[发明专利]一种面向中继协作无线供能通信网络的资源分配方法

说明书

本发明公开了一种面向中继协作无线供能通信网络的资源分配方法，将中继节点引入无线供能通信网络，设计了以能量效率为导向的资源分配方法和以总吞吐量为导向的资源分配方法，首先通过利用所构建问题的数学特征，分析了最优方案下，信息传输阶段各个用户节点所占用时间的关系，从而可以将信息传输阶段的多个用户节点的时间参数打包为一个参数，降低了优化的复杂度，并通过引入中间变量，将原优化问题转化为分式规划问题，再利用丁克尔巴赫算法，将分式规划问题转化为标准的凸优化问题，优化问题由经典的内点法解决。本发明方法能显著地提高系统的吞吐量和能量效率。

技术领域

本发明属于无线传感器通信技术领域，具体涉及一种面向中继协作无线供能通信网络的资源分配方法。

背景技术

在传统的无线供能通信网络中，用户节点直接向混合接入点回传信息，但由于其发射功率较小且受双重路径损耗的影响，混合接入点处接收信号的信噪比较低，这严重影响了无线供能通信网络的吞吐量性能。在现有的少数中继协作无线供能通信网络研究中，为了充分利用直传链路，往往考虑放大转发中继和分集转发中继技术，这要求每个用户节点传输信息到中继节点的时间，和中继节点转发信息到混合接入点的时间相同，混合接入点才能正确译码。但直传链路的质量很差，这两种中继技术占用了大量时间但只带来有限的分集增益。

在现有的固定时间传输方案中，混合接入点向所有节点无线充电的持续时间，用户节点向中继节点传输信息的持续时间，及中继节点向混合接入点转发信息的持续时间都是固定的。这种方案虽然实现简单，但没有充分利用不同节点间信道条件的差异性，系统性能有进一步提升的空间。另外，无线供能通信网络的能量效率也是一个关键的性能指标，这和无线供能通信网络的系统寿命直接相关。在已有的有中继无线供能通信网络优化方案中，往往目标函数不是以能量效率为导向，因此所得的资源分配方案也无法有效地提升系统能量效率。

考虑到最佳资源分配策略通常是通过构造和求解优化问题得到，如果一个标准形式下的优化问题的目标函数和不等式约束函数是凸函数，等式约束是仿射函数，并且优化变量的可行域为凸集，则该优化问题就是凸优化问题。凸优化方法是求解凸优化问题的常用方法，因此，在已有的无中继无线供能通信网络的资源分配策略的求解中，原始优化问题首先被改造成凸优化问题，之后采用凸优化方法进行求解得到最优的联合优化功率和时间的结果。常用的凸优化方法有拉格朗日乘子法，内点法，交替迭代算法等。拉格朗日乘子法是寻找多元函数在一组约束下极值的方法，通过引入拉格朗日乘子，利用KKT条件求解有约束优化问题。内点法的其中之一是通过构造障碍函数来代替原始目标函数，将原始有约束优化问题转化为无约束优化问题并迭代进行求解。交替迭代算法是解决有两个变量非凸问题的最小化问题，当其中一个变量固定时，原优化问题变为关于另一个变量的凸优化问题，交替两个迭代过程，直至目标函数收敛。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种面向中继协作无线供能通信网络的资源分配方法，利用采取多跳译码转发技术的中继节点，以能量效率最大化和系统总吞吐量作为优化目标，设计了一个联合资源分配方案。

本发明的技术方案如下：

一种面向中继协作无线供能通信网络的资源分配方法，包括:

S1、构建中继协作下的无线供能通信网络系统模型，包括一个配备了K个天线的混合接入点，一个采用解码-转发中继技术的单天线中继节点，M个单天线用户节点，所述无线供能通信网络系统运行在周期为T的时间序列上，一个周期分为三个阶段：能量收集阶段，信息传输阶段，信息转发阶段，设为从混合接入点的K个天线到第i个用户节点的信道系数向量，其中表示从混合接入点的第K个天线到第i个用户节点的信道系数；

S2、中继节点将接收到的所有用户节点的信息统一转发至混合接入点，实现中继协作下的无线供能通信网络系统，具体方式如下：

S21、确定在能量收集阶段，第i个用户节点收集到的能量中继节点在能量收集阶段收集到能量无线供能通信网络的总能量消耗E₀；