CN111225399A - 无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，应用于数能一体化通信网络技术领域，为了解决现有技术中单用户数能一体化通信网络中远距离传输导致的信号衰落使信号传输效率低的问题，本发明采用自适应式的S‑DF中继，在做中继点的功率分割比例和发射功率设计的时候考虑实际的解码能耗问题和并设定接收信号的信噪比门限，不仅提高了用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还提高了整体信息传输的效率。

Description

无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法

技术领域

本发明属于数能一体化通信网络技术领域，特别涉及一种资源分配优化技术。

背景技术

未来几年，随着5G时代的到来，大规模物联网的产生，传感器和其他新兴技术的主要关注问题是以低复杂性，低成本和低功耗的方式实现可靠的通信。各种应用的广泛进步，使得网络设备的能耗成倍增加，例如根据贝尔实验室、思科和Gartner的预测，到2020年，物联网的部署将涉及260亿至460亿个物联网设备。数十亿个物联网设备需要大量电池，这些电池必须妥善维护和处理。据估计，到2020年，每年的碳排放量将达到235Mto。这种令人震惊的情况对研究人员提出了最大的问题，即如何最大程度地减少能耗和碳排放，改善生态系统。

节点的生命周期由其电池生命周期决定。因此，通过延长电池的使用寿命，可以延长设备的使用寿命。而且，在某些情况下，例如在人体内部使用传感器，在墙壁内放置的设备以及在有毒环境中放置的节点，更换电池的花费是非常昂贵的而且是不可行的。因此有效并且高效的节能机制是必要的。能量收割(EH)是最佳且有效的解决方案之一。EH是一个过程，通过该过程，节点可以使用任何环境源(例如太阳能，风，振动或射频(RF))来收集能量。EH能够延长设备和节点的生命周期，实现自我可持续性。

如果源节点和目的节点之间的距离很长，它们要么不在彼此的传输范围内，要么需要更高的传输功率以进行数据交换。在这种情况下，可以在源节点和目标节点之间放置一个中继节点。中继节点主要功能是：a)增加节点的覆盖范围并改善衰落问题；b)降低传输功率；c)增加带宽(或频谱利用率)。

中继节点受电池寿命限制。并且为了中继信息，中继节点会消耗能量。EH是解决这个问题的最佳方案。中继节点首先通过EH收集能量，并且所收集的能量用于中继自身的使用或传输信号时的耗能。

在过去几十年中，协同中继(CoR)是比较成熟的技术，无线数能同传(SWIPT，Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)技术也日趋发展，但是基于SWIPT的CoR技术还处于初步阶段，仅仅有一些简单的建模分析，并未对其中涉及的具体算法进行深入研究。SWIPT的CoR技术无疑开辟了另一个维度，提供了能量和频谱效率，提高无线网络中的服务质量(QoS)。因此基于SWIPT的CoR技术推动是迫切需要的。

发明内容

为了解决现有技术中单用户数能一体化通信网络中远距离传输导致的信号衰落使信号传输效率低的问题，本发明提出一种无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法。

本发明采用的技术方案为：一种无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，包括：

A1、确定网络模型；

A2、以最大化目的节点的可达信息吞吐量为目标函数，以中继点的选择、源节点的最优波束向量、中继点的功率分割比例和中继节点发射功率作为约束，得到优化问题；

A3、通过求解步骤A2的优化问题，得到资源分配策略、对应的最优吞吐量以及使得目的节点吞吐量最大的中继节点选择方案。

步骤A2所述目的节点的可达信息吞吐量表达式为

其中，R表示目的节点的可达信息吞吐量，L表示一个中继节点选择包含的总周期数，R_l表示目的节点在第l个周期的可接受吞吐量。

具体为：R_l＝min(R_m,l,R_D,l)，其中，R_m,l表示中继m的可达吞吐量，R_D,l表示目的节点的吞吐量。

步骤A1所述网络模型至少包括：一个源发送节点、若干中继节点以及一个目的节点，所述中继节点采用S-DF中继方式。

所述约束还包括中继节点的解码能耗。

所述约束表达式为：

||w_s,l||＝1

其中，w_s,l表示，ρ_m,l表示第l个周期内第m个中继节点的功率分割比例，M表示中继节点总数，L表示一个中继选择包含的总周期数，Q_m,l+1表示第l+1个周期结束时第m个中继节点的剩余能量，Q_m,l表示第l个周期开始时第m个中继节点自身已有能量，E_m,l表示第m个中继节点能量接收量，r_m,l表示第m个中继节点的可达速率，γ_m,l表示第m个中继节点的数据信号接收信噪比，P_m,l表示第m个中继节点在第l个周期后半部分的发送功率，T表示一个周期的长度，I()为指示函数，

表示第l个周期内第m个中继节点的解码消耗函数。

本发明的有益效果：本发明的资源分配包括源节点下行波束设计、中继点选择、中继点功率分割比例和中继发射功率四个部分，在中继进行转发信息的时候考虑了解码能耗问题，并且加入S-DF中继的方式有效的节约能量，不仅提高了多用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还提高了目的节点的可接受速率。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于无线数能同传与的协同中继技术的资源分配优化方法流程图。

图2为本发明实施例的数能一体化网络模型示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-2对本发明内容进一步阐释。

本发明包括源节点下行波束设计、中继点选择、中继点功率分割比例和中继发射功率四个部分，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、确定网络模型。

该步骤具体包括以下分步骤：

S11、假设有一个源发送节点S，M个中继节点，一个目的节点D。源节点假设有N_s根天线，第m个中继节点有N_m根天线，目的节点有1根天线。整个通信模式以分周期进行，每个周期长度为T，假设一个中继选择包含L个周期。假设在第l个周期，与第m个中继节点之间的信道衰落矩阵为H_sm,l，大小为N_m×N_s，第m个中继节点与目的节点之间的信道向量为h_md,l，大小为1×N_m。第l个周期内，源节点的发送功率为P_l，源节点的波束向量表示为w_s,l，大小为N_s×1，中继m的发送波束向量表示为w_m,l，大小为N_m×1；m＝1,2,…,M，。

S12、每个中继通过半双工的方式运行。在每个周期中，前半周期源节点广播信号给中继节点，中继节点接受到信号并且进行功率分割。所有中继节点采用S-DF方式。其中功率分割后一部分能量信号被作为能量存储起来，另一部分数据信号则进行解调，如果解调成功，则该中继节点在后半周期向目的节点转发数据信息，如果解调失败，则后半周期该中继则处于待机状态。我们对于每个中继，定义一个信噪比门限γ_th,m，如果该中继接收的信噪比大于此门限，则认为解调成功，否则失败。所有中继节点均只能通过采集RF信号的能量来支持自身数据信息的转发。

S2、考虑下行传输时路径损耗坏和信道增益问题，计算各节点接受的信号。

该步骤具体包括以下分步骤：

S21、确定路径损耗因子为α，标准参考距离为d₀，基础路径损耗Ω₀，源节点S到中继m的路径损耗Ω_sm计算式为

中继m到目的节点D的路径损耗Ω_md计算式为

S22、在第l个周期内，在第一个时隙，当源节点S发送一个单位功率信号x时，n_m,l为高斯白噪声，方差记为

中继m收到的信号表示为

S3、定义信号分割比例，计算中继收割到能量以及吞吐量中继的可达速率。

S31、接收到的能量信号要分成两个部分，一部分能量用于解码，一部分用作传输信号。假设第m个中继的功率分割比例为ρ_m,l，RF信号转化成能量的效率为ξ，那么中继m能量接收量为

式(4)中上标*表示共轭转置。

S32、n_cov为高斯白噪声，方差记为

中继m接收到的信号用于ID(Informationdecoding信息解码)部分为

其数据信号接受信噪比为

如果中继m被选择用来数据转发，其中继m的可达速率为

而中继m的可达吞吐量为

S4、根据中继的可达速率，计算中继的解码能耗，定义信噪比门限γ_th,m，并结算中继在每个周期结束的剩余能量；确定a>0，b为任意常数，而r_m,l表示可达速率，则中继点m的解码消耗函数为：

本发明中设定的信噪比门限用于确定信号是否正确编码，并影响中继在下一阶段信息是否传输，其取值可以根据实际情况设置。

定义一个向量b＝{b₁,…,b_M}，其中b_m＝1表示在整个周期中选择了第m个中继，如果b_m＝0则表示没有选择该中继。因为我们每周期选择一个中继进行传输，该向量应该满足

假设第l个周期开始，中继m自身已有能量为Q_m,l。定义一个信噪比门限γ_th,m。P_m,l为中继m在第l个周期后半部分的发送功率，I()为指示函数，当括号内值为true时该函数返回值为1，否则为0。该公式表示，如果中继m没有被选择，则b_m＝0，那么第l+1个周期的能量为上一个周期的原有能量加l周期收集的能量，如果中继m被选择，则第l+1个周期的能量还应该减去l周期解码的能量以及转发数据的能量。那么在该周期结束时，中继m的剩余能量为

S5、根据最大化目的节点的可达信息吞吐量原则，确定最终的优化问题。

该步骤具体包括以下分步骤：

S51、在第二时隙，确定n_D,l为目的节点的接收端噪声，方差记为

目的节点S在后半周期接收到的信号为

对于中继m的发送波束向量，可以使用经典的方式，即

进而将式(12)代入后目的节点的吞吐量可以表示为

综合考虑，目的节点在第l个周期的可接受吞吐量为

R_l＝min(R_m,l,R_D,l) (14)

S52、考虑到多周期的优化，我们在指定L个周期内选择同一个中继，考虑在多个周期内最大化总体的可达吞吐量。可得到优化的最终问题P1为

||w_s,l||＝1

S6、根据优化目标表达式以及其约束求解决中继点的选择，源节点的最优波束向量，中继点的功率分割比例和发射功率的优化问题。

该步骤具体包括以下分步骤：

S61、(P1)问题因为存在整数变量b_m，因此不可以用连续优化的方法来进行求解。我们将求解该问题分为两个问题。第一部分先固定选择一个中继m，求得在选择中继m下的最优资源分配策略以及对应的最优吞吐量R^(m)；第二部分我们遍历所有的中继m，求得使得目的节点吞吐量最大的中继选择方案

其中，第二问题仅仅通过一步遍历便可以求解，因此我们将重点放在第一问题的求解上。

S62、对于第一个子问题，首先，如果中继m被选择，我们有b_m＝1。因此对于其他中继m'≠m，仅仅需要采集能量而不需要数据的转发，因此我们可以令ρ_m'＝1以另其采集更多的能量。将b_m＝1带入上述公式(8)、(10)、(13)、(14)，可得

R_l＝min(R_m,l,R_D,l) (17)

因为我们需要满足节点的能量因果约束

因此结合式(18)，我们可以将该约束转化为

进而，在给定中继选择m后，原问题(P1)转化为子问题(P2)

||w_s,l||＝1

0≤ρ_m,l≤1,0≤l≤L

P_m,l≥0,0≤l≤L

问题(P2)里仍然有一个指示函数，因此，仍旧是一个非连续规划问题。所以我们需要想出合适的方法对问题(P2)进行求解。因为对于给定的中继m，一共有L个周期，每个周期内中继m的接收信噪比都有可能大于或者小于门限，那么总共有K＝2^L中可能。当L取值不太大时(比如L<6)，我们完全可以对所有可能性进行遍历。对于一种给定的可能情况(1≤k≤K)，假设在所有L个周期内，中继m的接收信噪比大于或等于门限的周期下标集合记为

中继m的接收信噪比小于门限的周期下标集合记为

对于集合

中的周期l，我们需要满足

而对于集合

中的周期l，我们需要满足

这样，对于给定的第k中情况，我们就可以将原问题(P2)转化为一个连续问题。在该种情况下，中继向目的节点的第二阶段吞吐量也可以表示为

目的节点的可接受吞吐量也可以表示为

原问题就可以转化为新的优化问题(P3)：

||w_s,l||＝1

0≤ρ_m,l≤1,0≤l≤L

P_m,l≥0,0≤l≤L

通过求解问题(P3)，可以获得在选择中继m时，采用第k中情况下的最优可接受吞吐量。最终我们可以通过遍历所有中继m以及给定m下所有K中情况的最优值，获得全局的最优解，即

该算法的时间复杂度为

在L较小时该算法是可行的。

因为在问题(P3)中我们选择中继m来进行接受与转发，因此目的节点在发送波束的时候仅仅需要针对中继m来进行设计，因此问题(P3)可以进而分解为两个子问题，分别为波束设计问题，以及功率分割比例与功率分配问题。因为在(P3)中有关波束的变量都是以

的形式出现，因此我们可以最大化

来提升中继m的接收功率。因此波束设计问题可以归纳为

||w_s,l||≤1而中继点的功率分割比例以及功率分配问题可以归纳为

0≤ρ_m,l≤1,0≤l≤L

P_m,l≥0,0≤l≤L

S63、将问题(P5)展开可以得到：

0≤ρ_m,l≤1,0≤l≤L

P_m,l≥0,0≤l≤L

根据问题(P6)，可以得出一个结论：

对于不属于

的周期l，必然有ρ_m,l＝1。

证明：假设问题(P6)的最优解为

并且我们有

对应的最优目标函数值为

我们此时给出另外一个解

并且有

对应的目标函数值为

所以此时必有

根据问题(P6)第二个约束中ρ_m,l的单调性，我们有

因此，我们可以必要的增加

的值使得上述不等式成立，并且第二个约束仍旧满足。假设增加后的功率分配为

功率分割比例为并且对应的目标函数值为R^*。因为增加了

的值，因此

所以

不再是最优解，与假设矛盾。因此对于不属于

的周期l，必然有ρ_m,l＝1。

问题(P6)仍旧是一个非凸问题，因此我们提出一种变量相互迭代的方法。首先固定功率分配比例{ρ_m,l}，求得功率分配{P_m,l}，问题描述如下：

P_m,l≥0,0≤l≤L

目标函数为一凹函数，约束为线性，因此可以通过凸优化的方法进行求解。

接下来，我们固定功率分配{P_m,l}，求得功率分配比例{ρ_m,l}，我们另μ_m,l＝1-ρ_m,l，那么问题描述如下：

0≤μ_m,l≤1,0≤l≤L

首先目标函数中

关于变量μ_m,l为一个凹函数，那么目标函数也关于所有{μ_m,l}为一个凹函数，第二个约束为凸约束，第一个和第三个约束为线性约束，因此问题(P8)为一个凸问题，可以通过凸优化方法进行求解。

最终，基于S-DF的资源分配算法可以总结为：

利用以上算法求得源节点的最优发射波束向量、以及最优中继的功率分割比例和中继点的发射功率。

经检验，上述封装方法可极大的提高器件封装质量，提升器件性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，包括：

A1、确定网络模型；

A2、以最大化目的节点的可达信息吞吐量为目标函数，以中继点的选择、源节点的最优波束向量、中继点的功率分割比例和中继节点发射功率作为约束，得到优化问题；

A3、通过求解步骤A2的优化问题，得到资源分配策略、对应的最优吞吐量以及使得目的节点吞吐量最大的中继节点选择方案。

2.根据权利要求1所述的无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，步骤A2所述目的节点的可达信息吞吐量表达式为

其中，R表示目的节点的可达信息吞吐量，L表示一个中继节点选择包含的总周期数，R_l表示目的节点在第l个周期的可接受吞吐量。

3.根据权利要求2所述的无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，R_l计算式为：

R_l＝min(R_m，l，R_D，l)，

其中，R_m，l表示中继m的可达吞吐量，R_D，l表示目的节点的吞吐量。

4.根据权利要求1所述的无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，步骤A1所述网络模型至少包括：一个源发送节点、若干中继节点以及一个目的节点，所述中继节点采用S-DF中继方式。

5.根据权利要求4所述的无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，所述约束还包括中继节点的解码能耗。

6.根据权利要求5所述的无线数能同传协作通信中的一种中继转发和资源分配方法，其特征在于，所述约束表达式为：

||w_s，l||＝1

其中，w_s，l表示，ρ_m，l表示第l个周期内第m个中继节点的功率分割比例，M表示中继节点总数，L表示一个中继选择包含的总周期数，Q_m，l+1表示第l+1个周期结束时第m个中继节点的剩余能量，Q_m，l表示第l个周期开始时第m个中继节点自身已有能量，E_m，l表示第m个中继节点能量接收量，r_m，l表示第m个中继节点的可达速率，γ_m，l表示第m个中继节点的数据信号接收信噪比，P_m，l表示第m个中继节点在第l个周期后半部分的发送功率，T表示一个周期的长度，I()为指示函数，

表示第l个周期内第m个中继节点的解码消耗函数。

Images