CN111586866A - 基于swipt技术的合作d2d通信网络中用户公平性资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，包括以下步骤：(1)在D2D发射端采用功率分割接收机架构以实现无线携能通信；(2)基于蜂窝用户与D2D用户之间的能量—频谱交易机制以构建D2D协助的合作通信系统；(3)考虑用户速率公平性，建立系统加权和速率最大化问题，联合考虑功率分配、传输时间分配以及功率分割控制；(4)设计基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解加权和速率最大化问题。本发明创新性的提出基于功率分割控制的能量—频谱交易机制以建立用户之间的合作关系，并基于用户速率公平性建立系统加权和速率最大化问题，应用两阶段优化方法设计联合资源分配方案。

Description

基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，属于合作通信的范畴。

背景技术

近年来，移动通信技术不断发展与进步，给人类生活的各个方面带来了深刻的变革。随着移动互联网的发展，移动通信信息交互量逐年增长，未来的移动通信网络将是一个万物互联的网络，这对下一代移动通信在传输速率、端到端的连接等方面提出了新的目标。除此之外，用户规模的日益增加也使得通信网络中的能耗问题变得更为突出。

一方面，随着用户的数量增加，通信网络中的数据量呈现爆炸式增长的态势，这使得5G(Fifth generation)网络中用户设备的连接以及信息传输速率面临着更为严峻的挑战。在这样的背景下，学者们融合传统D2D通信技术以及中继通信技术而提出合作D2D通信。合作D2D通信网络通过引入中继技术可以有效提高网络的覆盖范围和系统容量，而D2D通信技术允许设备到设备之间的直接通信，有利于传输速率的提高。

另一方面，人们对信息服务的需求日益增加，负责信息收集和传输的设备承载的信息量越发繁重，这给通信网络带来了更为严峻的能耗问题。此外，移动通信网络中的通信设备一般是由容量受限的电池进行供电，有限的电池容量大大限制了网络应用的发展。近年来，无线携能通信(Simultaneous wireless information and information transfer,SWIPT)技术的出现和发展为解决能量瓶颈问题提供了一种有效的策略。SWIPT技术将射频能量信号同时用作信息和能量的载体，旨在实现信息和能量的并行传输，在信息解码的同时在接收端完成能量收集，从而提升终端设备的续航能量以延长能量受限的网络的生命周期。

目前已有研究考虑在合作D2D通信网络中考虑应用SWIPT技术，如文献[L.Jiang,C.Qin,X.Zhang and H.Tian,Secure beamforming design for SWIPT in cooperativeD2D communications(China Communication),2017.]和文献[D.Zhao,Y.Cui,H.Tian andP.Zhang,A Novel Information and Energy Cooperation Transmission Scheme inCognitive Spectrum Sharing-Based D2D Communication Systems(IEEE Access),2019]中提出将SWIPT技术与合作D2D通信融合，在D2D发射端配备有功率分割接收机架构，使其可以利用收集的能量协助蜂窝通信以及进行自己的数据传输。

但是现有研究未考虑在SWIPT技术与合作D2D通信技术融合的网络中研究系统的加权和速率问题。在通信网络中，为了最大化系统的吞吐量，在进行资源分配方案设计时，系统控制器会将大部分无线资源分配给信道条件较好的用户，但对于信道较差的用户可能分配不到任何资源。而加权和速率问题通过为用户赋予不同的优先级而将用户设备的传输速率公平性考虑在内，从而实现系统中用户的速率公平性。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的问题。提出了一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，设计一种两阶段优化算法以联合功率、传输时间分配以及功率分割控制，实现在能量限制和传输时间限制的情况下，最大化合作D2D通信网络中的加权和速率。本发明的技术方案如下：

一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其包括以下步骤：

步骤1：在D2D发射端采用基于功率分割的接收机架构以实现无线携能通信(SWIPT，simultaneous wireless information and power transfer)。D2D发射端可以按照一定的功率分割比将接收到的信号进行分割，利用一部分信号进行能量收集以延长设备的生命周期，另一部分信号用于信息译码。

步骤2：建立蜂窝用户与步骤1所述D2D发射端之间的能量—频谱交易机制，以构建合作通信网络的系统模型。由于基站与蜂窝用户之间存在障碍物不能直接进行通信，D2D发射端则可以作为中继，消耗一部分收集到的能量来协助从基站到用户之间的蜂窝通信。作为回报，D2D发射端获得占用蜂窝频谱资源的机会以发送自己的信息给相应的D2D接收端以实现D2D通信；

步骤3：在步骤2所建立的合作通信网络模型中，考虑蜂窝用户和D2D用户数据率的公平性进行资源分配，即联合功率分配、传输时间分配以及功率分割控制以构建系统加权和速率最大化问题，建立能量限制和传输时间限制相关的数学表达式；

步骤4：设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解步骤3中所述的系统加权和速率最大化问题。首先进行变量替换，将原始问题进行等价变换，然后分为两个阶段对资源分配变量进行优化。第一阶段设定固定的功率分割比，采用拉格朗日对偶方法来求得此功率分割比下局部最优的功率和时间分配；第二阶段采用一维搜索的方法遍历功率分割比的可行域，以确定系统的最大加权和速率，以及全局最优的功率分割比以及相应的功率、时间分配。

进一步的，所述步骤2建立的合作D2D通信系统的网络模型包括以下内容：

假设基站与蜂窝用户之间不存在直传链路，需要寻求距离基站较近的D2D发射端的协助；D2D发射端作为中继接收来自基站的信号，并利用功率分割技术按照一定比例将接收到的信号分割为两部分：对比例为ρ的部分进行能量收集，对比例为1-ρ的部分进行信息译码；由于D2D发射端作为中继转发来自基站的蜂窝信号时会消耗一部分能量，作为能量消耗的补偿，D2D用户进行通信时可以占用蜂窝频谱资源，即蜂窝用户和D2D用户之间存在能量—频谱交易机制。所述合作通信网络按照三阶段传输协议进行：在传输时间为α的阶段1中，基站发送信号给D2D发射端，D2D发射端将接收到的信号按照功率分割比例ρ:1-ρ分别进行能量收集和信息译码；阶段2，D2D发射端采用译码转发的半双工中继方式，在传输时间α内以发射功率P_dc将来自基站的信号转发给蜂窝用户；阶段3，作为协助蜂窝通信的回报，D2D发射端可以获得1-2α的频谱占用时间以发射功率P_dd'将自己的信息发送给相应的D2D接收端。

进一步的，所述步骤3考虑用户公平性的资源分配问题的构建，包括以下内容：

资源分配优化的目标为最大化系统加权和速率，即最大化蜂窝通信速率和D2D通信速率的加权值，表示为：r_weight＝w₁r_bc+w₂r_dd'，其中w₁＞0和w₂＞0分别代表系统控制器为蜂窝通信和D2D通信赋予的优先级权值，r_bc和r_dd'分别为蜂窝通信和D2D通信的可达速率；

所述优化问题的资源分配变量包括：①D2D发射端的功率分配{P_dc,P_dd'}；②各个通信阶段所占用的时间α；③D2D发射端的功率分割系数ρ；

所述优化问题的约束条件包括：

①D2D发射端协助蜂窝通信所消耗的能量以及用于D2D通信所消耗的能量不能超过收集到的能量，即：P_dcα+P_dd'(1-2α)≤ηρP_bd|h_bd|²α；h_bd表示基站与D2D发射端之间的信道系数；0≤η≤1表示能量收集电路的收集效率；

②发射功率约束：P_dc≥0,P_dd'≥0。

③传输时间约束：

④功率分割系数约束：0≤ρ≤1；

基于用户公平性的资源分配问题构建的数学优化问题可以表述为：

进一步的，所述步骤4设计一种基于两阶段优化方法的资源分配算法，具体包括：

第一步：首先对问题

进行变量替换，引入两个新的变量

和

以处理α，P_dc以及P_dd'之间的耦合关系。相应地，r_dc和r_dd'可以分别写作

第二步：为了处理(6a)中max-min形式的目标函数，引入变量

第三步：结合上述表达式，将原始数学优化问题(1)转化为带有变量

的问题

为：

进一步的，对于问题

提供两阶段的优化方法以得到最优的联合资源分配策略，具体包括：

第一阶段的优化是在给定的功率分割比下，对功率和传输时间进行优化：

s.t.C1,C5,C6,C7.

第二阶段的优化问题为功率分割系数的优化：

s.t.C1,C4.

第四步：对于第一阶段的优化问题，在给定的功率分割系数ρ下，目标函数与约束条件构成了一个标准凸优化问题，本发明提供拉格朗日对偶方法进行求解以得到局部最优的功率分配和传输时间。

第五步：对于第二阶段的优化问题，本发明提供关于功率分割系数ρ的一维全搜索以获得系统最大加权和速率值。可将ρ的可行域划分为相等的间隔，即ρ∈{ρ₁,...,ρ₁+iΔρ,...,ρ_N}，其中i＝0,....,N-1，Δρ为划分间隔，对于每个给定的ρ按照问题

求解相应的最优功率及时间分配，从而确定最大的系统加权和速率以及对应的全局最优的功率、时间分配以及功率分割比。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明将SWIPT技术应用于合作D2D通信网络以用于延长合作通信的设备的生命周期。进一步地，本发明提供功率分割控制的能量—频谱交易机制激励蜂窝用户与D2D用户之间的合作，以实现蜂窝通信与D2D通信。考虑到此合作通信网络中蜂窝用户和D2D用户的速率公平性问题，本发明提供基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以最大化系统的加权和速率。

附图说明

图1是本发明所述D2D协助的合作通信网络的系统模型示意图；

图2为本发明所述网络中的三阶段传输机制示意图；

图3为本发明所述基于两阶段优化方法的联合资源分配算法示意图；

图4为本发明所提所述联合资源分配算法的收敛性能图；

图5为本发明所提所述用户公平资源分配方案与其他方案的发射功率对比图；

图6为本发明所述用户公平资源分配方法保障用户公平性的性能图。

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、详细地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，本发明提供了一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，具体包括以下步骤：

步骤一：建立D2D协助的合作通信网络的系统模型：假设基站与蜂窝用户之间不存在直传链路，需要寻求D2D发射端协助以进行蜂窝通信；所述D2D发射端配备有功率分割接收机架构，可以利用功率分割技术将接收到的信号同时进行能量收集和信息译码。系统模型如图1所示，具体包括以下内容：

D2D协助的合作通信网络由一个基站，一个蜂窝用户以及靠近基站的D2D对组成。所述系统中，基站与蜂窝用户之间由于障碍物而不存在直传链路，需要由配备有功率分割接收机架构的D2D发射端作为中继来协助通信。假设所述网络所有信道均为拟静态块衰落信道，即在一个传输块内信道系数保持不变，在不同的传输块内信道系数可以发生改变。为了便于阐述，本发明考虑每个块传输时间为1。

本发明在D2D发射端的功率分割控制的基础上建立D2D用户和蜂窝用户之间的能量—频谱交易机制以激励D2D发射端转发来自基站的信息给蜂窝用户。在所述的交易机制中，D2D发射端作为中继转发来自基站的信号给蜂窝用户时会消耗一部分能量，作为能量消耗的补偿，基站允许D2D用户进行通信时占用一段时间的蜂窝频谱资源。

在本发明所提供的交易机制下，D2D协助的合作通信网络按照图2所示的三阶段传输协议进行。

按照所述传输协议，在传输时间为α的阶段1中，基站发送信号x_b给D2D发射端，D2D发射端将接收到的信号按照功率分割比例ρ:1-ρ分别进行能量收集和信息译码。假设基站的发射功率为P_bd，则D2D发射端收集到的能量和用于译码的接收信号分别为

其中，h_bd表示基站与D2D发射端之间的信道系数；0≤η≤1表示能量收集电路的收集效率；n₁为方差

的加性高斯白噪声。

从基站到D2D发射端的可达速率为

阶段2，D2D发射端采用译码转发的半双工中继方式，在传输时间α内以发射功率P_dc将来自基站的信号转发给蜂窝用户，在蜂窝用户端的可达速率为

其中

是蜂窝用户处噪声功率；h_dc表示D2D发射端与蜂窝用户之间的信道系数。

根据译码转发方式，从基站到蜂窝用户的端到端的可达速率为

阶段3，作为协助蜂窝通信的回报，D2D发射端可以获得1-2α的频谱占用时间将自己的信息发送给相应的D2D接收端，在D2D接收端的可达速率为

其中P_dd'为D2D发射端的发射功率，h_dd'表示D2D发射端与D2D接收端之间的信道系数，

表示D2D接收端的噪声功率。

步骤二：构建基于加权和速率最大化的联合资源分配的数学优化问题，包括确定目标函数、优化变量以及约束条件的数学表达式；具体包括以下内容：

所述数学优化问题的目标函数为加权和速率最大化，即最大化蜂窝通信速率和D2D通信速率的加权值，表示为：

r_weight＝w₁r_bc+w₂r_dd'， (5)

其中，w₁＞0，w₂＞0分别代表系统控制器为蜂窝通信和D2D通信赋予的优先级权值。

所述数学优化问题需要进行优化的变量包括：①D2D发射端的功率分配，即协助蜂窝通信的发射功率P_dc以及进行D2D通信的发射功率P_dd'的分配情况；②各个传输阶段的时间的分配；③D2D发射端的功率分割系数ρ确定。

所述数学优化问题的约束条件包括：

①D2D发射端协助蜂窝通信所消耗的能量以及用于D2D通信的能量不能超过收集到的能量：P_dcα+P_dd'(1-2α)≤ηρP_bd|h_bd|²α；

②发射功率约束：P_dc≥0,P_dd'≥0。

③传输时间约束：

④功率分割系数约束：0≤ρ≤1。

D2D协助的合作通信网络中用户资源分配的数学优化问题可以表述为：

s.t.P_dcα+P_dd'(1-2α)≤ηρP_bd|h_bd|²α， (6b)

P_dc≥0，P_dd'≥0， (6c)

0≤ρ≤1。 (6e)

步骤三：本发明基于两阶段的优化方法，设计D2D协助的合作的通信系统中的联合资源分配算法；具体包括：

第一步：首先对所述问题

进行变量替换，引入两个新的变量

和

相应地，r_dc和r_dd'可以分别写作

第二步：为了处理(6a)中max-min形式的目标函数，引入变量

第三步：结合上述表达式，将原始数学优化问题(6a)—(6e)转化为带有变量

的问题

为：

s.t.t_dc+t_dd'≤α， (7b)

(6d)，(6e)。

第三步：所转换的问题

中，目标函数中功率分割系数ρ与变量t_dc，t_dd'以及α之间存在耦合关系，为了便于处理，本发明提供的联合资源分配算法利用两阶段的优化方法。参考图3，根据本发明的实施例，具体优化方法包括：

S1：将问题

处理为一种嵌套的方式，第一阶段优化对应着给定功率分割系数的情况下联合功率和传输时间进行优化：

s.t.(7a)—(7e)，(6d)，

S2：第二阶段的优化问题为功率分割系数的优化：

s.t.(6e)。

第四步：对于第二阶段的优化问题

在给定功率分割系数ρ的情况下，其目标函数与约束条件构成了一个标准凸优化问题。本发明提供拉格朗日对偶方法进行此凸优化问题的求解以得到最优的功率分配和传输时间。拉格朗日函数可以表示为：

其中，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄中是分别与约束条件(7b)—(7d)以及(6d)相对应的拉格朗日乘子。问题

对应的对偶问题可以表示为：

利用拉格朗日对偶分解，(10)可以分为两层求解，内层是一个最大化问题，涉及优化变量{t_dc,t_dd',α}的求解；外层是含拉格朗日乘子的对偶优化问题

S3：首先进行优化(10)中的内层问题。由于问题

是一个凸优化问题，根据KKT条件可以得到

进一步可以得到问题

的最优解表示如下：

其中，

λ₃＝w₁-λ₂。

α的最优解可以从隐函数

中得到。

S4：然后考虑问题(10)中外层最小化问题。本发明提供子梯度迭代方法来更新拉格朗日乘子，公式如下：

其中，k≥0表示迭代次数，

表示第k次迭代的步长。所述拉格朗日对偶算法在加权和速率收敛时，迭代终止。

第五步：对于第二阶段的优化问题，本发明提供关于功率分割系数ρ的一维全搜索以获得系统最大加权和速率值。可将ρ的可行域划分为相等的间隔，即ρ∈{ρ₁,...,ρ₁+iΔρ,...,ρ_N}，其中i＝0,....,N-1，Δρ为划分间隔，对于每个给定的ρ按照问题

求解相应的最优功率及时间分配，从而确定最大的系统加权和速率以及对应的全局最优的功率、时间分配以及功率分割比。

本发明提供的基于两阶段优化联合资源分配方法的实质是顺序、迭代求解所有优化变量。

下面结合具体的实验仿真对本发明所提的技术方案做进一步说明。

本发明使用的仿真参数设置如下：信道增益设置为

ij∈{bd,dc,dd'}，其中θ_ij为指数分布的随机变量，d_ij为节点i与j之间的距离。设置P_bd＝30dBm，

另外，发明人将所提供联合资源分配方法的性能与其他两种方法进行比较，对比方法1：固定传输时间的资源分配方法；对比方法2：固定功率分割系数的资源分配方法。

图4给出了本发明所提供资源分配算法的收敛性能图，可以看出所提基于两阶段优化方法的联合资源分配算法经过2～3次迭代就可达到收敛。

图5给出了三种方法下加权和速率随发射功率变化的曲线。从图中可以看出，随着基站发射功率的增大，三种方法的加权和速率都呈现出上升的趋势；这是因为基站发射功率越大，D2D发射端可以收集到的能量越多，可用于D2D通信和蜂窝通信的功率越多，从而有利于蜂窝通信和D2D通信的速率的增大，进一步，系统的加权和速率也会变大。此外，可以看出本发明所提供的联合资源分配方法得到的加权和速率比另外两种方法所得到的加权和速率更大。从基站发射功率的角度，本发明所提供的方法明显优于另外两种方法；这是因为本发明联合功率、传输时间分配以及功率分割控制，能够有效进行系统资源分配，增大系统的加权和速率。

图6描述的是不同优先级权值下，蜂窝通信和D2D通信的速率情况，可以看出随着蜂窝通信优先级的提高，蜂窝通信的速率呈现上升的趋势，而D2D通信的速率呈现下降的趋势。这是因为蜂窝通信的优先级越高，越多的无线资源会被分配用于蜂窝通信，相应的其可达速率会提高。这进一步说明本发明提供的用户公平性资源分配方法能够通过为不同的用户赋予优先级权值来保证速率公平性。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在D2D发射端采用基于功率分割的接收机架构以实现无线携能通信SWIPT，D2D发射端按照一定的功率分割比将接收到的信号进行分割，利用一部分信号进行能量收集以延长设备的生命周期，另一部分信号用于信息译码；

步骤2：建立蜂窝用户与步骤1所述D2D发射端之间的能量—频谱交易机制，以构建合作通信网络的系统模型，由于基站与蜂窝用户之间存在障碍物不能直接进行通信，D2D发射端则可以作为中继，消耗一部分收集到的能量来协助从基站到用户之间的蜂窝通信，作为回报，D2D发射端占用一部分蜂窝频谱资源发送自己的信息给D2D接收端以实现D2D通信；

步骤3：在步骤2所建立的合作通信网络模型中，考虑蜂窝用户和D2D用户数据率的公平性以进行资源分配，即联合功率分配、传输时间分配以及功率分割控制以构建系统加权和速率最大化问题，建立能量限制和传输时间限制相关的数学表达式；

步骤4：设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解步骤3中所述的系统加权和速率最大化问题，首先进行变量替换，将原始问题进行等价变换，然后分为两个阶段对等价变换后的问题进行求解，第一阶段设定固定的功率分割比，采用拉格朗日对偶方法来求得此功率分割比下局部最优的功率和时间分配；第二阶段采用一维搜索的方法遍历功率分割比的可行域，以确定系统的最大加权和速率，以及全局最优的功率分割比以及相应的功率、时间分配。

2.根据权利要求1所述的基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，所述步骤2建立的合作通信系统的网络模型包括以下内容：

假设基站与蜂窝用户之间不存在直传链路，需要寻求距离基站较近的D2D发射端来协助蜂窝通信；在此背景下，D2D发射端作为中继接收来自基站的信号，并利用功率分割技术按照一定比例将接收到的信号分割为两部分：对比例为ρ的部分进行能量收集，对比例为1-ρ的部分进行信息译码；由于D2D发射端作为中继转发来自基站的蜂窝信号时会消耗一部分能量，作为能量消耗的补偿，D2D发射端可以占用蜂窝频谱资源将自己的信息发送给相应的D2D接收端，即蜂窝用户和D2D用户之间存在能量—频谱交易机制，所述合作通信网络按照三阶段传输协议进行：在传输时间为α阶段1中，基站发送信号给D2D发射端，D2D发射端将接收到的信号按照功率分割比例ρ:1-ρ分别进行能量收集和信息译码；阶段2，D2D发射端采用译码转发的半双工中继方式，在传输时间α内以发射功率P_dc将来自基站的信号转发给蜂窝用户；阶段3，作为协助蜂窝通信的回报，D2D发射端可以获得1-2α的频谱占用时间以发射功率P_dd'将自己的信息发送给相应的D2D接收端。

3.根据权利要求1所述的基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，所述步骤3考虑用户公平性的资源分配问题的构建，包括以下内容：

资源分配的目标为最大化系统加权和速率，即最大化蜂窝通信和D2D通信的加权和速率，表示为：r_weight＝w₁r_bc+w₂r_dd'，其中w₁＞0和w₂＞0分别代表系统控制器为蜂窝通信和D2D通信赋予的优先级权值，r_bc和r_dd'分别为蜂窝通信和D2D通信的可达速率；

所述优化问题的资源分配变量包括：①D2D发射端的功率分配{P_dc,P_dd'}；②各个通信阶段所占用的时间α；③D2D发射端的功率分割系数ρ；

所述优化问题的约束条件包括：

①D2D发射端协助蜂窝通信所消耗的能量以及用于D2D通信所消耗的能量不能超过利用SWIPT技术收集到的能量，即：P_dcα+P_dd'(1-2α)≤ηρP_bd|h_bd|²α；h_bd表示基站与D2D发射端之间的信道系数；0≤η≤1表示能量收集电路的收集效率；

②D2D发射端的发射功率约束：P_dc≥0,P_dd'≥0；

③传输时间约束：

④功率分割系数约束：0≤ρ≤1；

基于用户公平性的资源分配问题构建的数学优化问题可以表述为：

4.根据权利要求1所述的基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，所述步骤4设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法，具体包括：

第一步：首先对问题

进行变量替换，引入两个新的变量

和

以处理约束条件C1中α，P_dc以及P_dd'之间的耦合关系，相应地，r_dc和r_dd'可以分别写作

第二步：为了处理(6a)中max-min形式的目标函数，引入变量

第三步：结合上述表达式，将原始数学优化问题(1)转化为带有变量

的问题

为：

5.根据权利要求1所述的基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，对于原始问题等价替换后得到的问题

提供一种两阶段的优化方法以得到最优的联合资源分配策略，具体包括：

第一阶段的优化是在给定功率分割比的情况下，对功率和传输时间进行优化：

s.t.C1,C5,C6,C7.

第二阶段的优化问题为功率分割系数的优化：

s.t.C1,C4.

第四步：对于第一阶段的优化问题，在给定的功率分割系数ρ下，目标函数与约束条件构成了一个标准凸优化问题，本发明提供拉格朗日对偶方法进行求解以得到局部最优的功率分配和传输时间。

第五步：对于第二阶段的优化问题，本发明提供关于功率分割系数ρ的一维全搜索以获得系统最大加权和速率值。可将ρ的可行域划分为相等的间隔，即ρ∈{ρ₁,...,ρ₁+iΔρ,...,ρ_N}，其中i＝0,....,N-1，Δρ为划分间隔，对于每个给定的ρ按照问题

求解相应的最优功率及时间分配，从而确定最大的系统加权和速率以及对应的全局最优的功率、时间分配以及功率分割比。

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