一种双向中继网络下的能量优化方法与流程

本发明涉及一种双向中继网络下的能量优化方法。

背景技术：

绿色通信是指节能减排、减少环境污染和资源浪费的新一代通信理念，在现在的IT工业界显得越来越重要。无线通信技术的快速发展逐渐可以满足人们对高容量、高速率通信服务的需求，但是在很多情况下，这些服务都是以高能耗为代价换来的。这也就必然导致移动终端设备电池寿命的变短，用户体验差，和绿色通信理念相悖。

在无线通信传输方案中，常见的最大功率传输是指每个用户都以相同的最大功率传输数据。此方案可以满足各个用户完成数据传输，但是会造成很大的能量浪费。

在双向中继网络中，如果采用最大功率传输，各个设备可以完成数据传输，但也必然会造成较大的能量损耗。在终端设备的能量损耗中，发送能量是重要的一部分。考虑香农定理，随着传输速率的线性增加，发送功率是呈指数增长。对于一个给定的速率需求，随着传输速率的增加，需要的传输时间会变小，但是传输的能量损耗仍然会增加，所以为了减小能量损耗，需要减小传输速率。但是，随着传输速率的减小，需要的传输时间会变长，电路的能量损耗会增加。因此，在这两者之间存在着一个有益的平衡，这个平衡可以保证在各个设备在成功通信前提下，使系统的总能量损耗最小化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种双向中继网络下的能量优化方法，在传输速率和系统的能量损耗之间寻求一个有益的平衡，该平衡可以保证在各个设备成功通信的前提下，使系统的总能量损耗最小化。

本发明一种双向中继网络下的能量优化方法，包括如下步骤：

步骤1、将系统的总能量损耗表示为分段求和问题，则系统优化问题可以表示为：受限于并且变量sk＞0,tk＞0,1≤k≤F；

其中，移动终端用户表示为N＝{ni,1≤i≤|N|},F为系统通信链路数，F＝2|N|+2，θ为功率放大器输出功率和消耗功率的比值；

Ptr(v1,v2)表示从到成功传输数据的传输功率，nB为基站、nR为中继节点；

γ0(v1,v2)为从到成功传输数据的SNR阈值；

Pct,Pcr,Pid分别表示除了功率放大器外的传输方的电路功率、接收方的电路功率和空闲功率；

表示从到的信道增益；

E[g]表示信道增益的数学期望；

ri^u,ri^d表示移动终端用户ni的上行和下行速率需求；

上述公式中e为自然常数、W为信道带宽、N0为噪声功率谱密度；

当系统优化问题满足凸条件时，必须满足：

其中表示最大传输功率；

Amin为满足如下式子的A的最小值：

其中，表示最小的SNR阈值，表示最大的SNR阈值；

此时采用传统的凸优化方法进行能量优化；

步骤2、当系统优化问题不满足凸条件时

(1)求出给定传输功率sk时的最优信噪比阈值

其中满足

那么系统优化问题可以转化为

受限于并且变量

sk＞0,tk＞0,1≤k≤F；

定义

(2)根据最优的信噪比阈值通过迭代算法进一步优化传输功率sk：

首先把优化问题的限制放开到搜索得到每条单链路能耗Z(sk)最优化的sk，这样得到sk值是最优的，但是可能不满足所有链路总时间小于1的限制，接下来需要减少时间，这时需要寻找减少相同时间步长，能耗增加最少的链路，通过减少这种链路的时间来满足时间限制条件。

所述的步骤2中的迭代算法具体分三步：

第一步：

1：设置迭代次数IN；

2：输入参数:系统通信链路数F，各链路速率的需求Lk，各链路功率参数Dk,；

3：找到每一条链路开始优化的传输功率值sk，使得Z(sk)最小化，并且满足：

4：计算迭代步长δ：

5：求出s′k,，使其满足：

并计算Z(s'k)；

第二步：

如果算法结束，否则，转第三步；

第三步：

1：计算并令sindex＝s′index,Z(sindex)＝Z(s′index)；

2：求出s′index，使其满足：

3：计算Z(s′index)；

4：返回第二步。

系统的能耗在本发明中被量化为分段求和的优化问题，当系统优化问题满足凸条件时，采用传统的凸优化方法进行能量优化，而当系统优化问题不满足凸条件时，则采用本发明提出的能量优化方法进行能量优化，在保证各个设备成功通信的前提下，使系统的总能量损耗最小化，并且通过实验证明，相比传统的最大功率传输策略，通过本发明的能量优化方法会减少65％的能耗。

附图说明

图1为双向中继网络示意图；

图2为本发明的流程框图。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

图1是一个双向中继网络，其中，一组移动终端用户通过一个中继节点和基站通信，该组移动终端用户表示为N＝{ni,1≤i≤|N|}，由于该组移动终端用户位于基站的覆盖范围之外，所以与基站的通信必须经过中继节点，系统采用常见的TDMA方式，中继节点为移动终端用户分配时间资源。这里能量消耗模型包括传输能耗、电路能耗和空闲能耗。双向中继系统的总能耗可以分为三部分：从基站和移动终端用户到中继节点的能耗，从中继节点到基站和移动终端用户的能耗，系统的空闲能耗。因此系统的总能量损耗可以表示为分段求和问题。

本发明一种双向中继网络下的能量优化方法，包括如下步骤：

步骤1、将系统的总能量损耗表示为分段求和问题，则系统优化问题可以表示为：受限于并且变量sk＞0,tk＞0,1≤k≤F；

其中，移动终端用户表示为N＝{ni,1≤i≤|N|},F为系统通信链路数，F＝2|N|+2，θ为功率放大器输出功率和消耗功率的比值；

Ptr(v1,v2)表示从到成功传输数据的传输功率，nB为基站、nR为中继节点；

γ0(v1,v2)为从到成功传输数据的SNR阈值；

Pct,Pcr,Pid分别表示除了功率放大器外的传输方的电路功率、接收方的电路功率和空闲功率；

表示从到的信道增益；

E[g]表示信道增益的数学期望；

ri^u,ri^d表示移动终端用户ni的上行和下行速率需求；

上述公式中e为自然常数，约为2.71828、W为信道带宽、N0为噪声功率谱密度；

当系统优化问题满足凸条件时，必须满足：

其中表示最大传输功率；

Amin为满足如下式子的A的最小值：

其中，表示最小的SNR阈值，表示最大的SNR阈值；

此时采用传统的凸优化方法进行能量优化；

步骤2、当系统优化问题不满足凸条件时

(1)求出给定传输功率sk时的最优信噪比阈值

其中满足

那么系统优化问题可以转化为

受限于并且变量

sk＞0,tk＞0,1≤k≤F；

定义

(2)根据最优的信噪比阈值通过迭代算法进一步优化传输功率sk：

首先把优化问题的限制放开到搜索得到每条单链路能耗Z(sk)最优化的sk，这样得到sk值是最优的，但是可能不满足所有链路总时间小于1的限制，接下来需要减少时间，这时需要寻找减少相同时间步长，能耗增加最少的链路，通过减少这种链路的时间来满足时间限制条件，具体的迭代算法分三步如图2：

第一步：

1：设置迭代次数IN；

2：输入参数:系统通信链路数F，各链路速率的需求Lk，各链路功率参数Dk,；

3：找到每一条链路开始优化的传输功率值sk，使得Z(sk)最小化，并且满足：

4：计算迭代步长δ：

5：求出s′k,，使其满足：

并计算Z(s'k)；

第二步：

进行判断：如果算法结束，否则，进行第三步；

第三步：

1：计算并令

sindex＝s′index,Z(sindex)＝Z(s′index)；

2：求出s′index，使其满足：

3：计算Z(s′index)；

4：返回第二步。

本发明主要考虑在瑞利衰落信道下的双向中继网络中，在满足各个设备通信要求的前提下，使得系统的总能耗最小化，将能量消耗转化为分段规划的求和问题，更进一步，详细推到问题为凸的条件。当问题为凸时，采用传统的凸优化的方法进行优化，当凸条件不满足时，先给定传输功率，得到最优的信噪比阈值；然后基于最优的信噪比阈值，采用迭代算法寻找系统的最优功耗。相比传统的最大功率传输策略，通过本发明的能量优化方法会减少65％的能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。