中继携能通信系统的传输速率优化方法及装置与流程

文档序号:11147157阅读:861来源:国知局
中继携能通信系统的传输速率优化方法及装置与制造工艺

本发明属于通信技术领域,尤其涉及一种中继携能通信系统的传输速率优化方法及装置。



背景技术:

目前,网络节点一般都是基于电池供能。随着通信网络的飞速发展,网络通信量及网络速率越来越高,对能量的消耗也越来越大。网络节点的储能不足已经成为制约网络性能发挥的瓶颈。为了解决供能不足的问题,各种新的技术被提出,例如太阳能供能、风供能、人体供能、无线电能传输技术等。无线电能传输技术有电磁感应、电磁耦合共振和基于射频的能量收集技术。其中,电磁感应和电磁耦合共振属于近场供电,而基于射频的能量收集技术属于远场供电。因此,基于射频的能量收集技术更适合为分布在不同位置的无线移动终端提供电能,因而获得了广泛的关注。

无线携能通信技术属于基于射频的能量收集技术中的一种。它具有专有的能量发射源,具有能量收集性能的节点可以从无线射频中同时获取信息和收集能量。为了便于节点同时进行信息和能量的接收,提出时间切换(time switching)接收器和功率分割(power splitting)接收器。基于这两种接收器结构,目前已经对中继使用解码-转发(decode-and-forward,DF)和放大-转发(amplify-and-forward,AF)策略时网络传输速率最大化问题进行了研究,提出了解决方法。但现有的解决方法需要在功率分割因子的整个范围内进行搜索,针对每个功率分割因子,都要求解一个凸优化模型,导致搜索范围较大,因此计算复杂度很高。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明实施例提供了一种中继携能通信系统的传输速率优化方法及装置,以解决现有技术中需要在功率分割因子的整个范围内进行搜索,针对每个功率分割因子,都要求解一个凸优化模型,导致搜索范围较大、计算复杂度较高的问题。

本发明实施例的第一方面,提供了一种中继携能通信系统的传输速率优化方法,包括:

结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型;

采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型;

求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化。

本发明实施例的第二方面,提供了一种中继携能通信系统的传输速率优化装置,包括:

模型建立模块,用于结合源端传输功率、中继传送功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型;

变量替换模块,用于采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型;

处理模块,用于求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化。

本发明实施例相对于现有技术所具有的有益效果:本发明实施例,首先结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型,然后采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型,最后求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化,因此不需要在整个功率分割因子域内进行搜索,能够显著地降低算法的计算复杂度,从而极大地缩短算法的运行时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的中继携能通信系统的传输速率优化方法的流程图;

图2是本发明实施例提供的多信道环境中基于功率分割的中继携能通信系统模型示意图;

图3是本发明实施例算法的迭代收敛示意图;

图4是本发明实施例提供的中继携能通信系统的传输速率优化装置的结构框图;

图5是本发明实施例提供的变量替换模块的结构框图;

图6是本发明实施例提供的处理模块的结构框图。

具体实施方式

以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节,以便透彻理解本发明实施例。然而,本领域的技术人员应当清楚,在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中,省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述:

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的中继携能通信系统的传输速率优化方法的实现流程,详述如下:

步骤S101,结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型。

本实施例中,参见图2,在中继携能通信系统模型中,假设总的带宽被分成N个正交的子载波。源端能够在N个子载波上同时发送信号。中继节点具有能量收集和信息处理的功能。而中继节点本身无常用电能供给,需要先从源端接收的部分信号中收集能量,然后用收集到的能量转发从源端接收到的信息到接收端。中继使用对称的信息传输方式,即从源端到中继的信号传输时间和从中继到接收端的信号传输时间相等,均为T/2,其中T为完成一次从源端到接收端的传输所需的时间。

源端在信道n上用ps,n的传输功率发送信号,中继节点从信道n接收到的信号为yn。中继节点具有功率分割的结构,将N个子载波上收集的信号分成两部分,对其中的部分进行信号处理,对其余的部分进行能量收集,且0<ρ<1。中继节点从N个子载波上收集到的总能量为其中,为能量转换效率,且hn为从源端到中继的信道n的信道系数,T/2为从源端到中继进行信号传输所需的时间。中继将使用收集到的能量进行从中继到接收端的数据的传输。由于中继到接收端的传输时间为T/2,因此中继总的可用传输功率为

当中继使用解码-转发的策略传输时,中继从源端接收信号,在信道n上获得的信噪比为其中,表示在中继节点处由于天线的影响在信道n的基带上产生的均值为0的高斯白噪声的方差;表示在中继节点处由于从射频到基带转化过程中,在信道n上产生的均值为0的高斯白噪声的方差。然后,中继使用pr,n的传输功率在信道n上转发接收到的信号到接收端,接收端在信道n上获得的信噪比是其中,表示在接收端由于天线的影响在信道n的基带上产生的均值为0的高斯白噪声的方差;表示在接收端由于从射频到基带转化过程中,在信道n上产生的均值为0的高斯白噪声的方差。由于当中继使用解码-转发传输策略时,从源端到接收端的传输速率受限于中继和接收端的信噪比,因此基于解码-转发中继传输策略可获得的传输速率为:其中1/2是由于从源端到中继及从中继到接收端的传输时间各占用了总时间的1/2,也就是中继工作在半双工模式。

当中继使用放大-转发的策略传输时,中继将把从源端接收到的信号yn进行放大再转发到接收端。接收端在信道n上获得的信噪比为因此基于放大-转发中继传输策略可获得的传输速率为由于在高信噪比区域,分母中的远大于1,因此可以被近似为为了便于表示并不失一般性,令和

要实现从源端到接收端传输速率最大化,可以通过调节功率分割因子ρ,并结合源端传输功率ps,n和中继传输功率pr,n来实现。则实现从源端到接收端传输速率最大化这个问题可以描述为一个优化模型,即

其中,ρ表示功率分割因子,ps,n和pr,n分别表示源端和中继在信道n上的传输功率,表示放大-转发中继(amplify-and-forward relay,AF)或和解码-转发中继(decode-and-forward relay,DF)在信道n上获得的源端到接收端的信噪比,Ps,tot表示源端总的可用功率,表示中继的能量转换效率,hn为从源端到中继的信道n的信道系数。约束条件中的第一行约束和第二行约束分别表示源端和中继在不同信道上总的传输功率不能够大于该节点总的可用功率,第三行约束表示功率分割参数ρ的范围,第四行约束表示源端和中继在不同子载波上的传输功率值不能为负。

步骤S102,采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型。

本实施例中,公式(1)中的模型属于非凸优化模型,非常难以求解。为了方便求解,先引入一个新的变量yn来表示信道n上的信噪比公式(1)中的模型可以重新描述为:

然后,定义新的变量和采用新定义的变量替代公式(2)中的变量{ρ,yn,ps,n,pr,n},并将目标函数由max J(·)转换为min-J(·),其中J(·)表示目标函数。则相应的解码-转发和放大-转发的优化模型分别为:

其中,公式(3)为解码-转发中继传输策略对应的优化模型,公式(4)为放大-转发中继传输策略对应的优化模型,且

转换后的解码-转发中继传输策略和放大-转发中继传输策略对应的优化模型的目标函数中的是凸函数(convex function),约束条件中形如ex+y的函数也是凸函数(其中x,y是变量)。因此,目标函数和部分约束条件(解码-转发模型中的前两行约束和第四行约束条件,放大-转发模型中的第一行约束条件和第三行约束条件)属于D.C.函数,即形如f(x)-g(x),其中x是所有变量组成的向量,且f(x)和g(x)都属于凸函数,因此这两个问题都属于D.C.优化模型。

本实施例中通过引入新的变量及变量替换,将原来的关于源端和中继的功率分配及中继的功率分割联合的非凸优化模型转化为D.C.优化模型。需要说明的是,本实施例中使用的变量替换方法是通过用新的变量来表示原变量x,但并不限于此。除了本实施例中提到的这种变量替换方法,还有其它的变量替换方法也可以实现将原来的非凸优化模型转化为D.C.优化模型的目的,均在本发明的保护范围内。

步骤S103,求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化。

本步骤中,为了能够求解这两个模型,可以将D.C.函数中的g(x)函数用其近似形式来代替。由于g(x)是个凸函数,因此它满足其中x(k)表示当迭代次数为k时函数g(x)的变量x的值。也就是说,函数g(x)在x(k)点附近的值可以用关于x的线性函数来表示。通过在一个给定点x(k)进行上面的近似操作,原来的两个D.C.优化模型就可以转化为在x(k)点的凸优化模型,然后可以通过逐步迭代的方法得到收敛解。

因此,所述求解所述D.C.优化模型可以包括:根据凸函数的性质,将所述D.C.优化模型在可行域内的任一点进行线性化,将所述D.C.优化模型转换为凸优化模型:

其中,公式(5)为解码-转发中继传输策略对应在x(k)点的优化模型,公式(6)为放大-转发中继传输策略对应在x(k)点的优化模型。

优选的,所述求解所述D.C.优化模型还可以包括:

令迭代次数k=0,设定满足变量约束条件的初始值

将代入所述凸优化优化模型中,得到关于所有变量的一个凸优化模型,并求解所述凸优化模型,得到最优解和目标函数值。其中,可以采用已有的常规方法如内点法等求解所述凸优化模型。

令迭代次数k=k+1,令将代入所述凸优化优化模型中,并求解所述凸优化模型,得到最优解和目标函数值。其中,可以采用已有的常规方法如内点法等求解所述凸优化模型。

计算相邻两步求解得到的目标函数值差值的绝对值,若所述绝对值小于等于预设精度ε,即则所述相邻两步中的后一步中得到的解是最终解;否则,返回执行所述令迭代次数k=k+1,令将代入所述凸优化模型中,并求解所述凸优化模型的最优解和目标函数值的步骤。其中,可以采用已有的常规方法如内点法等求解所述凸优化模型。

一个实施例中,所述设定满足变量约束条件的初始值的方法可以为:

确定源端传输功率的值:可以选择将所有功率Ps,tot均匀分到每个信道,即ps,n=Ps,tot/N;或者将aPs,tot的功率分给源端到中继的信道中最好的信道n*,将其它功率均分到其它所有信道,即其中a是个可调节的参数,满足0<a<1。即,可以设定源端传输功率初始值为ps,n(0)=Ps,tot/N;或设定源端传输功率初始值为其中,a为可调节参数,且0<a<1。

设定功率分割参数初始值ρ(0)为(0,1)中的任意值。

确定中继传输功率的值:可以选择将中继总的可用功率均分到每个信道,即即,可以设定中继传输功率初始值为

确定y的值:令即,可以设定

设定出{ρ(0),ps,n(0),pr,n(0),yn(0)}以后,可以通过变量替换法将{ρ(0),ps,n(0),pr,n(0),yn(0)}转化为

以下通过MATLAB数值仿真实验对本发明实施例进行进一步说明。

在仿真实验中,源端、中继和接收端处于同一条直线上,源端到接收端的距离为5米,源端到中继的距离为源端到接收端距离的1/5。源端到中继以及中继到接收端的信道包括一个指数为三的大尺度路径衰退和一个小尺度衰退,该小尺度衰退是由六个独立的瑞利多径构成的频率选择性衰退。源端功率阈值是3W,噪声为算法精度为ε=10-3。已有搜索算法的搜索步长为Δ=0.001。图3示出了当子载波个数N为10时,中继使用解码-转发和放大-转发传输策略时,本发明实施例的收敛性能。从图3可以看出,本发明实施例具有很快的收敛速度,通过10步迭代基本可以实现接近收敛解的传输速率。

表1为本发明实施例与现有技术在源端到接收端传输速率(b/s/Hz)及运行时间(秒)上的比较。

表1本发明实施例与现有技术在源端到接收端传输速率及运行时间上的比较

表1中比较了当信道个数为5、10、15和20时,本发明实施例与现有的基于搜索的算法实现的源端-接收端传输速率及运行时间的比较。从表1中可以得到,与现有的搜索算法相比,当中继使用中继解码-转发策略时,本发明实施例以不到13%的运行时间,实现了98.9%的传输速率;当中继使用放大-转发策略时,本发明实施例以不到7%的运行时间,实现了99.9%的传输速率。本实施例中,均以现有的搜索算法的运行时间和传输速率为基准,对本发明实施例的运行时间和传输速率进行描述。

上述中继携能通信系统的传输速率优化方法,首先结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型,然后采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型,最后求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化,因此不需要在整个功率分割因子域内进行搜索,能够显著降低算法的计算复杂度,从而使得运行时间极大地缩短。

而且本发明实施例不仅能够解决基于功率分割的携能中继网络中中继使用解码-转发传输策略时,源端到接收端传输速率最大化问题,而且还能够解决中继使用放大-转发传输策略时,源端到接收端传输速率最大化问题。更为重要的是,本发明实施例资源联合优化算法复杂度更低,因此能够以更快的运行时间得到与现有技术相同或极其相近似的解。

应理解,上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例二

对应于上文实施例所述的中继携能通信系统的传输速率优化方法,图4示出了本发明实施例提供的中继携能通信系统的传输速率优化装置的结构框图。为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图4,该装置包括模型建立模块401、变量替换模块402和处理模块403。

模型建立模块401,用于结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型。

变量替换模块402,用于采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型。

处理模块403,用于求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化。

可选的,所述模型建立模块401具体可以用于:结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型描述为:

其中,ρ表示功率分割因子,ps,n和pr,n分别表示源端和中继在信道n上的传输功率,表示放大-转发中继或解码-转发中继在信道n上获得的源端到接收端的信噪比,Ps,tot表示源端总的可用功率,表示中继的能量转换效率,hn为从源端到中继的信道n的信道系数。

参见图5,一个实施例中,所述变量替换模块402可以包括第一转换单元501和第二转换单元502。

第一转换单元501,用于通过采用新变量yn表示信道n上的信噪比将源端到接收端的传输速率优化模型表示为:

第二转换单元502,用于定义新的变量和采用新定义的变量替代变量{ρ,yn,ps,n,pr,n},将源端到接收端的传输速率优化模型转换为D.C.优化模型:

其中,

参见图6,一个实施例中,所述处理模块403可以包括线性单元601。

线性单元601,用于根据凸函数的性质,将所述变量替换模块402得出的D.C.优化模型在可行域内的任一点进行线性化,将所述D.C.优化模型转化为凸优化模型:

参见图6,一个实施例中,所述处理模块403还包括初始值单元602、求解单元603和判定单元604。

初始值单元602,用于令迭代次数k=0,设定满足变量约束条件的初始值

求解单元603,用于将代入所述线性单元601得出的凸优化优化模型中,并求解所述凸优化模型,得到最优解和目标函数值;以及令迭代次数k=k+1,令将代入所述线性单元601得出的凸优化模型中,并求解所述凸优化模型,得到最优解和目标函数值。其中,可以采用已有的常规方法如内点法等求解所述凸优化模型。

判定单元604,用于计算所述求解单元603求解出的相邻两步的目标函数值差值的绝对值,若所述绝对值小于等于预设精度,则第k步得到的解是最终解;否则,通知所述求解单元603执行令迭代次数k=k+1,令将代入所述线性单元601得出的凸优化模型中,并求解所述凸优化模型的最优解和目标函数值。其中,可以采用已有的常规方法如内点法等求解所述凸优化模型。

优选的,所述初始值单元602具体可以用于:

设定源端传输功率初始值为ps,n(0)=Ps,tot/N;或源端传输功率初始值为其中,a为可调节参数,且0<a<1,n*表示从源端到中继的信道中质量最好的信道;

设定功率分割参数初始值ρ(0)为(0,1)中的任意值;

设定中继传输功率初始值为

设定

通过变量替换将{ρ(0),ps,n(0),pr,n(0),yn(0)}转化为

上述中继携能通信系统的传输速率优化装置,首先结合源端传输功率、中继传输功率和中继功率分割因子,将源端到接收端的传输速率优化模型建立为非凸优化模型,然后采用新变量表示所述非凸优化模型中的信噪比,并通过变量替换将所述非凸优化模型转换为D.C.优化模型,最后求解所述D.C.优化模型,根据求解结果以对所述传输速率进行优化,因此不需要在整个功率分割因子域内进行搜索,能够显著降低算法的计算复杂度,从而使得运行时间极大地缩短。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成,即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中,上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。另外,各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的,例如,所述模块或单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通讯连接,可以是电性,机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本发明的保护范围之内。

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