[发明专利]基于全双工自回程的无线供能蜂窝物联网资源优化方法

说明书

本发明提供了基于全双工自回程的无线供能蜂窝物联网资源优化方法，该方法包括：一、在物联网节点回传数据场景下，将回程网络速率特征、数据完整性特征抽象成约束，将网络运营商和无线能量传输装置的收益互作用关系建模成Stackelberg博弈模型。二、依据回溯法和库恩塔克条件对跟随者收益模型求解，并将结果带入主导者模型进行消元。三、利用回程速率特征约束和变量替换对主导者模型进行化简并转化为双凸模型，通过交替迭代得到最终资源优化结果。该方法能有效降低网络自回程成本，提高网络资源利用率，适用于无线供能蜂窝物联网。

技术领域

本发明属于无线通信与物联网技术领域，尤其涉及基于全双工自回程的无线供能蜂窝物联网资源优化方法。

背景技术

蜂窝物联网充分利用蜂窝网络的网络优势来部署物联网服务，在覆盖范围、连接数量、成本、功耗、架构等方面具有显著优势，是物联网大规模应用最重要的解决方案之一。然而，随着节点数量和小蜂窝基站数量的快速增长，巨大的小蜂窝基站回程传输成本和节点供能问题成为制约蜂窝物联网规模的瓶颈。

针对异构蜂窝基站回程传输问题，基于干扰消除的全双工无线自回程技术能够避免由有线回程带来的巨额基础设施开销，可以随小蜂窝基站进行灵活部署，从而能显著降低回程传输成本。

另一方面，随着无线能量收集技术的不断成熟，通过在网络中部署少量无线供能装置，能以极少的成本实现对大规模节点的供能，所以无线供能物联网已成为解决物联网节点供能问题的有效手段。

将全双工无线自回程引入无线供能蜂窝物联网，可以发挥两者优势，综合解决回程传输成本和节点供能问题，因此受到业界广泛关注。已有学者进行了研究，代表性的工作如文献[Lei Chen.Distributed Virtual Resource Allocation in Small-CellNetworks With Full-Duplex Self-Backhauls and Virtualization.《IEEETransactions on Vehicular Technology》.]提出了一种基于全双工无线自回程的异构蜂窝资源分配算法，有效提升了网络资源效率。然而，该方案模型只针对异构蜂窝，未考虑物联网的业务特点，无法直接应用于无线供能蜂窝物联网。

由于引入了无线供能装置，在资源分配设计时，需要考虑为无线供能装置提供激励，以确保能量传输的实现和效率。已有代表性的工作如文献[J.Yao andN.Ansari.Caching in Energy Harvesting Aided Internet of Things:A Game-Theoretic Approach.IEEE Internet of Things Journal,2019,6(2),3194-3201]提出了一种基于博弈论的无线供能物联网资源分配和激励联合优化方法，实现了对无线供能装置和运营商之间的收益协调以及无线传输、缓存资源的有效分配。然而，该方法主要针对非蜂窝式的广义物联网，采用的模型没有考虑小蜂窝回程传输问题，无法解决蜂窝物联网的回程传输问题。

发明内容

发明目的：针对目前缺少综合解决自回程传输和蜂窝物联网激励问题的有效方法，本发明提出了一种基于全双工自回程的无线供能蜂窝物联网资源优化方法，该方法利用全双工自回程解决蜂窝物联网降低回程成本，将网络运营商和无线能量传输装置的收益互作用关系建模成Stackelberg博弈模型，通过推导和近似得到了低复杂度求解算法，从而能高效求解博弈均衡点，能有效降低网络自回程成本，提高网络资源利用率。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种基于全双工自回程的无线供能蜂窝物联网资源优化方法，包括以下步骤：

步骤1，在无线供能蜂窝物联网节点时分多址回传数据场景下，分别构建网络运营商收益优化模型和无线能量传输装置收益优化模型，进而建立表征网络运营商和无线能量传输装置收益互作用关系的Stackelberg博弈模型；