本發(fā)明公開了一種在雙向認(rèn)知無線中繼網(wǎng)絡(luò)中基于系統(tǒng)吞吐量最大化的資源分配方法，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

中繼技術(shù)通過在發(fā)送端和接收端引入中繼節(jié)點，加強了無線通信系統(tǒng)的覆蓋能力、qos保障能力，有效降低系統(tǒng)建設(shè)成本，先進(jìn)的中繼技術(shù)作為未來移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一已經(jīng)在各大研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備商和運營商之間展開深入的研究和熱烈的討論。從中繼節(jié)點的功能來分，中繼通信可以分為兩大類，即放大轉(zhuǎn)發(fā)af(amplify-and-forward)中繼和解碼轉(zhuǎn)發(fā)df(decode-and-forward)中繼；af方式下，中繼節(jié)點只對收到的信號進(jìn)行簡單的放大、轉(zhuǎn)發(fā)處理。df方式下，中繼節(jié)點首先恢復(fù)出原始信息，然后重新編碼后發(fā)射給相應(yīng)用戶。放大轉(zhuǎn)發(fā)af中繼具有設(shè)備簡單、維護(hù)方便、價格便宜等優(yōu)點，但是它在放大信號的同時也放大了攜帶的噪聲；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)df中繼在接收到基站發(fā)來的信息時先進(jìn)行譯碼，解出原始信息，再利用相同的碼字對原始信息進(jìn)行重新編碼，最終轉(zhuǎn)發(fā)給目的用戶或者下一跳中繼，可以避免噪聲的放大，其性能在一定程度上要優(yōu)于放大轉(zhuǎn)發(fā)af中繼方式。

能量采集技術(shù)可以從周圍環(huán)境源源不斷的采集能量，比如無線電波、光、風(fēng)能等，從而大大延長能量受限設(shè)備的生命周期，降低充電成本，提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能。但是能量采集技術(shù)的引入也會大大增加資源分配的復(fù)雜度，因為采集的能量可能是離散的或者連續(xù)的，采集能量的大小一般也是隨機(jī)分布的。

另外，認(rèn)知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，有目的地實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有限的無線頻譜資源進(jìn)行高效地利用。認(rèn)知無線電的核心思想就是通過頻譜感知(spectrumsensing)和系統(tǒng)的智能學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配(dsa：dynamicspectrumallocation)和頻譜共享(spectrumsharing)。認(rèn)知無線電中，次級用戶動態(tài)的搜索頻譜空穴進(jìn)行通信，這種技術(shù)稱為動態(tài)頻譜接入。在主用戶占用某個授權(quán)頻段時，次級用戶必須從該頻段退出，去搜索其它空閑頻段完成自己的通信，從而提高系統(tǒng)的頻譜資源利用率。

當(dāng)無線通信系統(tǒng)包含兩個及以上能量采集節(jié)點時，若各節(jié)點處于不同的環(huán)境，可能采集的能量總量差距很大，采集能量過小的節(jié)點可能會產(chǎn)生中斷，此時可以用無線能量協(xié)作的方式將一個節(jié)點的能量傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點?；驹戆旅嫒N：

1)電磁感應(yīng)式

初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù)。

2)磁場共振

由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(mit)物理教授marinsoljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊利用該技術(shù)點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為witricity。該實驗中使用的線圈直徑達(dá)到50cm，還無法實現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。

3)無線電波式

這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明針對包含兩個次用戶節(jié)點的雙向認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，通過引入能量協(xié)作與認(rèn)知無線電技術(shù)，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的能量效率和頻譜效率。同時，由于該優(yōu)化問題計算復(fù)雜度很高，本發(fā)明提供了一種解耦并迭代的最優(yōu)求解方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種基于能量協(xié)作的雙向認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，該方法包括以下步驟：

1)初始化：迭代次數(shù)n＝0；第i時隙兩次用戶su1、su2和中繼節(jié)點relay采集能量分別為e1,i，e2,i和er,i，其中系統(tǒng)時隙1≤i≤n；第0次迭代各時隙兩次用戶su1、su2和中繼節(jié)點relay電池內(nèi)實際存儲能量為系統(tǒng)吞吐量初值為c⁰＝0；第0次迭代各時隙兩次用戶su1和su2向中繼節(jié)點協(xié)作能量為中繼節(jié)點向su1和su2回流能量為兩次迭代過程獲得的最大系統(tǒng)吞吐量差值為u＝1；定義垂直方向度量抽頭，用于記錄各個時隙兩個次用戶向中繼節(jié)點協(xié)作能量的大小，規(guī)定兩個次用戶向中繼協(xié)作能量為正方向，并初始化垂直方向度量抽頭的讀數(shù)為tap1,i＝0，tap2,i＝0；

2)令迭代次數(shù)n＝n+1，各節(jié)點協(xié)作與回流能量后實際存儲的能量為1≤i≤n，其中η1,η2(0≤η1,η2≤1)分別表示兩次用戶su1、su2向中繼節(jié)點的能量傳遞效率；

3)初始化能量協(xié)作初值δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n，注意此處初始化是為了方便利用迭代注水方法，每一次迭代都要重復(fù)初始化，而第1)步中初始化只是為第1次迭代求各節(jié)點協(xié)作與回流能量后實際存儲的能量賦初值，以后每一次迭代都會計算獲得然后利用迭代注水方法獲得各時隙兩次用戶分配的功率同時令中繼分配功率為其中迭代注水方法步驟如下：

(3-1)初始化其中i表示主用戶的干擾門限，g1,i和g2,i分別表示第i時隙兩次用戶與主用戶之間的信道衰落系數(shù)；定義temp表示上一次迭代獲得的系統(tǒng)吞吐量，并初始化temp＝0；初始化各時隙兩次用戶間注水的最小步長s；

(3-2)利用有最大功率限制的定向注水方法獲得兩次用戶的最優(yōu)功率分配和

(3-3)計算系統(tǒng)吞吐量

(3-4)令重復(fù)步驟(2)，(3)；只要吞吐量c增大，重復(fù)步驟(4)，否則，令

(3-5)令重復(fù)步驟(2)，(3)；只要吞吐量c增大，重復(fù)步驟(5)，否則，令

(3-6)若c＞temp，令temp＝c，重復(fù)步驟(4)，(5)；否則，獲得各時隙兩次用戶最優(yōu)分配功率

4)針對時隙1≤i≤n，若源節(jié)點吞吐量小于中繼節(jié)點吞吐量那么首先將兩次用戶協(xié)作來的能量回流，即將本時隙兩個次用戶協(xié)作到中繼的能量減小一部分，能量回流的產(chǎn)生原因見圖3，回流的方法如下：

若則兩次用戶回流的能量比例按照公式

確定，其中

否則，僅僅回流抽頭讀數(shù)大于零的次用戶的能量，直到中繼節(jié)點的容量等于兩次用戶容量和或者垂直方向度量抽頭讀數(shù)均等于零，回流的能量記錄為此時兩個次用戶不會向中繼協(xié)作能量，即令表示回流能量后各節(jié)點分配的功率，若仍成立，再利用公式更新與

5)若源節(jié)點吞吐量大于等于中繼節(jié)點吞吐量則求取兩次用戶協(xié)作能量和此時回流能量令

6)更新垂直方向度量抽頭的讀數(shù)

7)計算此次迭代獲得的系統(tǒng)吞吐量并令u＝cⁿ-c^n-1，若u＞0，重復(fù)步驟2)-7)，注意在仿真中，可設(shè)定判決條件u＞10^-5，以減少迭代次數(shù)；若u＝0，則停止迭代。

有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

1.該方法通過引入能量協(xié)作與認(rèn)知無線電技術(shù)，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的能量效率和頻譜效率。

2.由于該優(yōu)化問題計算復(fù)雜度很高，本發(fā)明提供了一種解耦并迭代的最優(yōu)求解方法。首先，通過問題等價性變換，將各節(jié)點的功率和協(xié)作能量聯(lián)合優(yōu)化問題解耦為分離的功率分配問題和逐個時隙的協(xié)作能量求解問題。然后，解耦后的兩個問題分別利用迭代注水方法和求微分的方式解決。

3.本發(fā)明推導(dǎo)出了每個時隙具體的能量協(xié)作表達(dá)式，同時對于一些時隙的能量回流現(xiàn)象，本發(fā)明給出了注水解釋和相應(yīng)的求解方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的雙向認(rèn)知無線中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時隙模型。

圖3為本發(fā)明方法的能量回流示意圖

圖4為本發(fā)明方法的整體流程邏輯框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和說明書附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：

一、雙向認(rèn)知無線中繼網(wǎng)絡(luò)模型

本發(fā)明中考慮一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)包含一個主用戶節(jié)點pu，兩個次用戶節(jié)點su1和su2，和一個中繼節(jié)點relay，兩個次用戶和中繼節(jié)點均采用能量采集方式提供能量，如圖1所示。系統(tǒng)以時隙為最小傳輸單位，一次傳輸共包含n個時隙，每個時隙的持續(xù)時間單位化為1。假設(shè)節(jié)點采集的能量在各時隙開始前瞬間到達(dá)，并且在開始數(shù)據(jù)傳輸前已經(jīng)準(zhǔn)確預(yù)知全部采集能量的大小。同時，假設(shè)在數(shù)據(jù)傳輸過程中各信道為瑞利衰落信道，信道衰落系數(shù)在各時隙內(nèi)保持不變，第i時隙兩次用戶su1和su2到中繼relay的信道衰落系數(shù)分別表示為h1,i和h2,i，而兩次用戶與主用戶之間的信道衰落系數(shù)分別表示為g1,i和g2,i。主用戶總帶寬w。e1,i，e2,i和er,i分別表示第i時隙次用戶su1，su2和中繼節(jié)點采集的能量。同時，在各個時隙，允許兩次用戶su1和su2向中繼節(jié)點傳輸能量，傳輸能量的大小分別被表示為δ1,i和δ2,i，能量傳遞效率分別為η1,η2(0≤η1,η2≤1)，本發(fā)明中{xi}表示xi,1≤i≤n組成的集合。

次用戶節(jié)點su1和su2相互之間進(jìn)行雙向通信，并且各占用主用戶帶寬的一半，而中繼節(jié)點使用與兩個次用戶節(jié)點相同寬度的正交頻帶。若第i時隙su1的分配功率表示為p1,i，su2的分配功率為p2,i，要求兩次用戶對主用戶的干擾小于門限值i，則系統(tǒng)干擾門限限制為：

p1,ig1,i+p2,ig2,i≤i(1)

中繼節(jié)點工作在全雙工模式，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式轉(zhuǎn)發(fā)兩個次用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)，并且始終延遲兩次用戶節(jié)點一個時隙。如圖2所示，在第i時隙，次用戶su1以功率p1,i向中繼節(jié)點傳輸信息，并將大小為δ1,i的能量以傳輸效率η1傳輸?shù)街欣^節(jié)點，次用戶su2以功率p2,i向中繼節(jié)點傳輸信息，并將大小為δ2,i的能量以傳輸效率η2傳輸?shù)街欣^節(jié)點。為了使兩次用戶節(jié)點和中繼節(jié)點時隙下標(biāo)對齊，將兩次用戶節(jié)點時隙下標(biāo)延遲一個時隙，其中pr,i表示用于轉(zhuǎn)發(fā)第i時隙兩次用戶信息的中繼節(jié)點分配的功率。由于各信道的信道衰落系數(shù)已知，兩個次用戶和中繼節(jié)點處的自干擾信號可以被完全消除掉。假設(shè)兩個次用戶和中繼節(jié)點都可以存儲能量，并且電池容量足夠大。而中繼無法存儲數(shù)據(jù)，在當(dāng)前時隙接收的數(shù)據(jù)，在下一時隙必須全部轉(zhuǎn)發(fā)掉，因此，除去第一時隙和最后一時隙，三個節(jié)點同時工作。

第i時隙兩次用戶su1，su2和中繼節(jié)點分配的功率p1,i，p2,i和pr,i必須滿足采集能量的因果性限制：

由于中繼在當(dāng)前時隙接收的數(shù)據(jù)，在下一時隙必須全部轉(zhuǎn)發(fā)掉，故：

其中n0表示信道的噪聲功率譜密度。為常數(shù)，為簡化推導(dǎo)流程，令

本發(fā)明以最大化n時隙內(nèi)系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)，則最優(yōu)化問題可以建模為：

其中，目標(biāo)函數(shù)中的被省略并不影響最優(yōu)功率分配結(jié)果，只需在計算系統(tǒng)吞吐量時加上即可。

二、提出的基于能量協(xié)作的功率分配方法

在最優(yōu)功率分配過程中，限制條件取等號不影響原問題的最優(yōu)值，即兩次用戶節(jié)點在一個時隙可發(fā)送的數(shù)據(jù)和等于下一時隙中繼節(jié)點可發(fā)送的數(shù)據(jù)。若則兩次用戶節(jié)點在第i時隙發(fā)送的數(shù)據(jù)達(dá)不到中繼節(jié)點可發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，中繼節(jié)點能量浪費，此時可取把中繼這一時隙多余的能量留給其它時隙分配，同時問題p1最優(yōu)值以及對應(yīng)的可行點不變，兩者等價。

因此，問題p1等價于：

問題p2的拉格朗日函數(shù)為：

其中，拉格朗日乘子{λi}，{μ1,i}，{μ2,i}，{μr,i}，{γi}，{α1,i}，{α2,i}，{αr,i}，{β1,i}和{β2,i}分別對應(yīng)于(7)中的10個限制條件。

將拉格朗日函數(shù)分別對p1,i，p2,i，pr,i，δ1,i和δ2,i求偏導(dǎo)，并由kkt最優(yōu)條件獲得：

通過分析乘子，可以獲得以下最優(yōu)功率分配和能量協(xié)作策略需滿足的性質(zhì)：

性質(zhì)1：若p1,ig1,i+p2,ig2,i＜i成立，p1,i≠0，p2,i≠0，則當(dāng)δ1,i＞0，δ2,i＞0時，必有

性質(zhì)2：存在延遲策略pr,i≥η1δ1,i+η2δ2,i,1≤i≤n，可以解決問題(7)，即當(dāng)前時隙次用戶傳輸給中繼的能量，必定在當(dāng)前時隙被使用，而不會存儲到未來時隙使用。

由性質(zhì)2，當(dāng)前時隙協(xié)作到中繼的能量，必定當(dāng)前時隙被使用，則令表示第i時隙次用戶su1電池實際消耗的能量，令表示次用戶su2電池實際消耗的能量，令表示第i時隙中繼節(jié)點電池實際消耗的能量，那么問題p2可以轉(zhuǎn)化為：

下一步，將對{δ1,i,δ2,i}的限制分離。由于在問題p3的目標(biāo)函數(shù)中，第i時隙的容量僅僅與自變量的下標(biāo)i相關(guān)，因此定義：

其中，表示在第i時隙和確定情況下，求取最優(yōu)的δ1,i和δ2,i，使第i時隙中繼節(jié)點的容量最大。

則問題p3可以等價為：

在問題p4中，由于凸函數(shù)的和函數(shù)仍是凸函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)關(guān)于是聯(lián)合凸函數(shù)，對的限制均為線性限制，限制集為凸集，故問題p4為凸優(yōu)化問題，有唯一最優(yōu)值。同時，問題p3和p4的最優(yōu)值與對應(yīng)最優(yōu)值的可行點相同，故兩者等價。

為方便求解問題p4，初始化δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n，并令e1,i＝e1,i-δ1,i，e2,i＝e2,i-δ2,i，er,i＝er,i+η1δ1,i+η2δ2,i，表示各節(jié)點協(xié)作能量后實際采集到的能量。那么問題p4可以利用迭代注水方法解決，得到此時其中，利用的原則獲取。當(dāng)時，中繼節(jié)點能量浪費，由于要求δ1,i≥0，δ2,i≥0，中繼節(jié)點不可以向兩個次用戶節(jié)點協(xié)作能量，可以令

其中，當(dāng)i＝n時，令即可。

當(dāng)兩次用戶需要向中繼節(jié)點協(xié)作能量，將求得的和代入公式(15)，然后逐時隙計算需要協(xié)作的能量大小。

下面給出求各時隙兩次用戶需要向中繼協(xié)作能量大小的步驟：

1)由問題(15)中的等式限制獲得：

其中

2)將(18)代入(15)得到：

其中，由于限制條件始終滿足，即：而-g1,iδ1,i-g2,iδ2,i≤0始終成立，可以省略。

3)最優(yōu)必定在目標(biāo)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)為零的點或者可行域邊界點取得。首先對(20)中的目標(biāo)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，得到：

公式(21)為二次函數(shù)，其判別式為：

那么使問題(20)中的目標(biāo)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)為零的兩個解分別為：

4)分別驗證可能的可行域邊界點即問題(20)中的限制條件分別取等號的點，與兩個解{x1,i,x2,i}是否滿足(20)中的所有限制條件。對于滿足(20)中的所有限制條件的點，分別代入(20)中的目標(biāo)函數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)最大的點即然后利用公式(18)獲得

但是在一些時隙，會出現(xiàn)能量回流現(xiàn)象，如圖3所示。在圖3中，僅對相鄰的第i和第i+1時隙進(jìn)行說明，其它時隙類似。當(dāng)利用迭代注水方法解決問題p4時，首先兩次用戶su1和su2要進(jìn)行水平方向的定向注水，其中而中繼節(jié)點將各時隙采集的能量分配到其對應(yīng)的時隙，即圖3(a)→(b)。假設(shè)圖中第i與i+1時隙中繼節(jié)點的容量均小于兩次用戶節(jié)點的容量和，即圖3(c)，那么兩次用戶節(jié)點需向中繼節(jié)點協(xié)作能量，由于第i時隙中繼采集的能量小于第i+1時隙的，那么兩次用戶節(jié)點向中繼節(jié)點協(xié)作能量后，由于會導(dǎo)致次用戶su1的第i時隙水位低于第i+1時隙的，此時su1第i+1時隙應(yīng)該向第i時隙回流能量，且回流的能量大小不可以超過開始定向注水時第i時隙向第i+1時隙流動的能量。同時，由于su1的能量回流，導(dǎo)致第i+1時隙中繼節(jié)點的容量大于兩次用戶節(jié)點的容量和，那么中繼節(jié)點也要向兩次用戶節(jié)點回流能量，直到水平方向兩次用戶的水位符合定向注水，垂直方向中繼節(jié)點的容量等于兩次用戶節(jié)點的容量和。注意此處只是為說明能量回流現(xiàn)象，故未標(biāo)出各時隙的峰值功率限制。

針對水平方向的能量回流，本發(fā)明利用重新迭代注水的方式解決；針對垂直方向的能量回流，利用定義垂直方向度量抽頭的方式解決，具體步驟為如下：

1)初始化迭代次數(shù)n＝0，各時隙電池實際采集能量系統(tǒng)吞吐量初值c⁰＝0，各時隙協(xié)作能量中繼節(jié)點回流能量垂直方向度量抽頭的讀數(shù)tap1,i＝0，tap2,i＝0，系統(tǒng)時隙1≤i≤n，兩次迭代獲得的最大系統(tǒng)吞吐量差值u＝1；

2)令迭代次數(shù)n＝n+1，則各節(jié)點協(xié)作能量后實際采集到的能量為

3)初始化能量協(xié)作初值δ1,i＝0，δ2,i＝0，1≤i≤n。然后利用迭代注水方法獲得同時令由于兩次用戶在迭代注水方法中進(jìn)行了水平方向的定向注水，使水平方向的能量回流問題得到了解決；

4)針對時隙1≤i≤n，若源節(jié)點吞吐量和中繼節(jié)點吞吐量滿足那么首先將兩次用戶協(xié)作來的能量回流，回流的能量記錄為此時隙協(xié)作能量令若仍成立，再利用公式(17)更新

5)若源節(jié)點吞吐量大于等于中繼節(jié)點吞吐量則求取兩次用戶協(xié)作能量此時回流能量令

6)更新垂直方向度量抽頭的讀數(shù)

7)計算此次迭代獲得的系統(tǒng)吞吐量并令u＝cⁿ-c^n-1，若u＞0，重復(fù)步驟2)-7)，直到系統(tǒng)吞吐量收斂于某一固定值。

注意當(dāng)?shù)螖?shù)n≥2時，若第i時隙中繼節(jié)點的容量大于兩次用戶容量和，不能直接利用公式(17)更新主要原因是，雖然中繼節(jié)點不能向兩次用戶協(xié)作能量，但卻存在著垂直方向的能量回流。因此首先將兩次用戶協(xié)作來的能量回流，回流的方法如下：

若則回流比例按照公式(18)確定，否則，僅僅回流抽頭讀數(shù)大于零的次用戶的能量，直到中繼節(jié)點的容量等于兩次用戶容量和或者垂直方向度量抽頭讀數(shù)均等于零，回流的能量記錄為此時兩個次用戶不會向中繼協(xié)作能量，更新若仍成立，再利用公式(17)更新

除非系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)值，否則每次能量協(xié)作和迭代注水方法的使用都會增大系統(tǒng)吞吐量，而問題p4為凸優(yōu)化問題，有唯一最優(yōu)值，故系統(tǒng)吞吐量不會無限增大下去，最終必收斂于最優(yōu)值。

本方法的具體實施流程如圖4所示。