CN107659967A - 一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法,包括以下步骤:1)集能型无线中继网络中通过可再生能量优化管理实现最大吞吐量,其中,优化问题描述为一个多变量优化;2)由于凸优化性质,解决问题P1分解为两个子优化问题:功率子优化和时隙子优化;针对功率子优化,采用规范凸优化算法(内点法)来优化变量pi;针对时隙子优化,采用预测子梯度法来优化变量本发明提供一种在集能型无线中继网络中通过联合时间调度和功率分配实现以最大吞吐量最大化系统效益的可再生能量优化方法。
Description
技术领域
本发明涉及集能型无线中继网络技术领域,尤其是一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法。
背景技术
由于无线设备和新兴多媒体业务的激增,移动数据流量一直呈指数级增长。由于诸如路径损耗,阴影和小规模衰落的信道损耗,越来越多的室内和边缘用户可能会遇到低质量的服务性能。为了克服这种障碍,中继辅助接入技术已经被提出作为开发能量效率和空间分集以提高室内和小区边缘用户服务质量的有价值的解决方案。中继基站将作为边缘用户与宏蜂窝基站之间进行通信的中转站。
然而,密集地部置中继基站所产生的能耗以及随之带来的温室气体(如二氧化碳)排放量也是巨大的。出于对环境及经济效益的双重考量,能量采集技术被引入到无线中继网络中,中继基站及无线设备通过采集可再生能源(如太阳能,风能,热电,机电和环境射频能量等)进行供电已成为提高绿色中继网络能源效率和减少温室气体排放总量的可行技术。然而,由于可再生能量到达的不连续性,为了提供可靠的数据传输及网络吞吐量保障,对可再生能量优化管理变得尤为重要。
发明内容
为了避免由于信道和可再生能量不确定性导致用户服务质量下降的问题,本发明提供一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法,所述优化方法包括以下步骤:
1)集能型无线中继网络中通过可再生能量优化管理实现最大吞吐量,其中,优化问题描述为一个多变量优化:
受限于:(约束条件1)
(约束条件2)
(约束条件3)
(约束条件4)
(约束条件5)
在此,问题P1的各参数定义如下:
pi:中继节点在时隙i的传输功率;
ri:中继节点在时隙i的数据率;
τi:源节点在时隙i的传输时间;
中继节点在时隙i的传输时间;
ui:源节点在时隙i的数据率;
hi:中继节点到目的节点的信道增益;
Ei:中继节点在时隙i时所采集的能量;
Emax:中继节点的电池最大容量;
Qmax:中继节点的数据缓存容量;
L:单个时隙长度;
T:传输时隙数;
W:网络带宽;
2)由于凸优化性质,解决问题P1分解为两个子优化问题:功率子优化和时隙子优化;针对功率子优化,采用规范凸优化算法(内点法)来优化变量pi;针对时隙子优化,采用预测子梯度法来优化变量优化实现过程为:
步骤2.1:给定初始中继节点所需要的参数,即信道增益hi,采集的能量Ei,电池最大容量Emax,数据缓存容量Qmax,源节点的数据率ui,传输时隙数T和计算误差ε。并设定迭代次数n为n=1,每个的初始值为
步骤2.2:针对功率子优化,第n次迭代时,通过第n-1次迭代获得的利用凸优化内点法来优化变量pi和ri,更新和
步骤2.3:针对时隙子优化,第n次迭代时,利用步骤2.2所得到的结果带入公式(1),利用预测子梯度法来优化变量更新
其中,公式(1)的各参数定义如下:
si:时隙i的第n个步长,且恒大于0;
λ1i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件1的最优乘法因子;
λ2i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件2的最优乘法因子;
λ3i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件3的最优乘法因子;
λ4i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件4的最优乘法因子;
λ5i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件5的最优乘法因子;
其余参数定义参考问题P1;
步骤2.4:更新迭代次数n为n=n+1并重新回到步骤2.2开始新一轮的计算,直到满足终止标准问题P1获得最优解
进一步,所述优化方法还包括以下步骤:
3)当集能型无线中继网络实行联合时间调度和功率控制优化方法时,还需考虑有限的中继数据缓存、有限的中继储能电池、最大传输功率限制、信道增益、传输时隙数等网络环境参数,将问题P1分解为功率子优化和时隙子优化,从而得到最佳的时间调度和传输功率,实现以最大化吞吐量的最大化系统效益。
本发明的技术构思为:首先,我们将时间调度和功率分配作为二种可控网络资源联合起来考虑,实现以端到端的最大吞吐量最大化系统效益。换言之,希望获得一个最佳的时间调度和传输功率方案使得网络吞吐量最大化的同时,总传输功率消耗最小。接着,由于凸优化性质,集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法可分解为两个子优化问题解决问题P1:功率子优化和时隙子优化。针对功率子优化,采用规范凸优化算法(内点法)来优化变量pi;针对时隙子优化,采用预测子梯度法来优化变量从而得到最佳的时间调度和传输功率,实现以最大化吞吐量的最大化系统效益。
本发明的有益效果主要表现在:1、对整个集能型无线中继网络系统而言,优化时间调度和功率分配可以减少系统的资金花费,而且中继基站所产生的能耗以及随之带来的温室气体(如二氧化碳)排放量也能随之降低。集能型无线中继网络,不仅可以降低总功率消耗,而且可以提高网络的传输速率,达到端到端的最大化吞吐量,增加网络的系统效益;2、对网络运营商而言,最佳的时隙和功率分配可以使网络系统服务更多的用户,并降低由于路径损耗,阴影和小规模衰落的信道损耗等原因所导致的低质量服务的概率,从而增加用户信誉,进一步增加其利润。
附图说明
图1是集能型无线中继网络的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1,一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法,换言之,即通过联合时间调度和功率分配实现以端到端最大化吞吐量的最大化系统效益。本发明基于一种集能型无线中继网络系统(如图1所示)。在集能型无线中继网络系统中,通过优化时间调度和功率分配,达到最大传输速率。发明在有限的数据缓存和储能电池条件下,针对集能型无线中继网络中的时间调度和功率控制问题,提出了吞吐量最大化的可再生能量优化方法,所述优化方法包括以下步骤:
1)集能型无线中继网络中通过可再生能量优化管理实现最大吞吐量,其中,优化问题描述为一个多变量优化:
受限于:(约束条件1)
(约束条件2)
(约束条件3)
(约束条件4)
(约束条件5)
在此,问题P1的各参数定义如下:
pi:中继节点在时隙i的传输功率;
ri:中继节点在时隙i的数据率;
τi:源节点在时隙i的传输时间;
中继节点在时隙i的传输时间;
ui:源节点在时隙i的数据率;
hi:中继节点到目的节点的信道增益;
Ei:中继节点在时隙i时所采集的能量;
Emax:中继节点的电池最大容量;
Qmax:中继节点的数据缓存容量;
L:单个时隙长度;
T:传输时隙数;
W:网络带宽;
2)由于凸优化性质,解决问题P1分解为两个子优化问题:功率子优化和时隙子优化;针对功率子优化,采用规范凸优化算法(内点法)来优化变量pi;针对时隙子优化,采用预测子梯度法来优化变量优化实现过程为:
步骤2.1:给定初始中继节点所需要的参数,即信道增益hi,采集的能量Ei,电池最大容量Emax,数据缓存容量Qmax,源节点的数据率ui,传输时隙数T和计算误差ε。并设定迭代次数n为n=1,每个的初始值为
步骤2.2:针对功率子优化,第n次迭代时,通过第n-1次迭代获得的利用凸优化内点法来优化变量pi和ri,更新和
步骤2.3:针对时隙子优化,第n次迭代时,利用步骤2.2所得到的结果带入公式(1),利用预测子梯度法来优化变量更新
其中,公式(1)的各参数定义如下:
si:时隙i的第n个步长,且恒大于0;
λ1i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件1的最优乘法因子;
λ2i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件2的最优乘法因子;
λ3i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件3的最优乘法因子;
λ4i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件4的最优乘法因子;
λ5i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件5的最优乘法因子;
其余参数定义参考问题P1;
步骤2.4:更新迭代次数n为n=n+1并重新回到步骤2.2开始新一轮的计算,直到满足终止标准问题P1获得最优解
所述优化方法还包括以下步骤:
3)当集能型无线中继网络实行联合时间调度和功率控制优化方法时,还需考虑有限的中继数据缓存、有限的中继储能电池、最大传输功率限制、信道增益、传输时隙数等网络环境参数,将问题P1分解为功率子优化和时隙子优化,从而得到最佳的时间调度和传输功率,实现以最大化吞吐量的最大化系统效益。
本实施例中,图1是本发明有关集能型中继基站的无线中继网络。在该集能型无线中继网络系统中,通过优化时间调度和功率分配可以减少系统的资金花费,而且中继基站所产生的能耗以及随之带来的温室气体(如二氧化碳)排放量也能随之降低。集能型无线中继网络系统,不仅可以降低总功率消耗,而且可以提高网络的传输速率,达到端到端的最大化吞吐量,增加网络的系统效益;
对网络运营商而言,最佳的时隙和功率分配可以使网络系统服务更多的用户,并降低由于路径损耗,阴影和小规模衰落的信道损耗等原因所导致的低质量服务的概率,从而增加用户信誉,进一步增加其利润。
本实施着眼于在满足每个用户服务质量的条件下,通过控制用户传输功率和优化时间调度来实现以最小总传输功率消耗最大化端到端吞吐量。我们的工作可以使得网络运营商获得最大利润,尽可能多地服务用户,节省网络资源,提高整个网络的性能,实现最大化的网络系统效益。
Claims (2)
1.一种集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法,其特征在于:所述优化方法包括以下步骤:
1)集能型无线中继网络中通过可再生能量优化管理实现最大吞吐量,其中,优化问题描述为一个多变量优化:
P1:
受限于:
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</mrow>
在此,问题P1的各参数定义如下:
pi:中继节点在时隙i的传输功率;
ri:中继节点在时隙i的数据率;
τi:源节点在时隙i的传输时间;
中继节点在时隙i的传输时间;
ui:源节点在时隙i的数据率;
hi:中继节点到目的节点的信道增益;
Ei:中继节点在时隙i时所采集的能量;
Emax:中继节点的电池最大容量;
Qmax:中继节点的数据缓存容量;
L:单个时隙长度;
T:传输时隙数;
W:网络带宽;
2)由于凸优化性质,解决问题P1分解为两个子优化问题:功率子优化和时隙子优化;针对功率子优化,采用规范凸优化算法来优化变量pi;针对时隙子优化,采用预测子梯度法来优化变量优化实现过程为:
步骤2.1:给定初始中继节点所需要的参数,即信道增益hi,采集的能量Ei,电池最大容量Emax,数据缓存容量Qmax,源节点的数据率ui,传输时隙数T和计算误差ε。并设定迭代次数n为n=1,每个的初始值为
步骤2.2:针对功率子优化,第n次迭代时,通过第n-1次迭代获得的利用凸优化内点法来优化变量pi和ri,更新和ri (n);
步骤2.3:针对时隙子优化,第n次迭代时,利用步骤2.2所得到的结果带入公式(1),利用预测子梯度法来优化变量更新
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其中,公式(1)的各参数定义如下:
si:时隙i的第n个步长,且恒大于0;
λ1i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件1的最优乘法因子;
λ2i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件2的最优乘法因子;
λ3i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件3的最优乘法因子;
λ4i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件4的最优乘法因子;
λ5i:对应于第n次迭代,问题P1中约束条件5的最优乘法因子;
其余参数定义参考问题P1;
步骤2.4:更新迭代次数n为n=n+1并重新回到步骤2.2开始新一轮的计算,直到满足终止标准问题P1获得最优解
2.如权利要求1所述的集能型无线中继网络吞吐量最大化的可再生能量优化方法其特征在于:所述优化方法还包括以下步骤:
3)当实行联合时间调度和功率控制优化方法时,还需考虑有限的中继数据缓存、有限的中继储能电池、最大传输功率限制、信道增益、传输时隙数等网络环境参数,从而得到最佳的时间调度和传输功率,实现以最大化吞吐量的最大化系统效益。
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