基于能量協作的雙向認知中繼網絡資源分配方法與流程

本發明公開了一種在雙向認知無線中繼網絡中基于系統吞吐量最大化的資源分配方法，屬于無線通信的技術領域。

背景技術：

中繼技術通過在發送端和接收端引入中繼節點，加強了無線通信系統的覆蓋能力、qos保障能力，有效降低系統建設成本，先進的中繼技術作為未來移動通信系統的關鍵技術之一已經在各大研究機構、設備商和運營商之間展開深入的研究和熱烈的討論。從中繼節點的功能來分，中繼通信可以分為兩大類，即放大轉發af(amplify-and-forward)中繼和解碼轉發df(decode-and-forward)中繼；af方式下，中繼節點只對收到的信號進行簡單的放大、轉發處理。df方式下，中繼節點首先恢復出原始信息，然后重新編碼后發射給相應用戶。放大轉發af中繼具有設備簡單、維護方便、價格便宜等優點，但是它在放大信號的同時也放大了攜帶的噪聲；譯碼轉發df中繼在接收到基站發來的信息時先進行譯碼，解出原始信息，再利用相同的碼字對原始信息進行重新編碼，最終轉發給目的用戶或者下一跳中繼，可以避免噪聲的放大，其性能在一定程度上要優于放大轉發af中繼方式。

能量采集技術可以從周圍環境源源不斷的采集能量，比如無線電波、光、風能等，從而大大延長能量受限設備的生命周期，降低充電成本，提高無線網絡的性能。但是能量采集技術的引入也會大大增加資源分配的復雜度，因為采集的能量可能是離散的或者連續的，采集能量的大小一般也是隨機分布的。

另外，認知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，有目的地實時改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計變化，從而實現任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構網絡環境有限的無線頻譜資源進行高效地利用。認知無線電的核心思想就是通過頻譜感知(spectrumsensing)和系統的智能學習能力，實現動態頻譜分配(dsa：dynamicspectrumallocation)和頻譜共享(spectrumsharing)。認知無線電中，次級用戶動態的搜索頻譜空穴進行通信，這種技術稱為動態頻譜接入。在主用戶占用某個授權頻段時，次級用戶必須從該頻段退出，去搜索其它空閑頻段完成自己的通信，從而提高系統的頻譜資源利用率。

當無線通信系統包含兩個及以上能量采集節點時，若各節點處于不同的環境，可能采集的能量總量差距很大，采集能量過小的節點可能會產生中斷，此時可以用無線能量協作的方式將一個節點的能量傳輸到另一個節點。基本原理包含下面三種：

1)電磁感應式

初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電解決方案就采用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術實現上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。

2)磁場共振

由能量發送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(mit)物理教授marinsoljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為witricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。

3)無線電波式

這是發展較為成熟的技術，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓產品的“蚊型”接收器。

技術實現要素：

技術問題：本發明針對包含兩個次用戶節點的雙向認知中繼網絡，通過引入能量協作與認知無線電技術，提高了無線網絡的能量效率和頻譜效率。同時，由于該優化問題計算復雜度很高，本發明提供了一種解耦并迭代的最優求解方法。

技術方案：本發明提供一種基于能量協作的雙向認知中繼網絡資源分配方法，該方法包括以下步驟：

1)初始化：迭代次數n＝0；第i時隙兩次用戶su1、su2和中繼節點relay采集能量分別為e1,i，e2,i和er,i，其中系統時隙1≤i≤n；第0次迭代各時隙兩次用戶su1、su2和中繼節點relay電池內實際存儲能量為系統吞吐量初值為c⁰＝0；第0次迭代各時隙兩次用戶su1和su2向中繼節點協作能量為中繼節點向su1和su2回流能量為兩次迭代過程獲得的最大系統吞吐量差值為u＝1；定義垂直方向度量抽頭，用于記錄各個時隙兩個次用戶向中繼節點協作能量的大小，規定兩個次用戶向中繼協作能量為正方向，并初始化垂直方向度量抽頭的讀數為tap1,i＝0，tap2,i＝0；

2)令迭代次數n＝n+1，各節點協作與回流能量后實際存儲的能量為1≤i≤n，其中η1,η2(0≤η1,η2≤1)分別表示兩次用戶su1、su2向中繼節點的能量傳遞效率；

3)初始化能量協作初值δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n，注意此處初始化是為了方便利用迭代注水方法，每一次迭代都要重復初始化，而第1)步中初始化只是為第1次迭代求各節點協作與回流能量后實際存儲的能量賦初值，以后每一次迭代都會計算獲得然后利用迭代注水方法獲得各時隙兩次用戶分配的功率同時令中繼分配功率為其中迭代注水方法步驟如下：

(3-1)初始化其中i表示主用戶的干擾門限，g1,i和g2,i分別表示第i時隙兩次用戶與主用戶之間的信道衰落系數；定義temp表示上一次迭代獲得的系統吞吐量，并初始化temp＝0；初始化各時隙兩次用戶間注水的最小步長s；

(3-2)利用有最大功率限制的定向注水方法獲得兩次用戶的最優功率分配和

(3-3)計算系統吞吐量

(3-4)令重復步驟(2)，(3)；只要吞吐量c增大，重復步驟(4)，否則，令

(3-5)令重復步驟(2)，(3)；只要吞吐量c增大，重復步驟(5)，否則，令

(3-6)若c＞temp，令temp＝c，重復步驟(4)，(5)；否則，獲得各時隙兩次用戶最優分配功率

4)針對時隙1≤i≤n，若源節點吞吐量小于中繼節點吞吐量那么首先將兩次用戶協作來的能量回流，即將本時隙兩個次用戶協作到中繼的能量減小一部分，能量回流的產生原因見圖3，回流的方法如下：

若則兩次用戶回流的能量比例按照公式

確定，其中

否則，僅僅回流抽頭讀數大于零的次用戶的能量，直到中繼節點的容量等于兩次用戶容量和或者垂直方向度量抽頭讀數均等于零，回流的能量記錄為此時兩個次用戶不會向中繼協作能量，即令表示回流能量后各節點分配的功率，若仍成立，再利用公式更新與

5)若源節點吞吐量大于等于中繼節點吞吐量則求取兩次用戶協作能量和此時回流能量令

6)更新垂直方向度量抽頭的讀數

7)計算此次迭代獲得的系統吞吐量并令u＝cⁿ-c^n-1，若u＞0，重復步驟2)-7)，注意在仿真中，可設定判決條件u＞10^-5，以減少迭代次數；若u＝0，則停止迭代。

有益效果

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1.該方法通過引入能量協作與認知無線電技術，提高了無線網絡的能量效率和頻譜效率。

2.由于該優化問題計算復雜度很高，本發明提供了一種解耦并迭代的最優求解方法。首先，通過問題等價性變換，將各節點的功率和協作能量聯合優化問題解耦為分離的功率分配問題和逐個時隙的協作能量求解問題。然后，解耦后的兩個問題分別利用迭代注水方法和求微分的方式解決。

3.本發明推導出了每個時隙具體的能量協作表達式，同時對于一些時隙的能量回流現象，本發明給出了注水解釋和相應的求解方法。

附圖說明

圖1為本發明方法的雙向認知無線中繼網絡結構示意圖。

圖2為本發明方法的網絡時隙模型。

圖3為本發明方法的能量回流示意圖

圖4為本發明方法的整體流程邏輯框圖。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖來對本發明作進一步的說明：

一、雙向認知無線中繼網絡模型

本發明中考慮一種認知無線網絡包含一個主用戶節點pu，兩個次用戶節點su1和su2，和一個中繼節點relay，兩個次用戶和中繼節點均采用能量采集方式提供能量，如圖1所示。系統以時隙為最小傳輸單位，一次傳輸共包含n個時隙，每個時隙的持續時間單位化為1。假設節點采集的能量在各時隙開始前瞬間到達，并且在開始數據傳輸前已經準確預知全部采集能量的大小。同時，假設在數據傳輸過程中各信道為瑞利衰落信道，信道衰落系數在各時隙內保持不變，第i時隙兩次用戶su1和su2到中繼relay的信道衰落系數分別表示為h1,i和h2,i，而兩次用戶與主用戶之間的信道衰落系數分別表示為g1,i和g2,i。主用戶總帶寬w。e1,i，e2,i和er,i分別表示第i時隙次用戶su1，su2和中繼節點采集的能量。同時，在各個時隙，允許兩次用戶su1和su2向中繼節點傳輸能量，傳輸能量的大小分別被表示為δ1,i和δ2,i，能量傳遞效率分別為η1,η2(0≤η1,η2≤1)，本發明中{xi}表示xi,1≤i≤n組成的集合。

次用戶節點su1和su2相互之間進行雙向通信，并且各占用主用戶帶寬的一半，而中繼節點使用與兩個次用戶節點相同寬度的正交頻帶。若第i時隙su1的分配功率表示為p1,i，su2的分配功率為p2,i，要求兩次用戶對主用戶的干擾小于門限值i，則系統干擾門限限制為：

p1,ig1,i+p2,ig2,i≤i(1)

中繼節點工作在全雙工模式，采用解碼轉發方式轉發兩個次用戶發來的數據，并且始終延遲兩次用戶節點一個時隙。如圖2所示，在第i時隙，次用戶su1以功率p1,i向中繼節點傳輸信息，并將大小為δ1,i的能量以傳輸效率η1傳輸到中繼節點，次用戶su2以功率p2,i向中繼節點傳輸信息，并將大小為δ2,i的能量以傳輸效率η2傳輸到中繼節點。為了使兩次用戶節點和中繼節點時隙下標對齊，將兩次用戶節點時隙下標延遲一個時隙，其中pr,i表示用于轉發第i時隙兩次用戶信息的中繼節點分配的功率。由于各信道的信道衰落系數已知，兩個次用戶和中繼節點處的自干擾信號可以被完全消除掉。假設兩個次用戶和中繼節點都可以存儲能量，并且電池容量足夠大。而中繼無法存儲數據，在當前時隙接收的數據，在下一時隙必須全部轉發掉，因此，除去第一時隙和最后一時隙，三個節點同時工作。

第i時隙兩次用戶su1，su2和中繼節點分配的功率p1,i，p2,i和pr,i必須滿足采集能量的因果性限制：

由于中繼在當前時隙接收的數據，在下一時隙必須全部轉發掉，故：

其中n0表示信道的噪聲功率譜密度。為常數，為簡化推導流程，令

本發明以最大化n時隙內系統吞吐量為目標，則最優化問題可以建模為：

其中，目標函數中的被省略并不影響最優功率分配結果，只需在計算系統吞吐量時加上即可。

二、提出的基于能量協作的功率分配方法

在最優功率分配過程中，限制條件取等號不影響原問題的最優值，即兩次用戶節點在一個時隙可發送的數據和等于下一時隙中繼節點可發送的數據。若則兩次用戶節點在第i時隙發送的數據達不到中繼節點可發送的最大數據量，中繼節點能量浪費，此時可取把中繼這一時隙多余的能量留給其它時隙分配，同時問題p1最優值以及對應的可行點不變，兩者等價。

因此，問題p1等價于：

問題p2的拉格朗日函數為：

其中，拉格朗日乘子{λi}，{μ1,i}，{μ2,i}，{μr,i}，{γi}，{α1,i}，{α2,i}，{αr,i}，{β1,i}和{β2,i}分別對應于(7)中的10個限制條件。

將拉格朗日函數分別對p1,i，p2,i，pr,i，δ1,i和δ2,i求偏導，并由kkt最優條件獲得：

通過分析乘子，可以獲得以下最優功率分配和能量協作策略需滿足的性質：

性質1：若p1,ig1,i+p2,ig2,i＜i成立，p1,i≠0，p2,i≠0，則當δ1,i＞0，δ2,i＞0時，必有

性質2：存在延遲策略pr,i≥η1δ1,i+η2δ2,i,1≤i≤n，可以解決問題(7)，即當前時隙次用戶傳輸給中繼的能量，必定在當前時隙被使用，而不會存儲到未來時隙使用。

由性質2，當前時隙協作到中繼的能量，必定當前時隙被使用，則令表示第i時隙次用戶su1電池實際消耗的能量，令表示次用戶su2電池實際消耗的能量，令表示第i時隙中繼節點電池實際消耗的能量，那么問題p2可以轉化為：

下一步，將對{δ1,i,δ2,i}的限制分離。由于在問題p3的目標函數中，第i時隙的容量僅僅與自變量的下標i相關，因此定義：

其中，表示在第i時隙和確定情況下，求取最優的δ1,i和δ2,i，使第i時隙中繼節點的容量最大。

則問題p3可以等價為：

在問題p4中，由于凸函數的和函數仍是凸函數，目標函數關于是聯合凸函數，對的限制均為線性限制，限制集為凸集，故問題p4為凸優化問題，有唯一最優值。同時，問題p3和p4的最優值與對應最優值的可行點相同，故兩者等價。

為方便求解問題p4，初始化δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n，并令e1,i＝e1,i-δ1,i，e2,i＝e2,i-δ2,i，er,i＝er,i+η1δ1,i+η2δ2,i，表示各節點協作能量后實際采集到的能量。那么問題p4可以利用迭代注水方法解決，得到此時其中，利用的原則獲取。當時，中繼節點能量浪費，由于要求δ1,i≥0，δ2,i≥0，中繼節點不可以向兩個次用戶節點協作能量，可以令

其中，當i＝n時，令即可。

當兩次用戶需要向中繼節點協作能量，將求得的和代入公式(15)，然后逐時隙計算需要協作的能量大小。

下面給出求各時隙兩次用戶需要向中繼協作能量大小的步驟：

1)由問題(15)中的等式限制獲得：

其中

2)將(18)代入(15)得到：

其中，由于限制條件始終滿足，即：而-g1,iδ1,i-g2,iδ2,i≤0始終成立，可以省略。

3)最優必定在目標函數一階導數為零的點或者可行域邊界點取得。首先對(20)中的目標函數求一階導數，得到：

公式(21)為二次函數，其判別式為：

那么使問題(20)中的目標函數一階導數為零的兩個解分別為：

4)分別驗證可能的可行域邊界點即問題(20)中的限制條件分別取等號的點，與兩個解{x1,i,x2,i}是否滿足(20)中的所有限制條件。對于滿足(20)中的所有限制條件的點，分別代入(20)中的目標函數，使目標函數最大的點即然后利用公式(18)獲得

但是在一些時隙，會出現能量回流現象，如圖3所示。在圖3中，僅對相鄰的第i和第i+1時隙進行說明，其它時隙類似。當利用迭代注水方法解決問題p4時，首先兩次用戶su1和su2要進行水平方向的定向注水，其中而中繼節點將各時隙采集的能量分配到其對應的時隙，即圖3(a)→(b)。假設圖中第i與i+1時隙中繼節點的容量均小于兩次用戶節點的容量和，即圖3(c)，那么兩次用戶節點需向中繼節點協作能量，由于第i時隙中繼采集的能量小于第i+1時隙的，那么兩次用戶節點向中繼節點協作能量后，由于會導致次用戶su1的第i時隙水位低于第i+1時隙的，此時su1第i+1時隙應該向第i時隙回流能量，且回流的能量大小不可以超過開始定向注水時第i時隙向第i+1時隙流動的能量。同時，由于su1的能量回流，導致第i+1時隙中繼節點的容量大于兩次用戶節點的容量和，那么中繼節點也要向兩次用戶節點回流能量，直到水平方向兩次用戶的水位符合定向注水，垂直方向中繼節點的容量等于兩次用戶節點的容量和。注意此處只是為說明能量回流現象，故未標出各時隙的峰值功率限制。

針對水平方向的能量回流，本發明利用重新迭代注水的方式解決；針對垂直方向的能量回流，利用定義垂直方向度量抽頭的方式解決，具體步驟為如下：

1)初始化迭代次數n＝0，各時隙電池實際采集能量系統吞吐量初值c⁰＝0，各時隙協作能量中繼節點回流能量垂直方向度量抽頭的讀數tap1,i＝0，tap2,i＝0，系統時隙1≤i≤n，兩次迭代獲得的最大系統吞吐量差值u＝1；

2)令迭代次數n＝n+1，則各節點協作能量后實際采集到的能量為

3)初始化能量協作初值δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n。然后利用迭代注水方法獲得同時令由于兩次用戶在迭代注水方法中進行了水平方向的定向注水，使水平方向的能量回流問題得到了解決；

4)針對時隙1≤i≤n，若源節點吞吐量和中繼節點吞吐量滿足那么首先將兩次用戶協作來的能量回流，回流的能量記錄為此時隙協作能量令若仍成立，再利用公式(17)更新

5)若源節點吞吐量大于等于中繼節點吞吐量則求取兩次用戶協作能量此時回流能量令

6)更新垂直方向度量抽頭的讀數

7)計算此次迭代獲得的系統吞吐量并令u＝cⁿ-c^n-1，若u＞0，重復步驟2)-7)，直到系統吞吐量收斂于某一固定值。

注意當迭代次數n≥2時，若第i時隙中繼節點的容量大于兩次用戶容量和，不能直接利用公式(17)更新主要原因是，雖然中繼節點不能向兩次用戶協作能量，但卻存在著垂直方向的能量回流。因此首先將兩次用戶協作來的能量回流，回流的方法如下：

若則回流比例按照公式(18)確定，否則，僅僅回流抽頭讀數大于零的次用戶的能量，直到中繼節點的容量等于兩次用戶容量和或者垂直方向度量抽頭讀數均等于零，回流的能量記錄為此時兩個次用戶不會向中繼協作能量，更新若仍成立，再利用公式(17)更新

除非系統吞吐量達到最優值，否則每次能量協作和迭代注水方法的使用都會增大系統吞吐量，而問題p4為凸優化問題，有唯一最優值，故系統吞吐量不會無限增大下去，最終必收斂于最優值。

本方法的具體實施流程如圖4所示。