CN107666676A - 一种集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法 - Google Patents

Abstract

一种集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法,包括以下步骤：1)集能型无线中继网络中，通过最佳中继选择以及联合时间调度和功率控制实现端到端系统吞吐量最大化，其中，优化问题描述为一个多变量优化；2)将问题P1分解为中继选择和联合时间调度及功率分配两个子问题；3)针对中继节点k转发容量的求解得到最佳中继，最佳中继通过实现最大化总吞吐量得到最优化时间调度和功率分配本发明提供一种在集能型无线中继网络中通过最佳中继选择和联合时间调度及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在线控制方法。

Description

一种集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法

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最大化系统吞吐量的在线控制方法。

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

为了克服现有技术中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不足，本发明提供一种集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，通过最佳中继选择和联合时间调度及功率分配实现最大吞吐量、最大化系统效益。

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最大化系统吞吐量的在线控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)集能型无线中继网络中，通过最佳中继选择以及联合时间调度和功率控制实现端到端系统吞吐量最大化，其中，优化问题描述为一个多变量优化：

P1:

受限于：

e_kt+1＝min{E_kt+e_kt,E_max,k}-p_r,kt(1-τ_kt)Lx_k，

d_kt+1＝min{r_s,ktL+d_kt,Q_max,k}-r_r,ktLx_k，

0≤τ_kt≤1，

r_s,kt＝Wτ_ktlog(1+h_s,ktp_s,t)，

r_r,kt＝W(1-τ_kt)log(1+h_r,ktp_r,kt)，

在此，问题P1的各参数定义如下：

W：网络带宽；

h_s,kt：时隙t内源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,kt：时隙t内中继节点k到目的节点的信道增益；

p_s,t：源节点在时隙t的传输功率；

p_r,kt：中继节点k在时隙t的传输功率；

r_s,kt：源节点在时隙t的数据率；

r_r,kt：中继节点在时隙t的数据率；

x_k：中继选择变量；

τ_kt：源节点在时隙t的传输时间；

1-τ_kt：中继节点k在时隙t的传输时间；

E_kt：中继节点k在时隙t时所采集的能量；

e_kt：中继节点k在时隙t时电池中的储能量；

E_max,k：中继节点k的电池最大容量；

d_kt：中继节点k在时隙t的数据缓存队列；

Q_max,k：中继节点k的数据缓存容量；

T：传输时隙数；

L：单个时隙长度；

K：中继节点数；

2)将问题P1分解为中继选择和联合时间调度及功率分配两个子问题，其中，中继选择的过程如下：

步骤2.1：对于所有中继节点，以中继节点k为例，根据传输时段前的N个时隙内的信道状态信息ω_-n，求信道增益h_s,k和h_r,k，以及采集的能量E_k；

步骤2.2：中继节点k根据信道增益和采集的能量，即h_s,kt，h_r,kt和E_k，在不考虑有限的中继数据缓存和储能电池的情况下计算其转发容量F_k并将该值反馈给源节点；

步骤2.3：源节点根据各个中继节点反馈的转发容量，比较F_k值大小，选出最大的F_k ^*并将该中继节点k^*作为最佳中继，设置为1，其余中继节点的中继选择变量x_k置0；

3)在每个时隙内，被选中的最佳中继k^*根据自身储能电池和数据缓存情况，按尽最大努力的传输策略对源节点向目的节点传送的数据进行转发，联合时间调度及功率分配的过程如下：

步骤3.1：对于时隙t，最佳中继k^*分别估计信道增益和储能电池以及数据缓存队列

步骤3.2：在考虑储能电池和数据缓存队列的因果性约束的情况下，在时隙t内，最佳中继通过实现最大化总吞吐量以得到最优化时间调度和功率分配

步骤3.3：最佳中继节点k^*将所得到的最优化时间调度和功率分配反馈给源节点，源节点将在传输时间内向最佳中继节点k^*发送数据。

进一步，所述步骤2.2的处理过程包括以下步骤：

步骤2.2.1：针对中继节点k转发容量的求解构建优化问题P2如下：

P2：

受限于：

在此，问题P2的各参数定义如下：

F_k：中继节点k的转发容量；

ω_-n：传输时段前的第n个时隙内的信道状态信息；

h_s,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k到目的节点的信道增益；

E_k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k所采集的能量；

中继节点k用于转发数据的传输功率；

p_s：源节点用于发送数据的传输功率；

中继节点用于转发数据的传输时间；

步骤2.2.2：计算并与0比较，若该值大于0，为为1，否则进行步骤2.2.3；

步骤2.2.3：求解方程

的根则为为

步骤2.2.4：根据所得到的最优化及计算中继节点k的转发容量F_k。

进一步，所述步骤3.2的处理过程包括以下步骤：

步骤3.2.1：时隙t内实现的总吞吐量最大化的优化问题表示为问题P3如下：

P3：

受限于：

在此，问题P3的各参数定义如下：

E_bt：最佳中继节点k^*在时隙t时，电池中的储能容量，满足

步骤3.2.2：判断是否成立，若成立，则为为0，否则进行步骤3.2.3；

步骤3.2.3：根据公式判断

是否成立，若成立，通过求解方程

的根则为为1-Γ_t，否则进行步骤3.2.4；

步骤3.2.4：求解方程的根则为为

再进一步，所述在线控制方法还包括以下步骤：

4)当实行联合时间调度和功率控制方法时，还需考虑转发容量、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、信道增益和传输时隙数，从而得到在最佳中继节点下的最佳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，我们考虑一个由单个源节点，多个用解码转发(DF)的集能型中继节点以及单个目的节点的集能型无线中继网络，其中，每个中继节点用于有限的储能电池，有限的数据缓存。为了在所采集的能量不确定的情况下提供稳定的传输服务，我们提出通过最佳传输中继选择与联合时间调度及功率控制，实现从源节点到目的节点的端到端系统吞吐量最大化。接着，我们采用一种仅需要采集的能量和新到信道增益的因果信息即可实现的在线中继选择和联合时间调度及功率分配方法，得到最佳的数据传输控制方案，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，在最佳中继下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，最佳的中继、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最大化系统吞吐量的在线控制方法，实行该方法能在采集的能量不确定的情况下提供稳定可靠的尽最大努力的传输方案。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中，源节点通过多个用解码转发(DF)的集能型中继节点中的一个向目的节点发送数据。发明针对集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)集能型无线中继网络中，通过最佳中继选择以及联合时间调度和功率控制实现端到端系统吞吐量最大化，其中，优化问题描述为一个多变量优化：

P1:

受限于：

e_kt+1＝min{E_kt+e_kt,E_max,k}-p_r,kt(1-τ_kt)Lx_k，

d_kt+1＝min{r_s,ktL+d_kt,Q_max,k}-r_r,ktLx_k，

0≤τ_kt≤1，

r_s,kt＝Wτ_ktlog(1+h_s,ktp_s,t)，

r_r,kt＝W(1-τ_kt)log(1+h_r,ktp_r,kt)，

在此，问题P1的各参数定义如下：

W：网络带宽；

h_s,kt：时隙t内源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,kt：时隙t内中继节点k到目的节点的信道增益；

p_s,t：源节点在时隙t的传输功率；

p_r,kt：中继节点k在时隙t的传输功率；

r_s,kt：源节点在时隙t的数据率；

r_r,kt：中继节点在时隙t的数据率；

x_k：中继选择变量；

τ_kt：源节点在时隙t的传输时间；

1-τ_kt：中继节点k在时隙t的传输时间；

E_kt：中继节点k在时隙t时所采集的能量；

e_kt：中继节点k在时隙t时电池中的储能量；

E_max,k：中继节点k的电池最大容量；

d_kt：中继节点k在时隙t的数据缓存队列；

Q_max,k：中继节点k的数据缓存容量；

T：传输时隙数；

L：单个时隙长度；

K：中继节点数；

2)将问题P1分解为中继选择和联合时间调度及功率分配两个子问题，其中，中继选择的过程如下：

步骤2.1：对于所有中继节点，以中继节点k为例，根据传输时段前的N个时隙内的信道状态信息ω_-n，求信道增益h_s,k和h_r,k，以及采集的能量E_k；

步骤2.2：中继节点k根据信道增益和采集的能量，即h_s,kt，h_r,kt和E_k，在不考虑有限的中继数据缓存和储能电池的情况下计算其转发容量F_k并将该值反馈给源节点；

步骤2.3：源节点根据各个中继节点反馈的转发容量，比较F_k值大小，选出最大的F_k ^*并将该中继节点k^*作为最佳中继，设置为1，其余中继节点的中继选择变量x_k置0；

3)在每个时隙内，被选中的最佳中继k^*根据自身储能电池和数据缓存情况，按尽最大努力的传输策略对源节点向目的节点传送的数据进行转发，联合时间调度及功率分配的过程如下：

步骤3.1：对于时隙t，最佳中继k^*分别估计信道增益和储能电池以及数据缓存队列

步骤3.2：在考虑储能电池和数据缓存队列的因果性约束的情况下，在时隙t内，最佳中继通过实现最大化总吞吐量以得到最优化时间调度和功率分配

步骤3.3：最佳中继节点k^*将所得到的最优化时间调度和功率分配反馈给源节点，源节点将在传输时间内向最佳中继节点k^*发送数据。

进一步，所述步骤2.2的处理过程包括以下步骤：

步骤2.2.1：针对中继节点k转发容量的求解构建优化问题P2如下：

P2：

受限于：

在此，问题P2的各参数定义如下：

F_k：中继节点k的转发容量；

ω_-n：传输时段前的第n个时隙内的信道状态信息；

h_s,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k到目的节点的信道增益；

E_k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k所采集的能量；

中继节点k用于转发数据的传输功率；

p_s：源节点用于发送数据的传输功率；

中继节点用于转发数据的传输时间；

步骤2.2.2：计算并与0比较，若该值大于0，为为1，否则进行步骤2.2.3；

步骤2.2.3：求解方程

的根则为为

步骤2.2.4：根据所得到的最优化及计算中继节点k的转发容量F_k。

进一步，所述步骤3.2的处理过程包括以下步骤：

步骤3.2.1：时隙t内实现的总吞吐量最大化的优化问题表示为问题P3如下：

P3：

受限于：

在此，问题P3的各参数定义如下：

E_bt：最佳中继节点k^*在时隙t时，电池中的储能容量，满足

步骤3.2.2：判断是否成立，若成立，则为为0，否则进行步骤3.2.3；

步骤3.2.3：根据公式判断是否成立，若成立，通过求解方程的根则为为1-Γ_t，否则进行步骤3.2.4；

步骤3.2.4：求解方程的根则为为

所述在线控制方法还包括以下步骤：

4)当实行联合时间调度和功率控制方法时，还需考虑转发容量、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、信道增益和传输时隙数，从而得到在最佳中继节点下的最佳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，通过最佳中继选择和优化时间调度和功率分配，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，最佳的中继、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，通过选择最佳中继来控制用户传输功率和优化时间调度，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 (4)

1.一种集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：

1)集能型无线中继网络中，通过最佳中继选择以及联合时间调度和功率控制实现端到端系统吞吐量最大化，其中，优化问题描述为一个多变量优化：

P1:

受限于：

e_kt+1＝min{E_kt+e_kt,E_max,k}-p_r,kt(1-τ_kt)Lx_k，

d_kt+1＝min{r_s,ktL+d_kt,Q_max,k}-r_r,ktLx_k，

0≤τ_kt≤1，

r_s,kt＝Wτ_ktlog(1+h_s,ktp_s,t)，

r_r,kt＝W(1-τ_kt)log(1+h_r,ktp_r,kt)，

在此，问题P1的各参数定义如下：

W：网络带宽；

h_s,kt：时隙t内源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,kt：时隙t内中继节点k到目的节点的信道增益；

p_s,t：源节点在时隙t的传输功率；

p_r,kt：中继节点k在时隙t的传输功率；

r_s,kt：源节点在时隙t的数据率；

r_r,kt：中继节点在时隙t的数据率；

x_k：中继选择变量；

τ_kt：源节点在时隙t的传输时间；

1-τ_kt：中继节点k在时隙t的传输时间；

E_kt：中继节点k在时隙t时所采集的能量；

e_kt：中继节点k在时隙t时电池中的储能量；

E_max,k：中继节点k的电池最大容量；

d_kt：中继节点k在时隙t的数据缓存队列；

Q_max,k：中继节点k的数据缓存容量；

T：传输时隙数；

L：单个时隙长度；

K：中继节点数；

2)将问题P1分解为中继选择和联合时间调度及功率分配两个子问题，其中，中继选择的过程如下：

步骤2.1：对于所有中继节点，以中继节点k为例，根据传输时段前的N个时隙内的信道状态信息ω_-n，求信道增益h_s,k和h_r,k，以及采集的能量E_k；

步骤2.2：中继节点k根据信道增益和采集的能量，即h_s,kt，h_r,kt和E_k，在不考虑有限的中继数据缓存和储能电池的情况下计算其转发容量F_k并将该值反馈给源节点；

步骤2.3：源节点根据各个中继节点反馈的转发容量，比较F_k值大小，选出最大的F_k ^*并将该中继节点k^*作为最佳中继，设置为1，其余中继节点的中继选择变量x_k置0；

3)在每个时隙内，被选中的最佳中继k^*根据自身储能电池和数据缓存情况，按尽最大努力的传输策略对源节点向目的节点传送的数据进行转发，联合时间调度及功率分配的过程如下：

步骤3.1：对于时隙t，最佳中继k^*分别估计信道增益和储能电池以及数据缓存队列

步骤3.2：在考虑储能电池和数据缓存队列的因果性约束的情况下，在时隙t内，最佳中继通过实现最大化总吞吐量以得到最优化时间调度和功率分配

步骤3.3：最佳中继节点k^*将所得到的最优化时间调度和功率分配反馈给源节点，源节点将在传输时间内向最佳中继节点k^*发送数据。

2.如权利要求1所述的集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，其特征在于：所述步骤2.2的处理过程包括以下步骤：

步骤2.2.1：针对中继节点k转发容量的求解构建优化问题P2如下：

P2：

受限于：

在此，问题P2的各参数定义如下：

F_k：中继节点k的转发容量；

ω_-n：传输时段前的N个时隙内的信道状态信息；

h_s,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，源节点到中继节点k的信道增益；

h_r,k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k到目的节点的信道增益；

E_k(-n)：传输时段前的第n个时隙内，中继节点k所采集的能量；

中继节点k用于转发数据的传输功率；

p_s：源节点用于发送数据的传输功率；

中继节点用于转发数据的传输时间；

步骤2.2.2：计算并与0比较，若该值大于0，为 为1，否则进行步骤2.2.3；

步骤2.2.3：求解方程

的根则为 为

步骤2.2.4：根据所得到的最优解及计算中继节点k的转发容量F_k。

3.如权利要求1或2所述的集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，其特征在于：所述步骤3.2的处理过程包括以下步骤：

步骤3.2.1：时隙t内实现的总吞吐量最大化的优化问题表示为问题P3，具体如以下所示：

P3：

受限于：

在此，问题P3的各参数定义如下：

E_bt：最佳中继节点k^*在时隙t时，电池中的储能容量，满足

步骤3.2.2：判断是否成立，若成立，则为 为0，否则进行步骤3.2.3；

步骤3.2.3：根据公式判断是否成立，若成立，通过求解方程的根则为 为1-Γ_t，否则进行步骤3.2.4；

步骤3.2.4：求解方程的根则为 为。

4.如权利要求1或2所述的集能型无线中继网络最大化系统吞吐量的在线控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括以下步骤：

4)当实行联合时间调度和功率控制方法时，还需考虑转发容量、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、信道增益和传输时隙数，从而得到在最佳中继节点下的最佳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。