CN114665997A - 一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法 - Google Patents

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CN114665997A CN202210199732.2A CN202210199732A CN114665997A CN 114665997 A CN114665997 A CN 114665997A CN 202210199732 A CN202210199732 A CN 202210199732A CN 114665997 A CN114665997 A CN 114665997A
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杨鲲
刘双美
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程家富
肖伟胜
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HYDRAULIC SCIENCE RESEARCH INSTITUTE OF SICHUAN PROVINCE
Sichuan Sunrise Information Automation Engineering Co ltd
University of Electronic Science and Technology of China
Yangtze River Delta Research Institute of UESTC Huzhou
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Sichuan Sunrise Information Automation Engineering Co ltd
University of Electronic Science and Technology of China
Yangtze River Delta Research Institute of UESTC Huzhou
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Abstract

本申请公开了一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法，包括中继选择向量设计、源节点波束向量设计、功率分割比例设计和中继节点的发送功率分配四个部分，基于无线数能同传技术和协作中继技术进行建模，采用选择性解码并转发中继，并且采用时间相关性信道，尽可能节约中继收割到的能量，具体探讨信号在传输过程中的信号功率分割比例、中继的选择等问题，通过发明提出的算法，实现信号在传输过程中选择一条相对最优的路径，在满足节约能量的同时提高信号传输的吞吐量。

Description

一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法
技术领域
本申请涉及无线数能同传技术领域，特别涉及一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法。
背景技术
能量收集(Energy Harvesting，EH)技术因其能为无线传感网络等能量受限网络提供稳定的能量并延长网络生命周期而具有大好发展前景。能量收集技术的能量来源不仅包括周围环境的大多数自然能源，如太阳能、光能、风能、热能、化学能等，还可以将接收的周围无线信号转化成一种电能，如人工获取的射频(Radio Frequency，RF)信号。而基于RF信号的能量收集因其可以不受天气环境影响并提供稳定能量成为研究热点。
随着越来越多的设备正在接入移动网络，设备与设备之间的通信也日益频繁。但是，网络节点之间的通信质量通常会受到信道波动的极大影响。因此为了保证网络节点之间的正常通信，可以采用中继协作方式，通过配置一个中继节点协助进行数据信息的转发。但是，为了避免产生因为中继进行转发服务消耗能量而对自身工作带来的负面影响，就需要选择更加合适的方式来对中继进行额外的能量供应。广大学者提出了无线数能同传技术(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)的概念。无线数能同传技术能够实现数据和能量的同时传输，使设备在传输信息的同时可以从射频信号中收割能量，解决设备自身的能量供应问题，节约了很多能量，极大的减少了碳排放。此时再加入协同中继技术(Cooperative Relay,CoR)就显得尤其重要了。采用中继技术，网络的覆盖范围可以得到巨大的提升，而衰落带来的性能骤降问题也可以得到缓和，因此发送端的传输功率也可以有效的降低，从而节省能量。
目前基于SWIPT的协同中继技术的研究主要有三个方向：
第一种是理想的中继协议，这种中继协议是能量收割和信息解码在相同的时隙中通过相同的信号完成，目前在事实上是不可行的，只是一种理想状态；
第二种是时间切换中继协议，其中，每个周期被分成三个子时隙，第一个子时隙用于进行能量收割，而第二个子时隙用来数据信息的解调，然后在第三个子时隙中，中继将接收到的源节点数据信息转发给目的节点；
第三种协议是功率分割中继协议，在功率分割中继协议中，接收到的射频信号被按照一定的比率被分为两个功率流，部分用作EH，剩余的部分用作ID。然后，中继节点将信息转发到目的地。
但是，上述三个方向中并未涉及到基于能量收割中继网络中的中继选择，并且当前对于针对中继节点的能量使用、中继节点的数据转发正确性、协同中继的信号处理等未提供相应的解决方案。
发明内容
基于此，本申请公开了以下技术方案。
一方面，提供了一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法，包括：
依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议；
在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量；
在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
在一种可能的实施方式中，所述传输协议包括：将网络模型的通信进程分周期进行，每个周期选择一个中继节点协助源节点到目的节点的数据传输。
在一种可能的实施方式中，所述获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量，包括：
依据信道质量信息算出信道路径损耗；
依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量；
依据信噪比算出可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量，包括：
获取所述中继节点的解码所需功率；
获取目的节点的接收信号和可达吞吐量；
依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配，包括：
以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配；
确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式；
以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配；其中，
所述资源分配包括：中继选择向量、源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，所述以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配，包括：
设置第一优化目标为基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
将第一优化目标的整数实数混合规划问题分解，得到凸问题和非凸问题；
基于所述凸问题和非凸问题通过遍历求解所述第一优化目标。
在一种可能的实施方式中，所述以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配，包括：
设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化；
采用连续迭代的优化方法，使功率分割比例与中继传输功率不变并更新源节点发送波束，再使源节点发送波束不变并更新功率分割比例和中继传输功率，直到当前迭代次数不小于连续迭代最大次数；
通过比较来获取最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据之前，先获取该协作中继节点的当前剩余能量，在剩余能量低于能量阈值时采用恒包络调制方式进行待传输数据的调制，否则采用变包络方式进行待传输数据的调制。
在一种可能的实施方式中，在采用变包络方式进行待传输数据调制的情况下，先获取整流激活门限值，若该门限值小于门限阈值则采用低阶变包络方式进行调制，否则采用高阶变包络方式进行调制。
另一方面，还提供了一种基于无线数能同传的协同中继资源分配系统，包括：
传输协议分配模块，用于依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议；
中继参数获取模块，用于在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量；
目的参数获取模块，用于在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
资源分配模块，用于基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
在一种可能的实施方式中，所述传输协议分配模块将网络模型的通信进程分周期进行，每个周期选择一个中继节点协助源节点到目的节点的数据传输。
在一种可能的实施方式中，所述中继参数获取模块通过以下步骤获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量：
依据信道质量信息算出信道路径损耗；
依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量；
依据信噪比算出可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述目的参数获取模块通过以下步骤获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量：
获取所述中继节点的解码所需功率；
获取目的节点的接收信号和可达吞吐量；
依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤算出最优资源分配：
以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配；
确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式；
以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配；其中，
所述资源分配包括：中继选择向量、源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤算出初始资源分配：
设置第一优化目标为基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
将第一优化目标的整数实数混合规划问题分解，得到凸问题和非凸问题；
基于所述凸问题和非凸问题通过遍历求解所述第一优化目标。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配：
设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化；
采用连续迭代的优化方法，使功率分割比例与中继传输功率不变并更新源节点发送波束，再使源节点发送波束不变并更新功率分割比例和中继传输功率，直到当前迭代次数不小于连续迭代最大次数；
通过比较来获取最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据之前，先获取该协作中继节点的当前剩余能量，在剩余能量低于能量阈值时调制器采用恒包络调制方式进行待传输数据的调制，否则调制器采用变包络方式进行待传输数据的调制。
在一种可能的实施方式中，在采用变包络方式进行待传输数据调制的情况下，先获取整流激活门限值，若该门限值小于门限阈值则调制器采用低阶变包络方式进行调制，否则调制器采用高阶变包络方式进行调制。
本申请公开的基于无线数能同传的协同中继资源分配方法，具有如下有益效果：
1、本申请包括中继选择向量设计、源节点波束向量设计、功率分割比例设计和中继节点的发送功率分配四个部分，基于无线数能同传技术和协作中继技术进行建模，采用选择性解码并转发(Selective Decode-and-Forward，S-DF)中继，并且采用时间相关性信道，尽可能节约中继收割到的能量，关于信号在传输过程中的信号功率分割比例、中继的选择等方面，通过提出的优化算法实现信号在传输过程中选择一条相对最优的路径，在满足节约能量的同时提高信号传输的吞吐量。
2、为了更好的节省能量，中继节点均采用S-DF转发方式，即只有中继节点对源节点发送的信息解码正确，才可以进行向目的节点的转发服务，因此也避免了由于转发冗余错误信息带来的能量浪费，进而可以提升有效信息的传输吞吐量。
3、提出一种多变量连续迭代的方式，通过多步收敛逐渐趋近于最优解。在引入直连链路之后，源节点和目的节点之间的端到端吞吐量得到了有效的提升。
附图说明
以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本申请，而不能理解为对本申请的保护范围的限制。
图1是本申请公开的基于无线数能同传的协同中继资源分配方法实施例的流程示意图。
图2是基于无线数能同传的协同中继网络模型示意图。
图3是本申请公开的基于无线数能同传的协同中继资源分配系统实施例的结构框图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
下面参考图1-图2详细描述本申请公开的基于无线数能同传的协同中继资源分配方法实施例。
如图1所示，本实施例公开的协同中继资源分配方法包括如下步骤100至步骤600。
步骤100，依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议。
本步骤首先确定出系统模型，如图2所示，本实施例中无线数能同传网络模型中包含一个源发送节点，M个中继节点，以及一个目的节点，其中，源节点配置Ns根天线，每个中继节点配置Nr根天线，而目的节点配置单根天线，通过确定出源节点、中继节点、目的节点的天线数量确定出系统模型。
在确定出网络模型后，就可以为其分配传输协议。在一种可能的实施方式中，所述传输协议可以包括：将网络模型的通信进程分周期进行，每个周期选择一个中继节点协助源节点到目的节点的数据传输，该被选中的中继节点即为协作中继节点。具体的，每个周期分为L个时隙，每个时隙的长度表示为T，且每个时隙划分为两个阶段，其中，第一阶段为：源节点通过波束向选中的协作中继节点以及目的节点同时发送数据；第二阶段为：协作中继节点向目的节点转发数据。假设两阶段的比例相同，即每阶段时间长度均为T/2。
对于该两个阶段，目的节点都会收到相应的数据信息，然后将两路信号进行合并后再进行解码恢复。对于周期过程中未被选择的中继，在该周期内则可以利用采集到的射频信号进行能量采集。
步骤200，在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量。
假设网络模型中，源节点到各个中继节点以及各个中继节点到目的节点之间的信道质量均已知，当处于源节点向协作中继节点传输数据阶段，也就是第一阶段时，获取协作中继节点此时的接收信号、接收功率、接收能量和可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，步骤200具体包括以下步骤210至步骤230。
步骤210，依据信道质量信息算出信道路径损耗。
假设在每周期的第l个时隙中，源节点与当前选中的协作中继节点m之间的信道衰落符合瑞利分布，其表示为：
Figure BDA0003527064560000061
其中，
Figure BDA0003527064560000062
为信道(channe1)，类似的，中继节点m与目的节点之间的信道衰落表示为：
Figure BDA0003527064560000063
并且，假设源节点与中继节点m、以及中继节点m与目的节点之间的距离分别表示为ds，m和dm，d，则源节点与中继节点m的信道路径功率损耗为：
Ωs，m＝Ω0(ds.m)c
中继节点m与目的节点的信道路径功率损耗为：
Ωm，d＝Ω0(dm，d)c
其中，Ω0为参考距离下的路径损耗，c为路径损耗因子，下标中的s代表源节点，m代表中继节点，d代表目的节点。
步骤220，依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量。
具体的，在第l个时隙的第一阶段，中继节点m接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003527064560000064
其中，Ps(l)为源节点在第l个时隙的发送功率，ws(l)为第l个时隙的源节点发送波束向量，并且满足
Figure BDA0003527064560000065
其中，Tr()为矩阵的迹，*代表向量共轭；x(l)为一单位功率符合高斯分布的发送信号，
Figure BDA0003527064560000066
为在中继节点m处的天线噪声，CN代表复高斯过程，～代表正相关，
Figure BDA0003527064560000067
为互信息，
Figure BDA0003527064560000068
是中继节点的天线噪声功率，其中σ为方差。
如果在该周期选择中继节点m用来协助源节点与目的节点转发数据，那么在中继节点m处需要利用功率分割的方式来分离数据与能量信号，假设功率分割比例为ρm(l)，此时代表ρm(l)比例的功率信号用于能量的采集，并且1-ρm(l)比例的接收信号功率用于数据解调。因此，在第l个时隙内，中继节点m接收到的用于能量采集的功率(接收功率)为：
Figure BDA0003527064560000069
如果采用非线性能量接收机，那么中继节点m实际可以采集的能量(即接收能量)为：
Figure BDA00035270645600000610
其中，k2和k4为定值。
步骤230，依据信噪比算出可达吞吐量。
具体的，对于另一部分比例的信号，也就是1-ρm(l)比例的接收信号，中继节点m则对其进行数据解调，信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)可以表示为：
Figure BDA0003527064560000071
其中，
Figure BDA0003527064560000072
为射频-基带转换时的噪声功率大小。由此，第一阶段中继节点m的可达吞吐量可以表示为：
Figure BDA0003527064560000073
步骤300，在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
当处于协作中继节点向目的节点传输数据的阶段，也就是第二阶段时，获取目的节点此时的接收信号和可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，步骤300具体包括步骤310至步骤330。
步骤310，获取所述中继节点的解码所需功率。
本实施例采用选择性解码并转发(Selective Decode-and-Forward，简称S-DF)的中继方式，在S-DF方式下，中继节点首先对源节点发来的信息进行解码，如果解码正确则向目的节点转发数据，如果解码失败则不会继续转发数据。
为了表示中继节点的选择情况，此处定义一个向量α＝[αm]M×1，如果αm＝1则表示第m个中继节点被选中，如果αm＝0则表示未被选中，对于该向量满足
Figure BDA0003527064560000074
也就是说同一时间只有一个中继节点被选中。
另外，定义向量β(l)＝[βm(l)]M×1代表第l个时隙内的中继节点正确解码情况，如果βm(l)＝1则表示中继节点m可以正确解码源节点发送过来的数据。在进行系统建模时，可以利用接受信噪比门限的方式来确定是否可以正确解码，即如果有信噪比γm(l)≥γm，th，则认为中继节点m可以正确解码数据，其中γm，th为中继节点m的正确解码信噪比门限，下标中的th代表门限。
中继节点m采集的无线能量主要用于两个用途，一个是自身的数据解码能耗，另一部分是在第二阶段向目的节点转发数据信息。在传统的中继系统中，并没有对解码能耗进行考虑。但是在实际系统中，中继端的解码能耗是一个不可忽略的因素，这也在无线数能同传系统中显得尤为重要。中继节点m的解码所需功率可以表示为：
Figure BDA0003527064560000075
其中，rm(l)为中继节点m的可达数据速率，其表示为rm(l)＝log(1+γm(l))。
步骤320，获取目的节点的接收信号和可达吞吐量。
在使用S-DF中继方式时，在传输的第二阶段，目的节点接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003527064560000076
其中，Pm(l)为中继节点m的发送功率，Wm(l)为中继节点m的波束成形向量，xm(l)为第m个中继节点的发送信号，
Figure BDA0003527064560000081
为目的节点处的天线噪声，N代表高斯分布，
Figure BDA0003527064560000082
为目的节点的天线噪声，其中σ为方差。为了提高目的节点处的接收功率，此处采用最大比合并的波束设计方式，即：
Figure BDA0003527064560000083
因此，在第二阶段内，目的节点的可达吞吐量可以表示为：
Figure BDA0003527064560000084
步骤330，依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
由于在中继节点m应该满足能量的因果效应，因此以Qm(l)表示在第l个时隙末中继节点m的剩余能量，应满足：
Figure BDA0003527064560000085
即，每时隙末的能量值Qm(l)等于上一时隙末的剩余能量值Qm(l-1)加上本时隙采集的能量Em(l)并且减去自身解码以及转发数据所消耗的能量值。
根据向量α和β，源节点到中继节点的有效吞吐量可以表示为：
Figure BDA0003527064560000086
因此，第l个时隙内，最终的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量可以表示为：
Re2e(l)＝min[Rr(l)，Rd(l)]
步骤400，基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
在一种可能的实施方式中，步骤400具体包括以下步骤410至步骤440。
步骤410，以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配。步骤410中的优化目标为第一优化目标，初始资源包括中继选择向量、源节点波束向量、功率分割比例和协作中继节点的发送功率
具体的，在一种可能的实施方式中，步骤410具体包括以下步骤411至步骤413。
步骤411，设置第一优化目标为基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量，得到第一优化目标及其约束。
根据实际情况，第一优化目标是为了最大化源节点到目的节点之间的端到端可达吞吐量，因此对发送波束向量ws(l)、设功率分割比例ρm(l)以及中继发送功率Pm(l)都有相应的限制，同时，每个周期仅选择一个中继节点进行协助数据转发。根据以上条件，得到优化问题为：
Figure BDA0003527064560000087
Figure BDA0003527064560000091
Figure BDA0003527064560000092
Figure BDA0003527064560000093
Figure BDA0003527064560000094
Figure BDA0003527064560000095
其中，Re2e，tot为所有L个时隙的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
Figure BDA0003527064560000096
步骤412，将第一优化目标的整数实数混合规划问题分解，得到凸问题和非凸问题。
第一优化问题包含优化变量α，同时中继处的正确解码向量β也是一个整数向量，因此原问题为一个整数实数混合规划问题，需要首先对其进行分解。首先，因为每周期只选择单个中继进行转发，因此在中继选择方面一共有M种可能，可以通过对所有的情况进行遍历的方式求得该周期的最优中继选择。对于单个周期中的L个时隙，如果每个时隙存在信号传输的成功与失败两种可能，则会有共计K＝2L种不同情况。通过考虑所有的情况并且加以对比，就可以求得中继m′在周期内的正确解码序列，其中，中继m′仅为举例，m′可以是任意中继。
将属于非凸问题的第一优化问题通过分解为两个子问题进行求解。其中，子问题一为凸问题，对于最优波束的优化：
Figure BDA0003527064560000097
其约束为：
Figure BDA0003527064560000098
子问题二为原第一优化问题对剩余两个待优化变量功率分割比例ρm(l)以及中继发送功率Pm(l)的非凸问题，该优化问题可以近似转化为凸问题：
Figure BDA0003527064560000099
Figure BDA00035270645600000910
Figure BDA00035270645600000911
Figure BDA00035270645600000912
Figure BDA0003527064560000101
Figure BDA0003527064560000102
其中，μm′(l)＝1-ρm′(l)，μm′(l)是为了保证凸性做的转换，与ρm′(l)一样，均代表功率分割比例，
Figure BDA0003527064560000103
为解码成功的时隙集合，
Figure BDA0003527064560000104
为解码失败的时隙集合，k为当前情况序号，Qm′(0)是中继节点m′的初始能量，l′仅为举例，l′可以是任意时隙。
步骤413，基于所述凸问题和非凸问题通过遍历求解所述第一优化目标。
遍历所有M种中继选择方案求解子问题一，以及遍历所有K＝2L种时隙解码情况求解子问题二，可以选择其中最优的方案，作为两跳中继场景中的最终优化结果，得到最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
步骤420，确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式。
基于第一优化问题求解了源节点与目的节点不存在直连通信线路的情况，根据系统模型，即使源节点和目的节点之间信道较差，但是直连通信链路仍旧存在。为了提高目的节点处的吞吐量，可以充分的利用中继链路以及直连链路，从而组成协作中继场景。
在目的节点，由于在第一阶段和第二阶段都接收到了数据信息，因此需要将两阶段的信号进行合并。通常采用的合并方式包括选择合并与最大比合并。本实施例中选择最大比合并的方式进行信号合并。
对于选择合并的方式，目的节点选择信噪比较大的一路信号进行接收，而摒弃另一路信号，即在第l个时隙中，目的节点实际接收到的最终信号为：
Figure BDA0003527064560000105
其中，
Figure BDA0003527064560000106
和
Figure BDA0003527064560000107
分别为目的节点接收到的两路信号，
Figure BDA0003527064560000108
和
Figure BDA0003527064560000109
分别为这两路信号的信噪比，I(x)为指示函数，如果x为真则返回1，否则返回0。进而，对于选择合并的方式，目的节点接收到的端到端吞吐量可以表示为：
Figure BDA00035270645600001010
对于最大比合并的方式，目的节点通过一定的比例将两路信号进行合并，而具体比例与两路信号中的数据分量功率呈正比例关系。在第l个时隙中，目的节点接收到的最终信号为：
Figure BDA0003527064560000111
其中，
Figure BDA0003527064560000112
为第l-1个时隙的中继到目标节点的信道时间相关因子，Ωs，d为源节点与目的节点之间的信道路径功率损耗，hm，d(1)为第1时隙的信道衰落。通过此合并方式，目的节点出的信噪比为两路信号信噪比之和，因此端到端的吞吐量可以表示为：
Figure BDA0003527064560000113
步骤430，以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配。步骤430中的优化目标为第二优化目标，最优资源分配包括最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和协作中继节点的发送功率。
具体的，在一种可能的实施方式中，步骤430具体包括以下步骤431至步骤433。
步骤431，设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化，得到第二优化目标及其约束条件。
根据实际情况，第二优化目标是为了最大化源节点到目的节点之间的端到端可达吞吐量，因此源节点发送波束ws(l)模值不大于一，对功率分割比例ρm(l)以及中继发送功率Pm(l)都有相应的限制，同时，每个周期仅选择一个中继节点进行协助数据转发，第二阶段的中继转发数据量不应高于第一阶段的中继接收数据量。根据以上条件，得到优化问题为：
Figure BDA0003527064560000114
Figure BDA0003527064560000115
Figure BDA0003527064560000116
Figure BDA0003527064560000117
Figure BDA0003527064560000118
Figure BDA0003527064560000119
Figure BDA00035270645600001110
第二优化目标是一个整数实数混合规划问题。因此，首先固定选择中继m′以及各个时隙的解码结果βm，k(l)，进行源节点波束、中继节点m′的功率分割比例和转发功率设计，然后遍历所有M个中继选择情况以及所有K＝2L个时隙解码结果情况，选择最优解即为原问题的全局最终解。
步骤432，对于存在直连链路的场景，使用一种连续迭代的优化方法，即将原变量分为两组，首先给定初始值，在固定两个变量的情况下优化另一个变量。第一组问题为源节点波束向量优化；第二组问题为中继功率分割比例和转发功率优化。
对于存在直连链路的场景，由于源节点的波束向量不仅会决定中继节点的接收功率，还会决定第一阶段目的节点的接收功率进而影响端到端的吞吐量。因此，在综合考虑两个影响下，对源节点波束向量单独进行设计不再可行。但是，针对三个变量ws(l)、ρm(l)和Pm(l)是一个非凸问题，不能直接使用凸优化的方式对其进行求解。因此，本实施例采用一种连续迭代的优化方法，即将原变量分为两组，首先给定初始值，在固定两个变量的情况下优化另一个变量。
第一组问题为源节点波束向量优化，是个凸优化问题，将其作为子问题三，其优化问题为：
Figure BDA0003527064560000121
Figure BDA0003527064560000122
Figure BDA0003527064560000123
Figure BDA0003527064560000124
Figure BDA0003527064560000125
Figure BDA0003527064560000126
Figure BDA0003527064560000127
其中，
Figure BDA0003527064560000128
Figure BDA0003527064560000129
第二组问题为中继功率分割比例和转发功率优化，将其作为子问题四，其优化问题为：
Figure BDA00035270645600001210
Figure BDA00035270645600001211
Figure BDA00035270645600001212
Figure BDA00035270645600001213
Figure BDA0003527064560000131
步骤433，设计优化求解算法求解第二优化目标，求得协作中继下最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
设计优化求解算法求解第二优化目标。输入源节点发送功率Ps，第一个时隙的信道衰落Hs，m(1)、hm，d(1)、hs，d(1)，信道时间相关因子λs，m、λm，d、λs，d，时间误差方差
Figure BDA0003527064560000132
信道路径功率损耗Ωs，m、Ωm，d、Ωs，d，中继节点的初始能量{Qm(0)}，天线噪声功率
Figure BDA0003527064560000133
连续迭代最大次数Λ。其中，h代表时间误差。
步骤430的具体实施过程如下：
将变量m′初始化为1，
Figure BDA0003527064560000134
初始化为0，其中，
Figure BDA0003527064560000135
为第k个情况下的总体端到端吞吐量，上标的撇代表中间过程，也就是说
Figure BDA0003527064560000136
和
Figure BDA0003527064560000137
均为中间变量，一撇代表K(也就是2L)种情况下的最优，两撇代表m个中继的最优，每个中继都有K个时隙，后续采用两层循环，求出最优值。k和m之外的括号表示第k个和第m个，以区别于幂次方。
步骤A1，判断m′与M的大小关系，当m′≤M时，更新中继选择向量
Figure BDA0003527064560000138
Figure BDA0003527064560000139
和功率分割比例
Figure BDA00035270645600001310
并初始化时隙正确解码序列{βm′，k|k＝1，...，2L}，然后执行步骤4332；当m′＞M时，更新
Figure BDA00035270645600001311
Figure BDA00035270645600001312
返回结果
Figure BDA00035270645600001313
Figure BDA00035270645600001314
其中，←表示将右值赋给左边。
步骤A2，判断k与2L的大小关系，当k≤2L时，定义迭代次数i＝0，初始化源节点发送波束
Figure BDA00035270645600001315
功率分割比例
Figure BDA00035270645600001316
与中继传输功率
Figure BDA00035270645600001317
然后执行步骤4333；当k＞2L时，更新
Figure BDA00035270645600001318
Figure BDA00035270645600001319
Figure BDA00035270645600001320
Figure BDA00035270645600001321
使m’＝m’+1，并返回步骤A1。
步骤A3，判断i与Λ的大小关系，当i<Λ时，使功率分割比例
Figure BDA00035270645600001322
与中继传输功率
Figure BDA00035270645600001323
不变，通过求解子问题三更新源节点发送波束
Figure BDA00035270645600001324
以及使源节点发送波束
Figure BDA00035270645600001325
不变，通过求解子问题四更新功率分割比例
Figure BDA00035270645600001326
与中继传输功率
Figure BDA00035270645600001327
使i＝i+1并重复执行本步骤，直到i不小于Λ，此时即得到了中继m′在当前k情况下的最优端到端可达吞吐量
Figure BDA00035270645600001328
使k＝k+1，并返回步骤A2。
上述步骤A1为对各个中继进行遍历的步骤，是外层循环；步骤A2为对单时期中包含的各个时隙的信号传输是否成功进行遍历，是中间层循环；步骤A3为某时隙下的最优端到端可达吞吐量的计算，是内层循环。
完成上述步骤A1至A3的迭代循环后，可通过比较求得最优中继选择向量α*，最优源节点波束向量
Figure BDA0003527064560000141
功率分割比例
Figure BDA0003527064560000142
和中继节点的发送功率
Figure BDA0003527064560000143
由于数能同传时，中继节点会从接收到的射频信号中获取到能量来维持自身运行，而在不同场景下，不同的数据调制方式带来的能量获取效率是不同的，因此可以通过改变数据调制方式来增强中继节点的能量获取量。在一种可能的实施方式中，在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据之前，先获取该协作中继节点的当前剩余能量，在剩余能量低于能量阈值时采用恒包络调制方式进行待传输数据的调制，否则采用变包络方式进行待传输数据的调制。
当中继节点当前剩余能量充足时，则补充能量不是首要任务，而若中继节点剩余能量不足，甚至可能随时会因电源不足而停止运行时，补充能量就需要优先考虑，因此源节点可以实时对当前的协作中继节点进行剩余电量获取，在协作中继的剩余能量不足时，源节点的编码器将信息转化为二进制比特串后，在进行调制时会采用恒包络调制方式，例如采用相移键控调制。相移键控调制方式的特点之一是，不同比特串形成的符号会产生携带能量相同的符号，由二进制符号组成的码字结构不会影响其传能性能，因此能量传输效率高。
而当源节点判断出协作中继的剩余能量并未低于能量阈值时，说明协作中继的充足电量充足，因此源节点在进行调制时会采用变包络调制方式，例如正交幅度调制或脉冲幅度调制。该两种调制方式的特点之一是，不同比特串形成携带不同能量的符号，因此数据传输可靠性更佳。
另外，由于高阶调制在整流激活门限较高时表现较好，而低阶调制在整流激活门限较低时表现更好，因此在一种可能的实施方式中，在采用变包络方式进行待传输数据调制的情况下，先获取整流激活门限值，若该门限值小于门限阈值则采用低阶变包络方式进行调制，否则采用高阶变包络方式进行调制。
下面参考图3详细描述本申请公开的协同中继资源分配系统实施例。本实施例是用于实施前述的协同中继资源分配方法实施例的系统。
如图3所示，本实施例公开的系统主要包括有：
传输协议分配模块，用于依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议；
中继参数获取模块，用于在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量；
目的参数获取模块，用于在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
资源分配模块，用于基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
在一种可能的实施方式中，所述传输协议分配模块将网络模型的通信进程分周期进行，每个周期选择一个中继节点协助源节点到目的节点的数据传输。
在一种可能的实施方式中，所述中继参数获取模块通过以下步骤获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量：
依据信道质量信息算出信道路径损耗；
依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量；
依据信噪比算出可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述目的参数获取模块通过以下步骤获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量：
获取所述中继节点的解码所需功率；
获取目的节点的接收信号和可达吞吐量；
依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤算出最优资源分配：
以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配；
确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式；
以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配；其中，
所述资源分配包括：中继选择向量、源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤算出初始资源分配：
设置第一优化目标为基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
将第一优化目标的整数实数混合规划问题分解，得到凸问题和非凸问题；
基于所述凸问题和非凸问题通过遍历求解所述第一优化目标。
在一种可能的实施方式中，所述资源分配模块通过以下步骤依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配：
设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化；
采用连续迭代的优化方法，使功率分割比例与中继传输功率不变并更新源节点发送波束，再使源节点发送波束不变并更新功率分割比例和中继传输功率，直到当前迭代次数不小于连续迭代最大次数；
通过比较来获取最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
在一种可能的实施方式中，在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据之前，先获取该协作中继节点的当前剩余能量，在剩余能量低于能量阈值时调制器采用恒包络调制方式进行待传输数据的调制，否则调制器采用变包络方式进行待传输数据的调制。
在一种可能的实施方式中，在采用变包络方式进行待传输数据调制的情况下，先获取整流激活门限值，若该门限值小于门限阈值则调制器采用低阶变包络方式进行调制，否则调制器采用高阶变包络方式进行调制。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于无线数能同传的协同中继资源分配方法，其特征在于，包括：
依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议；
在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量；
在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
2.如权利要求1所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量，包括：
依据信道质量信息算出信道路径损耗；
依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量；
依据信噪比算出可达吞吐量。
3.如权利要求1所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量，包括：
获取所述中继节点的解码所需功率；
获取目的节点的接收信号和可达吞吐量；
依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
4.如权利要求1所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配，包括：
以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配；
确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式；
以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配；其中，
所述资源分配包括：中继选择向量、源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
5.如权利要求4所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配，包括：
设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化；
采用连续迭代的优化方法，使功率分割比例与中继传输功率不变并更新源节点发送波束，再使源节点发送波束不变并更新功率分割比例和中继传输功率，直到当前迭代次数不小于连续迭代最大次数；
通过比较来获取最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
6.一种基于无线数能同传的协同中继资源分配系统，其特征在于，包括：
传输协议分配模块，用于依据无线数能同传网络模型的架构分配相应的传输协议；
中继参数获取模块，用于在源节点向当前选中的协作中继节点传输数据时，获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量；
目的参数获取模块，用于在所述协作中继节点向目的节点传输数据时，获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量；
资源分配模块，用于基于所述端到端可达吞吐量通过迭代的方式算出最优资源分配。
7.如权利要求6所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述中继参数获取模块通过以下步骤获取该协作中继节点的接收信号、接收功率、接收能量和吞吐量：
依据信道质量信息算出信道路径损耗；
依据所述信道路径损耗算出中继节点的接收信号、接收功率和接收能量；
依据信噪比算出可达吞吐量。
8.如权利要求6所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述目的参数获取模块通过以下步骤获取目的节点的接收信号以及源节点到目的节点的端到端可达吞吐量：
获取所述中继节点的解码所需功率；
获取目的节点的接收信号和可达吞吐量；
依据所述解码所需功率和所述目的节点的可达吞吐量算出源节点到目的节点的端到端可达吞吐量。
9.如权利要求6所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述资源分配模块通过以下步骤算出最优资源分配：
以基于两跳中继场景的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量为优化目标，算出初始资源分配；
确定所述协作中继节点的接收端信号合并方式；
以基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化为优化目标，依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配；其中，
所述资源分配包括：中继选择向量、源节点波束向量、功率分割因子和协作中继节点的发送功率。
10.如权利要求9所述的协同中继资源分配方法，其特征在于，所述资源分配模块通过以下步骤依据所述初始资源分配通过迭代的方式算出最优资源分配：
设置第二优化目标为基于协作中继节点的源节点到目的节点的端到端可达吞吐量最大化；
采用连续迭代的优化方法，使功率分割比例与中继传输功率不变并更新源节点发送波束，再使源节点发送波束不变并更新功率分割比例和中继传输功率，直到当前迭代次数不小于连续迭代最大次数；
通过比较来获取最优中继选择向量、最优源节点波束向量、功率分割比例和中继节点的发送功率。
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