CN107041005B - 基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法。该方法在满足两次用户和中继节点采集能量的因果性限制和对主用户干扰限制的条件下，构建了系统吞吐量的优化模型。然后通过问题等价性变换，将各节点的功率和协作能量联合优化问题解耦为分离的功率分配问题和逐个时隙的协作能量求解问题，大大降低了原问题求解的复杂度。解耦后的功率分配问题采用迭代注水方法解决，逐个时隙的协作能量求解问题，通过求微分的方式解决，而原问题则通过迭代上述两个问题获得结果。本发明同时考虑了认知无线电，能量协作，能量采集等多种技术，可以有效提高能量效率和频谱资源利用率。

Description

基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法

技术领域

本发明公开了一种在双向认知无线中继网络中基于系统吞吐量最大化的资源分配方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

中继技术通过在发送端和接收端引入中继节点，加强了无线通信系统的覆盖能力、QOS保障能力，有效降低系统建设成本，先进的中继技术作为未来移动通信系统的关键技术之一已经在各大研究机构、设备商和运营商之间展开深入的研究和热烈的讨论。从中继节点的功能来分，中继通信可以分为两大类，即放大转发AF(Amplify-and-Forward)中继和解码转发DF(Decode-and-Forward)中继；AF方式下，中继节点只对收到的信号进行简单的放大、转发处理。DF方式下，中继节点首先恢复出原始信息，然后重新编码后发射给相应用户。放大转发AF中继具有设备简单、维护方便、价格便宜等优点，但是它在放大信号的同时也放大了携带的噪声；译码转发DF中继在接收到基站发来的信息时先进行译码，解出原始信息，再利用相同的码字对原始信息进行重新编码，最终转发给目的用户或者下一跳中继，可以避免噪声的放大，其性能在一定程度上要优于放大转发AF中继方式。

能量采集技术可以从周围环境源源不断的采集能量，比如无线电波、光、风能等，从而大大延长能量受限设备的生命周期，降低充电成本，提高无线网络的性能。但是能量采集技术的引入也会大大增加资源分配的复杂度，因为采集的能量可能是离散的或者连续的，采集能量的大小一般也是随机分布的。

另外，认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(SpectrumSharing)。认知无线电中，次级用户动态的搜索频谱空穴进行通信，这种技术称为动态频谱接入。在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信，从而提高系统的频谱资源利用率。

当无线通信系统包含两个及以上能量采集节点时，若各节点处于不同的环境，可能采集的能量总量差距很大，采集能量过小的节点可能会产生中断，此时可以用无线能量协作的方式将一个节点的能量传输到另一个节点。基本原理包含下面三种：

1)电磁感应式

初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应技术。

2)磁场共振

由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm，还无法实现商用化，如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。

3)无线电波式

这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

发明内容

技术问题：本发明针对包含两个次用户节点的双向认知中继网络，通过引入能量协作与认知无线电技术，提高了无线网络的能量效率和频谱效率。同时，由于该优化问题计算复杂度很高，本发明提供了一种解耦并迭代的最优求解方法。

技术方案：本发明提供基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法，该方法包括以下步骤：

1)初始化：迭代次数n＝0；第i时隙两次用户SU₁、SU₂和中继节点Relay采集能量分别为E_1,i，E_2,i和E_R,i，其中系统时隙1≤i≤N；第0次迭代各时隙两次用户SU₁、SU₂和中继节点Relay电池内实际存储能量为

系统吞吐量初值为C⁰＝0；第0次迭代各时隙两次用户SU₁和SU₂向中继节点协作能量为

中继节点向SU₁和SU₂回流能量为

两次迭代过程获得的最大系统吞吐量差值为u＝1；定义垂直方向度量抽头，用于记录各个时隙两个次用户向中继节点协作能量的大小，规定两个次用户向中继协作能量为正方向，并初始化垂直方向度量抽头的读数为tap_1,i＝0，tap_2,i＝0；

2)令迭代次数n＝n+1，各节点协作与回流能量后实际存储的能量为

其中η₁,η₂(0≤η₁,η₂≤1)分别表示两次用户SU₁、SU₂向中继节点的能量传递效率；

3)初始化能量协作初值δ_1,i＝0，δ_2,i＝0，1≤i≤N，注意此处初始化是为了方便利用迭代注水方法，每一次迭代都要重复初始化，而第1)步中初始化

只是为第1次迭代求各节点协作与回流能量后实际存储的能量赋初值，以后每一次迭代都会计算获得

然后利用迭代注水方法获得各时隙两次用户分配的功率

同时令中继分配功率为

其中迭代注水方法步骤如下：

(3-1)初始化

其中I表示主用户的干扰门限，g_1,i和g_2,i分别表示第i时隙两次用户与主用户之间的信道衰落系数；定义temp表示上一次迭代获得的系统吞吐量，并初始化temp＝0；初始化各时隙两次用户间注水的最小步长s；

(3-2)利用有最大功率限制的定向注水方法获得两次用户的最优功率分配

和

(3-3)计算系统吞吐量

(3-4)令

重复步骤(3-2)，(3-3)；只要吞吐量C增大，重复步骤(3-4)，否则，令

(3-5)令

重复步骤(3-2)，(3-3)；只要吞吐量C增大，重复步骤(3-5)，否则，令

(3-6)若C＞temp，令temp＝C，重复步骤(3-4)，(3-5)；否则，获得各时隙两次用户最优分配功率

4)针对时隙1≤i≤N，若源节点吞吐量

小于中继节点吞吐量

那么首先将两次用户协作来的能量回流，即将本时隙两个次用户协作到中继的能量减小一部分，能量回流的产生原因见图3，回流的方法如下：

若

tap_1,i＞0，tap_2,i＞0，则两次用户回流的能量比例按照公式

确定，其中

否则，仅仅回流抽头读数大于零的次用户的能量，直到中继节点的容量等于两次用户容量和或者垂直方向度量抽头读数均等于零，回流的能量记录为

此时两个次用户不会向中继协作能量，即

令

表示回流能量后各节点分配的功率，若

仍成立，再利用公式

更新

与

5)若源节点吞吐量

大于等于中继节点吞吐量

则求取两次用户协作能量

和

此时回流能量

令

6)更新垂直方向度量抽头的读数

7)计算此次迭代获得的系统吞吐量

并令u＝Cⁿ-C^n-1，若u＞0，重复步骤2)-7)，注意在仿真中，可设定判决条件u＞10^-5，以减少迭代次数；若u＝0，则停止迭代。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.该方法通过引入能量协作与认知无线电技术，提高了无线网络的能量效率和频谱效率。

2.由于该优化问题计算复杂度很高，本发明提供了一种解耦并迭代的最优求解方法。首先，通过问题等价性变换，将各节点的功率和协作能量联合优化问题解耦为分离的功率分配问题和逐个时隙的协作能量求解问题。然后，解耦后的两个问题分别利用迭代注水方法和求微分的方式解决。

3.本发明推导出了每个时隙具体的能量协作表达式，同时对于一些时隙的能量回流现象，本发明给出了注水解释和相应的求解方法。

附图说明

图1为本发明方法的双向认知无线中继网络结构示意图。

图2为本发明方法的网络时隙模型。

图3为本发明方法的能量回流示意图

图4为本发明方法的整体流程逻辑框图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图来对本发明作进一步的说明：

一、双向认知无线中继网络模型

本发明中考虑一种认知无线网络包含一个主用户节点PU，两个次用户节点SU₁和SU₂，和一个中继节点Relay，两个次用户和中继节点均采用能量采集方式提供能量，如图1所示。系统以时隙为最小传输单位，一次传输共包含N个时隙，每个时隙的持续时间单位化为1。假设节点采集的能量在各时隙开始前瞬间到达，并且在开始数据传输前已经准确预知全部采集能量的大小。同时，假设在数据传输过程中各信道为瑞利衰落信道，信道衰落系数在各时隙内保持不变，第i时隙两次用户SU₁和SU₂到中继Relay的信道衰落系数分别表示为h_1,i和h_2,i，而两次用户与主用户之间的信道衰落系数分别表示为g_1,i和g_2,i。主用户总带宽W。E_1,i，E_2,i和E_R,i分别表示第i时隙次用户SU₁，SU₂和中继节点采集的能量。同时，在各个时隙，允许两次用户SU₁和SU₂向中继节点传输能量，传输能量的大小分别被表示为δ_1,i和δ_2,i，能量传递效率分别为η₁,η₂(0≤η₁,η₂≤1)，本发明中{x_i}表示x_i,1≤i≤N组成的集合。

次用户节点SU₁和SU₂相互之间进行双向通信，并且各占用主用户带宽的一半，而中继节点使用与两个次用户节点相同宽度的正交频带。若第i时隙SU₁的分配功率表示为p_1,i，SU₂的分配功率为p_2,i，要求两次用户对主用户的干扰小于门限值I，则系统干扰门限限制为：

p_1,ig_1,i+p_2,ig_2,i≤I (1)

中继节点工作在全双工模式，采用解码转发方式转发两个次用户发来的数据，并且始终延迟两次用户节点一个时隙。如图2所示，在第i时隙，次用户SU₁以功率p_1,i向中继节点传输信息，并将大小为δ_1,i的能量以传输效率η₁传输到中继节点，次用户SU₂以功率p_2,i向中继节点传输信息，并将大小为δ_2,i的能量以传输效率η₂传输到中继节点。为了使两次用户节点和中继节点时隙下标对齐，将两次用户节点时隙下标延迟一个时隙，其中p_R,i表示用于转发第i时隙两次用户信息的中继节点分配的功率。由于各信道的信道衰落系数已知，两个次用户和中继节点处的自干扰信号可以被完全消除掉。假设两个次用户和中继节点都可以存储能量，并且电池容量足够大。而中继无法存储数据，在当前时隙接收的数据，在下一时隙必须全部转发掉，因此，除去第一时隙和最后一时隙，三个节点同时工作。

第i时隙两次用户SU₁，SU₂和中继节点分配的功率p_1,i，p_2,i和p_R,i必须满足采集能量的因果性限制：

由于中继在当前时隙接收的数据，在下一时隙必须全部转发掉，故：

其中N₀表示信道的噪声功率谱密度。

为常数，为简化推导流程，令

本发明以最大化N时隙内系统吞吐量为目标，则最优化问题可以建模为：

其中，目标函数中的

被省略并不影响最优功率分配结果，只需在计算系统吞吐量时加上即可。

二、提出的基于能量协作的功率分配方法

在最优功率分配过程中，限制条件

取等号不影响原问题的最优值，即两次用户节点在一个时隙可发送的数据和等于下一时隙中继节点可发送的数据。若

则两次用户节点在第i时隙发送的数据达不到中继节点可发送的最大数据量，中继节点能量浪费，此时可取

把中继这一时隙多余的能量留给其它时隙分配，同时问题P1最优值以及对应的可行点不变，两者等价。

因此，问题P1等价于：

问题P2的拉格朗日函数为：

其中，拉格朗日乘子{λ_i}，{μ_1,i}，{μ_2,i}，{μ_R,i}，{γ_i}，{α_1,i}，{α_2,i}，{α_R,i}，{β_1,i}和{β_2,i}分别对应于(7)中的10个限制条件。

将拉格朗日函数L分别对p_1,i，p_2,i，p_R,i，δ_1,i和δ_2,i求偏导，并由KKT最优条件获得：

通过分析乘子，可以获得以下最优功率分配和能量协作策略需满足的性质：

性质1：若p_1,ig_1,i+p_2,ig_2,i＜I成立，p_1,i≠0，p_2,i≠0，则当δ_1,i＞0，δ_2,i＞0时，必有

性质2：存在延迟策略p_R,i≥η₁δ_1,i+η₂δ_2,i,1≤i≤N，可以解决问题(7)，即当前时隙次用户传输给中继的能量，必定在当前时隙被使用，而不会存储到未来时隙使用。

由性质2，当前时隙协作到中继的能量，必定当前时隙被使用，则令

表示第i时隙次用户SU₁电池实际消耗的能量，令

表示次用户SU₂电池实际消耗的能量，令

表示第i时隙中继节点电池实际消耗的能量，那么问题P2可以转化为：

下一步，将对{δ_1,i,δ_2,i}的限制分离。由于在问题P3的目标函数中，第i时隙的容量

仅仅与自变量的下标i相关，因此定义：

其中，

表示在第i时隙

和

确定情况下，求取最优的δ_1,i和δ_2,i，使第i时隙中继节点的容量最大。

则问题P3可以等价为：

在问题P4中，由于凸函数的和函数仍是凸函数，目标函数关于

是联合凸函数，对

的限制均为线性限制，限制集为凸集，故问题P4为凸优化问题，有唯一最优值。同时，问题P3和P4的最优值与对应最优值的可行点相同，故两者等价。

为方便求解问题P4，初始化δ_1,i＝0，δ_2,i＝0，1≤i≤N，并令E_1,i＝E_1,i-δ_1,i，E_2,i＝E_2,i-δ_2,i，E_R,i＝E_R,i+η₁δ_1,i+η₂δ_2,i，表示各节点协作能量后实际采集到的能量。那么问题P4可以利用迭代注水方法解决，得到

此时

其中，

利用

的原则获取。当

时，中继节点能量浪费，由于要求δ_1,i≥0，δ_2,i≥0，中继节点不可以向两个次用户节点协作能量，可以令

其中，当i＝N时，令

即可。

当

两次用户需要向中继节点协作能量，将求得的

和

代入公式(15)，然后逐时隙计算需要协作的能量大小。

下面给出求各时隙两次用户需要向中继协作能量大小的步骤：

1)由问题(15)中的等式限制获得：

其中

2)将(18)代入(15)得到：

其中，由于限制条件

始终满足，即：

而-g_1,iδ_1,i-g_2,iδ_2,i≤0始终成立，可以省略。

3)最优

必定在目标函数一阶导数为零的点或者可行域边界点取得。首先对(20)中的目标函数求一阶导数，得到：

公式(21)为二次函数，其判别式为：

那么使问题(20)中的目标函数一阶导数为零的两个解分别为：

4)分别验证可能的可行域边界点

即问题(20)中的限制条件分别取等号的点，与两个解{x_1,i,x_2,i}是否满足(20)中的所有限制条件。对于满足(20)中的所有限制条件的点，分别代入(20)中的目标函数，使目标函数最大的点即

然后利用公式(18)获得

但是在一些时隙，会出现能量回流现象，如图3所示。在图3中，仅对相邻的第i和第i+1时隙进行说明，其它时隙类似。当利用迭代注水方法解决问题P4时，首先两次用户SU₁和SU₂要进行水平方向的定向注水，其中

而中继节点将各时隙采集的能量分配到其对应的时隙，即图3(a)→(b)。假设图中第i与i+1时隙中继节点的容量均小于两次用户节点的容量和，即图3(c)，那么两次用户节点需向中继节点协作能量，由于第i时隙中继采集的能量小于第i+1时隙的，那么两次用户节点向中继节点协作能量后，由于

会导致次用户SU₁的第i时隙水位低于第i+1时隙的，此时SU₁第i+1时隙应该向第i时隙回流能量，且回流的能量大小不可以超过开始定向注水时第i时隙向第i+1时隙流动的能量。同时，由于SU₁的能量回流，导致第i+1时隙中继节点的容量大于两次用户节点的容量和，那么中继节点也要向两次用户节点回流能量，直到水平方向两次用户的水位符合定向注水，垂直方向中继节点的容量等于两次用户节点的容量和。注意此处只是为说明能量回流现象，故未标出各时隙的峰值功率限制。

针对水平方向的能量回流，本发明利用重新迭代注水的方式解决；针对垂直方向的能量回流，利用定义垂直方向度量抽头的方式解决，具体步骤为如下：

1)初始化迭代次数n＝0，各时隙电池实际采集能量

系统吞吐量初值C⁰＝0，各时隙协作能量

中继节点回流能量

垂直方向度量抽头的读数tap_1,i＝0，tap_2,i＝0，系统时隙1≤i≤N，两次迭代获得的最大系统吞吐量差值u＝1；

2)令迭代次数n＝n+1，则各节点协作能量后实际采集到的能量为

3)初始化能量协作初值δ_1,i＝0，δ_2,i＝0，1≤i≤N。然后利用迭代注水方法获得

同时令

由于两次用户在迭代注水方法中进行了水平方向的定向注水，使水平方向的能量回流问题得到了解决；

4)针对时隙1≤i≤N，若源节点吞吐量

和中继节点吞吐量

满足

那么首先将两次用户协作来的能量回流，回流的能量记录为

此时隙协作能量

令

若

仍成立，再利用公式(17)更新

5)若源节点吞吐量

大于等于中继节点吞吐量

则求取两次用户协作能量

此时回流能量

令

6)更新垂直方向度量抽头的读数

7)计算此次迭代获得的系统吞吐量

并令u＝Cⁿ-C^n-1，若u＞0，重复步骤2)-7)，直到系统吞吐量收敛于某一固定值。

注意当迭代次数n≥2时，若第i时隙中继节点的容量大于两次用户容量和，不能直接利用公式(17)更新

主要原因是，虽然中继节点不能向两次用户协作能量，但却存在着垂直方向的能量回流。因此首先将两次用户协作来的能量回流，回流的方法如下：

若

tap_1,i＞0，tap_2,i＞0，则回流比例按照公式(18)确定，否则，仅仅回流抽头读数大于零的次用户的能量，直到中继节点的容量等于两次用户容量和或者垂直方向度量抽头读数均等于零，回流的能量记录为

此时两个次用户不会向中继协作能量，更新

若

仍成立，再利用公式(17)更新

除非系统吞吐量达到最优值，否则每次能量协作和迭代注水方法的使用都会增大系统吞吐量，而问题P4为凸优化问题，有唯一最优值，故系统吞吐量不会无限增大下去，最终必收敛于最优值。

本方法的具体实施流程如图4所示。

Claims (2)

1.基于能量协作的双向认知中继网络资源分配方法，该方法包括以下步骤：

1)初始化：迭代次数n＝0；第i时隙两次用户SU₁、SU₂和中继节点Relay采集能量分别为E_1,i，E_2,i和E_R,i，其中系统时隙1≤i≤N；第0次迭代各时隙两次用户SU₁、SU₂和中继节点Relay电池内实际存储能量为

系统吞吐量初值为C⁰＝0；第0次迭代各时隙两次用户SU₁和SU₂向中继节点协作能量为

中继节点向SU₁和SU₂回流能量为

两次迭代过程获得的最大系统吞吐量差值为u＝1；定义垂直方向度量抽头，用于记录各个时隙两个次用户向中继节点协作能量的大小，规定两个次用户向中继协作能量为正方向，并初始化垂直方向度量抽头的读数为tap_1,i＝0，tap_2,i＝0；

2)令迭代次数n＝n+1，各节点协作与回流能量后实际存储的能量为

其中η₁，η₂，0≤η₁≤1，0≤η₂≤1，分别表示两次用户SU₁、SU₂向中继节点的能量传递效率；

3)初始化能量协作初值δ_1,i＝0，δ_2,i＝0，1≤i≤N，注意此处初始化是为了方便利用迭代注水方法，每一次迭代都要重复初始化，而第1)步中初始化

只是为第1次迭代求各节点协作与回流能量后实际存储的能量赋初值，以后每一次迭代都会计算获得

然后利用迭代注水方法获得各时隙两次用户分配的功率

同时令中继分配功率为

4)针对时隙1≤i≤N，若源节点吞吐量

小于中继节点吞吐量

那么首先将两次用户协作来的能量回流，即将本时隙两个次用户协作到中继的能量减小一部分，其中

h_1,i和h_2,i分别为第i时隙两次用户SU₁和SU₂到中继Relay的信道衰落系数，N₀表示信道的噪声功率谱密度，W为主用户总带宽，回流的方法如下：

若

tap_1,i＞0，tap_2,i＞0，则两次用户回流的能量比例按照公式

确定，其中

否则，仅仅回流抽头读数大于零的次用户的能量，直到中继节点的容量等于两次用户容量和/或者垂直方向度量抽头读数均等于零，回流的能量记录为

此时两个次用户不会向中继协作能量，即

令

表示回流能量后各节点分配的功率，若

仍成立，再利用公式

更新

与

5)若源节点吞吐量

大于等于中继节点吞吐量

则求取两次用户协作能量

和

此时回流能量

令

6)更新垂直方向度量抽头的读数

7)计算此次迭代获得的系统吞吐量

并令u＝Cⁿ-C^n-1，若u＞0，重复步骤2)-7)；若u＝0，则停止迭代。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述迭代注水方法步骤如下：

(3-1)初始化

其中I表示主用户的干扰门限，g_1,i和g_2,i分别表示第i时隙两次用户与主用户之间的信道衰落系数；定义temp表示上一次迭代获得的系统吞吐量，并初始化temp＝0；初始化各时隙两次用户间注水的最小步长s；

(3-2)利用有最大功率限制的定向注水方法获得两次用户的最优功率分配

和

(3-3)计算系统吞吐量

(3-4)令

重复步骤(3-2)，(3-3)；只要吞吐量C增大，重复步骤(3-4)，否则，令

(3-5)令

重复步骤(3-2)，(3-3)；只要吞吐量C增大，重复步骤(3-5)，否则，令

(3-6)若C＞temp，令temp＝C，重复步骤(3-4)，(3-5)；否则，获得各时隙两次用户最优分配功率

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