[发明专利]无线全双工网络中面向服务质量保障资源分配方法

摘要

本发明公开了一种无线全双工网络中面向服务质量保障资源分配方法，其特征在于：1)、无线全双工传输建模；2)、在不同统计时延QoS需求下最大化无线全双工传输的和有效容量。本发明提出的在不同统计时延QoS需求下的QoS驱动功率分配策略可以获得更大的系统吞吐量。另外，本发明还评价了在不同统计时延QoS需求下，当使用无线全双工或无线半双工传输时的上下限。

主权项

1.一种无线全双工网络中面向服务质量保障资源分配方法，其特征在于：1)、无线全双工传输建模；11)、定义一个新的变量——自干扰消减系数k＝(SNRs/SNRr)，来衡量自干扰对本地接收SNR的影响；其中k∈(0，1]，SNRr表示使用自干扰消除技术的接收SNR，SNRs代表未使用自干扰消除技术的接收SNR；无线全双工双向传输速率基于自干扰消减，得到无线全双工双向传输中，由节点A到节点B和由节点B到节点A的传输速率，分别用RAB和RBA表示如下：其中ka和kb分别表示节点A和节点B的自干扰消减系数；SNRa和SNRb分别节点A和节点B在未使用自干扰消减技术的接收信噪比；无线全双工单向传输速率根据自干扰消减，得到无线全双工单向传输情况下，从节点C到节点D和从节点D到节点E的传输速率，分别表示为RCD和RDE，如下所示：其中，kd表示对应于节点D的自干扰消减系数；SNRd和SNRe分别表示未使用自干扰消减技术时，节点D和节点E的接收信噪比，INRe表示节点E的干扰噪声比；12)、有异构统计时延QoS需求的无线全双工传输的QoS保障根据大偏差原理，在充足的条件下，过程Q(t)的分布收敛于一个随机变量Q(∞)，使得其中Qth是队长界限，且θ＞0；参量θ被称为QoS指数，用以衡量QoS违反概率的指数衰落速率；θ越大对应的衰落速率越快，也说明系统可以提供一个严格的QoS要求，而θ越小对应的衰落速率越慢，表示系统提供的QoS需求较宽松；当θ逐渐趋近于无穷大时，意味着系统不能容忍任何时延，对应着非常严苛的QoS约束；无线全双工双向传输的有效容量，从节点A到节点B和从节点B到节点A的无线全双工双向传输的有效容量，分别表示为CAB(θa，θb)和CBA(θa，θb)，如下所示：其中γ_ab和γ_ab分别表示从节点A到节点B和从节点B到节点A的信道的瞬时状态信息；z＝(γ_ab，γ_ba)是无线全双工双向链路的全部信道状态信息；表示对z的期望，其中{·}内为z的函数；P_a和P_b分别表示节点A和节点B的发送功率；无线全双工单向传输的有效容量，从节点C到节点D以及从节点D到节点E的无线全双工单向传输链路的有效容量，分别记为CCD(θc，θd)和CDE(θd，θe)，如下所示：其中γ_cd和γ_de分别表示从节点C到节点D和从节点D到节点E的信道的瞬时状态信息；是无线全双工单向链路的全部信道状态信息；表示的期望；P_c和P_d分别表示节点C和节点D的发送功率；2)、在不同统计时延QoS需求下最大化无线全双工传输的和有效容量21)、不同统计时延QoS需求下无线全双工传输有效容量的最优化；22)、异构统计时延QoS需求下无线全双工传输的QoS驱动功率分配；23)、不完美QoS指数传输对功率分配和有效容量的影响；步骤21)中，不同统计时延QoS需求下，最大化双向和单向无线全双工传输的和容量问题建模为一个最优化问题，记为P1，如下所示：s.t.：1).P1≥O，P2≥O；2).其中γ定义为无线全双工链路的全部信道状态信息(γ₁，γ₂)，且为无线全双工传输的平均传输功率限制；双向的无线全双工传输，θ₁＝θ_a，θ₂＝θ_b，P₁＝P_a，P₂＝P_b，C_F(θ₁，θ₂)＝C_FB(θ_a，θ_b)，C₁(θ₁，θ₂)＝C_AB(θ_a，θ_b)，C₂(θ₁，θ₂)＝C_BA(θ_a，θ_b)，γ₁＝γ_ab，γ₂＝γ_ba，k₁＝k_a，k₂＝k_b；单向的无线全双工传输，θ₁＝θ_c，θ₂＝θ_d，P₁＝P_c，P₂＝P_d，C_F(θ_c，θ_d)＝C_FU(θ_c，θ_d)，C₁(θ₁，θ₂)＝C_CD(θ_c，θ_d)，C₂(θ₁，θ₂)＝C_DE(θ_d，θ_e)，γ₁＝γ_cd，γ₂＝γ_de，k₁＝1，k₂＝k_d；为了求得P1的全局最优解，将P1看成是一个凸规划问题，为了解决不同统计时延QoS需求下无线全双工传输的和容量最大化问题，我们需要将非凸规划问题P1转化为一个等价的凸规划问题P2，如下所示：受制于由式P1和P1给出的条件的限制，参数β1以及β2分别定义为对应于θ1和θ2的归一化QoS指数(θ1TB/log 2)和(θ2TB/log 2)；步骤22)中，P2是一个严格凸优化问题，因此有最优解；求得P2的最优解，根据P2建立拉格朗日函数，记为J2，如下所示：其中μj，j∈{1，2}以及λ分别是与P1和P2所示的限制条件相关的拉格朗日乘子；因此，P2的最优解和最优拉格朗日乘子需要满足以下的KKT条件由于互补松弛性μjPj＝0，j∈{1，2}，可以通过分析一下三种情况来得到问题P2的最优解：情形一：P1＞0且P2＞0；这种情况下，对于互补松弛性，有μj＝0，j∈{1，2}；因此，分别令J2关于Pj，j∈{1，2}的导数等于零，可以得到令可得β1κ2γ1(1+κ1P2γ2)＝β2κ1γ2(1+k2P1γ1)接着，可得最优解如下所示：情形二：P₁＞0且P₂＝0；这种情况下，μ_a＝0；于是，通过求解可以得到这种情况下的最优解如下所示情形三：P₁＝0且P₂＞0；这种情况下，μ₂＝0；于是，通过求解可以得到这种情况下的最优解如下所示：步骤23)中，不完美QoS指数传输对功率分配和有效容量的影响，节点A和节点B需要已知θ1和θ2；由于节点A和节点B本身分别都有θ1和θ2的值，因此影响无线全双工双向或单向传输有效和容量的因素就是向节点A传递θ2的误差和向节点B传递θ1的误差；向节点A传递θ2和向节点B传递θ1的过程可以在信道反馈的阶段完成；传递θ_j，j∈{1，2}的误差为δ_j，j∈{1，2}，估计QoS指数为真实QoS指数θ_j，j∈{1，2}和估计QoS指数的关系可以表示如下：考虑到QoS指数的传递误差，记功率分配为可如下导出：情形A：且这种情况下，功率分配可由下式得到：其中ω1和ω2分别被定义为对应于δ1和δ2的归一化QoS指数传递误差(δ1TB/1og 2)和(δ2TB/1og 2)；情形B：且这种情况下，功率分配可由下式得到：情形C：且这种情况下，功率分配可由下式得到：接下来，我们可以推导出考虑QoS传递误差的无线全双工传输的QoS驱动的功率分配方案，节点A和节点B的QoS驱动的最佳功率分配分别表示为和通过将和代入我们可以求得拉格朗日乘子的最优值。