[发明专利]基于能量采集中继站的异构蜂窝网络功率指派方法

摘要

本发明公开了一种基于能量采集中继站的异构蜂窝网络功率指派方法，属于无线通信技术领域。包括步骤:系统场景分析，问题归结；系统数学模型建立；然后利用优化方法求出最优解。本发明针对特殊的应用场景，来源实际应用，在综合考虑时延约束条件下，结合可再生能源的节能方案，辅助能量采集中继站的协作转发。本发明针对最优化问题的求解，采用凸优化处理，转化优化问题的目标函数，不经过近似计算，不影响问题的精度的同时极大的降低的计算复杂度，减少系统开销产生的时延，寻优过程采用拉格朗日乘子方法，寻优速度快，算法迭代过程中采用次梯度方法，并选用渐进步长，寻优更加精确。

主权项

一种基于能量采集中继站的异构蜂窝网络功率指派方法，其特征在于，包括：步骤1：系统场景分析，问题归结；考虑一个经典的三节点场景，场景中有一个能量采集的基站B，一个能量采集的中继站R和一个目标通信蜂窝用户U，能量采集基站B和蜂窝用户U之间的有直达路径，中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，能量采集基站B和中继R占用相等的带宽W，考虑该场景下的能量采集基站B和中继站R的功率指派问题；假设用于能量采集的电池容量足够大，用于传输消耗的能量可以忽略不计，在传输每一次的数据块时总的能量约束方程必须满足：其中：PB(i)表示能量采集基站B发送第i个数据块时分配的功率，EB(i)表示能量采集基站B在i个传输时隙内采集到的功率，PR(i+1)表示中继站R在第i+1个时隙转发第i个数据块时分配的功率，ER(i+1)表示中继站R在第i+1个传输时隙内采集到的功率，信道的输入输出关系满足：其中，xb(i)和xr(i+1)分别表示能量采集基站B在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，ybr(i)表示中继站R在第i个时隙的接收信号，ybu(i)和yru(i+1)分别表示蜂窝用户U在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，hbr表示能量采集基站B和中继站R之间的信道功率增益，hbu表示能量采集基站B和蜂窝用户U之间的信道功率增益，hru表示中继站R和蜂窝用户U之间的信道功率增益，nr(i)表示中继站R在第i时隙的接收信号噪声，nu(i)和wu(i+1)分别表示蜂窝用户U在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，能量采集基站B和中继站R之间，能量采集基站B和蜂窝用户U之间以及中继站R和蜂窝用户U之间的接收信噪比分别满足：γbr(i)＝PB(i)hbr,γbu(i)＝PB(i)hbu,γru(i+1)＝PR(i+1)hru.其中，γbr(i)表示能量采集基站B和中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γbu(i)和γru(i+1)分别表示蜂窝用户U在第i时隙以及第i+1时隙的接收信噪比，定义新的能量采集基站B和中继站R的能量和功率曲线为：由此可以获得新的信道增益的表达式如下：据此，我们重新改写信道模型的表达式如下：步骤2：系统数学模型建立；在DF中继的传输模式下，当第i个数据块被传输时，必须满足：R(i)≤C(PB(i))其中R(i)表示第i时隙的速率，C(PB(i))表示第i时隙的容量，下一个数据块i+1传输的时间内，同样需要满足：RB(i+1)≤C(PR(i+1)),R(i)≤C(h0PB(i))+RB(i+1)≤C(h0PB(i))+C(PR(i+1)).其中C(PR(i+1))表示第i+1时隙的容量，RB(i+1)表示中继站R第i+1时隙的分割速率，由此我们得到第i个数据块传输时的可达速率：R(i)＝min{C(PB(i)),C(h0PB(i))+C(PR(i+1))}考虑一个N个数据块的传输过程，可以归结出平均吞吐量最大化的最优化问题如下：P1:步骤3:设置i＝1，判断当i≤N时，跳转至步骤4，否则跳转至步骤7算法结束；步骤4:分别计算ib,0、ir,0、和如下：其中，表示能量采集基站B在第i时隙预分配的发射功率，表示中继站R在第i+1时隙预分配的发射功率，ib,0和ir,0分别表示能量采集基站B以及中继站R的能量耗尽时隙，表示能量采集基站B在第i个时隙发射信号以前剩余的功率，表示中继站R在第i+1个时隙发射信号以前剩余的功率，且满足其中，和分别表示基站B在第i时隙以及中继站R在第i+1时隙的最优发射功率；步骤5:比较判断是就跳至步骤6，否就跳至步骤7；步骤6：分别计算同时设置i＝ib,0+1，跳至步骤7；步骤7：算法结束，输出和获得该场景下的能量采集基站B和中继站R的功率指派问题的最优解。