送功率来进一步降低中断概率的值。该最优化问题的拉格朗日函数可以写为：

$L(P_{r_k},\mathrm{\&lambda;})=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}ln(\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}})+\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}(\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{P}_{r_k}-P_{max})---\left(14\right)$

注意，此处的拉格朗日乘子取只是为了后面的计算和表示更加方便。

对公式(14)中的变量P_rk取偏导数，并令式子等于零，可以得到：

$\frac{\&part;L\left(P_{r_k},\mathrm{\&lambda;}\right)}{\&part;P_{r_k}}=-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}+{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}\&CenterDot;\frac{1}{P_{r_k}}+\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}=0;\&ForAll;k=1,2,\mathrm{...},K---\left(15\right)$

为了对上式进行求解，定义：

$b=\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_1,d}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_1}^2},\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_2,d}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_2}^2}...\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_K,d}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_K}^2}\&rsqb;---\left(16\right)$

然后对等式(15)进行整理后得到：

$b_k{P}_{r_k}^2+P_s{P}_{r_k}-{\mathrm{\&lambda;P}}_s=0,\&ForAll;k=1,2,...,K---\left(17\right)$

解方程式(17)可以得到关于的两个根，由于其中一个根是负值，所以将其舍去后可以得到：

$P_{r_k}=\frac{\sqrt{P_s^2+4b_k{P}_s\mathrm{\&lambda;}}-P_s}{2b_k}---\left(18\right)$

其中λ是使得各中继节点发送功率之和满足最大发送功率限制的常数，其值可以由黄金分割法解得。

根据KKT条件可知，当中断概率取得最小值时，若最优功率分配必定在边界处取得，即所以由KKT条件可得：

$P_{r_k}^{*}=min\left(\frac{\sqrt{P_s^2+4b_k{P}_s\mathrm{\&lambda;}}-P_s}{2b_k},P_{r_k}^{eh}\right)---\left(19\right)$

虽然多中继协作可以取得全分集增益，但是其要求所有参与协作的中继保持同步，设计难度大。在实际应用中，单中继协作更加容易实现，并且在满足系统性能要求的情况下，可以有效节约系统能耗开销，因此本发明在功率分配方法之后提出一种单中继选择方法。根据系统中断概率的闭合表达式(9)，定义中继节点r_k在中断概率中的贡献因子为：

${\mathrm{\&phi;}}_k=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}^{*}}---\left(20\right)$

该贡献因子的值越小，表示中继节点r_k在当前时隙的信道条件越好，反之则表示信道条件越差，对降低系统中断概率的贡献作用越小。

根据公式(19)对系统中所有的K个中继节点进行功率分配后，得到各个中继节点的最优发送功率值并将其带入公式(20)计算相应节点的贡献因子。从所有K个中继节点中选择出贡献因子最小的那一个中继参与协作，即：

$r_k^{*}=\underset{K}{min}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2{P}_s}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2{P}_{r_k}^{*}}---\left(21\right)$

对于选取出来的最优中继节点以其采集到的能量值和中继联合最大发送功率二者中的较小值作为的发送功率。只有被选择的那一个中继会消耗能量并转发信号，其余未被选择的中继节点保持静默。

本发明的功率分配和单中继选择方法的具体算法流程如附图1所示。

综上所述，本发明以系统中断概率最小化为优化目标，对具有能量采集功能的中继节点的发送功率进行了最优分配，并且考虑到实际应用中单中继实现简单，能耗开销小等优点，通过计算中继贡献因子，在满足系统性能要求的情况下，选择出一个最优中继参与协作。如附图3所示是本发明提出的功率分配方案和等功率分配方案的中断性能对比图，从中可以看出本发明方法可以获得更好的系统性能；如附图4所示是本发明提出的单中继选择方案的中断性能效果图，从中可以看出相比于固定单中继协作，本方案可以进一步降低系统中断概率。

Claims (1)

1.一种基于能量采集的多中继网络资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)初始化中继节点序号k＝1；

2)所有中继节点都工作在无线能量采集模式下，且无线能量由源节点发送，计算第k个中继节点r_k(1≤k≤K)采集到的能量其中K为中继个数，0＜η≤1表示能量转换系数，表示源节点s和中继节点r_k之间的距离，T表示时隙的持续时间，P_s为源节点s的发送功率，为源节点s和中继节点r_k之间的信道增益；

3)计算中继节点r_k的发送功率 $P_{r_k}=\frac{\sqrt{P_s^2+{4b}_k{P}_s\mathrm{\&lambda;}}-P_s}{{2b}_k},$ 其中 $b_k={\mathrm{\&sigma;}}_{r_k,d}^2/{\mathrm{\&sigma;}}_{s,r_k}^2,$ 和分别表示源节点与第k个中继节点以及第k个中继节点与目的节点之间的信道增益，它们是相互独立的均值为零的复高斯变量，方差分别为和λ是拉格朗日乘子，用于限制中继节点发送功率之和不超过联合最大发送功率，其值可以由黄金分割法解得；

4)根据所述步骤3)中得到的中继节点r_k的发送功率，判断中继节点r_k的发送功率是否大于其采集到的能量值取二者中较小的一个作为r_k的最优发送功率即 $P_{r_k}^{*}=\min (\frac{\sqrt{P_s^2+4b_k{P}_s\mathrm{\&lambda;}}-P_s}{2b_k,},P_{r_k}^{eh});$

5)k＝k+1，确定k是否大于K，若大于，转到步骤6)；否则转到步骤2)，对下一个中继节点进行功率分配；

6)置k＝1；

7)计算第k个中继节点的中断概率贡献因子其中为中继和目的节点的噪声功率；

8)k＝k+1，确定k是否大于K，若大于，转到步骤9)；否则转到步骤7)；

9)选取贡献因子最小的那一个中继节点参与协作转发信号；

10)对于选取出来的最优中继节点取其采集到的能量值和中继联合最大发送功率二者中的较小值作为的发送功率。