[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(wú)線通信中的中繼網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(wú)線信道表示為鏈路1即link-1，中繼節(jié)點(diǎn)到接收端的無(wú)線信道表示為鏈路2即link-2；中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(guò)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(wú)線信道服從塊衰落，每個(gè)塊的時(shí)長(zhǎng)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(guò)程有K個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)，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(guò)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(wú)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(wèn)題規(guī)劃

通過(guò)上面的描述，我們現(xiàn)規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)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(wèn)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(wèn)題(P1)的約束條件下來(lái)求t的最大值，然后上述優(yōu)化問(wèn)題可以等價(jià)成問(wèn)題(P1-1)

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

二、問(wèn)題求解

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

j和l表示求和過(guò)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(wèn)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(lái)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(wèn)題凸問(wèn)題，可通過(guò)子梯度迭代法來(lái)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(guò)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。