[发明专利]一种两跳能量收集中继网络中的能量分配方法

摘要

本发明提供了一种两跳能量收集中继网络中的能量分配方法，在一个两跳半双工中继网络中，在能量收集过程中，源节点S和目的节点D将一部分能量转移到不可信中继R，在信息传输过程的第一个时隙中，S向R发送有用信息，同时，D将干扰信号发送给R，在信息传输过程的第二个时隙中，R将接收到的信号转发到D。定义系统总安全速率，求解最优的能量分配因子。本发明能够有效地缓解中继节点能量不足的情况，在确保节点自身能量一定的前提下，迭代优化节点的能量分配因子，实现系统安全速率的最大化。

主权项

一种两跳能量收集中继网络中的能量分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个两跳半双工中继网络中，在能量收集过程中，源节点和目的节点将一部分能量转移到不可信中继收集到的能量其中，η∈[0，1]是收集到的能量的转换效率；β∈[0，1]和γ∈[0，1]分别是是和的能量分配因子，βES和γED是能量收集过程和所需的能量，(1‑β)ES和(1‑γ)ED是信息传输过程和所需的能量；ES和ED分别是和的初始能量，且ES＝ED＝E；hSR和hDR分别是从到的信道增益和到的信道增益，hSR和hDR是均值为0、方差为σ2的复高斯变量；步骤二，在信息传输过程的第一个时隙中，向发送有用信息xS，同时，将干扰信号xD发送给在处接收到的信号其中，PS和PD分别表示发送有用信息和发送协作干扰信息的功率，且xS和xD具有独立单位功率，T表示整个能量收集和信息传输的时长，α∈[0，1]表示能量收集所占的时间比例，表示在处的加性高斯噪声，均值为零，噪声功率谱密度为N0；处的瞬时速率其中，步骤三，在信息传输过程的第二个时隙中，将接收到的信号转发到假设有用信号和中继处的噪声彼此独立，目的节点接收到的信号表示为yD=PRhRDζPShSRxS+PRhRDζPDhDRxD+PRhRDζnR+nD]]>其中，是中继节点的发送功率；hRD表示从到的信道增益，hRD＝hDR；表示在处的加性高斯白噪声，均值为零，噪声功率谱密度为N0；通过自干扰消除后，目的节点接收到的信号yD=PRhRDζPShSRxS+PRhRDζnR+nD;]]>因此，处的瞬时速率表示为RD(β,γ)=log2(1+γD)=log2(1+21-α(βγSR+γγDR)ηγDR(1-β)γSR(βγSR+γγDR)ηγDR+1N0[(1-β)γSR+(1-γ)γDR+1-α2]);]]>步骤四，定义系统总安全速率R(β，γ)＝[RD(β，γ)‑RR(β，γ)]+，其中，[·]+＝max(0，·)；构建最优化模型为s.t.：β∈[0，1]，γ∈[0，1]；求解最优的能量分配因子βopt和γopt，实现安全速率最大化；最优的β、γ值通过反复迭代得到，逐步向最优值逼近，具体的迭代过程如下所示：1)设置迭代优化的初始条件：γ0＝0.5；2)设置迭代计数i从1到N，N是最大迭代次数；3)将γi‑1代入方程g2β2+g1β+g0＝0，可得g2=γSR2(6N0ηγDR2-3N02η2γDR3+3N02η2γi-1γDR3-3N0ηγi-1γDR2+3N0ηγSRγDR+1),]]>g1=2γSR(9N02η2γi-12γDR4-9N02η2γi-1γDR4-9N0ηγi-12γDR3+18N0ηγi-1γDR3-9N0ηγDR3+9N0ηγi-1γSRγDR2-18N0ηγSRγDR2-3N0ηγDR2-9N0ηγSR2γDR-3N0ηγSRγDR+3γi-1γDR-3γDR-3γSR-1)/3,]]>g0=(27N02η2γi-13γDR5-27N02η2γi-12γDR5-27N0ηγi-13γDR4+54N0ηγi-12γDR4-27N0ηγi-1γDR4+27N0ηγi-12γSRγDR3-54N0ηγi-1γSRγDR3+27N0ηγSRγDR3-27N0ηγi-1γSR2γDR2+3N0ηγi-1γDR2+54N0ηγSR2γDR2+18N0ηγSRγDR2+27N0ηγSR3γDR+18N0ηγSR2γDR+3N0ηγSRγDR+9γi-12γDR2-18γi-1γDR2+9γDR2-18γi-1γSRγDR-6γi-1γDR+18γSRγDR+6γDR+9γSR2+6γSR+1)/9]]>求解上述一元二次方程的根和假设当时，β的瞬时最优值当且时，其他情况，βi＝0；4)将βi代入方程k2γ2+k1γ+k0＝0，可得k2=-γDR2(3N0ηγDR-N02η2γDR2+3N0nγDR2-3N02η2γSRγDR2+6N0ηγSRγDR-3N0βiηγSRγDR+3N02βiη2γSRγDR2-1),]]>k1=-2γDR(9N02βi2η2γSR2γDR2-9N02βiη2γSR2γDR2-3N02βiη2γSRγDR2-9N0βi2ηγSR2γDR+9N0βiηγSRγDR2+18N0βiηγSR2γDR+9N0βiηγSRγDR-9N0ηγDR3-18N0ηγSRγDR2-9N0ηγDR2-9N0ηγSR2γDR-9N0ηγSRγDR-2N0ηγDR-3βiγSR+3γDR+3γSR+1)/3,]]>k0=-(27N02βi3η2γSR3γDR2-27N02βi2η2γSR3γDR2-9N02βi2η2γSR2γDR2-27N0βi3ηγSR3γDR+27N0βi2ηγSR2γDR2+54N0βi2ηγSR3γDR+27N0βi2ηγSR2γDR-27N0βiηγSRγDR3-54N0βiηγSR2γDR2-36N0βiηγSRγDR2-27N0βiηγSR3γDR-36N0βiηγSR2γDR-9N0βiηγSRγDR+27N0ηγDR4+54N0ηγSRγDR3+27N0ηγDR3+27N0ηγSR2γDR2+36N0ηγSRγDR2+9N0ηγDR2+9N0ηγSR2γDR+6N0ηγSRγDR+N0ηγDR-9βi2γSR2+18βiγSRγDR+18βiγSR2+6βiγSR-9γDR2-18γSRγDR-6γDR-9γSR2-6γSR-1)/9]]>求解上述一元二次方程的两个根和假设当时，γ的瞬时最优值当且时，其他情况，γi＝0；5)计算|γi‑γi‑1|，如果|γi‑γi‑1|＜ξ，ξ为设定的迭代优化精度，则结束迭代，进入步骤6)；否则，i值加1，返回步骤3)继续迭代；6)将优化的βi和γi代入R(β，γ)＝[RD(β，γ)‑RR(β，γ)]+，求出安全速率R(β，γ)。