CN110769429B - 一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法 - Google Patents

一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法 Download PDF

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CN110769429B CN201910861004.1A CN201910861004A CN110769429B CN 110769429 B CN110769429 B CN 110769429B CN 201910861004 A CN201910861004 A CN 201910861004A CN 110769429 B CN110769429 B CN 110769429B
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Abstract

本发明公开了一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,整个网络架构中包含一个具备连续干扰消除解码器的宏蜂窝基站和一个不具备连续干扰消除解码器的认知基站,多个宏蜂窝用户和无线供能的认知用户。宏蜂窝用户可以由宏蜂窝基站或认知基站提供服务,而认知用户可从宏蜂窝用户和认知基站的信号中进行无线能量收集,并用于向认知基站传输信息。本发明为宏蜂窝网络用户提供数据卸载服务,并为无线供能的认知微微蜂窝用户提供通信机会,同时在保障宏蜂窝用户服务质量前提下最大化了认知网络的能量效率。

Description

一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法
技术领域
本发明涉及一种宏蜂窝小区中利用无线供能认知网络进行数据流量卸载的方法,属于移动通信技术领域。
背景技术
现代网络流量空前增加导致蜂窝网络过载,并降低用户服务质量,而数据流量卸载是解决网络过载和提高用户服务质量的有效方法。与此同时,认知网络技术通过允许没有频谱资源的认知用户共享有频谱资源的宏蜂窝用户的资源来解决频谱稀缺问题。能量收集技术可为无线设备提供长期稳定的能量,可与认知网络共同部署,为小型无线设备提供新的能量资源和频谱资源。因此,无线认知网络传输数据给宏蜂窝用户网络时,无线认知网络中的微微蜂窝用户设备可从来自宏蜂窝用户和专用基站的射频信号中收集能量进行数据传输,并保证宏蜂窝用户的用户服务质量,从而达到网络中的各用户间的双赢状态。
发明内容
发明目的:为宏蜂窝网络用户提供数据卸载服务,并为无线供能的认知微微蜂窝用户提供通信机会,提出一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,是一种在宏蜂窝小区中利用无线供能认知网络进行数据流量卸载的方法,以达到最大化的认知网络能量效率。该方法在保障宏蜂窝用户服务质量前提下,最大化认知网络的能量效率。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,宏蜂窝小区包括M个宏蜂窝用户和一个具备连续干扰消除解码器的宏蜂窝基站,认知网络包括K个无线供能的认知用户和一个不具备连续干扰消除解码器的认知基站;宏蜂窝用户由宏蜂窝基站服务,或卸载到认知基站进行服务;只要宏蜂窝小区网络的性能得到保证,微微蜂窝小区网络就可利用宏蜂窝小区网络的频谱实现自己通信的目的;包括以下步骤:
步骤一,将传输时长T分为τ0,τ1,τ2三个时隙,用τi表示时隙i,i∈{0,1,2},τ0为宏蜂窝用户传输时隙,认知用户可在此时隙中从收到的宏蜂窝用户信号中收集能量,τ1为认知基站以功率
Figure BDA0002199751190000011
无线广播传输能量到认知用户的时隙,传输时的能量消耗为
Figure BDA0002199751190000012
不能超过预设最大值
Figure BDA0002199751190000013
τ2为认知用户使用从前两个时隙收集到的能量传输数据到认知基站的时隙;
步骤二,考虑到认知用户的电路能耗
Figure BDA0002199751190000014
第k个认知用户在时隙τ0和τ1中收集到的能量为
Figure BDA0002199751190000015
其中,ζ表示能量收集效率,
Figure BDA0002199751190000016
表示第m个宏蜂窝用户在时隙τ0中的传输功率,hm,k表示第m个宏蜂窝用户到第k个认知用户的信道增益,
Figure BDA0002199751190000021
为传输时的能量消耗,
Figure BDA0002199751190000022
表示第k个认知用户和认知基站间的信道增益;得到第k个认知用户在时隙τ2中消耗的能量不能超过在时隙τ0和τ1中收集到的能量,即
Figure BDA0002199751190000023
其中,
Figure BDA0002199751190000024
表示第k个认知用户在时隙τ2中的传输功率,
Figure BDA0002199751190000025
表示第m个宏蜂窝用户在时隙τ0中的传输功率;
步骤三,令αm∈{0,1},βm∈{0,1},分别代表第m个宏蜂窝用户是否接入宏蜂窝基站或卸载接入认知基站,αm=1表示接入宏蜂窝基站,反之亦然;βm=1表示被卸载接入认知基站,反之亦然,宏蜂窝用户只可接入宏蜂窝基站或认知基站,即有
Figure BDA0002199751190000026
令α=[α1,...,αM]T和β=[β1,...,βM]T
步骤四,为保证宏蜂窝小区网络的服务质量,宏蜂窝用户的最小总速率需大于或等于所需的门限值Rmin,即Rp0,α,pp)+Rps0,β,pp)≥Rmin,其中,Rp0,α,pp)为连到宏蜂窝基站的宏蜂窝用户总速率和,Rps0,β,pp)为卸载到认知基站的宏蜂窝用户总速率和;
由于宏蜂窝基站具有连续干扰消除解码器,而认知基站没有连续干扰消除解码器,则:
Figure BDA0002199751190000027
Figure BDA0002199751190000028
所有的认知用户速率和为
Figure BDA0002199751190000029
其中,
Figure BDA00021997511900000210
表示第m个宏蜂窝用户到宏蜂窝基站的信道增益,
Figure BDA00021997511900000211
表示第m个宏蜂窝用户到认知基站的信道增益,
Figure BDA00021997511900000212
Figure BDA00021997511900000213
pp和ps均表示信道增益矩阵,宏蜂窝用户的传输功率限制为
Figure BDA00021997511900000214
表示
Figure BDA00021997511900000215
最大门限值,σ表示噪声功率,
Figure BDA00021997511900000216
表示没有连续干扰消除解码器时宏蜂窝用户到认知基站的总速率和;
步骤五,最大化认知网络在传输时间T内的总能量效率的优化问题如下:
Figure BDA00021997511900000217
s.t.
τ012≤T,τ0≥0,τ1≥0,τ2≥0
Figure BDA0002199751190000031
Figure BDA0002199751190000032
Figure BDA0002199751190000033
Figure BDA0002199751190000034
Figure BDA0002199751190000035
Figure BDA0002199751190000036
其中Pc表示宏蜂窝基站、认知基站和认知用户的总电路功耗。。
优选的:步骤五中最大化认知网络在传输时间T内的总能量效率的优化问题的求解方法如下:
步骤(1),初始化q=0,τi,pp,ps,α,β和
Figure BDA0002199751190000037
其中,q表示次梯度法计算步长参数;
步骤(2),初始化F(0),t=0,F(0)表示次梯度法计算初始值,t表示循环次数;
步骤(3),利用单纯形法更新τ0,τ1,τ2的值;
步骤(4),更新α,β的值,;
步骤(5),更新pp,ps的值;
步骤(6),更新
Figure BDA0002199751190000038
的值;
步骤(7),计算
Figure BDA0002199751190000039
F(t+1)表示次梯度法计算循环到第t+1次的值;
步骤(8),如果|F(t+1)-F(t)|≤∈,其中,∈表示精确度,则执行下一步骤,否则令t=t+1并返回到步骤(3);
步骤(9),如果满足|F(t+1)|≤ε,其中ε表示精确度,则算法结束;否则令
Figure BDA00021997511900000310
并返回到步骤(2)。
优选的:步骤(4)中更新α,β的方法如下:
步骤(4.1),执行下述步骤(4.2)-(4.5)Q次,选取
Figure BDA00021997511900000311
值最大的那次的α,β为更新后的α,β的值;
步骤(4.2),设置集合
Figure BDA00021997511900000312
并随机打乱集合中的元素顺序,对所有的
Figure BDA00021997511900000313
设置αm=βm=0,并对
Figure BDA00021997511900000314
中的所有元素,顺序执行如下步骤(4.3)-(4.5);
步骤(4.3),令αm=0,βm=1,并计算
Figure BDA00021997511900000315
值,保存为结果A;
步骤(4.4),令αm=1,βm=0,并计算
Figure BDA0002199751190000041
值,保存为结果B;
步骤(4.5),比较A和B的值,若A>B,则设置αm=0,βm=1,否则设置αm=1,βm=0;
步骤(4.6),如果
Figure BDA0002199751190000042
的值小于Rmin,则问题无解,否则输出更新的α,β值。
优选的:步骤(5)中更新pp,ps的方法如下:
步骤(5.1),对所有的k=1,...,K和m=1,...,M,初始化
Figure BDA0002199751190000043
Figure BDA0002199751190000044
表示
Figure BDA0002199751190000045
的计算初始值,
Figure BDA0002199751190000046
表示
Figure BDA0002199751190000047
的计算初始值,
步骤(5.2),初始化
Figure BDA0002199751190000048
Figure BDA0002199751190000049
F2(0)=0,t=0,
ps(0),pp(0),
Figure BDA00021997511900000410
和F2(0)分别表示ps,pp
Figure BDA00021997511900000411
和F2的计算初始值,t表示pp计算循环次数;
步骤(5.3),对所有的k=1,...,K,令
Figure BDA00021997511900000412
t1=0,
Figure BDA00021997511900000413
表示辅助变量
Figure BDA00021997511900000414
的计算初始值,t1表示
Figure BDA00021997511900000415
计算循环次数,F1(0)表示F1的计算初始值;
步骤(5.4),对所有的k=1,...,K,顺序计算
Figure BDA00021997511900000416
的值:
Figure BDA00021997511900000417
其中,
Figure BDA00021997511900000418
表示第t1+1次循环计算时
Figure BDA00021997511900000419
的值,xk表示方程
Figure BDA00021997511900000420
关于
Figure BDA00021997511900000421
的解,
Figure BDA00021997511900000422
表示
Figure BDA00021997511900000423
Figure BDA00021997511900000424
时的值,
Figure BDA00021997511900000425
表示
Figure BDA00021997511900000426
Figure BDA00021997511900000427
时的值;
步骤(5.5),令
Figure BDA00021997511900000428
步骤(5.6),计算
Figure BDA00021997511900000429
F1(t1+1)表示第t1+1次循环计算时F1的值;
步骤(5.7),如果满足|F1(t1+1)-F1(t1)|≤∈,则进行下一步,否则令t1=t1+1并返回步骤(5.4);
步骤(5.8),令
Figure BDA0002199751190000051
步骤(5.9),对m=1,...,M,令
Figure BDA0002199751190000052
t2=0,
Figure BDA0002199751190000053
表示辅助变量
Figure BDA0002199751190000054
t2表示
Figure BDA0002199751190000055
计算循环次数;
步骤(5.10),对所有的m∈{m|βm=1,m=1,...,M},顺序计算
Figure BDA0002199751190000056
的值
Figure BDA0002199751190000057
其中,
Figure BDA0002199751190000058
表示第t2+1次循环时
Figure BDA0002199751190000059
的值,ym表示方程
Figure BDA00021997511900000510
关于
Figure BDA00021997511900000511
的解,
Figure BDA00021997511900000512
表示
Figure BDA00021997511900000513
Figure BDA00021997511900000514
的值,
Figure BDA00021997511900000515
表示
Figure BDA00021997511900000516
Figure BDA00021997511900000517
的值;
步骤(5.11),令
Figure BDA00021997511900000518
t2=t2+1,t2表示
Figure BDA00021997511900000519
计算循环次数,
Figure BDA00021997511900000520
表示辅助变量矩阵
Figure BDA00021997511900000521
在第t2+1次计算循环时的值,
步骤(5.12),如果满足
Figure BDA00021997511900000522
则进行下一步,否则返回步骤(5.10);
步骤(5.13),令
Figure BDA00021997511900000523
表示第t+1次循环时pp的矩阵各元素值,
步骤(5.14),如果不满足
Figure BDA00021997511900000524
则进行下一步,否则跳到步骤(5.16);
步骤(5.15),对所有
Figure BDA00021997511900000525
Figure BDA00021997511900000526
计算
Figure BDA00021997511900000527
选择
Figure BDA00021997511900000528
最大的对应的
Figure BDA00021997511900000529
Figure BDA00021997511900000530
的值,并返回步骤(5.14),
Figure BDA00021997511900000531
表示第t+1次循环时
Figure BDA00021997511900000532
的值;
步骤(5.16),令t=t+1;
步骤(5.17),计算
Figure BDA00021997511900000533
F2(t)表示第t次循环时F2的值;
步骤(5.18),如果满足|F2(t)-F2(t-1)|≤∈,则进行下一步,否则返回步骤(5.3);
步骤(5.19),如果满足
Figure BDA00021997511900000534
则得到最终解,否则此问题不成立,无解。
优选的:步骤(6)中更新
Figure BDA00021997511900000535
的方法如下:
步骤(6.1)计算
Figure BDA0002199751190000061
步骤(6.2)如果满足
Figure BDA0002199751190000062
Figure BDA0002199751190000063
则输出更新后的
Figure BDA0002199751190000064
否则算法无解。
本发明相比现有技术,具有以下有益效果:
1.本发明提出宏蜂窝小区中利用无线供能认知网络进行数据流量卸载的方法,通过数据流量卸载控制,在保障宏蜂窝用户服务质量前提下最大化了认知网络的能量效率。
2.本发明的数据卸载方法可充分利用宏蜂窝网络中有限的频谱资源,为无线供能的认知用户提供传输机会。
附图说明
图1为本发明系统模型示意图
图2为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,如图1所示,宏蜂窝小区包括M个宏蜂窝用户和一个具备连续干扰消除解码器的宏蜂窝基站,所述的认知网络包括K个无线供能的认知用户和一个不具备连续干扰消除解码器的认知基站。宏蜂窝用户可由宏蜂窝基站服务,或卸载到认知基站进行服务。只要宏蜂窝小区网络的性能得到保证,微微蜂窝小区网络就可利用宏蜂窝小区网络的频谱实现自己通信的目的,
Figure BDA0002199751190000065
表示第m个宏蜂窝用户到宏蜂窝基站的信道增益,
Figure BDA0002199751190000066
表示第k个认知用户和认知基站间的信道增益,
Figure BDA0002199751190000067
表示第m个宏蜂窝用户到认知基站的信道增益,hm,k表示第m个宏蜂窝用户到第k个认知用户的信道增益。
T表示传输时长,可分为τ0,τ1,τ2三个时隙。τ0为宏蜂窝用户传输时隙,认知用户可在此时隙中从收到的宏蜂窝用户信号中收集能量。τ1为认知基站以功率
Figure BDA0002199751190000068
无线广播传输能量到认知用户的时隙,传输时的能量消耗为
Figure BDA0002199751190000069
不能超过预设最大值
Figure BDA00021997511900000610
τ2为认知用户使用从前两个时隙收集到的能量传输数据到认知基站的时隙。
Figure BDA00021997511900000611
表示第m个宏蜂窝用户在时隙τ0中的传输功率,
Figure BDA00021997511900000612
表示第k个认知用户在时隙τ2中的传输功率。令
Figure BDA00021997511900000613
Figure BDA00021997511900000614
宏蜂窝用户的传输功率限制为
Figure BDA00021997511900000615
Figure BDA00021997511900000616
考虑到宏蜂窝基站的电路能耗Pc和第k个认知用户的电路能耗
Figure BDA00021997511900000617
第k个认知用户在时隙τ0和τ1中收集到的能量为
Figure BDA0002199751190000071
其中ζ表示能量收集效率。由此,第k个认知用户在时隙τ2中消耗的能量不能超过在时隙τ0和τ1中收集到的能量,即
Figure BDA0002199751190000072
令αm∈{0,1},βm∈{0,1},分别代表第m个宏蜂窝用户是否接入宏蜂窝基站或卸载接入认知基站,αm=1表示接入宏蜂窝基站,反之亦然;βm=1表示被卸载接入认知基站,反之亦然。宏蜂窝用户只可接入宏蜂窝基站或认知基站,即有
Figure BDA0002199751190000073
令α=[α1,...,αM]T和β=[β1,...,βM]T
为保证宏蜂窝小区网络的服务质量,宏蜂窝用户的最小总速率需大于或等于所需的门限值Rmin,即Rp0,α,pp)+Rps0,β,pp)≥Rmin,其中Rp0,α,pp)为连到宏蜂窝基站的宏蜂窝用户总速率和,Rps0,β,pp)为卸载到认知基站的宏蜂窝用户总速率和。
由于宏蜂窝基站具有连续干扰消除解码器,而认知基站没有连续干扰消除解码器,则
Figure BDA0002199751190000074
Figure BDA0002199751190000075
所有的认知用户速率和为
Figure BDA0002199751190000076
最大化认知网络在传输时间T内的总能量效率的优化问题如下:
Figure BDA0002199751190000077
s.t.
τ012≤T,τ0≥0,τ1≥0,τ2≥0
Figure BDA0002199751190000078
Figure BDA0002199751190000079
Figure BDA00021997511900000710
Figure BDA00021997511900000711
Figure BDA00021997511900000712
如图2所示,求解方法包括以下步骤:
1)初始化q=0,τi,pp,ps,α,β和
Figure BDA0002199751190000081
2)初始化F(0),t=0。
3)利用单纯形法更新τ0,τ1,τ2的值。
更新τ0,τ1,τ2的值的问题为:
Figure BDA0002199751190000082
s.t.
T-τ012≥0,τ0≥0,τ1≥0,τ2≥0
Figure BDA0002199751190000083
Figure BDA0002199751190000084
其中
Figure BDA0002199751190000085
此问题为线性规划问题,可用单纯形法求解。
4)更新α,β的值。
更新α,β的值的问题为:
Figure BDA0002199751190000086
s.t.
Figure BDA0002199751190000087
Figure BDA0002199751190000088
Figure BDA0002199751190000089
由于原问题目标函数不包括α,β,故简化问题为:
Figure BDA00021997511900000810
s.t.
Figure BDA00021997511900000811
Figure BDA00021997511900000916
上述问题的目标函数值如果大于Rmin,则原问题有解,否则无解。更新α,β的算法步骤如下:
(4.1)执行下述步骤Q次,选取
Figure BDA0002199751190000091
值最大的那次的α,β为更新后的α,β的值。
(4.2)设置集合
Figure BDA0002199751190000092
并随机打乱集合中的元素顺序。对所有的
Figure BDA0002199751190000093
设置αm=βm=0,并对
Figure BDA0002199751190000094
中的所有元素,顺序执行如下步骤4.3)-4.5)
(4.3)令αm=0,βm=1,并计算
Figure BDA0002199751190000095
值,保存为结果A
(4.4)令αm=1,βm=0,并计算
Figure BDA0002199751190000096
值,保存为结果B
(4.5)比较A和B的值,若A>B,则设置αm=0,βm=1,否则设置αm=1,βm=0。
(4.6)如果
Figure BDA0002199751190000097
的值小于Rmin,则问题无解,否则输出更新的α,β值。
5)更新pp,ps的值。
更新pp,ps的值的问题为:
Figure BDA0002199751190000098
s.t.
Figure BDA0002199751190000099
Figure BDA00021997511900000910
Figure BDA00021997511900000911
更新pp,ps的算法步骤如下:
(5.1)对所有的k=1,...,K和m=1,...,M,初始化
Figure BDA00021997511900000912
(5.2)初始化
Figure BDA00021997511900000913
F2(0)=0,t=0。
(5.3)对所有的k=1,...,K,令
Figure BDA00021997511900000914
t1=0,F1(0)=0。
(5.4)对所有的k=1,...,K,顺序计算
Figure BDA00021997511900000915
的值
Figure BDA0002199751190000101
(5.5)令
Figure BDA0002199751190000102
(5.6)计算
Figure BDA0002199751190000103
(5.7)如果满足|F1(t1+1)-F1(t1)|≤∈,则进行下一步,否则令t1=t1+1并返回步骤5.4)
(5.8)令
Figure BDA0002199751190000104
(5.9)对m=1,...,M,令
Figure BDA0002199751190000105
t2=0
(5.10)对所有的m∈{m|βm=1,m=1,...,M},顺序计算
Figure BDA0002199751190000106
的值
Figure BDA0002199751190000107
Figure BDA0002199751190000108
(5.11)令
Figure BDA0002199751190000109
t2=t2+1,
(5.12)如果满足
Figure BDA00021997511900001010
则进行下一步,否则返回步骤5.10)
(5.13)令
Figure BDA00021997511900001011
(5.14)如果不满足
Figure BDA00021997511900001012
则进行下一步,否则跳到步骤5.16)
(5.15)对所有
Figure BDA00021997511900001013
Figure BDA00021997511900001014
计算
Figure BDA00021997511900001015
选择
Figure BDA00021997511900001016
最大的对应的
Figure BDA00021997511900001017
Figure BDA00021997511900001018
的值,并返回步骤5.14)
(5.16)令t=t+1
(5.17)计算
Figure BDA00021997511900001019
(5.18)如果满足|F2(t)-F2(t-1)|≤∈,则进行下一步,否则返回步骤5.3),
(5.19)如果满足
Figure BDA00021997511900001020
则得到最终解,否则此问题不成立,无解。
6)更新
Figure BDA0002199751190000111
的值。
更新
Figure BDA0002199751190000112
的值的问题为:
Figure BDA0002199751190000113
s.t.
Figure BDA0002199751190000114
Figure BDA0002199751190000115
更新
Figure BDA0002199751190000116
的算法步骤如下:
(6.1)计算
Figure BDA0002199751190000117
(6.2)如果满足
Figure BDA0002199751190000118
Figure BDA0002199751190000119
则输出更新后的
Figure BDA00021997511900001110
否则算法无解。
7)计算
Figure BDA00021997511900001111
8)如果|F(t+1)-F(t)|≤∈,其中∈表示精确度,则执行下一步骤,否则令t=t+1并返回到步骤3)。
9)如果满足|F(t+1)|≤ε,其中ε表示精确度,则算法结束;否则令
Figure BDA00021997511900001112
并返回到步骤2)。
本发明能够为宏蜂窝网络用户提供数据卸载服务,并为无线供能的认知微微蜂窝用户提供通信机会,整个网络架构中包含一个具备连续干扰消除解码器的宏蜂窝基站和一个不具备连续干扰消除解码器的认知基站,多个宏蜂窝用户和无线供能的认知用户。宏蜂窝用户可以由宏蜂窝基站或认知基站提供服务,而认知用户可从宏蜂窝用户和认知基站的信号中进行无线能量收集,并用于向认知基站传输信息。本发明在保障宏蜂窝用户服务质量前提下最大化了认知网络的能量效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,其特征在于,宏蜂窝小区包括M个宏蜂窝用户和一个具备连续干扰消除解码器的宏蜂窝基站,认知网络包括K个无线供能的认知用户和一个不具备连续干扰消除解码器的认知基站;宏蜂窝用户由宏蜂窝基站服务,或卸载到认知基站进行服务;只要宏蜂窝小区网络的性能得到保证,微微蜂窝小区网络就可利用宏蜂窝小区网络的频谱实现自己通信的目的;包括以下步骤:
步骤一,将传输时长T分为τ012三个时隙,用τi表示时隙i,i∈{0,1,2},τ0为宏蜂窝用户传输时隙,认知用户可在此时隙中从收到的宏蜂窝用户信号中收集能量,τ1为认知基站以功率
Figure FDA0002199751180000011
无线广播传输能量到认知用户的时隙,传输时的能量消耗为
Figure FDA0002199751180000012
不能超过预设最大值
Figure FDA0002199751180000013
τ2为认知用户使用从前两个时隙收集到的能量传输数据到认知基站的时隙;
步骤二,考虑到认知用户的电路能耗
Figure FDA0002199751180000014
第k个认知用户在时隙τ0和τ1中收集到的能量为
Figure FDA0002199751180000015
其中,ζ表示能量收集效率,
Figure FDA0002199751180000016
表示第m个宏蜂窝用户在时隙τ0中的传输功率,hm,k表示第m个宏蜂窝用户到第k个认知用户的信道增益,
Figure FDA0002199751180000017
为传输时的能量消耗,
Figure FDA0002199751180000018
表示第k个认知用户和认知基站间的信道增益;得到第k个认知用户在时隙τ2中消耗的能量不能超过在时隙τ0和τ1中收集到的能量,即
Figure FDA0002199751180000019
其中,
Figure FDA00021997511800000110
表示第k个认知用户在时隙τ2中的传输功率,
Figure FDA00021997511800000111
表示第m个宏蜂窝用户在时隙τ0中的传输功率;
步骤三,令αm∈{0,1},βm∈{0,1},分别代表第m个宏蜂窝用户是否接入宏蜂窝基站或卸载接入认知基站,αm=1表示接入宏蜂窝基站,反之亦然;βm=1表示被卸载接入认知基站,反之亦然,宏蜂窝用户只可接入宏蜂窝基站或认知基站,即有
Figure FDA00021997511800000112
令α=[α1,…,αM]T和β=[β1,…,βM]T
步骤四,为保证宏蜂窝小区网络的服务质量,宏蜂窝用户的最小总速率需大于或等于所需的门限值Rmin,即Rp0,α,pp)+Rps0,β,pp)≥Rmin,其中,Rp0,α,pp)为连到宏蜂窝基站的宏蜂窝用户总速率和,Rps0,β,pp)为卸载到认知基站的宏蜂窝用户总速率和;
由于宏蜂窝基站具有连续干扰消除解码器,而认知基站没有连续干扰消除解码器,则:
Figure FDA00021997511800000113
Figure FDA0002199751180000021
所有的认知用户速率和为
Figure FDA0002199751180000022
其中,
Figure FDA0002199751180000023
表示第m个宏蜂窝用户到宏蜂窝基站的信道增益,
Figure FDA0002199751180000024
表示第m个宏蜂窝用户到认知基站的信道增益,令
Figure FDA0002199751180000025
Figure FDA0002199751180000026
pp和ps均表示信道增益矩阵,宏蜂窝用户的传输功率限制为
Figure FDA0002199751180000027
Figure FDA0002199751180000028
表示
Figure FDA0002199751180000029
最大门限值,σ表示噪声功率,
Figure FDA00021997511800000210
表示没有连续干扰消除解码器时宏蜂窝用户到认知基站的总速率和;
步骤五,最大化认知网络在传输时间T内的总能量效率的优化问题如下:
Figure FDA00021997511800000211
s.t.
τ012≤T,τ0≥0,τ1≥0,τ2≥0
Figure FDA00021997511800000218
Figure FDA00021997511800000212
Figure FDA00021997511800000213
Figure FDA00021997511800000214
Figure FDA00021997511800000215
Figure FDA00021997511800000216
其中,Pc表示宏蜂窝基站、认知基站和认知用户的总电路功耗。
2.根据权利要求1所述基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,其特征在于:步骤五中最大化认知网络在传输时间T内的总能量效率的优化问题的求解方法如下:
步骤(1),初始化q=0,τi,pp,ps,α,β和
Figure FDA00021997511800000217
其中,q表示次梯度法计算步长参数;
步骤(2),初始化F(0),t=0,F(0)表示次梯度法计算初始值,t表示循环次数;
步骤(3),利用单纯形法更新τ012的值;
步骤(4),更新α,β的值;
步骤(5),更新pp,ps的值;
步骤(6),更新
Figure FDA0002199751180000031
的值;
步骤(7),计算
Figure FDA0002199751180000032
F(t+1)表示次梯度法计算循环到第t+1次的值;
步骤(8),如果|F(t+1)-F(t)|≤∈,其中,∈表示精确度,则执行下一步骤,否则令t=t+1并返回到步骤(3);
步骤(9),如果满足|F(t+1)|≤ε,其中ε表示精确度,则算法结束;否则令
Figure FDA0002199751180000033
并返回到步骤(2)。
3.根据权利要求2所述基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,其特征在于:步骤(4)中更新α,β的方法如下:
步骤(4.1),执行下述步骤(4.2)-(4.5)Q次,选取
Figure FDA0002199751180000034
值最大的那次的α,β为更新后的α,β的值;
步骤(4.2),设置集合
Figure FDA0002199751180000035
并随机打乱集合中的元素顺序,对所有的
Figure FDA0002199751180000036
设置αm=βm=0,并对
Figure FDA0002199751180000037
中的所有元素,顺序执行如下步骤(4.3)-(4.5);
步骤(4.3),令αm=0,βm=1,并计算
Figure FDA0002199751180000038
值,保存为结果A;
步骤(4.4),令αm=1,βm=0,并计算
Figure FDA0002199751180000039
值,保存为结果B;
步骤(4.5),比较A和B的值,若A>B,则设置αm=0,βm=1,否则设置αm=1,βm=0;
步骤(4.6),如果
Figure FDA00021997511800000310
的值小于Rmin,则问题无解,否则输出更新的α,β值。
4.根据权利要求3所述基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,其特征在于:步骤(5)中更新pp,ps的方法如下:
步骤(5.1),对所有的k=1,…,K和m=1,…,M,初始化
Figure FDA00021997511800000311
Figure FDA00021997511800000312
表示
Figure FDA00021997511800000313
的计算初始值,
Figure FDA00021997511800000314
表示
Figure FDA00021997511800000315
的计算初始值,
步骤(5.2),初始化
Figure FDA00021997511800000316
Figure FDA00021997511800000317
F2(0)=0,t=0,
ps(0),pp(0),
Figure FDA00021997511800000318
和F2(0)分别表示ps,pp
Figure FDA00021997511800000319
和F2的计算初始值,t表示pp计算循环次数;
步骤(5.3),对所有的k=1,…,K,令
Figure FDA0002199751180000041
t1=0,F1(0)=0,
Figure FDA0002199751180000042
表示辅助变量
Figure FDA0002199751180000043
的计算初始值,t1表示
Figure FDA0002199751180000044
计算循环次数,F1(0)表示F1的计算初始值;
步骤(5.4),对所有的k=1,…,K,顺序计算
Figure FDA0002199751180000045
的值:
Figure FDA0002199751180000046
其中,
Figure FDA0002199751180000047
表示第t1+1次循环计算时
Figure FDA0002199751180000048
的值,xk表示方程
Figure FDA0002199751180000049
关于
Figure FDA00021997511800000410
的解,
Figure FDA00021997511800000411
表示
Figure FDA00021997511800000412
Figure FDA00021997511800000413
时的值,
Figure FDA00021997511800000414
表示
Figure FDA00021997511800000415
Figure FDA00021997511800000416
时的值;
步骤(5.5),令
Figure FDA00021997511800000417
步骤(5.6),计算
Figure FDA00021997511800000418
F1(t1+1)表示第t1+1次循环计算时F1的值;
步骤(5.7),如果满足|F1(t1+1)-F1(t1)|≤∈,则进行下一步,否则令t1=t1+1并返回步骤(5.4);
步骤(5.8),令
Figure FDA00021997511800000419
步骤(5.9),对m=1,…,M,令
Figure FDA00021997511800000420
t2=0,
Figure FDA00021997511800000421
表示辅助变量
Figure FDA00021997511800000422
t2表示
Figure FDA00021997511800000423
计算循环次数;
步骤(5.10),对所有的m∈{m|βm=1,m=1,…,M},顺序计算
Figure FDA00021997511800000424
的值
Figure FDA00021997511800000425
其中,
Figure FDA00021997511800000426
表示第t2+1次循环时
Figure FDA00021997511800000427
的值,ym表示方程
Figure FDA00021997511800000428
关于
Figure FDA00021997511800000429
的解,
Figure FDA00021997511800000430
表示
Figure FDA00021997511800000431
Figure FDA00021997511800000432
的值,
Figure FDA00021997511800000433
表示
Figure FDA00021997511800000434
Figure FDA00021997511800000435
的值;
步骤(5.11),令
Figure FDA00021997511800000436
t2=t2+1,t2表示
Figure FDA00021997511800000437
计算循环次数,
Figure FDA00021997511800000438
表示辅助变量矩阵
Figure FDA00021997511800000439
在第t2+1次计算循环时的值,
步骤(5.12),如果满足
Figure FDA00021997511800000440
则进行下一步,否则返回步骤(5.10);
步骤(5.13),令
Figure FDA0002199751180000051
pp(t+1)表示第t+1次循环时pp的矩阵各元素值,
步骤(5.14),如果不满足
Figure FDA0002199751180000052
则进行下一步,否则跳到步骤(5.16);
步骤(5.15),对所有
Figure FDA0002199751180000053
Figure FDA0002199751180000054
计算
Figure FDA0002199751180000055
选择
Figure FDA0002199751180000056
最大的对应的
Figure FDA0002199751180000057
Figure FDA0002199751180000058
的值,并返回步骤(5.14),
Figure FDA0002199751180000059
表示第t+1次循环时
Figure FDA00021997511800000510
的值;
步骤(5.16),令t=t+1;
步骤(5.17),计算
Figure FDA00021997511800000511
F2(t)表示第t次循环时F2的值;
步骤(5.18),如果满足|F2(t)-F2(t-1)|≤∈,则进行下一步,否则返回步骤(5.3);
步骤(5.19),如果满足
Figure FDA00021997511800000512
则得到最终解,否则此问题不成立,无解。
5.根据权利要求4所述基于无线供能认知微微蜂窝的高能效数据卸载方法,其特征在于:步骤(6)中更新
Figure FDA00021997511800000513
的方法如下:
步骤(6.1)计算
Figure FDA00021997511800000514
步骤(6.2)如果满足
Figure FDA00021997511800000515
Figure FDA00021997511800000516
则输出更新后的
Figure FDA00021997511800000517
否则算法无解。
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