[發(fā)明專利]基于QoS要求含能量收集節(jié)點(diǎn)的中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611255936.4
• 申請(qǐng)日: 2016-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN106714293B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬丕明;崔敏玉;馬艷波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W52/26
• 分類號(hào): H04W52/26;H04W52/34;H04W52/46;H04W72/04;H04W72/08
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

1.一種基于QoS要求含能量收集節(jié)點(diǎn)的中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，是由無線通信中的中繼網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，該中繼網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)送端、中繼節(jié)點(diǎn)和接收端，其中發(fā)送端和中繼節(jié)點(diǎn)均可進(jìn)行能量收集，系統(tǒng)采用雙跳中繼技術(shù),發(fā)送端到中繼節(jié)點(diǎn)的無線信道表示為鏈路1即link-1，中繼節(jié)點(diǎn)到接收端的無線信道表示為鏈路2即link-2；中繼節(jié)點(diǎn)通過鏈路1接受到發(fā)送端的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)發(fā),通過鏈路2向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；中繼節(jié)點(diǎn)工作在半雙工模式；設(shè)無線信道服從塊衰落，每個(gè)塊的時(shí)長為T；該通信網(wǎng)絡(luò)共有N個(gè)子載波，每個(gè)子載波帶寬為WHz，且第n(n∈{1,2,...N})個(gè)子載波只能唯一地分配給鏈路1和鏈路2其中之一；相鄰的兩次能量收集的時(shí)間間隔定義為一個(gè)“時(shí)隙”,考慮整個(gè)通信過程有K個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙時(shí)長為T₀，在第k(k∈{1,2,...K})個(gè)時(shí)隙初始時(shí)刻發(fā)送端和中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量分別表示為E₁^(k)和E₂^(k)，其中所有變量右上角的符號(hào)(k)均表示該變量是在時(shí)隙k所對(duì)應(yīng)的變量值，無線鏈路link-1和link-2可表示為link-i,i∈{1,2}；

由有效容量概念可知，在第k個(gè)時(shí)隙對(duì)子載波n，無線信道link-i,i∈{1,2}的有效容量為：

其中E[]表示求均值運(yùn)算，θ表示時(shí)延參數(shù)即QoS參數(shù)，表示時(shí)隙k對(duì)子載波n，信道link-i的吞吐量，γ_i,n表示對(duì)子載波n在鏈路link-i的瞬時(shí)信道功率增益，表示對(duì)于子載波n在時(shí)隙k、link-i的發(fā)送功率，N₀表示接收方的加性高斯白噪聲(AWGN)的功率譜密度，I表示小區(qū)間干擾，Γ表示信干噪比差值，對(duì)瑞利衰落信道，功率增益滿足其中β_i,n表示對(duì)于子載波n、link-i的平均信道功率增益，f(γ_i,n)表示以γ_i,n為自變量的函數(shù)，通過該函數(shù)將瞬時(shí)信道增益γ_i,n和平均信道功率增益β_i,n聯(lián)系起來，考慮在低信干噪比即的情況下將代入式(1)進(jìn)行處理得：

用表示在第k個(gè)時(shí)隙子載波n的匹配因子，其中表示在第k個(gè)時(shí)隙，子載波n分配給link-i；表示在第k個(gè)時(shí)隙子載波n不分配給link-i；給定子載波和功率分配時(shí)，能夠得到在第k個(gè)時(shí)隙，link-i的有效容量為：

其中符號(hào)Σ表示求和運(yùn)算，在第k個(gè)時(shí)隙，在給定QoS值θ情況下該中繼網(wǎng)絡(luò)的有效容量可以表示為符號(hào)min表示求兩者中的最小值；

上述通過優(yōu)化子載波的分配和發(fā)送端及中繼的發(fā)送功率，在滿足一定QoS要求下實(shí)現(xiàn)該無線通信中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效容量最大化，該資源分配方法步驟如下：

一、問題規(guī)劃

通過上面的描述，我們現(xiàn)規(guī)劃優(yōu)化問題(P1)如下：

其中max表示求最大值，該符號(hào)后為目標(biāo)函數(shù)，s.t.表示約束符號(hào)，表示n可以取{1,2,..,N}中任意值；分別表示第l時(shí)隙在鏈路link-1和link-2中子載波n的發(fā)送功率；E₁^(l)、E₂^(l)分別表示在第l時(shí)隙初始時(shí)刻發(fā)送端和中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量，其中l(wèi)∈{1,2,..,k}；為了方便解決上述優(yōu)化問題，放寬子載波分配因子的約束，即令并引用新變量引入新的輔助變量t，在滿足問題(P1)的約束條件下來求t的最大值，然后上述優(yōu)化問題可以等價(jià)成問題(P1-1)

通過放寬子載波分配因子的約束，優(yōu)化問題由(P1)形式變?yōu)?P1-1)形式，兩者是等價(jià)的；

二、問題求解

上述優(yōu)化問題是凸優(yōu)化問題，可采用凸優(yōu)化理論方法解決；問題(P1-1)的拉格朗日函數(shù)是：

j和l表示求和過程中用到的求和變量，它們的取值分別為j∈{1,2,..,K}、l∈{1,2,..,j}；

其中，拉格朗日乘子為：α＝{α₁,α₂,...,α_K}，

μ＝{μ₁,μ₂,...,μ_K}，

λ＝{λ₁,λ₂,...,λ_K}，

ν＝{ν₁,ν₂,...,ν_K}，

η＝{η_1,1,...,η_1,N；...；η_K,1,...,η_K,N}，

子載波分配：

功率分配:

于是可得對(duì)偶問題:

(P2)min g(α,μ,λ,ν,η)

s.t.α≥0,μ≥0,λ≥0,ν≥0 (7)

其中對(duì)g(α,μ,λ,ν,η)作如下處理：

其中：

由可得：

其中分別表示α_j、μ_j的最優(yōu)解；

(1)最優(yōu)功率分配

把上述和分別代入g₁(α,λ,η)和g₂(μ,ν,η)，并分別令g₁(α,λ,η)和g₂(μ,ν,η)對(duì)和求導(dǎo)：

得：

得：

其中參數(shù)右上角的“*”表示該參數(shù)的最優(yōu)解，[x]⁺表示如果x值非負(fù)，則[x]⁺＝x；如果x是負(fù)數(shù)，則[x]⁺＝0，至此我們得到了關(guān)于拉格朗日乘子的最優(yōu)功率分配；

(2)最優(yōu)子載波分配

把代回g₁(α,λ,η)中得：

把第k個(gè)時(shí)隙的分量提取出來得：

其中

可以看出上式關(guān)于呈線性，故得

同理可得：

所以可得關(guān)于第k個(gè)時(shí)隙的對(duì)偶函數(shù)：

由得

于是最優(yōu)子載波分配為：

至此得到最優(yōu)子載波分配；

(3)子梯度迭代求解

上述對(duì)偶問題凸問題，可通過子梯度迭代法來求解，各拉格朗日乘子的子梯度分別表示為Δα_k、Δμ_k、Δλ_k和Δν_k，表達(dá)式分別如下面四個(gè)式子：

利用上述各拉格朗日乘子的子梯度通過子梯度迭代法求得各組拉格朗日乘子，再代回最優(yōu)功率分配公式和最優(yōu)子載波分配功率公式和有效容量公式和便可分別得到該中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方案、最優(yōu)子載波分配方案以及相應(yīng)的有效容量。