本發(fā)明屬于移動(dòng)通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地說(shuō)，涉及一種基于實(shí)時(shí)通信能量采集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配方法。
背景技術(shù)：
：協(xié)作通信(Cooperativecommunication)基本思想可以追溯到Cover和ElGamal在1979年關(guān)于中繼信道的信息論特性的研究。他們分析了一個(gè)經(jīng)典的三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn))容量，并假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的工作頻帶相同，這樣系統(tǒng)便可以分解為一個(gè)廣播信道(從源節(jié)點(diǎn)來(lái)看)和一個(gè)多址信道(從目的節(jié)點(diǎn)來(lái)看)。然而，協(xié)作通信在很多方面與中繼信道存在差異。首先，目前的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集，Cover和ElGamal主要分析在加性白高斯噪聲信道(AWGN)下的信道容量；其次，中繼信道的中繼目的是為了幫助主信道，協(xié)作通信整個(gè)系統(tǒng)資源是固定的，用戶(hù)既是信息源又是中繼者。很明顯，協(xié)作機(jī)制將導(dǎo)致碼速率和發(fā)射功率的折衷。就功率而言，一方面，在進(jìn)行協(xié)作通信時(shí)，由于每個(gè)用戶(hù)既要發(fā)射自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他用戶(hù)數(shù)據(jù)，所以需要更高功率；另一方面，由于產(chǎn)生了分集增益，每個(gè)用戶(hù)基本發(fā)射功率可以適當(dāng)減小。速率也存在同樣問(wèn)題，在協(xié)作通信時(shí)，雖然每個(gè)用戶(hù)既要發(fā)送自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他伙伴數(shù)據(jù)，但由于產(chǎn)生了協(xié)作分集，每個(gè)用戶(hù)的頻譜效率都得到改善，信道碼速率由此提高。這也形成了一個(gè)折衷。因此，有人把協(xié)作通信看作功率和帶寬的聯(lián)合博弈。歸結(jié)起來(lái)，協(xié)作通信技術(shù)將成為第5代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠極大改善通信網(wǎng)絡(luò)的性能，但同時(shí)也引出了幾個(gè)函待解決的問(wèn)題：1)協(xié)作通信中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何分配和管理中繼節(jié)點(diǎn)，雖然選取更多的中繼節(jié)點(diǎn)可以獲得更好的性能，但是隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，帶來(lái)的性能增益將減小，同時(shí)協(xié)作方案的設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)以及多址問(wèn)題等的復(fù)雜度會(huì)增加，網(wǎng)絡(luò)成本也會(huì)提高，因此從實(shí)踐的角度來(lái)看，單中繼節(jié)點(diǎn)選取算法以及相應(yīng)的資源分配算法得到越來(lái)越多的關(guān)注；2)第5代移動(dòng)通信針對(duì)能耗的要求更加嚴(yán)格，如果能充分考慮可再生能源的利用，希望能在能量因果約束條件下最大化通信節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量；3)迫切需要能夠投入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)資源分配的算法，強(qiáng)調(diào)算法的低復(fù)雜度、實(shí)時(shí)運(yùn)算能力和高收斂速度。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01510593398.9，公開(kāi)日2009年8月7日，公開(kāi)了一份名稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)中繼系統(tǒng)中的資源分配，其包括：從第一基站接收第一控制信息，其中所述第一控制信息在第一時(shí)間間隔和第一頻率子集內(nèi)出現(xiàn)，其中第二基站被配置為在所述第一時(shí)間間隔和所述第一頻率子集中發(fā)射第二控制信息；從第三基站接收第三控制信息，其中所述第三控制信息在所述第一時(shí)間間隔和第二頻率子集內(nèi)出現(xiàn)，其中第四基站被配置為在所述第一時(shí)間間隔和所述第二頻率子集中發(fā)射第四控制信息，其中所述第三基站和第四基站是低功率基站；基于所述第一控制信息從所述第一基站接收第一凈荷數(shù)據(jù)；基于所述第三控制信息從所述第三基站接收第二凈荷數(shù)據(jù)。該方法避免在分配給控制數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)電資源元素中，從基站發(fā)射的信號(hào)和從中繼站發(fā)射的信號(hào)之間的干擾。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利號(hào)200880105998.4，公開(kāi)日2008年7月7日，公開(kāi)了一份名稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)多跳中繼網(wǎng)絡(luò)中的資源分配，其包括以下步驟：調(diào)度用于經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)中繼站將數(shù)據(jù)包發(fā)送至一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)站的無(wú)線(xiàn)電鏈路，其中，每個(gè)無(wú)線(xiàn)電鏈路均提供兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電站之間的無(wú)線(xiàn)連接，所述無(wú)線(xiàn)電站包括基站、一個(gè)或多個(gè)中繼站和一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)站，并且，所述一個(gè)或多個(gè)中繼站包括第一中繼站；基于所述調(diào)度確定資源分配，所述資源分配至少分配在所述無(wú)線(xiàn)電鏈路中的一個(gè)上用以發(fā)送一個(gè)或多個(gè)所述數(shù)據(jù)包的帶寬；為與所述資源分配相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)所述數(shù)據(jù)包產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)映射參考，其中，每個(gè)映射參考均將至少一個(gè)數(shù)據(jù)包與相應(yīng)的帶寬分配關(guān)聯(lián)起來(lái)；以及將所述資源分配、所述一個(gè)或多個(gè)映射參考和所述數(shù)據(jù)包發(fā)送至所述第一中繼站，其中，所述第一中繼站根據(jù)所述資源分配和所述一個(gè)或多個(gè)映射參考轉(zhuǎn)發(fā)所述數(shù)據(jù)包。該技術(shù)可被用來(lái)提供將數(shù)據(jù)包與相應(yīng)的資源分配相關(guān)聯(lián)的信息。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利號(hào)200910215874.8，公開(kāi)日2009年12月30日，公開(kāi)了一份名稱(chēng)為一種中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其下行資源分配方法，其包括:基站根據(jù)請(qǐng)求服務(wù)的終端在遞交階段的可分配資源上的信道狀況量化值以及終端的平均已獲資源量化值,計(jì)算終端在可分配資源上的優(yōu)先級(jí)；基站將遞交階段的可分配資源分配給信道狀況量化值不低于預(yù)先設(shè)置的第一門(mén)限值并且計(jì)算得到的優(yōu)先級(jí)最高的終端；遞交階段的可分配資源分配完畢后,基站分配輸送階段的可分配資源。該針對(duì)中繼網(wǎng)絡(luò)中的直傳鏈路、回程鏈路和接入鏈路這三條鏈路之間的無(wú)線(xiàn)資源分配進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì),可以提高小區(qū)吞吐量,增加頻譜效率?？偟膩?lái)說(shuō)，申請(qǐng)?zhí)?01510593398.9的公開(kāi)材料考慮基站和中繼站之間的干擾問(wèn)題，但是沒(méi)有從用戶(hù)角度著手，沒(méi)有考慮用戶(hù)吞吐量最優(yōu)的情形。申請(qǐng)?zhí)?00880105998.4的公開(kāi)材料考慮數(shù)據(jù)包與相應(yīng)的資源分配相關(guān)聯(lián)下的聯(lián)合資源分配，但是沒(méi)有考慮算法復(fù)雜度和實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。申請(qǐng)?zhí)?00910215874.8的公開(kāi)材料考慮多中繼場(chǎng)景下的中繼選擇，但是沒(méi)有深入考慮算法單中繼選擇及其資源最優(yōu)化配置。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有的協(xié)作通信系統(tǒng)單中繼及其資源配置方法未充分考慮能量采集因素帶來(lái)的性能改善、能量因果限制條件下的聯(lián)合中繼選擇、實(shí)時(shí)性要求、低復(fù)雜度算法實(shí)際應(yīng)用等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種實(shí)時(shí)通信能量采集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配方法，在綜合考慮能量因果限制條件下的聯(lián)合中繼選擇，結(jié)合能量采集技術(shù)帶來(lái)的節(jié)能方案，輔助低復(fù)雜度迭代算法，最大化用戶(hù)實(shí)時(shí)通信的網(wǎng)絡(luò)性能。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：基于實(shí)時(shí)通信能量采集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配方法，包括：步驟1：系統(tǒng)場(chǎng)景分析，問(wèn)題描述；場(chǎng)景中有一個(gè)穩(wěn)定供電的小蜂窩S，一個(gè)能量采集的中繼站R和一個(gè)目標(biāo)通信蜂窩用戶(hù)為D，小蜂窩S和蜂窩用戶(hù)D之間有直達(dá)路徑，中繼站R選用解碼轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，一個(gè)傳輸過(guò)程包括N個(gè)數(shù)據(jù)塊，小蜂窩S和中繼R占用相等的帶寬B，考慮該場(chǎng)景下的小蜂窩S和中繼站R的聯(lián)合資源分配問(wèn)題；假設(shè)能量采集模型采用伯努利過(guò)程，用于能量采集的電池容量足夠大，除了用于傳輸消耗的能量忽略不計(jì)，信道是慢速的塊衰落，其響應(yīng)時(shí)間定義為T(mén)P，表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)信號(hào)源S與中繼站R之間的信道系數(shù)，表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)信號(hào)源S與目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D之間的信道系數(shù)，表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)中繼站R與目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D之間的信道系數(shù)；采用半雙工中繼協(xié)作通信方式，每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間內(nèi)包含兩個(gè)時(shí)隙，在第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的第一個(gè)時(shí)隙，信號(hào)源S傳輸符號(hào)s采用固定功率ps，s滿(mǎn)足s～CN(0,1)，中繼R和目的通信節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)分別表示為：ys,ri=A012d0α2d1-α2hs,ripss+nri,∀i=1,...,N]]>ys,di=A012d0α2d-α2hs,dipss+ndi,∀i=1,...,N,]]>其中：d0和A0分別表示大尺度衰落的參考距離和參考功率，d1和d分別表示小蜂窩S和中繼站R之間的距離以及小蜂窩S和目標(biāo)通信用戶(hù)D之間的距離，和分別表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D的接收噪聲，α表示大尺度衰落因子，和分別表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D的信道增益；第一時(shí)隙中繼接收的信噪比表示為其中N0表示歸一化的噪聲功率，W表示分配的帶寬，第二個(gè)時(shí)隙，目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D采用最大比接受方式，收到的來(lái)自中繼站R的信號(hào)表示為其中d2和分別表示中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D之間的距離和信道增益，表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的第二時(shí)隙時(shí)目標(biāo)通信用戶(hù)D的接收噪聲，pr表示相應(yīng)的中繼站R的發(fā)射功率，收到的來(lái)自小蜂窩S和中繼站R的的信噪比表示為SNRdRi=A0d0α(d-α|hs,di|2ps+d2-α|hr,di|2pri)(N0W)-1;]]>若選用直達(dá)鏈路，目標(biāo)通信用戶(hù)D收到的小蜂窩S的信號(hào)表示為相應(yīng)的，目標(biāo)通信用戶(hù)D收到的小蜂窩S的信噪比表示為步驟2：推導(dǎo)平均中斷概率；所述平均中斷概率為其中Oi表示第i次傳輸?shù)闹袛喔怕剩徊襟E3：最優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)；在上述假設(shè)前提和約束條件下，歸結(jié)出最優(yōu)化問(wèn)題如下：P1:mingEDi,EHi,∀ig[Σi=1NOi(g(Si,i))N]]]>s.t.Σk=1iprkTp≤Σn=1iEHn,]]>pri≥0,]]>ri∈{0,1},ri≤Di,∀i∈{1,2,...,N}.]]>其中表示能量因果約束，最優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)是最小化優(yōu)化的變量是g(Si,i)，優(yōu)化的約束條件是Σk=1iprkTp≤Σn=1iEHn,pri≥0,ri∈{0,1},ri≤Di,∀i∈{1,2,...,N}..]]>步驟4：最優(yōu)化問(wèn)題求解；最優(yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化變量是每次傳輸?shù)哪Ｊ竭x擇因子ri以及相應(yīng)的功率分配方案ri是離散變量取值范圍為{1,0}，連續(xù)變量，取值范圍大于等于0，采用代價(jià)函數(shù)的方法，定義Si＝<Di,εi>表示狀態(tài)集，表示行為集，同時(shí)定義代價(jià)函數(shù)利用凸優(yōu)化理論關(guān)于代價(jià)函數(shù)的迭代方法，可以獲得：Ji(Si)=minaN∈A(SN)ON,i=NminaN∈A(Si)Oi+Ji+1(Si+1),i<N,]]>A(Si=<Di,ϵi>)={0,1}×[0,ϵiTp-1],Di=1{0}×[0,ϵiTp-1],Di=1,]]>最終，最優(yōu)解可以表示成進(jìn)一步的，所述能量采集模型采用伯努利過(guò)程，包括：其中：E表示基本的能量單元，表示第i時(shí)隙采集到的能量，每個(gè)時(shí)隙平均采集到的能量可以表示為：其中ρ表示伯努利過(guò)程的參數(shù)，2Tp表示一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，假設(shè)中繼的電池容量足夠大，相應(yīng)的能量因果限制條件可以表示為：Σi=1lpriTp≤Σk=1lEHk,∀l=1,...,N.]]>ϵi+1=(ϵi-priTp)++EHi+1,i-1,...,N-1,(x)+=max{x,0},ϵ1=EH1.]]>其中：εi+1表示第i+1個(gè)傳輸時(shí)隙過(guò)后電池內(nèi)剩余的能量，(x)+表示x和0取較大值的函數(shù)，假設(shè)電池能量初始值設(shè)定為進(jìn)一步的，所述步驟2包括：步驟2.1：采用伯努利過(guò)程來(lái)判斷第i個(gè)中繼是否成功解碼：其中Di＝1表示第i次傳輸成功解碼，Di＝0表示第i次傳輸解碼失敗，步驟2.2：重新定義鏈路i的選擇結(jié)果ri∈{0,1}，其中ri＝1表示第i時(shí)隙中繼參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，ri＝0表示第i時(shí)隙中繼不參與協(xié)作，小蜂窩S重發(fā)數(shù)據(jù)，重新定義第i次傳輸?shù)闹袛喔怕蔕i為其中步驟2.3：推導(dǎo)修正策略后的中斷概率表達(dá)式；OR(pri)=Pr{WTplog2(1+SNRdRi)≥2TpWR}=1-μ2e-μ1x-μ1e-μ2xμ2-μ1,μ1≠μ2.1-(1+μ1)e-μ1x,μ1=μ2,]]>OD=Pr{WTplog2(1+SNRdDi)<2TpWR}=1-e-μ1x2.]]>其中OR表示協(xié)作概率，OB表示重復(fù)概率。進(jìn)一步的，所述步驟3還包括最優(yōu)化問(wèn)題P1的凸優(yōu)化處理，目標(biāo)函數(shù)形式轉(zhuǎn)化為：P2:minpri,riOi+EDk,EHk,∀k>i[Σk=i+1NOk|pri,ri]N-i+1,∀i.]]>s.t.Σk=1iprkTp≤Σn=1iEHn,]]>pri≥0,]]>ri∈{0,1},ri≤Di,∀i∈{1,2,...,N}.]]>其中表示能量因果約束，優(yōu)化的變量是ri，目標(biāo)函數(shù)是最小化優(yōu)化的約束條件是設(shè)定：k＞i，則設(shè)定k＞i的函數(shù)關(guān)系，優(yōu)化問(wèn)題可以獲得最優(yōu)解。進(jìn)一步的，所述步驟4問(wèn)題求解采用等將來(lái)傳輸功率預(yù)測(cè)函數(shù)，設(shè)置進(jìn)一步的，所述所述步驟4問(wèn)題求解采用預(yù)留傳輸功率函數(shù)，設(shè)置：fi,j(pri)=βE[ϵj]Tp,E[ϵj]=ϵi-priTp+ρE,j=i+1,β‾j-i-1(ϵi-priTp)+ρE(1-β‾j-iβ),j>i+1,β‾=1-β.]]>進(jìn)一步的，所述所述步驟4問(wèn)題求解采用預(yù)測(cè)能量采集曲線(xiàn)函數(shù)，設(shè)置：pri=ϵiTp,ϵi≤ρEϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp,ϵi≤ρE..]]>進(jìn)一步的，所述所述步驟4問(wèn)題求解采用預(yù)測(cè)能量采集曲線(xiàn)函數(shù)，設(shè)置：pri=ϵiTp,ϵi≤ρEorOR(ϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp)≥γOR(0)ϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp,ϵi≤ρE..]]>進(jìn)一步的，所述步驟3最優(yōu)化問(wèn)題的求解采用拉格朗日乘子法，包括：首先寫(xiě)出最優(yōu)化問(wèn)題P2的拉格朗日形式：L(ri,pri,μl,λl)=O‾-μi(Σk=1iprkTp-Σn=1iEHn)-λi(ri-Di),i∈{1,2,...,N}]]>再聯(lián)立并用次梯度方法迭代求解，其中，l∈{1,…,N}，μl,λl表示拉格朗日因子。進(jìn)一步的，所述優(yōu)化問(wèn)題P2的拉格朗日形式中的拉格朗日因子μl,λl的迭代更新方法采用次梯度算法，所述次梯度算法的迭代更新方程是：μl(n+1)=[μl(n)-αμl(n)(Σn=1iEHn-Σk=1iprkTp)]+,i=1,2,...,N,l=1,2,...N]]>λl(n+1)=[λl(n)-αλl(n)(Di-ri)]+,i=1,2,...,N,l=1,2,...N]]>其中μl(n),λl(n)分別表示第n次迭代的拉格朗日因子，分別表示相應(yīng)的迭代步長(zhǎng)，所述迭代步長(zhǎng)可以設(shè)置成：有益效果：相對(duì)比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：(1)本發(fā)明針對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，來(lái)源實(shí)際應(yīng)用，場(chǎng)景設(shè)置細(xì)致、合理，更有實(shí)踐指導(dǎo)意義；(2)本發(fā)明區(qū)別與以往的多中繼選擇方法，摒棄多中繼帶來(lái)的高復(fù)雜度和高網(wǎng)絡(luò)成本，從易于實(shí)際運(yùn)用的角度來(lái)研究單中繼節(jié)點(diǎn)選取算法以及相應(yīng)的資源分配算法，考慮基于能量采集的單中繼協(xié)作通信，并推導(dǎo)推導(dǎo)出該場(chǎng)景下的吞吐量的表達(dá)式，最大化通信節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量性能，進(jìn)行最優(yōu)化問(wèn)題的求解，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義；(3)本發(fā)明充分考慮可再生能源的環(huán)保方案，結(jié)合能量采集技術(shù)，增加考慮能量采集中繼的選擇問(wèn)題，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，考慮因果限制條件下的系統(tǒng)性能最優(yōu)問(wèn)題，達(dá)到能耗和網(wǎng)絡(luò)速率的折中，更加合理充分利用可再生能源，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗；(4)本發(fā)明針對(duì)最優(yōu)化問(wèn)題的求解，采用凸優(yōu)化處理，轉(zhuǎn)化優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，不經(jīng)過(guò)近似計(jì)算，不影響問(wèn)題的精度的同時(shí)極大的降低的計(jì)算復(fù)雜度，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)產(chǎn)生的時(shí)延；(5)本發(fā)明尋優(yōu)采用拉格朗日乘子方法，尋優(yōu)速度快，算法迭代過(guò)程中采用次梯度方法，并選用漸進(jìn)步長(zhǎng)，尋優(yōu)更加精確；(6)本發(fā)明的資源分配方法，算法設(shè)計(jì)合理，易于實(shí)現(xiàn)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明系統(tǒng)場(chǎng)景架構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實(shí)施例一基于實(shí)時(shí)通信能量采集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源分配方法，包括：步驟1:系統(tǒng)場(chǎng)景分析，問(wèn)題描述；本發(fā)明針對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，來(lái)源實(shí)際應(yīng)用，場(chǎng)景設(shè)置細(xì)致、合理，更有實(shí)踐指導(dǎo)意義?？紤]一個(gè)能量采集小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的三節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景，場(chǎng)景中有一個(gè)穩(wěn)定供電的小蜂窩SmallCell(簡(jiǎn)記為S)，一個(gè)能量采集的中繼站Relay(簡(jiǎn)記為R)和一個(gè)目標(biāo)通信蜂窩用戶(hù)Destination(簡(jiǎn)記為D)，考慮小蜂窩S和蜂窩用戶(hù)D之間的有直達(dá)路徑，可以通過(guò)中繼站R轉(zhuǎn)發(fā)，中繼站R選用解碼轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，一個(gè)傳輸過(guò)程包括N個(gè)數(shù)據(jù)塊，假設(shè)小蜂窩S和中繼R占用相等的帶寬B，考慮該場(chǎng)景下的小蜂窩S和中繼站R的聯(lián)合資源分配問(wèn)題。本發(fā)明充分考慮可再生能源的環(huán)保方案，結(jié)合能量采集技術(shù)，增加考慮能量采集中繼的選擇問(wèn)題，在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，考慮因果限制條件下的系統(tǒng)性能最優(yōu)問(wèn)題，達(dá)到能耗和網(wǎng)絡(luò)速率的折中，更加合理充分利用可再生能源，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗。假設(shè)用于能量采集的電池容量足夠大，除了用于傳輸消耗的能量忽略不計(jì)。信道是慢速的塊衰落，其響應(yīng)時(shí)間定義為T(mén)P，即是說(shuō)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸時(shí)間是TP。為了討論更具有現(xiàn)實(shí)意義，我們考慮一段有限長(zhǎng)度的傳輸過(guò)程由N個(gè)數(shù)據(jù)包組成，那么整個(gè)傳輸周期T滿(mǎn)足：T＝NTP。表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)信號(hào)源S與中繼站R之間的信道系數(shù)；表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)信號(hào)源S與目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D之間的信道系數(shù)；表示第i數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)中繼站R與目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D之間的信道系數(shù)；我們采用半雙工中繼協(xié)作通信方式，每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間內(nèi)包含兩個(gè)時(shí)隙。在第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的第一個(gè)時(shí)隙，如果信號(hào)源S傳輸符號(hào)s采用固定功率ps，同時(shí)s滿(mǎn)足s～CN(0,1)，那么中繼R和目的通信節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)可以分別表示為：ys,ri=A012d0α2d1-α2hs,ripss+nri,∀i=1,...,N]]>ys,di=A012d0α2d-α2hs,dipss+ndi,∀i=1,...,N,]]>其中：d0和A0分別表示大尺度衰落的參考距離和參考功率，d1和d分別表示小蜂窩S和中繼站R之間的距離以及小蜂窩S和目標(biāo)通信用戶(hù)D之間的距離，和分別表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D的接收噪聲，α表示大尺度衰落因子，和分別表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D的信道增益。第一時(shí)隙中繼接收的信噪比可以表示為SNRri=A0d0αd1-α|hs,ri|2ps(N0W)-1.]]>其中：N0表示歸一化的噪聲功率，W表示分配的帶寬；在第二個(gè)時(shí)隙，目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)D采用最大比接受方式，目的通信節(jié)點(diǎn)可以分別接收到信號(hào)源S的直傳信號(hào)，以及中繼站R的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。目的通信節(jié)點(diǎn)D收到的來(lái)自中繼站R的信號(hào)表示為y~r,di=A012d0α0d2-α2hr,dipris+n~di,∀i=1,...,N]]>其中：d2和分別表示中繼站R和目標(biāo)通信用戶(hù)D之間的距離和信道增益，表示第i個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的第二時(shí)隙時(shí)目標(biāo)通信用戶(hù)D的接收噪聲，pr表示相應(yīng)的中繼站R的發(fā)射功率。因此，采用最大比接受準(zhǔn)則的目標(biāo)通信用戶(hù)D收到的來(lái)自小蜂窩S和中繼站R的的信噪比表示為：SNRdRi=A0d0α(d-α|hs,di|2ps+d2-α|hr,di|2pri)(N0W)-1;]]>若選用直達(dá)鏈路，目標(biāo)通信用戶(hù)D收到的小蜂窩S的信號(hào)表示為：y~s,di=A012d0α2d-α2hs,dipss+n~di,∀i=1,...,N,]]>相應(yīng)的，目標(biāo)通信用戶(hù)D收到的小蜂窩S的信噪比表示為：SNRdDi=2A0d0αd-α|hs,di|2ps(N0W)-1.]]>步驟2：推導(dǎo)平均中斷概率；所述平均中斷概率為其中Oi表示第i次傳輸?shù)闹袛喔怕省２襟E3:最優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)；P1:mingEDi,EHi,∀ig[Σi=1NOi(g(Si,i))N]]]>s.t.Σk=1iprkTp≤Σn=1iEHn,]]>pri≥0,]]>ri∈{0,1},ri≤Di,∀i∈{1,2,...,N}.]]>我們進(jìn)一步分析最優(yōu)化問(wèn)題P1：最優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)是最小化優(yōu)化的變量是g(Si,i)，優(yōu)化的約束條件是其中表示能量因果約束，本發(fā)明區(qū)別與以往的多中繼選擇方法，摒棄多中繼帶來(lái)的高復(fù)雜度和高網(wǎng)絡(luò)成本，從易于實(shí)際運(yùn)用的角度來(lái)研究單中繼節(jié)點(diǎn)選取算法以及相應(yīng)的資源分配算法，考慮基于能量采集的單中繼協(xié)作通信，并推導(dǎo)推導(dǎo)出該場(chǎng)景下的吞吐量的表達(dá)式，最大化通信節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量性能，進(jìn)行最優(yōu)化問(wèn)題的求解，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。步驟4:最優(yōu)化問(wèn)題求解；本發(fā)明利用代價(jià)函數(shù)方法進(jìn)行求解，簡(jiǎn)單有效，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，利于實(shí)際應(yīng)用。首先分析：優(yōu)化變量是每次傳輸?shù)哪Ｊ竭x擇因子ri以及相應(yīng)的功率分配方案ri是離散變量取值范圍為{1,0}，連續(xù)變量，取值范圍大于等于0。然后，采用代價(jià)函數(shù)的方法，定義Si＝<Di,εi>表示狀態(tài)集，表示行為集，同時(shí)定義代價(jià)函數(shù)利用凸優(yōu)化理論關(guān)于代價(jià)函數(shù)的迭代方法，可以得知：Ji(Si)=minaN∈A(SN)ON,i=NminaN∈A(Si)Oi+Ji+1(Si+1),i<N,]]>A(Si=<Di,ϵi>)={0,1}×[0,ϵiTp-1],Di=1{0}×[0,ϵiTp-1],Di=1,]]>最終，最優(yōu)解可以表示成實(shí)施例二為了使得算法更加接近實(shí)際應(yīng)用，更能體現(xiàn)信道的情況，更接近現(xiàn)實(shí)信道。在前述實(shí)施例一的基礎(chǔ)上可以使用。具體來(lái)說(shuō)，包括：能量采集模型采用伯努利過(guò)程，簡(jiǎn)單有效。其中：E表示基本的能量單元，表示第i時(shí)隙采集到的能量，那么每個(gè)時(shí)隙平均采集到的能量可以表示為：Pave=E[EHi]=ρE2Tp]]>其中：ρ表示伯努利過(guò)程的參數(shù)，2Tp表示一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度；相應(yīng)的，能量因果限制條件可以表示為：Σk=1lpriTp≤Σn=1lEHk,∀l∈1,...,N.]]>為了簡(jiǎn)化，我們假設(shè)中繼的電池容量足夠大：ϵi+1=(ϵi-priTp)++EHi+1,i-1,...,N-1,(x)+=max{x,0},ϵ1=EH1.]]>其中，εi+1表示第i+1個(gè)傳輸時(shí)隙過(guò)后電池內(nèi)剩余的能量，(x)+表示x和0取較大值的函數(shù)，假設(shè)電池能量初始值設(shè)定為實(shí)施例三為了使得算法更加接近實(shí)際應(yīng)用，我們采用一種簡(jiǎn)化的能量采集曲線(xiàn)，在前述實(shí)施例一的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。具體來(lái)說(shuō)，所述步驟2包括：步驟2.1：采用伯努利過(guò)程來(lái)判斷第i個(gè)中繼是否成功解碼：為降低運(yùn)算復(fù)雜度，采用伯努利過(guò)程來(lái)描述解碼成功與否，其中p表示為伯努利過(guò)程的參數(shù)，Di表示第i次傳輸是否成功解碼，Di＝1表示成功解碼，Di＝0表示解碼失敗。本發(fā)明采用伯努利模型簡(jiǎn)化運(yùn)算量，更能體現(xiàn)信道的情況，更接近現(xiàn)實(shí)信道，創(chuàng)新點(diǎn)，伯努利模型參數(shù)p表示如下：p=Pr{WTplog2(1+SNRri)≥2TpWR}=exp{-(22R-1)N0Wd1αA0psrσs,r2d0α}..]]>步驟2.2：我們?cè)俅味x鏈路選擇結(jié)果ri∈{0,1},其中ri＝1表示第i時(shí)隙中繼參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，ri＝0表示第i時(shí)隙中繼不參與協(xié)作，小蜂窩S重發(fā)數(shù)據(jù)；由此，我們重新定義第i次傳輸?shù)闹袛喔怕蔕i如下：其中步驟2.3：最終的中斷概率的表達(dá)式如下：OR(pri)=Pr{WTplog2<1+SNRdRi)≥2TpWR}=1-μ2e-μ1x-μ1e-μ2xμ2-μ1,μ1≠μ2.1-(1+μ1)e-μ1x,μ1=μ2,]]>OD=Pr{WTplog2(1+SNRdDi)<2TpWR}=1-e-μ1x2.]]>其中表示協(xié)作概率，OB表示重復(fù)概率。實(shí)施例四為了提高進(jìn)一步改進(jìn)，提高算法的運(yùn)算效率，本發(fā)明采用凸優(yōu)化方法對(duì)最優(yōu)化問(wèn)題P1進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的目標(biāo)函數(shù)形式，求解更加容易，計(jì)算復(fù)雜度低。具體來(lái)說(shuō)，所述步驟3還包括最優(yōu)化問(wèn)題P1的凸處理，轉(zhuǎn)化了目標(biāo)函數(shù)形式，求解更加容易，計(jì)算復(fù)雜度低。P2:minpri,riOi+EDk,EHk,∀k>i[Σk=i+1NOk|pri,ri]N-i+1,∀i.]]>s.t.Σk=1iprkTp≤Σn=1iEHn,]]>pri≥0,]]>ri∈{0,1},ri≤Di,∀i∈{1,2,...,N}.]]>我們進(jìn)一步分析最優(yōu)化問(wèn)題P2：優(yōu)化的變量是ri，最優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)是最小化優(yōu)化的約束條件是其中表示能量因果約束。設(shè)定：則pri=argminpri∈[0,ϵiTp]OR(pri)+EDk,∀k>i[Σk=i+1NOk|pri,ri=1]N-i+1=argminpri∈[0,ϵiTp]OR(pri)+pΣk=i+1NOR(fi,k(pri))N-i+1.]]>由此我們發(fā)現(xiàn)，一旦我們根據(jù)某種準(zhǔn)則，找到k＞i的函數(shù)關(guān)系，優(yōu)化問(wèn)題將引刃而解。實(shí)施例五為了提高進(jìn)一步改進(jìn)，提高算法的運(yùn)算效率，本發(fā)明在實(shí)施例四的基礎(chǔ)上，提出一種等將來(lái)傳輸功率預(yù)測(cè)函數(shù)，用于快速實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景下的資源分配。具體來(lái)說(shuō)，所述步驟4問(wèn)題的求解采用等將來(lái)傳輸功率預(yù)測(cè)函數(shù)，設(shè)置fi,j(pri)=1Tp(ϵi-priTpN-i+ρE).]]>實(shí)施例六同實(shí)施例五，為了提高進(jìn)一步改進(jìn)，提高算法的運(yùn)算效率，本發(fā)明在實(shí)施例四的基礎(chǔ)上，提出一種預(yù)留傳輸功率函數(shù)，用于快速實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景下的資源分配。具體來(lái)說(shuō)，所述步驟4問(wèn)題的求解采用預(yù)留傳輸功率函數(shù)，設(shè)置fi,j(pri)=βE[ϵj]Tp,]]>E[ϵj]=ϵi-priTp+ρE,j=i+1,β‾j-i-1(ϵi-priTp)+ρE(1-β‾j-iβ),j>i+1]]>β‾=1-β]]>其中，β作為每次傳輸所使用的百分比，我們通過(guò)反復(fù)嘗試，設(shè)置β＝0.7具有非常好的收斂效果。實(shí)施例七同實(shí)施例五，為了提高進(jìn)一步改進(jìn)，提高算法的運(yùn)算效率，本發(fā)明在實(shí)施例四的基礎(chǔ)上，提出一種預(yù)測(cè)能量采集曲線(xiàn)函數(shù)，用于快速實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景下的資源分配。具體來(lái)說(shuō)，所述步驟4問(wèn)題的求解采用預(yù)測(cè)能量采集曲線(xiàn)函數(shù)，設(shè)置pri=ϵiTp,ϵi≤ρEϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp,ϵi≤ρE..]]>為提高計(jì)算精度，優(yōu)化系統(tǒng)性能，進(jìn)一步改進(jìn)，可設(shè)置預(yù)測(cè)能量采集曲線(xiàn)函數(shù)是pri=ϵiTp,ϵi≤ρEorOR(ϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp)≥γOR(0)ϵi+(N-i)ρE(N-i+1)Tp,ϵi≤ρE..]]>實(shí)施例八為了提高進(jìn)一步改進(jìn)，提高算法的運(yùn)算效率，本發(fā)明提出一種新的求解最優(yōu)化問(wèn)題P2的思路，采用拉格朗日乘子方法去尋優(yōu)，速度更快，算法復(fù)雜度更低。具體來(lái)說(shuō)，所述優(yōu)化問(wèn)題P2的求解可以采用拉格朗日因子方法：L(ri,pri,μl,λl)=O‾-μi(Σk=1iprkTp-Σn=1iEHn)-λi(ri-Di),i∈{1,2,...,N}]]>再聯(lián)立并用次梯度方法迭代求解，其中，l∈{1,...,N}，μl,λl表示拉格朗日因子。采用拉格朗日乘子算法的基礎(chǔ)上，每一次循環(huán)迭代的過(guò)程中我們可以采用次梯度方法，并選用漸進(jìn)步長(zhǎng)，尋優(yōu)更加精確。具體來(lái)說(shuō)，所述所述優(yōu)化問(wèn)題P3的拉格朗日形式中的拉格朗日因子μl,λl的迭代更新方法采用次梯度算法，復(fù)雜度更低，更有效率，所述次梯度算法的迭代更新方程是μl(n+1)=[μl(n)-αμl(n)(Σn=1iEHn-Σk=1iprkTp)]+,i=1,2,...,N,l=1,2,...N]]>λl(n+1)=[λl(n)-αλl(n)(Di-ri)]+,i=1,2,...,N,l=1,2,...N]]>其中μl(n),λl(n)分別表示第n次迭代的拉格朗日因子，分別表示相應(yīng)的迭代步長(zhǎng)。為了使得迭代速度更快，精度更高，我們選擇遞進(jìn)減小的迭代步長(zhǎng)。所述迭代步長(zhǎng)可以設(shè)置成：αμl(n)=αλl(n)=1n2,l=1,2,...,N.]]>以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3