CN113133106A - 一种基于存储辅助的多跳中继传输方法、装置及终端设备 - Google Patents

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CN113133106A CN202110327930.8A CN202110327930A CN113133106A CN 113133106 A CN113133106 A CN 113133106A CN 202110327930 A CN202110327930 A CN 202110327930A CN 113133106 A CN113133106 A CN 113133106A
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Abstract

本发明公开了一种基于存储辅助的多跳中继传输方法、装置及终端设备。所述基于存储辅助的多跳中继传输方法，包括：构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；根据预先定义的功率分配方案建立所述多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取所述第一数据传输模型的最优传输功率；根据预先定义的模式选择方案建立所述多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取所述第二数据传输模型的最优传输模式；基于所述最优传输功率和所述最优传输模式调度所述多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。本发明能够基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。

Description

一种基于存储辅助的多跳中继传输方法、装置及终端设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于存储辅助的多跳中继传输方法、装置及终端设备。
背景技术
为了扩大无线网络的覆盖范围，通常需要在基站和移动台之间部署中继站。在单中继通信系统中，如果采用解码转发(DF)中继协议，则可以在中继节点上设置数据缓冲区，以允许来自高层应用程序或其他终端的数据先存储于数据缓冲区再待信道处于良好状态时自适应地传输，实现降低能耗或提高网络吞吐量，但会增加传输延迟。但当基站和移动台距离较远时，需要部署多个级连的中继站进行多跳传输。在基于存储辅助的多跳中继通信系统中，所有节点的发送、接收、静默状态都不是预先固定的，而是根据信道状态信息、节点的缓存状态信息和能量状态信息的变化来动态调整。随着跳数的增加，收集所有节点和链路的信道状态信息、缓存状态信息和能量状态信息，可以帮助做出多跳中继传输的决策。而目前关于多跳中继通信系统的研究大都是针对传统的没有存储辅助的多跳中继通信系统。因此，针对基于存储辅助的多跳中继通信系统，如何优化调度各个节点的功率分配和模式选择，有效提高端到端的可达速率，成为当前的一大难题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于存储辅助的多跳中继传输方法、装置及终端设备，能够基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明一实施例提供一种基于存储辅助的多跳中继传输方法，包括：
构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；
根据预先定义的功率分配方案建立所述多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取所述第一数据传输模型的最优传输功率；
根据预先定义的模式选择方案建立所述多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取所述第二数据传输模型的最优传输模式；
基于所述最优传输功率和所述最优传输模式调度所述多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
进一步地，所述多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；
所述源节点通过级连的若干个所述中继节点与所述目的节点通信连接。
进一步地，所述多跳中继通信系统的优化问题为：
Figure BDA0002995316220000021
Figure BDA0002995316220000031
Figure BDA0002995316220000032
Figure BDA0002995316220000033
Figure BDA0002995316220000034
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M}；
Figure BDA0002995316220000035
其中，x(i)＝(m(i),a(i),P(i))，m(i)＝(m0(i),m1(i),...,mM(i))，a(i)＝(a0(i),a1(i),...,aM(i))，P(i)＝(P0(i),P1(i),...,PM(i))，M为所述中继节点的总个数；m0(i)、mk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的传输模式，若等于1则表示此时节点传输数据，否则表示此时节点不传输数据；a0(i)、ak(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的实际传输速率；P0(i)、Pk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的实际发射功率；h0(i)、hk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点到下一节点的信道增益，d0(i)、dk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点到下一节点的实际距离；σ1、σk+1、σd分别为所述源节点、第k个所述中继节点、所述目的节点处的加性高斯白噪声功率；
Figure BDA0002995316220000036
分别为所述源节点、第k个所述中继节点的最大瞬时发射功率，m为路径损耗指数，N为传输全部数据需要的时隙数，T为每一时隙的持续时间。
进一步地，所述多跳中继通信系统的数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态动态更新为：
Qk(i+1)＝max[Qk(i)-ak(i)T,0]+ak-1(i)T，k∈{1,...,M}；
E0(i+1)＝E0(i)-m0(i)P0(i)T+e0(i)；
Ek(i+1)＝Ek(i)-mk(i)Pk(i)T+ek(i)，k∈{1,...,M}；
其中，Qk(i)为在第i个时隙第k个所述中继节点的数据队列状态，E0(i)、Ek(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的虚拟能量消耗队列状态；
Figure BDA0002995316220000041
分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的虚拟能量到达过程，
Figure BDA0002995316220000042
分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的平均功率。
进一步地，所述获取所述第一数据传输模型的最优传输功率，具体为：
根据所述数据队列状态和所述虚拟能量消耗队列状态将所述优化问题转化为第一优化问题；所述第一优化问题为：
Figure BDA0002995316220000043
Figure BDA0002995316220000044
Figure BDA0002995316220000045
Figure BDA0002995316220000046
Figure BDA0002995316220000047
Figure BDA0002995316220000051
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M}；
Figure BDA0002995316220000052
其中，μ0、μk、μM均为非负常数，V为非负控制参数；
拆分所述第一优化问题，获取所述功率分配方案；所述功率分配方案为：
Figure BDA0002995316220000053
根据凸优化方法，得到所述最优传输功率。
进一步地，所述获取所述第二数据传输模型的最优传输模式，具体为：
将所述第一优化问题转化为第二优化问题；第二优化问题为：
Figure BDA0002995316220000054
s.t.mk(i)∈{0,1}，k∈{1,...,M}；
其中，ξ0、ξk、ξM-1均为拉格朗日常数；
根据次梯度下降法和凸优化方法，得到所述最优传输模式。
第二方面，本发明一实施例提供一种基于存储辅助的多跳中继传输装置，包括：
多跳中继通信系统构建模块，用于构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；
最优传输功率获取模块，用于根据预先定义的功率分配方案建立所述多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取所述第一数据传输模型的最优传输功率；
最优传输模式获取模块，用于根据预先定义的模式选择方案建立所述多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取所述第二数据传输模型的最优传输模式；
多跳中继通信系统调度模块，用于基于所述最优传输功率和所述最优传输模式调度所述多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
进一步地，所述多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；
所述源节点通过级连的若干个所述中继节点与所述目的节点通信连接。
第三方面，本发明一实施例提供一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述存储器与所述处理器耦接，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法。
相比于现有技术，本发明的实施例，具有如下有益效果：
通过构建基于存储辅助的多跳中继通信系统，根据预先定义的功率分配方案建立多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取第一数据传输模型的最优传输功率，根据预先定义的模式选择方案建立多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取第二数据传输模型的最优传输模式，基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，从而实现有效提高端到端的可达速率。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的一种基于存储辅助的多跳中继传输方法的流程示意图；
图2为本发明第一实施例中的一种基于存储辅助的多跳中继传输方法的数据流图；
图3为本发明第一实施例中的一种基于存储辅助的多跳中继通信系统的结构示意图；
图4为本发明第一实施例中的仿真例的平均发射功率与平均可达速率的关系示意图；
图5为本发明第一实施例中的仿真例的中继节点数与平均可达速率的关系示意图；
图6为本发明第二实施例中的一种基于存储辅助的多跳中继传输装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
在说明本发明实施例之前，对本发明实施例中出现的名词进行说明。
多跳：源节点到第一个中继节点为第一跳，第一个中继节点到第二个中继节点为第二跳，以此类推，称之为多跳。
端到端：也称为网络连接。网络要通信，必须在始发地和目的地之间建立连接，一旦建立连接了，就已经是端到端连接了，即端到端是逻辑链路，这条链路可能经过了很复杂的物理路线，但是只认为是两端的连接，而且一旦完成通信，该链路就释放，物理线路可能又作为其他应用的连接。
需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。
如图1所示，第一实施例提供一种基于存储辅助的多跳中继传输方法，包括步骤S1～S4：
S1、构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；
S2、根据预先定义的功率分配方案建立多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取第一数据传输模型的最优传输功率；
S3、根据预先定义的模式选择方案建立多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取第二数据传输模型的最优传输模式；
S4、基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
作为示例性地，多跳中继传输方法的数据流图如图2所示。
本实施例能够考虑功率分配方案和模式选择方案，分别利用两种方案构建存储多跳中继通信系统的数据传输数学模型，对其求解，得到最优传输功率和最优的传输模式，以基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，实现最大化端到端的可达速率。
在本实施例当中，多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；源节点通过级连的若干个中继节点与目的节点通信连接。
需要说明的是，源节点配置有单幅天线，工作在半双工模式；每一中继节点都采用解码转发中继协议，配置有单幅天线和数据缓存器，工作在半双工模式。
如图3所示，作为示例性地，多跳中继通信系统包括一个源节点S、一个目的节点D、M个中继节点{Rk，…，RM}，k＝1，…，M，源节点S与目的节点D之间没有直接相连的链路，源节点S需要通过级连的M个中继节点{Rk，…，RM}与目的节点D通信连接，即源节点S与第一个中继节点R1通信连接，第一个中继节点R1与第二个中继节点R2通信连接，以此类推，直至第M个中继节点RM与目的节点D通信连接。其中，源节点S配置单幅天线、工作在半双工模式，M个中继节点{Rk，…，RM}都采用解码转发中继协议，配置有单幅天线和用于存储接收数据的数据缓存器Qk，k＝1，…，M，工作在半双工模式。
图3中的h0(i)、hk(i)分别为在第i个时隙源节点S、第k个中继节点Rk到下一节点的信道增益，d0(i)、dk(i)分别为在第i个时隙源节点S、第k个中继节点Rk到下一节点的实际距离。
每次数据传输前，第k个中继节点Rk向相邻的源节点S或中继节点R交换信道状态信息、缓存状态信息以及能量状态信息，目的节点D除外。各个节点基于收集的信道状态信息、缓存状态信息以及能量状态信息，以最大化端到端的可达速率为目标，利用Lyapunov优化方法确定初始资源分配策略，初始资源分配策略包括各个节点功率分配方案，各个节点的模式选择方案，直到整个数据传输结束。
在本实施例当中，多跳中继通信系统的优化问题为：
Figure BDA0002995316220000101
Figure BDA0002995316220000102
Figure BDA0002995316220000103
Figure BDA0002995316220000104
Figure BDA0002995316220000105
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M} (6)；
Figure BDA0002995316220000106
其中，x(i)＝(m(i),a(i),P(i))，m(i)＝(m0(i),m1(i),...,mM(i))，a(i)＝(a0(i),a1(i),...,aM(i))，P(i)＝(P0(i),P1(i),...,PM(i))，M为中继节点的总个数；m0(i)、mk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的传输模式，若等于1则表示此时节点传输数据，否则表示此时节点不传输数据；a0(i)、ak(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的实际传输速率；P0(i)、Pk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的实际发射功率；h0(i)、hk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点到下一节点的信道增益，d0(i)、dk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点到下一节点的实际距离；σ1、σk+1、σd分别为源节点、第k个中继节点、目的节点处的加性高斯白噪声功率；
Figure BDA0002995316220000111
分别为源节点、第k个中继节点的最大瞬时发射功率，m为路径损耗指数，N为传输全部数据需要的时隙数，T为每一时隙的持续时间。
本实施例通过设计多跳中继通信系统总的优化问题，有利于最大化端到端的可达速率。
在本实施例当中，多跳中继通信系统的数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态动态更新为：
Qk(i+1)＝max[Qk(i)-ak(i)T,0]+ak-1(i)T，k∈{1,...,M} (8)；
E0(i+1)＝E0(i)-m0(i)P0(i)T+e0(i) (9)；
Ek(i+1)＝Ek(i)-mk(i)Pk(i)T+ek(i)，k∈{1,...,M} (10)；
其中，Qk(i)为在第i个时隙第k个中继节点的数据队列状态，E0(i)、Ek(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的虚拟能量消耗队列状态；
Figure BDA0002995316220000112
分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的虚拟能量到达过程，
Figure BDA0002995316220000121
分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的平均功率。
在本实施例中，所述获取所述第一数据传输模型的最优传输功率，具体为：
根据数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态将优化问题转化为第一优化问题；第一优化问题为：
Figure BDA0002995316220000122
Figure BDA0002995316220000123
Figure BDA0002995316220000124
Figure BDA0002995316220000125
Figure BDA0002995316220000126
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M} (16)；
Figure BDA0002995316220000127
其中，μ0、μk、μM均为非负常数，V为非负控制参数；
拆分第一优化问题，获取功率分配方案；功率分配方案为：
Figure BDA0002995316220000131
根据优化分解和凸优化方法，得到最优传输功率。
本实施例通过基于Lyapunov优化框架将优化问题转化为第一优化问题，利用优化分解和凸优化方法，固定传输模式选择，优化传输功率分配，计算得到第一数据传输模型的最优传输功率，即多跳中继通信系统的最优传输功率，以便后续基于最优传输功率调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。
在本实施例当中，所述获取所述第二数据传输模型的最优传输模式，具体为：
将第一优化问题转化为第二优化问题；第二优化问题为：
Figure BDA0002995316220000132
s.t.mk(i)∈{0,1}，k∈{1,...,M} (20)；
其中，ξ0、ξk、ξM-1均为拉格朗日常数；
根据次梯度下降法和凸优化方法，得到最优传输模式。
作为示例性地，对第一优化问题中的mk(i)条件进行放松，将一个整数规划问题放松为一个可解的凸问题，即第二优化问题，并将拆分第一优化问题所得的功率分配方案(公式18)中的最优传输功率代入第二优化问题(公式19)，利用优化分解、次梯度下降法和凸优化方法求解最优传输模式。
需要说明的是，ξ0、ξk、ξM-1的更新公式分别如下：
ξ0(t+1)＝(ξ0(t)+ξ0(t)(m0(i)+m1(i)-1))+ (21)；
ξk(t+1)＝(ξk(t)+ξk(t)(mk(i)+mk+1(i)-1))+，此处k∈{1,2,...,M-2}(22)；
ξM-1(t+1)＝(ξM-1(t)+ξM-1(t)(mM-1(i)+mM(i)-1))+ (23)；
上述更新公式中，(·)+＝max{·，0}，ξ0(t)、ξk(t)、ξM-1(t)是t次迭代中使用的步长，分别控制着ξ0、ξk、ξM-1对其最优值的收敛速度。
本实施例通过将第一优化问题转化为第二优化问题，利用优化分解、次梯度下降法和凸优化方法计算得到第二数据传输模型的最优传输模式，即多跳中继通信系统的最优传输模式，以便后续基于最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。
为了验证本实施例的性能，进行了如下的仿真。
如图4所示，此时的中继节点数为2，节点之间的距离d0＝d1＝d2＝1，所有信道均为瑞利衰落信道，路劲损耗系数m＝3。为了对比本实施例的性能，本实施例使用了对比方案为无功率控制的缓存辅助的多跳中继系统，同时还给出了理论值。其中，对比方案为文献V.Jamali,N.Zlatanov,H.Shoukry,and R.Schober,“Achievable rate of the half-duplex multi-hop buffer-aided relay channel with block fading”,IEEETransactions on Wireless Communications,2015,vol.14,no.11,pp.6240–6256提出的缓存辅助多跳中继方案。
可以看出，当中继节点数为2时，本实施例远优于对比方案，并无限接近于理论值。因此，本实施例可以有效地提高端到端的可达速率。
如图5所示，此时端到端的总距离始终为3，且所有信道都为对称信道。对比方案为无功率控制的缓存辅助的多跳中继系统。
可以看出，随着中继数的增加，本实施例始终优于对比方案。因此，本实施例随着中继数的增加仍然可以有效地提高端到端的可达速率。
本实施例只需在每次数据传输前，第k个中继节点Rk向相邻的源节点S或中继节点R交换信道状态信息、缓存状态信息以及能量状态信息，这些局部信息就可以使端到端的可达速率最大化。
如图6所示，第二实施例提供一种基于存储辅助的多跳中继传输装置，包括：多跳中继通信系统构建模块21，用于构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；最优传输功率获取模块22，用于根据预先定义的功率分配方案建立多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取第一数据传输模型的最优传输功率；最优传输模式获取模块23，用于根据预先定义的模式选择方案建立多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取第二数据传输模型的最优传输模式；多跳中继通信系统调度模块24，用于基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
本实施例能够考虑功率分配方案和模式选择方案，分别利用两种方案构建存储多跳中继通信系统的数据传输数学模型，对其求解，得到最优传输功率和最优的传输模式，以基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，实现最大化端到端的可达速率。
在本实施例当中，多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；源节点通过级连的若干个中继节点与目的节点通信连接。
需要说明的是，源节点配置有单幅天线，工作在半双工模式；每一中继节点都采用解码转发中继协议，配置有单幅天线和数据缓存器，工作在半双工模式。
作为示例性地，多跳中继通信系统包括一个源节点S、一个目的节点D、M个中继节点{Rk，…，RM}，k＝1，…，M，源节点S与目的节点D之间没有直接相连的链路，源节点S需要通过级连的M个中继节点{Rk，…，RM}与目的节点D通信连接，即源节点S与第一个中继节点R1通信连接，第一个中继节点R1与第二个中继节点R2通信连接，以此类推，直至第M个中继节点RM与目的节点D通信连接。其中，源节点S配置单幅天线、工作在半双工模式，M个中继节点{Rk，…，RM}都采用解码转发中继协议，配置有单幅天线和用于存储接收数据的数据缓存器Qk，k＝1，…，M，工作在半双工模式。
每次数据传输前，第k个中继节点Rk向相邻的源节点S或中继节点R交换信道状态信息、缓存状态信息以及能量状态信息，目的节点D除外。各个节点基于收集的信道状态信息、缓存状态信息以及能量状态信息，以最大化端到端的可达速率为目标，利用Lyapunov优化方法确定初始资源分配策略，初始资源分配策略包括各个节点功率分配方案，各个节点的模式选择方案，直到整个数据传输结束。
在本实施例当中，多跳中继通信系统的优化问题为：
Figure BDA0002995316220000171
Figure BDA0002995316220000172
Figure BDA0002995316220000173
Figure BDA0002995316220000174
Figure BDA0002995316220000175
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M} (29)；
Figure BDA0002995316220000176
其中，x(i)＝(m(i),a(i),P(i))，m(i)＝(m0(i),m1(i),...,mM(i))，a(i)＝(a0(i),a1(i),...,aM(i))，P(i)＝(P0(i),P1(i),...,PM(i))，M为中继节点的总个数；m0(i)、mk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的传输模式，若等于1则表示此时节点传输数据，否则表示此时节点不传输数据；a0(i)、ak(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的实际传输速率；P0(i)、Pk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的实际发射功率；h0(i)、hk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点到下一节点的信道增益，d0(i)、dk(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点到下一节点的实际距离；σ1、σk+1、σd分别为源节点、第k个中继节点、目的节点处的加性高斯白噪声功率；
Figure BDA0002995316220000181
分别为源节点、第k个中继节点的最大瞬时发射功率，m为路径损耗指数，N为传输全部数据需要的时隙数，T为每一时隙的持续时间。
本实施例通过多跳中继通信系统构建模块21，设计多跳中继通信系统总的优化问题，有利于最大化端到端的可达速率。
在本实施例当中，多跳中继通信系统的数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态动态更新为：
Qk(i+1)＝max[Qk(i)-ak(i)T,0]+ak-1(i)T，k∈{1,...,M} (31)；
E0(i+1)＝E0(i)-m0(i)P0(i)T+e0(i) (32)；
Ek(i+1)＝Ek(i)-mk(i)Pk(i)T+ek(i)，k∈{1,...,M} (33)；
其中，Qk(i)为在第i个时隙第k个中继节点的数据队列状态，E0(i)、Ek(i)分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的虚拟能量消耗队列状态；
Figure BDA0002995316220000182
分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的虚拟能量到达过程，
Figure BDA0002995316220000183
分别为在第i个时隙源节点、第k个中继节点的平均功率。
在本实施例中，所述获取所述第一数据传输模型的最优传输功率，具体为：
根据数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态将优化问题转化为第一优化问题；第一优化问题为：
Figure BDA0002995316220000191
Figure BDA0002995316220000192
Figure BDA0002995316220000193
Figure BDA0002995316220000194
Figure BDA0002995316220000195
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M} (39)；
Figure BDA0002995316220000196
其中，μ0、μk、μM均为非负常数，V为非负控制参数；
拆分第一优化问题，获取功率分配方案；功率分配方案为：
Figure BDA0002995316220000197
根据优化分解和凸优化方法，得到最优传输功率。
本实施例通过最优传输功率获取模块22，基于Lyapunov优化框架将优化问题转化为第一优化问题，利用优化分解和凸优化方法，固定传输模式选择，优化传输功率分配，计算得到第一数据传输模型的最优传输功率，即多跳中继通信系统的最优传输功率，以便后续通过多跳中继通信系统调度模块24，基于最优传输功率调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。
在本实施例当中，所述获取所述第二数据传输模型的最优传输模式，具体为：
将第一优化问题转化为第二优化问题；第二优化问题为：
Figure BDA0002995316220000201
s.t.mk(i)∈{0,1}，k∈{1,...,M} (43)；
其中，ξ0、ξk、ξM-1均为拉格朗日常数；
根据次梯度下降法和凸优化方法，得到最优传输模式。
作为示例性地，通过最优传输模式获取模块23，对第一优化问题中的mk(i)条件进行放松，将一个整数规划问题放松为一个可解的凸问题，即第二优化问题，并将拆分第一优化问题所得的功率分配方案(公式41)中的最优传输功率代入第二优化问题(公式42)，利用优化分解、次梯度下降法和凸优化方法求解最优传输模式。
需要说明的是，ξ0、ξk、ξM-1的更新公式分别如下：
ξ0(t+1)＝(ξ0(t)+ξ0(t)(m0(i)+m1(i)-1))+ (44)；
ξk(t+1)＝(ξk(t)+ξk(t)(mk(i)+mk+1(i)-1))+，此处k∈{1,2,...,M-2} (45)；
ξM-1(t+1)＝(ξM-1(t)+ξM-1(t)(mM-1(i)+mM(i)-1))+ (46)；
上述更新公式中，(·)+＝max{·，0}，ξ0(t)、ξk(t)、ξM-1(t)是t次迭代中使用的步长，分别控制着ξ0、ξk、ξM-1对其最优值的收敛速度。
本实施例通过最优传输模式获取模块23，将第一优化问题转化为第二优化问题，利用优化分解、次梯度下降法和凸优化方法计算得到第二数据传输模型的最优传输模式，即多跳中继通信系统的最优传输模式，以便后续通过多跳中继通信系统调度模块24，基于最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，有效提高端到端的可达速率。
第三实施例提供一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在存储器中且被配置为由处理器执行的计算机程序，存储器与处理器耦接，且处理器执行计算机程序时实现如第一实施例所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，且能达到与之相同的有益效果。
综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：
通过构建基于存储辅助的多跳中继通信系统，根据预先定义的功率分配方案建立多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取第一数据传输模型的最优传输功率，根据预先定义的模式选择方案建立多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取第二数据传输模型的最优传输模式，基于最优传输功率和最优传输模式调度多跳中继通信系统中的节点进行数据传输，从而实现有效提高端到端的可达速率。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (9)

1.一种基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，包括：
构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；
根据预先定义的功率分配方案建立所述多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取所述第一数据传输模型的最优传输功率；
根据预先定义的模式选择方案建立所述多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取所述第二数据传输模型的最优传输模式；
基于所述最优传输功率和所述最优传输模式调度所述多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
2.如权利要求1所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，所述多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；
所述源节点通过级连的若干个所述中继节点与所述目的节点通信连接。
3.如权利要求2所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，所述多跳中继通信系统的优化问题为：
Figure FDA0002995316210000011
Figure FDA0002995316210000012
Figure FDA0002995316210000013
Figure FDA0002995316210000021
Figure FDA0002995316210000022
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M}；
Figure FDA0002995316210000023
其中，x(i)＝(m(i),a(i),P(i))，m(i)＝(m0(i),m1(i),...,mM(i))，a(i)＝(a0(i),a1(i),...,aM(i))，P(i)＝(P0(i),P1(i),...,PM(i))，M为所述中继节点的总个数；m0(i)、mk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的传输模式，若等于1则表示此时节点传输数据，否则表示此时节点不传输数据；a0(i)、ak(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的实际传输速率；P0(i)、Pk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的实际发射功率；h0(i)、hk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点到下一节点的信道增益，d0(i)、dk(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点到下一节点的实际距离；σ1、σk+1、σd分别为所述源节点、第k个所述中继节点、所述目的节点处的加性高斯白噪声功率；
Figure FDA0002995316210000024
分别为所述源节点、第k个所述中继节点的最大瞬时发射功率，m为路径损耗指数，N为传输全部数据需要的时隙数，T为每一时隙的持续时间。
4.如权利要求3所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，所述多跳中继通信系统的数据队列状态和虚拟能量消耗队列状态动态更新为：
Qk(i+1)＝max[Qk(i)-ak(i)T,0]+ak-1(i)T，k∈{1,...,M}；
E0(i+1)＝E0(i)-m0(i)P0(i)T+e0(i)；
Ek(i+1)＝Ek(i)-mk(i)Pk(i)T+ek(i)，k∈{1,...,M}；
其中，Qk(i)为在第i个时隙第k个所述中继节点的数据队列状态，E0(i)、Ek(i)分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的虚拟能量消耗队列状态；
Figure FDA0002995316210000031
分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的虚拟能量到达过程，
Figure FDA0002995316210000032
分别为在第i个时隙所述源节点、第k个所述中继节点的平均功率。
5.如权利要求4所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，所述获取所述第一数据传输模型的最优传输功率，具体为：
根据所述数据队列状态和所述虚拟能量消耗队列状态将所述优化问题转化为第一优化问题；所述第一优化问题为：
Figure FDA0002995316210000033
Figure FDA0002995316210000034
Figure FDA0002995316210000035
Figure FDA0002995316210000036
Figure FDA0002995316210000037
mk(i)+mk-1(i)≤1，k∈{1,...,M}；
Figure FDA0002995316210000041
其中，μ0、μk、μM均为非负常数，V为非负控制参数；
拆分所述第一优化问题，获取所述功率分配方案；所述功率分配方案为：
Figure FDA0002995316210000042
根据凸优化方法，得到所述最优传输功率。
6.如权利要求5所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法，其特征在于，所述获取所述第二数据传输模型的最优传输模式，具体为：
将所述第一优化问题转化为第二优化问题；第二优化问题为：
Figure FDA0002995316210000043
s.t.mk(i)∈{0,1}，k∈{1,...,M}；
其中，ξ0、ξk、ξM-1均为拉格朗日常数；
根据次梯度下降法和凸优化方法，得到所述最优传输模式。
7.一种基于存储辅助的多跳中继传输装置，其特征在于，包括：
多跳中继通信系统构建模块，用于构建基于存储辅助的多跳中继通信系统；
最优传输功率获取模块，用于根据预先定义的功率分配方案建立所述多跳中继通信系统的第一数据传输模型，并获取所述第一数据传输模型的最优传输功率；
最优传输模式获取模块，用于根据预先定义的模式选择方案建立所述多跳中继通信系统的第二数据传输模型，并获取所述第二数据传输模型的最优传输模式；
多跳中继通信系统调度模块，用于基于所述最优传输功率和所述最优传输模式调度所述多跳中继通信系统中的节点进行数据传输。
8.如权利要求7所述的基于存储辅助的多跳中继传输装置，其特征在于，所述多跳中继通信系统包括源节点、目的节点、若干个中继节点；
所述源节点通过级连的若干个所述中继节点与所述目的节点通信连接。
9.一种终端设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述存储器与所述处理器耦接，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～6任一项所述的基于存储辅助的多跳中继传输方法。
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