基于价格机制的数据与能量协作方法

摘要

本发明公开了一种基于价格机制的数据与能量协作方法。本发明依据价格机制，通过求解优化问题实现带宽和能量分配的数据与能量协作方法，达到优化系统性能的目的。本发明除了能解决节点的带宽和能量分配问题，还可用于解决无线EH协作通信系统的中继选择问题，具有广泛的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种协作通信系统的数据与能量协作方法。

背景技术

人们对无线网络能量消耗的日益关注以及地球温度的升高促使人们研发能量效率更高的通信技术。从可再生能源如太阳能、风能、热能和射频(radio frequency,RF)能中获得能量的能量收集技术(energy harvesting,EH)技术可以驱动通信设备和网络，为实现绿色通信展现了光明的前景。

在无线EH通信系统中，目前研究了在两个具有EH能力的节点A和节点B之间进行数据和能量的双向协作传输，可以从节点A向节点B传输数据或能量，同时也可以从节点B向节点A传输数据或能量。在协作通信网络中，现有研究通常考虑源节点和中继节点具有EH能力，源节点向中继节点传输数据或能量，中继节点与目的节点之间则不能传递能量。但是，目前的研究还不够深入，例如由于中继节点除了中继来自其它节点的业务外，还可能有自身的业务，那么中继节点分配多少带宽和能量用于发射自身业务，分配多少带宽和能量用于转发业务，仍然是需要研究和解决的问题。

发明内容

基于上述背景，本发明依据价格机制，提供一种在无线EH协作通信系统中通过求解优化问题实现带宽和能量分配的数据与能量协作方法，达到优化系统性能的目的。本发明在“市场平衡”问题中，除了考虑数据业务的因素，还考虑了能量收集和转移，为数据和能量协作问题的解决提供了创新思路；本发明除了能解决节点的带宽和能量分配问题，还可用于解决无线EH协作通信系统的中继选择问题，具有广泛的适用性。

本发明包括的主要技术方案如下所述：

(一)当中继节点n的自身业务传输速率x_n与中继节点n的中继业务传输速率y_n之和小于或等于中继节点n用于自身业务和中继业务的总带宽C_n、中继节点n的中继业务传输速率y_n小于或等于本节点处的中继业务量I_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)、中继节点n的能量转移速率t_n小于或等于本节点处的能量转移量E_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)时，中继节点与目的节点之间既能传输数据又能转移能量时的带宽和能量分配通过以下优化问题求解：

(二)当中继节点n的能量转移速率t_n小于或等于本节点处的只考虑能量转移时的能量转移量E_n,2(ε_n,ε_-n)时，仅考虑中继节点和目的节点之间能量转移时的带宽和能量分配问题通过以下优化问题求解：

其中：z_n表示中继节点n的能量收集速率；λ_n表示中继节点n为包括自身业务和中继业务在内的单位业务传输速率付出的代价；δ_n表示中继节点n为单位能量转移速率付出的代价；U_n(x_n,z_n)是中继节点n发送自身业务和收集能量的效用函数；U_n,2(z_n)是中继节点n收集能量的效用函数；μ_n表示中继节点n对中继业务收费的价格；μ_-n表示除中继节点n之外的其它中继节点对中继业务收费的价格；ε_n表示中继节点n对转移能量收费的价格；ε_-n表示除中继节点n之外的其它中继节点对转移能量收费的价格。

具体实施方式

本发明中的无线EH协作通信系统模型，包括源节点、若干个中继节点和目的节点，且都具有能量收集能力。本发明的技术方案分别考虑两种情形，一是考虑在中继节点与目的节点之间既可以传输数据又可以转移能量时的资源分配问题，二是仅考虑中继节点与目的节点之间能量转移时的资源分配问题。

(一)中继节点与目的节点之间既可以传输数据又可以转移能量时的资源分配。

定义x_n为中继节点n的自身业务传输速率；y_n为中继节点n的中继业务传输速率；z_n为中继节点n的能量收集速率；t_n为中继节点n的能量转移速率；λ_n是中继节点n为单位业务(包括自身业务和中继业务)传输速率付出的代价；δ_n是中继节点n为单位能量转移速率付出的代价。U_n(x_n,z_n)是中继节点n发送自身业务和收集能量的效用函数，其表达式可以采用已知的多种形式之一，例如U_n(x_n,z_n)＝log(1+x_n+z_n),此处不做限定。I_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)为中继节点n处的中继业务量；E_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)为中继节点n处的能量转移量。其中μ_n为中继节点n对中继业务收费的价格；μ_-n为除中继节点n之外的其它中继节点对中继业务收费的价格；ε_n为中继节点n对转移能量收费的价格；ε_-n为除中继节点n之外的其它中继节点对转移能量收费的价格；C_n为中继节点n用于自身业务和中继业务的总带宽。

于是，带宽和能量分配可以通过以下优化问题求解：限制性条件是：x_n+y_n≤C_n；y_n≤I_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)；t_n≤E_n(μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n)；x_n,y_n,z_n,t_n,λ_n,δ_n,μ_n,μ_-n,ε_n,ε_-n≥0。此优化问题可用现有多种方法求解，各种方法都不影响本发明对问题的解决，此处不做详细阐述。

(二)仅考虑中继节点和目的节点之间能量转移时的资源分配。

定义E_n,2(ε_n,ε_-n)为只考虑能量转移时中继节点n处的能量转移量；U_n,2(z_n)是中继节点n收集能量的效用函数，其表达式可以采用已知的多种形式之一，例如U_n,2(z_n)＝log(1+z_n),此处不做限定。于是，带宽和能量分配问题可以通过以下优化问题求解：限制性条件是：t_n≤E_n,2(ε_n,ε_-n)；z_n,t_n,δ_n,ε_n,ε_-n≥0。此优化问题的求解有多种现有方法，各种方法都不影响本发明对问题的解决，此处不做详细阐述。