能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，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。本发明专利技术针对特殊的应用场景，来源实际应用，充分考虑可再生能源的环保方案，结合中继站的协作转发功能，采用能量采集中继站协作转发数据。本发明专利技术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。本发明专利技术的资源分配方法，算法设计合理，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，更具体地说，涉及一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法。
技术介绍
无线通信深刻影响着人们的日常生活和社会经济发展，但人们对更高性能通信服务的需求从未停止过。移动互联网和物联网的飞速发展将带来第五代移动通信(The Fifth-generation Mobile Communications，5G)流量上千倍的增长，最近相关研究机构和组织的研究表明移动数据流量每年都在翻倍。未来室内和热点地区高速率及多样化的服务需求将占据无线服务数据流量的主要部分，传统的以宏基站(Macro Base Station，MBS)覆盖为主的通信技术设计准则将不再适应5G技术的发展。而小蜂窝网络(Small Cell Network，SCN)技术能够允许大量覆盖半径小、成本小和功耗低的基站共存，且其具有自组织和自优化能力。SCN将在5G发展中将发挥重要作用，其主要优势可从增加无线系统容量、提高能量效率、充分利用频谱资源和降低成本这四个方面得到体现。归结起来，小蜂窝网络能够极大的满足当前和将来的无线通信需求，但同时也引出了几个函待解决的问题：1)用户服务质量的要求始终是蜂窝网络不可回避的话题，小蜂窝用户的速率最优化问题一直是重中之重，需要在保证当前约束条件下最大化用户的网络速率；2)虽然小蜂窝本身功率比宏基站要低，但是为保证网络质量，小蜂窝网络中小蜂窝数量急剧增加，所以能耗的问题更加严峻，如果能够采用太阳能等可再生资源，对节能环保工作的开展会有重大现实意义；3)迫切需要能够投入实际应用的关于小蜂窝网络资源分配的算法，强调算法的低复杂度、实时运算能力和高收敛速度。中国专利申请号201610085935.3，公开日2016年2月15日，公开了一份名称为一种基于LTE的认知小蜂窝双重资源分配和干扰管理方法，其包括认知小蜂窝同时使用授权和非授权两种频段，认知用户根据频谱检测动态接入使用授权频段，认知用户伺机接入授权频段，当对授权用户的干扰低于门限值时，认知用户与授权用户共享频谱，同时选择最佳的认知小蜂窝基站进行数据传输；认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段，根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔。该申请材料提出一种简单有效的干扰管理和资源分配机制，实现授权和非授权频段资源的合理分配，从而最大化整个网络的传输速率，提高用户满意度和系统整体性能。中国专利申请号201610098760.X，公开日2016年2月23日，公开了一份名称为一种蜂窝网络中基于全双工D2D通信的资源分配方法，其包括首先进行D2D用户之间建立连接的步骤，D2D用户之间预建立连接完成后，则开始为用户合理分配无线资源，从图论的角度考虑，将蜂窝用户与D2D用户之间的资源分配关系等效看作一个节点加权的无向二部图，采用图论中的最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配。该申请材料有效的减小蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，获得比较好的公平性，同时最大化了系统的吞吐量。中国专利申请号201510621055.9，公开日2015年9月25日，公开了一份名称为一种小基站集中配置资源的方法、设备和系统，其包括在小基站通信系统中配置小基站集中管理设备，使相邻的至少一个小基站通过回传网连接至小基站集中管理设备，并由该小基站集中管理设备管理，每个相邻小基站只连接至一个小基站集中管理设备，该小基站集中管理设备实施以下步骤：接收各相邻小基站终端实时检测到的各频谱资源的信干噪比，将信干噪比低于预设门限值且干扰源非其他小基站的频谱资源，标记为宏基站用户使用频谱资源；在预设时段内，统计每个时段内标记为宏基站用户频谱资源数；根据上一次同一预设时段的统计结果，预测下一个同一预设时段内各个相邻小基站覆盖范围内的宏基站用户频谱资源数，并标记为不可用状态；并保存各个预设时段内的统计结果；接收各相邻小基站的频谱资源分配请求，根据各相邻小基站的频谱资源使用情况计算频谱资源分配结果，并生成频谱资源分配信令，发送至各相邻小基站。该申请材料可降低网络干扰，保障网络稳定运行，并保证本地相邻小基站间的和谐共存。总的来说，申请号201610085935.3的公开材料考虑授权和非授权频段资源的合理分配，从而最大化整个网络的传输速率，但是没有考虑基本的用户约束条件和算法实用性要求。申请号201610098760.X的公开材料考虑采用图论中的最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配，有效的减小蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，兼顾公平性，最大化了系统的吞吐量。但是没有考虑D2D用户作为中继协助小蜂窝进一步提高系统的性能的可能性。申请号201510621055.9的公开材料考虑小基站集中配置资源的方法、设备和系统，降低网络干扰，保障网络稳定运行，但是没有从能耗的角度考虑系统性能最优。
技术实现思路
针对现有的小蜂窝网络未充分考虑用户能量因果约束条件下的系统最优、可再生能源的节能方案、辅助中继站的问题，本专利技术提出一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，在综合考虑用户能量因果约束条件下，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，最大化用户网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，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小蜂窝S，一个能量采集的中继站R和一个目标通信蜂窝用户D，考虑小蜂窝S和蜂窝用户D之间的无直达路径，中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，基站S和中继R占用相等的带宽B，考虑该场景下的小蜂窝S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： Σ i = 1 k P S · ( i ) ≤ 1 B Σ i = 1 k E S ( i ) , Σ i = 1 k P R ( i + 1 ) ≤ 1 B Σ i = 1 k E R ( i + 1 ) , k = 1 ,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，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小蜂窝S，一个能量采集的中继站R和一个目标通信蜂窝用户D，考虑小蜂窝S和蜂窝用户D之间的无直达路径，中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，基站S和中继R占用相等的带宽B，考虑该场景下的小蜂窝S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：Σi=1kPS(i)≤1BΣi=1kES(i),Σi=1kPR(i+1)≤1BΣi=1kER(i+1),k=1,...,N.]]>其中：PS(i)表示小蜂窝S发送第i个数据块时分配的功率，ES(i)表示小蜂窝S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：ysr(i)=hsrxs(i)+nr(i),ysd(i)=hsdxs(i)+nd(i),yrd(i+1)=hrdxr(i+1)+wd(i+1).]]>其中，xs(i)和xr(i+1)分别表示小蜂窝S在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，ysr(i)表示中继站R在第i个时隙的接收信号，ysd(i)和yrd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，hsr表示小蜂窝S和中继站R之间的信道功率增益，hsd表示小蜂窝S和蜂窝用户D之间的信道功率增益，hrd表示中继站R和蜂窝用户D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，nd(i)和wd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，基站S和中继站R之间，基站S和蜂窝用户D之间以及中继站R和蜂窝用户D之间的接收信噪比分别满足：γsr(i)＝PS(i)hsr,γsd(i)＝PS(i)hsd,γrd(i+1)＝PR(i+1)hrd.其中，γsr(i)表示基站S和中继站R之间第i时隙的接收信噪比，γsd(i)和γrd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i时隙以及第i+1时隙的接收信噪比，定义新的小蜂窝S和中继站R的能量和功率曲线为：E~S(i)=ES(i)hsr,E~R(i+1)=ER(i+1)hrd,P~S(i)=PS(i)hsr,P~R(i+1)=PR(i+1)hrd.]]>由此可以获得新的信道增益的表达式如下：h~sr=h~rd=1,h~sd=hsdhsr=h0.]]>据此，我们重新改写信道模型的表达式如下：ysr(i)=xs(i)+nr(i),ysd(i)=h0xs(i)+nd(i),yrd(i+1)=xr(i+1)+wd(i+1).;]]>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(PS(i))其中R(i)表示第i时隙的速率，C(PS(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)≤RB(i+1)≤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，由此可以得到第i个数据块传输时的可达速率：R(i)＝min{C(PS(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:max{PS(i)},{PR(i+1)}12(N+1)Σi=1Nmin{C(PS(i)),C(PR(i+1))}]]>s.t.Σi=1kPS(i)≤1BΣi=1kES(i),k=1,...,N,;]]>Σi=1kPR(i+1)≤1BΣi=1kER(i+1),k=1,...,N,]]>PS(i)≥0,PR(i+1)≥0,i＝1,...N.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is，和ir如下is=argmini≤j≤N{E~S(i)+Σk=ijES(k)(j-i+1)B}]]>ir=argmini≤j≤N{E~R(i+1)+Σk=ijER(k+1)(j-i+1)B}]]>P~Si=E~S(i)+Σk=iisES(k)(is-i+1)B]]>P~Ri+1=E~S(i+1)+Σk=iirER(k+1)(ir-i+1)B]]>其中，表示小蜂窝S在第i时隙预分配的发射功率，表示中继...

【技术特征摘要】
1.一种能量采集小蜂窝网络中的资源分配方法，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小蜂窝S，一个能量采集的中继站R和一个目标通信蜂窝用户D，考虑小蜂窝S和蜂窝用户D之间的无直达路径，中继站R选用DF工作方式，一个传输过程包括N个数据块，基站S和中继R占用相等的带宽B，考虑该场景下的小蜂窝S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： Σ i = 1 k P S ( i ) ≤ 1 B Σ i = 1 k E S ( i ) , Σ i = 1 k P R ( i + 1 ) ≤ 1 B Σ i = 1 k E R ( i + 1 ) , k = 1 , ... , N . ]]>其中：PS(i)表示小蜂窝S发送第i个数据块时分配的功率，ES(i)表示小蜂窝S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： y s r ( i ) = h s r x s ( i ) + n r ( i ) , y s d ( i ) = h s d x s ( i ) + n d ( i ) , y r d ( i + 1 ) = h r d x r ( i + 1 ) + w d ( i + 1 ) . ]]>其中，xs(i)和xr(i+1)分别表示小蜂窝S在第i个时隙以及中继站R在第i+1个时隙发送的信号，ysr(i)表示中继站R在第i个时隙的接收信号，ysd(i)和yrd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i个时隙以及第i+1个时隙的接收信号，hsr表示小蜂窝S和中继站R之间的信道功率增益，hsd表示小蜂窝S和蜂窝用户D之间的信道功率增益，hrd表示中继站R和蜂窝用户D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，nd(i)和wd(i+1)分别表示蜂窝用户D在第i时隙以及第i+1时隙的接收信号噪声，基站S和中继站R之间，基站S和蜂窝用户D之间以及中继站R和蜂窝用户D之间的接收信噪比分别满足：γsr(i)＝PS(i)hsr,γsd(i)＝PS(i)hsd,γrd(i+1)＝PR(i+1)hrd.其中，γsr(i)表示基站S和中继站R之间第i时...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛建芳，
申请(专利权)人：辛建芳，
类型：发明
国别省市：安徽;34