[发明专利]一种基于全双工的无线供电中继网络系统及优化方法

权利要求书

1.一种基于全双工的无线供电中继网络系统的优化方法，其特征在于：

所述的无线供电中继网络系统包含一个HAP，K个用户和K个中继；所述HAP含有两根天线，所述用户和中继均含有一根天线，所述HAP和用户都配备固定的能量供给，不携带能量源的中继依赖于从HAP发送的射频信号中采集能量，所述HAP和用户之间没有直接链路，用户到HAP的信息传递需要中继的协助；中继R_i与用户U_i一一对应，也就说R_i只能用以辅助用户U_i的信息传递，中继采用DF方案；所述HAP与中继、中继与用户之间的信道为平坦衰落信道且互易，所有信道在每个传输时间块内保持稳定，在不同时间块内信道状态信息CSI可能发生改变；所述HAP与中继R_i、中继R_i与用户U_i之间的信道分别定义为h_i和g_i；i＝1,…,K；

所述优化方法包括以下步骤：

步骤一：划分时隙以及计算各个用户在能量传输阶段收集到的能量；

整个传输块分为K+1个时隙，每个时隙的时长为τ_i,i＝0,1,…,K；所述τ₀被专用于下行链路的能量传输，τ_i,i＝1,…,K被同时用以上行链路的信息传输和下行链路的能量传输；

步骤二：计算在信息传输阶段用户传输信息的信干噪比和吞吐量；

在前期间，用户U_i以功率P_u,i发送信号x_u,i至中继R_i，假设经过干扰消除后剩余的干扰信号功率为定义中继R_i处的信干噪比SINR为γ_r,i，γ_r,i表示为：

如果中继R_i可以成功地解码出接收信号，则其在期间传输信号x_r,i至HAP，其中x_r,i～CN(0,1)；类似于中继，HAP同样采用干扰消除技术来消除自干扰；经过干扰消除后，HAP的SINR表示为：

其中ψ表示剩余的干扰信号功率，因而，用户U_i的吞吐量表示为：

Γ_d,i＝min{Γ_d,i,1,Γ_d,i,2} (5)

其中和分别表示第一跳和第二跳的吞吐量；这里给出的是单位带宽下的所述用户U_i的吞吐量；

步骤三：根据已经求得的用户吞吐量，列出网络中系统吞吐量的优化问题；

时间分配的约束条件为：

C2：0≤τ_i≤1，i＝1,…,K (7)

其中C1表示所有时隙的总时长不能超过传输块的时长，C2表示所有的时隙的时长都是非负的；根据公式(6)和(7)，优化问题定义为：

步骤四：将优化问题改写为凸优化问题并求解；

所述Γ_d,i＝min{Γ_d,i,1,Γ_d,i,2}，引入新的变量得到下述约束条件：

根据新的约束条件，问题(8)转换为新的优化问题：

其中得出问题(12)是一个凸优化问题；

Γ_d,i,1和Γ_d,i,2都是关于τ_i的单调增函数，则Γ_d,i是关于τ_i的单调增函数；对于问题(8)，目标函数是最大化因而易证C1转化为下述新的约束条件：

步骤五：针对吞吐量的凸优化问题，通过建立拉格朗日函数和应用KKT条件，求出在给定拉格朗日乘子情况下的最优时间分配的表达式；

通过建立拉格朗日函数和应用KKT条件，求出在给定拉格朗日乘子情况下的最优时间分配的表达式；定义使L_i最大化的变量为在λ和μ给定的前提下，表示为：

其中是方程的最优解，已知在λ和μ给定下的g(λ,μ)，利用次梯度法更新λ和μ，这里采用椭圆法；定义g(λ,μ)的次梯度为ν＝[v_λ,v_u,1,…,v_u,K]，其表示为：

定义问题(14)的最优解为当λ和μ收敛至最优解λ^*和μ^*时，可得τ^*；根据C3，得到

根据上述分析，求解问题(12)的算法如下所示：

S1、初始化λ和μ；

S2、根据公式(13)和(14)计算

S3、根据公式(15)和(16)计算g(λ,μ)的次梯度，然后利用椭圆法更新λ和μ；

S4、重复执行步骤(2)和(3)，直到λ和μ收敛；

S5、令

S6、最后得到