一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，其为中继节点与目的节点的电池能量构建两个虚拟队列，并通过构造一个包含原目标函数和长期平均约束的漂移加罚函数，将全局最大系统通信容量的能量管理问题转化为一个以漂移加罚函数为目标且不受长期平均约束的全局优化问题。通过用上界表达式替换目标函数，将新的全局优化问题进一步转化为局部优化问题，目标和约束都只涉及当前时隙，然后使用基于Lyapunov优化的长期平均通信容量优化算法求解当前时隙的局部优化问题从而在线确定中继节点的传输功率。本发明专利技术得到的系统长期平均通信容量较优，并且可通过调整各算法参数调整算法性能。参数调整算法性能。参数调整算法性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法


[0001]本专利技术涉及无线携能通信领域，具体涉及一种基于Lyapunov优化的在线能量分配算法，用于最大化能量受限的无线携能中继系统的长期平均通信容量。

技术介绍

[0002]无线传感器网络(WSNs)的发展促进了无处不在和小型化无线节点的应用，但是无线通信信道的随机衰落限制了通信效率，尤其是在深衰落情况下会造成严重的中断。而使用协作通信(中继通信)技术可以通过利用分集增益有效地提高源
‑
目的节点的通信容量。WSNs中的另一个重要问题是无线通信节点的能量补充。由于传统用于为节点供电的电池的容量有限，能量限制问题一直是WSNs的一个具有挑战性的问题。虽然更换电池可以延长节点的寿命，但频繁更换电池会不可避免地导致高昂的成本。通过使用相同的射频(RF)信号同时传输能量和信息，无线携能通信(SWIPT)技术能够灵活地传输能量与信息，被认为是一种可能的解决方案。
[0003]目前有许多的研究通过SWIPT技术增强无线中继通信，这些工作主要可以分为两部分：一部分主要侧重于分析各种信道条件下的系统性能，另一部分则致力于通过优化各种控制变量来优化系统性能。由于基于SWIPT的中继通信系统对于能量流和信息流之间共享RF信号的竞争关系以及从RF信号获取能量的不可预测性导致了该系统的能量管理问题极具挑战性，而基于SWIPT的中继通信系统的工作环境决定了该系统需要长期稳定工作，以往的功率分配方案如基于注水法与基于马尔科夫决策过程(MDP)的算法已不再适用。基于注水法的算法无法长期优化基于SWIPT的中继通信系统，而基于MDP的算法在预测空间和状态空间较大时，其计算成本也会十分高昂，不适用于WSNs节点。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供了一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，其通过在每一时隙前确定节点状态并通过节点状态信息计算得出中继节点的最优传输功率，计算简单且复杂度低。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，所述无线携能中继系统包括均配备单天线PS接收机结构的源节点S、中继节点R和目的节点D，源节点S通过直连链路SD或中继链路SRD向目的节点发送能量与信息；
[0007]所述无线携能中继系统以时隙模式工作，每个时隙的长度为τ；时隙索引从0开始，每个时隙都分为长度τ/2的两部分；
[0008]在时隙t的第一部分，源节点S以功率P
S
广播信号，中继节点R和目的节点D都从该信号中获取能量并接收信息；对于目的节点D，若用于信息接收的信号的信噪比大于阈值γ
th
，则成功从此信号中解码信息；否则，目的节点D将在时隙t第二部分等待中继节点R的中继信号；
[0009]在时隙t的第二部分，中继节点R放大在第一部分中接收到的信号，并以选定的功率P
R
(t)将其转发给目的节点D；所述选定的功率P
R
(t)求取如下：
[0010]步骤1、为保证系统的长期稳定运行并支持紧急情况下的临时能耗需求，同时最大化系统长期平均通信容量，构建优化模型，优化模型为全局最大系统通信容量的能量管理模型；该优化模型的目标函数为最大化长期平均系统通信容量，约束为中继节点R与目的节点D的长期平均电池能量约束、中继节点R与目的节点D的电池电量约束以及t时隙R节点的可用能量约束；
[0011]步骤2、为中继节点R与目的节点D的电池能量构建两个虚拟队列，并通过构造一个包含原目标函数和长期平均约束的漂移加罚函数，将全局最大系统通信容量的能量管理模型转化为一个以漂移加罚函数为目标且不受长期平均约束的全局优化模型，该全局优化模型中存在不涉及未来时隙变量的上界表达式；
[0012]步骤3、用上界表达式替换全局优化问题的目标函数，将新的全局优化问题进一步转化为局部优化问题，目标和约束都只涉及当前时隙，然后使用基于Lyapunov优化的长期平均通信容量优化算法求解当前时隙的局部优化问题，从而在线确定时隙t第二部分中继节点R的传输功率P
R
(t)。
[0013]所述无线携能中继系统的节点以收集
‑
存储
‑
使用能量使用模式；中继节点R与目的节点D的电池能量更新公式与接收到的能量计算公式分别为：
[0014][0015][0016][0017][0018]其中，W
R
(t)＝P
R
(t)τ/2和W
D
(t)＝P
D
(t)τ分别是中继节点R和目的节点D在时隙t中消耗的能量，κ是路径损耗指数；β
R
和β
D
分别为中继节点R和目的节点D的功率分割因子；η
R
、η
D
分别为R、D的能量转换系数，h
SR
(t)、h
SD
(t)与h
RD
(t)分别为链路SR、链路SR与链路RD在时隙t时的信道系数，d
SR
、d
SD
与d
RD
分别为SR、SD与RD之间的距离。
[0019]所述步骤1中，中继节点R与目的节点D的长期平均电池能量约束具体为：
[0020][0021][0022]其中，θ与δ分别为预先设置的R电池能量阈值与D电池能量阈值；
[0023]中继节点R与目的节点D的电池电量约束与t时隙R节点的可用能量约束具体为：
[0024][0025][0026]0≤W
R
(t)≤b
R
(t)+E
R
(t)
[0027]其中，b
R
(t)、b
D
(t)与W
R
(t)分别为R与D在t时隙时的电池电量与R节点的可用能量，分别是R与D的最大电池容量；
[0028]t时隙的系统通信容量为：
[0029]C(t)＝C1(t)*P1+C2(t)*P2[0030]其中，C1(t)与C2(t)分别为t时隙链路SD与链路SRD的信息传输容量，P1与P2分别为γ
SD
(t)≥γ
th
与γ
SD
(t)＜γ
th
的概率；
[0031]所述步骤1中构造的优化模型为：
[0032](P1)
[0033]s.t.C1:
[0034]C2:
[0035]C3:
[0036]C4:
[0037]C5:0≤W
R
(t)≤b
R
(t)+E
R
(t)。
[0038]所述步骤2中，中继节点R与目的节点D的电池能量构建的两个虚拟队列具体为：
[0039]B
R
(t+1)＝max本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，其特征在于：所述无线携能中继系统包括均配备单天线PS接收机结构的源节点S、中继节点R和目的节点D，源节点S通过直连链路SD或中继链路SRD向目的节点发送能量与信息；所述无线携能中继系统以时隙模式工作，每个时隙的长度为τ；时隙索引从0开始，每个时隙都分为长度τ/2的两部分；在时隙t的第一部分，源节点S以功率P
S
广播信号，中继节点R和目的节点D都从该信号中获取能量并接收信息；对于目的节点D，若用于信息接收的信号的信噪比大于阈值γ
th
，则成功从此信号中解码信息；否则，目的节点D将在时隙t第二部分等待中继节点R的中继信号；在时隙t的第二部分，中继节点R放大在第一部分中接收到的信号，并以选定的功率P
R
(t)将其转发给目的节点D；所述选定的功率P
R
(t)求取如下：步骤1、为保证系统的长期稳定运行并支持紧急情况下的临时能耗需求，同时最大化系统长期平均通信容量，构建优化模型，优化模型为全局最大系统通信容量的能量管理模型；该优化模型的目标函数为最大化长期平均系统通信容量，约束为中继节点R与目的节点D的长期平均电池能量约束、中继节点R与目的节点D的电池电量约束以及t时隙R节点的可用能量约束；步骤2、为中继节点R与目的节点D的电池能量构建两个虚拟队列，并通过构造一个包含原目标函数和长期平均约束的漂移加罚函数，将全局最大系统通信容量的能量管理模型转化为一个以漂移加罚函数为目标且不受长期平均约束的全局优化模型，该全局优化模型中存在不涉及未来时隙变量的上界表达式；步骤3、用上界表达式替换全局优化问题的目标函数，将新的全局优化问题进一步转化为局部优化问题，目标和约束都只涉及当前时隙，然后使用基于Lyapunov优化的长期平均通信容量优化算法求解当前时隙的局部优化问题，从而在线确定时隙t第二部分中继节点R的传输功率P
R
(t)。2.根据权利要求1所述的一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，其特征在于：所述无线携能中继系统的节点以收集
‑
存储
‑
使用能量使用模式；中继节点R与目的节点D的电池能量更新公式与接收到的能量计算公式分别为：b
R
(t+1)＝min{b
R
(t)+E
R
(t)
‑
W
R
(t),b
Rmax
}b
D
(t+1)＝min{b
D
(t)+E
D
(t)
‑
W
D
(t),b
Rmax
}}其中，W
R
(t)＝P
R
(t)τ/2和W
D
(t)＝P
D
(t)τ分别是中继节点R和目的节点D在时隙t中消耗的能量，κ是路径损耗指数；β
R
和β
D
分别为中继节点R和目的节点D的功率分割因子；η
R
、η
D
分别为R、D的能量转换系数，h
SR
(t)、h
SD
(t)与h
RD
(t)分别为链路SR、链路SR与链路RD在时隙t时的信道系数，d
SR
、d
SD
与d
RD
分别为SR、SD与RD之间的距离。3.根据权利要求2所述的一种无线携能中继系统长期平均通信容量优化方法，其特征在于：所述步骤1中，中继节点R与目的节点D的长期平均电池能量约束具体为：
其中，θ与δ分别为预先设置的R电池能量阈值与D电池能量阈值；中继节点R与目的节点D的电池电量约束与t时隙R节点的可用能量约束具体为：中继节点R与目的节点D的电池电量约束与t时隙R节点的可用能量约束具体为：0≤W
R
(t)≤b
R
(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：高振国，王海军，陈岩，范威威，范丽玲，郑智超，林昌龙，蒋文贤，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：