CN109819479B - 一种ts中继速率优化方法 - Google Patents

一种ts中继速率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TS中继速率优化方法，动态调节每个mn过程中的最优TS系数，使得每个mn过程的速率分别达到最大值，即最大化第二层速率，使得系统性能得到提升。

Description

一种TS中继速率优化方法
技术领域
本发明涉及TS系数求解技术领域，更具体的说是涉及一种TS中继速率优化方法。
背景技术
在TS中继方案中，参见附图1，整个通信过程一共可以分为三层，第一层为传输块，第二层称为mn过程，第三层由多个mn过程组成，每个mn过程的m、n参数都是一个随机变量，它们分别为期望为θ1和θ2的指数分布。从第三层的角度去看，每个mn过程都会进行一次干扰能量分配，但是有些mn过程不能为每个传输块分配能量，而有些mn过程却不能将所有收集到的干扰能量分配出去。每个传输块得到分配能量的多少直接影响着系统速率。而时间切换(Time Switching，TS)技术是通过时隙切换，将信号按照一定的时间切换系数分配不同的时隙给接收机进行解码或收能的技术。
现有的静态TS系数最优解不能保证每个mn过程都能获得最优速率。
因此，如何最大化每个mn过程的平均速率是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种TS中继速率优化方法，动态调节每个mn过程中的最优TS系数，使得每个mn过程分别达到最大值，即最大化第二层速率，使得系统性能得到提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种TS中继速率优化方法，包括：
S1：确定优化目标函数：
Figure BDA0001963998230000021
其中，αk表示k-1时刻到k时刻mn过程的TS系数，它的最优值是
Figure BDA0001963998230000022
代表求解出的最优速率；Rk(·)为mn过程的平均速率，
Figure BDA0001963998230000023
其中，
Figure BDA0001963998230000024
和
Figure BDA0001963998230000025
都是关于αk的函数；
Figure BDA0001963998230000026
为传输块的速率，公式为
Figure BDA0001963998230000027
γTS为信号信噪比，公式为
Figure BDA0001963998230000028
Δ为传输块注入能量，公式为
Figure BDA0001963998230000029
其中
Figure BDA00019639982300000210
表示本次mn过程中收集到的干扰能量；
Figure BDA00019639982300000211
表示上一次mn过程结束后能量存储器中剩余的能量，N*为最优干扰分割份数，
Figure BDA00019639982300000212
为注入能量Δ＝0时传输块的速率，mk和nk分别为第k-1到k时刻mn过程干扰阶段传输块个数和通信阶段传输块个数；
S2：求解目标函数:
S21：初始化L,m,n,k＝1；
其中，L为第三层mn过程总数，m和n为每个mn过程的初始数据；
S22：根据N*＝E[n]计算N*；
其中，E[n]代表求n的均值；
S23：利用
Figure BDA00019639982300000213
和
Figure BDA00019639982300000214
基于mk和nk计算Δ；
其中，
Figure BDA0001963998230000031
表示上个mn过程结束后，能量存储器中所剩余的能量，η为能量转换效率，PI为干扰功率，T为一个传输块时长，Δ为注入能量，
Figure BDA0001963998230000032
S24：
Figure BDA0001963998230000033
带入γTS，计算Rk(α)；其中，
Figure BDA0001963998230000034
Figure BDA0001963998230000035
其中，EEH为一个传输块EH时隙收集的能量，
Figure BDA0001963998230000036
为第k个mn过程收集干扰的能量；
S25：对Rk(α)使用黄金分割法求解本次mn过程的最优时隙分割系数
Figure BDA0001963998230000037
S26：更新速率表达式
Figure BDA0001963998230000038
更新k＝k+1；
S27：重复步骤S22～S26，直至k＝L；
S28：累加所有mn过程的速率，并求出
Figure BDA0001963998230000039
得到每个mn动态过程的最优TS系数。
优选的，步骤S24具体包括：
第1步：给定初始化时间切换系数α的区间为[a,b]，设定精度e；
第2步：求解区间的黄金分割点，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，a2＝a+0.618(b-a)；
第3步：判断第二层速率Rk(a1)＜Rk(a2)是否成立，如果是，则执行第4步，否则跳转到第5步；
第4步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a1，第二层最大速率
Figure BDA00019639982300000310
否则，令a＝a1，a1＝a2，a2＝a+0.618(b-a)，跳到第3步；
第5步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a2，第二层最大速率
Figure BDA00019639982300000311
否则，令b＝a2，a2＝a1，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种TS中继速率优化方法，动态调节每个mn过程中的最优TS系数，使得每个mn过程分别达到最大值，即最大化第二层速率，使得系统性能得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的TS中继通信过程分层示意图；
图2为本发明提供的一种TS中继速率优化方法的流程示意图；
图3为本发明提供的最优时间切换系数随时间变化的示意图；
图4为本发明提供的干扰功率对系统速率的影响的示意图；
图5为本发明提供的中继天线噪声对系统速率的影响的示意图；
图6为本发明提供的接收机天线噪声对系统速率的影响的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于对于每个mn过程都有不同最优TS系数，因此静态最优解
Figure BDA0001963998230000041
不能保证每个mn过程都能获得最优速率。因此，本发明提出自适应最优TS系数方案，其核心思想是动态调节每个mn过程的最优TS系数，使得每个mn过程分别达到最大值，即最大化第二层速率。该优化目标可以表示如下：
Figure BDA0001963998230000051
其中，αk表示k-1时刻到k时刻mn过程的TS系数，它的最优值是
Figure BDA0001963998230000052
代表求解出的最优速率；Rk(·)为mn过程的平均速率，
Figure BDA0001963998230000053
其中，
Figure BDA0001963998230000054
和
Figure BDA0001963998230000055
都是关于αk的函数；
Figure BDA0001963998230000056
为传输块的速率，公式为
Figure BDA0001963998230000057
γTS为信号信噪比，公式为
Figure BDA0001963998230000058
Δ为传输块注入能量，公式为
Figure BDA0001963998230000059
其中
Figure BDA00019639982300000514
表示本次mn过程中收集到的干扰能量；
Figure BDA00019639982300000510
表示上一次mn过程结束后能量存储器中剩余的能量，N*为最优干扰分割份数，
Figure BDA00019639982300000511
为注入能量Δ＝0时传输块的速率，mk和nk分别为第k-1到k时刻mn过程干扰阶段传输块个数和通信阶段传输块个数；
S2：求解目标函数:
S21：初始化L,m,n,k＝1；
其中，L为第三层mn过程个数，m和n为每个mn过程的初始数据，
S22：根据N*＝E[n]计算N*；
其中，E[n]代表求n的均值；
S23：利用
Figure BDA00019639982300000512
和
Figure BDA00019639982300000513
基于mk和nk计算Δ；
其中，
Figure BDA0001963998230000061
表示上个mn过程结束后，能量存储器中所剩余的能量，η为能量转换效率，PI为干扰功率，T为一个传输块时长，Δ为注入能量，
Figure BDA0001963998230000062
S24：
Figure BDA0001963998230000063
带入γTS，计算Rk(α)；其中，
Figure BDA0001963998230000064
Figure BDA0001963998230000065
其中，EEH为一个传输块EH时隙收集的能量，
Figure BDA0001963998230000066
为第k个mn过程收集干扰的能量；
S25：对Rk(α)使用黄金分割法求解本次mn过程的最优时隙分割系数
Figure BDA0001963998230000067
S26：更新速率表达式
Figure BDA0001963998230000068
更新k＝k+1；
S27：重复步骤S22～S26，直至k＝L；
S28：累加所有mn过程的速率，并求出
Figure BDA0001963998230000069
得到每个mn动态过程的最优TS系数。
为了进一步优化上述技术方案，步骤S24具体包括：
第1步：给定初始化时间切换系数α的区间为[a,b]，设定精度e；
第2步：求解区间的黄金分割点，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，a2＝a+0.618(b-a)；
第3步：判断第二层速率Rk(a1)＜Rk(a2)是否成立，如果是，则执行第4步，否则跳转到第5步；
第4步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a1，第二层最大速率
Figure BDA00019639982300000610
否则，令a＝a1，a1＝a2，a2＝a+0.618(b-a)，跳到第3步；
第5步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a2，第二层最大速率
Figure BDA00019639982300000611
否则，令b＝a2，a2＝a1，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。
先结合具体仿真结果对本发明的技术方案做进一步说明。
从附图3中可以看出，
Figure BDA0001963998230000071
是围绕黑线波动的，黑线即为
Figure BDA0001963998230000072
的均值。黑线对应的值为0.135，略小于
Figure BDA0001963998230000073
这显然进一步降低了EH时隙长度，增加了IT时隙长度，使得系统速率也随之增加。
从附图4中可以看出，采用自适应系数的系统速率与静态TS系数的系统速率趋势相同，但是明显性能更好，因为采用自适应TS系数的中继，每个mn过程都获得了最优的速率。
从附图5和附图6研究了天线噪声对系统速率的影响，中继天线噪声和接收机天线噪声的增大，都会使信号信噪比降低，导致系统速率降低，但是从图中可以看出，明显的，采用自适应TS系数比静态TS系数的速率快。
另外，还需要说明的是，采用自适应TS系数方案时，中继的每个mn过程都需要求解最优的TS系数，因此系统复杂度与采用静态TS系数方案相比大幅提升。但自适应TS系数方案每个mn过程都达到了最优，系统性能得到提升。因此，对于需要较高传输速率的系统，可以采用自适应TS系数方案。对于要求有较低复杂度的系统，可以采用静态TS系数方案。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种TS中继速率优化方法，其特征在于，包括：
S1：确定优化目标函数：
Figure FDA0004047068500000011
其中，αk表示k-1时刻到k时刻mn过程的TS系数，它的最优值是
Figure FDA0004047068500000012
代表求解出的最优速率；Rk(·)为mn过程的平均速率，
Figure FDA0004047068500000013
其中，
Figure FDA0004047068500000014
和
Figure FDA0004047068500000015
都是关于αk的函数；
Figure FDA0004047068500000016
为传输块的速率，公式为
Figure FDA0004047068500000017
γTS为信号信噪比，公式为
Figure FDA0004047068500000018
Δ为传输块注入能量，公式为
Figure FDA0004047068500000019
其中
Figure FDA00040470685000000110
表示本次mn过程中收集到的干扰能量；
Figure FDA00040470685000000111
表示上一次mn过程结束后能量存储器中剩余的能量，N*为最优干扰分割份数，
Figure FDA00040470685000000112
为注入能量Δ＝0时传输块的速率，mk和nk分别为第k-1到k时刻mn过程干扰阶段传输块个数和通信阶段传输块个数；
S2：求解目标函数:
S21：初始化L,m,n,k＝1；
其中，L为第三层mn过程总数，m和n为每个mn过程的初始数据；
S22：根据N*＝E[n]计算N*；
其中，E[n]代表求n的均值；
S23：利用
Figure FDA0004047068500000021
和
Figure FDA0004047068500000022
基于mk和nk计算Δ；
其中，
Figure FDA0004047068500000023
表示上个mn过程结束后，能量存储器中所剩余的能量，η为能量转换效率，PI为干扰功率，T为一个传输块时长，Δ为注入能量，
Figure FDA0004047068500000024
S24：
Figure FDA0004047068500000025
带入γTS，计算Rk(αk)；其中，
Figure FDA0004047068500000026
其中，EEH为一个传输块EH时隙收集的能量，
Figure FDA0004047068500000027
为第k个mn过程收集干扰的能量；
S25：对Rk(αk)使用黄金分割法求解本次mn过程的最优时隙分割系数
Figure FDA0004047068500000028
S26：更新速率表达式
Figure FDA0004047068500000029
更新k＝k+1；
S27：重复步骤S22～S26，直至k＝L；
S28：累加所有mn过程的速率，并求出
Figure FDA00040470685000000210
得到每个mn动态过程的最优TS系数；
步骤S24具体包括：
第1步：给定初始化时间切换系数α的区间为[a,b]，设定精度e；
第2步：求解区间的黄金分割点，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，a2＝a+0.618(b-a)；
第3步：判断第二层速率Rk(a1)＜Rk(a2)是否成立，如果是，则执行第4步，否则跳转到第5步；
第4步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a1，第二层最大速率
Figure FDA0004047068500000031
否则，令a＝a1，a1＝a2，a2＝a+0.618(b-a)，跳到第3步；
第5步：如果a2-a1＜e,停止迭代，输出最优解x*＝a2，第二层最大速率
Figure FDA0004047068500000032
否则，令b＝a2，a2＝a1，a1＝a+(1-0.618)(b-a)，跳到第3步。
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Research on Interference Energy Harvesting Based on SWIPT Relay System;Jianxiong Li;《10th International Conference, WiCON 2017》;20171217;全文 *

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