CN105163379B - 一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于信能同传系统的资源分配优化方法，所述无线收发系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法包括用于确定系统预分配参数集的步骤P1，并提供了步骤P1的自动化求解方法。本发明提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行、自动化配置的多载波宽带信能同传优化方法，在向接收端发送信息信号的同时发送独立的能量信号，能够为接收端所处工作模式提供需要的能量，另外，通过优化算法对信息信号和能量信号进行优化，既能提高能量传输效率又能提高信息速率。本发明可广泛应用于各种信能同传系统。

Description

一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术和无线输电技术的交叉领域，特别涉及一种信能同传系统的子载波功率分配方法。

背景技术

无线信能同传(Simultaneous Wireless Information and Energy Transfer)，即通过无线方式实现信息和能量的同时传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新兴通信技术。随着科技的发展，整合能源技术和通信技术成为趋势，既能实现高速可靠的通信，又能有效缓解能源和频谱稀缺的压力，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的应用价值。

无线信能同传突破传统的无线通信手段，将能量属性同时考虑，整合无线通信技术和无线能量传输技术，实现信息和能量的并行同时传输，具有广泛的应用价值和创新意义。

基于信息与能量同时传输的特点，用于各类依靠有限容量电池提供电能的无线终端或器件，通过从信号中采集能量为其馈电，极大延长待机时间，减小设备体积和成本，并能够大幅减少电池的生产量，大大降低电池生产制造与回收过程中造成的环境污染。基于非接触式的远距离传输的特点，可取代电池或者线缆供电，极大的提升供电的便利性。基于稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器(Energy Harvester)以采集环境能量(如风能、太阳能、动能等)为主的方式。同时，无线信能同传在改善人民生活方面的应用也是广泛的，会产生极大的社会效益：在医疗领域，植入医疗装置如心脏起搏器、心血管机器人等均存在严重的电池能量短缺问题，无线信能同传技术的装配可避免对患者造成严重的二次痛苦。

本发明人在申请文件“一种多载波宽带信息能量同传发送系统及接收系统”(申请号：201510133784.X)、“一种信息能量同传发送方法及接收方法”(申请号：201510133428.8)、“一种多载波宽带信能同传优化方法”(申请号：201510133789.2)中提出了一种信能同传的方法，在系统发送的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号，经相应处理后同时传送，通过能量信号为接收端提供足够的电能量；该方法可以广泛应用于数字通信和模拟通信中。

在上述信能同传系统中，信能同传优化方法虽然提出了优化的方向，但是并没有一种可以实现信能同传系统子载波自动化优化配置的具体手段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种切实可行的自动化优化配置信息和能量载波信号载波信道的子载波功率分配优化方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其应用于多载波宽带信能同传系统中，所述信能同传系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法包括步骤：P1，发射端根据第一优化目标和第一约束条件集来确定最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*；所述第一优化目标为：使第一约束条件集成立的情况下，能量信号载波个数N_E最小和能量信号的功率P_E最小；所述第一约束条件集涉及：C1，接收端所采集功率Q大于等于接收端当前工作模式所需的最低功率P_min，即满足Q≥P_min；C2，每个子载波信道上能量信号的能量不大于限制能量P_l；C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于或等于一个既定的参数值A；所述优化方法还包括步骤P1的求解步骤：S11,对反馈的子载波信道参数按信道质量做降序排列；S12，计算信道质量排序在前的一个子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则进入步骤S13；S13，继续叠加排序在前的下一子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大总功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则返回执行步骤S13；S14，记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个数N_E ^*，将满足约束条件C1的最优的能量信号的功率P_E ^*调制在信道质量排序在前的N_E ^*个子载波信道上。

优选的，所述优化方法还包括步骤:P2，发射端基于步骤P1中所述最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*，得出最优的信息信号载波个数N_I ^*和最优的信息信号的功率P_I ^*；所述优化方法还包括步骤P2的求解步骤：S21，N_I ^*＝N-N_E ^*，P_I ^*＝P-P_E ^*。

优选的，所述优化方法还包括步骤：P3，利用凸优化算法，求解确定最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波分配集Sc_I ^*，其中，n＝1,2，…，N_I。

优选的，所述优化方法还包括步骤：P4，根据最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波集Sc_I ^*，确定最优信息传输速率R^*，具体求解关系式为：

其中，i＝1，2，...，N_I ^*，σ²为平均噪声功率。

优选的，所述第一约束条件集还涉及：C4，子载波上的能量信号功率之和小于等于能量信号的总功率。

优选的，约束条件C1所述接收端的工作模式包括正常工作模式、耗能模式和储能工作模式。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行、自动化配置的多载波宽带信能同传优化方法，在向接收端发送信息信号的同时发送独立的能量信号，能够为接收端所处工作模式提供需要的能量，另外，通过优化算法对信息信号和能量信号进行优化，既能提高能量传输效率又能提高信息速率。

本发明可广泛应用于各种信能同传系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种实施例子载波信道资源分配示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其应用于多载波宽带信能同传系统中，所述信能同传系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法包括步骤：P1，发射端根据第一优化目标和第一约束条件集来确定最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*；所述第一优化目标为：使第一约束条件集成立的情况下，能量信号载波个数N_E最小和能量信号的功率P_E最小；所述第一约束条件集涉及：C1，接收端所采集功率Q大于等于接收端当前工作模式所需的最低功率P_min，即满足Q≥P_min；C2，每个子载波信道上能量信号的能量不大于限制能量P_l；C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于或等于一个既定的参数值A，即满足E[S² _E(n)]/B_s≤A，B_s为每个子载波上的信道带宽；所述优化方法还包括步骤P1的求解步骤：S11,对反馈的子载波信道参数按信道质量做降序排列；S12，计算信道质量排序在前的一个子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则进入步骤S13；S13，继续叠加排序在前的下一子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大总功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则返回执行步骤S13；S14，记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个数N_E ^*，将满足约束条件C1的最优的能量信号的功率P_E ^*调制在信道质量排序在前的N_E ^*个子载波信道上。

其中，限制能量P_l满足关系式P_l＝B_SP_S，其中，P_S为每个子载波信道上的最大功率谱密度，。

作为本发明一种优选的实施例，可以在发射端首先对功率、频谱、载波进行运算。假设发射端基带信号总功率为P,分配于信息信号的能量和能量信号的总功率分别为P_I和P_E，则P_I+P_E＝P；信号总载波集为Sc，Sc＝Sc_E∪Sc_I，其中，Sc_E为能量信号子载波集，Sc_I为信息信号子载波集；接收端采集到的能量为Q，即有Q＝βP_E，β是能量效率系数；信道参数向量h，其中，h＝[h₁,h₂……h_N]^T；总载波数为N，分配于信息信号的载波数和能量信号的载波数分别为N_I和N_E，则N＝N_I+N_E；信息信号和能量信号的能量符号分别为S_I(n)和S_E(n)，n＝1，2,...,m；m≤N；其中，S_I1～S_Im分别为信息信号的第1至第m个信息符号，S_E1～S_Em分别为能量信号的第1至第m个能量符号,用E[S² _I(n)]和E[S² _E(n)]分别表示信息信号和能量信号的能量。因此，接收端采集到的功率Q可用下述关系式表示：

Q＝<h，E[S² _E(n)]>；

能量信号的功率P_E可用下述关系式表示：

可根据接收端工作所需的最少能量和信道反馈信息，对载波和频谱进行分配优化。

可在发射端发出信号后，监控信道反馈信息，并根据接收端工作所需的最少能量和信道反馈信息(该实施例中，信道数量等于载波数量)，对载波和频谱进行分配优化。

优选的，步骤P1中所述第一优化目标包括：使第一约束条件集成立的情况下，能量信号载波个数N_E最小和能量信号的总功率P_E最小。

需要说明的是，约束条件C1所述的接收端工作所需的最低功率应当理解为所述接收端多种工作模式所需的最低功率。该实施例中，约束条件C1所述接收端的工作模式包括正常工作模式和充电工作模式。例如：当接收端处于正常工作模式(非充电模式)时，接收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率；当接收端处于充电工作模式时，接收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率和充电所需功率之和。

步骤P2，发射端基于步骤P1中所述最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*，得出最优的信息信号载波个数N_I ^*和最优的信息信号的功率P_I ^*；

即步骤P2第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率R最大化。

所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于基带信号中的信息信号的总功率。

步骤P1中所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波集Sc_E、接收端工作所需最低功率P_min、每个子载波上的信道带宽B_s、每个子载波上最大的平均功率谱密度P_S和信道参数向量h。

步骤P2中所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号子载波集Sc_I、信息信号子载波数N_I和信道参数向量h，其中，h＝[h₁,h₂……h_N]^T。

所述第一预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率P_E。

所述第二预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集。

综上所述，对下列优化问题求解可得出系统预分配参数集。

根据下列第一优化目标和第一约束条件集即可得出第一预分配参数集。

P1:

min_{h,Sc_E,P_min,B,A}P_E,N_E；其中，{}中的元素所表示为第一优化参数；

s.t.(下述为第一约束条件)

E[S² _E(n)]/B_S≤P_S,n＝1,2,...,N_E；

根据下列第二优化目标和第二约束条件集即可得出第二预分配参数集。

P2：

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R；其中，Sc_E ^*为最优能量信号子载波分配集；

s.t.(下述为第二约束条件)

上述优化问题求解步骤举例如下：

S11,对反馈的子载波信道参数按信道质量做降序排列；

S12，计算信道质量排序在前的一个子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则进入步骤S13；

S13，继续叠加排序在前的下一子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大总功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则返回执行步骤S13；

S14，记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个数N_E ^*，将满足约束条件C1的最优的能量信号的功率P_E ^*调制在信道质量排序在前的N_E ^*个子载波信道上。

基于上述方法思想，具体的求解步骤举例如下：

F1，初始化系统参数Sc_E＝Ф,Q＝0,其中，Ф为空集；

F2，初始化变量k＝1，Q₀＝0；

F3,计算Q_k＝Q_k-1+|h_k|²*P_l，检测Q_k≥P_min是否成立，若不成立则进入步骤F4，否则进入步骤F5，其中，|h_k|²信道参数向量h _k的模；

F4，令k＝k+1，循环执行步骤S3；

F5，分配P₁＝P₂＝…＝P_k-1＝P_l,P_k＝(Q_k-P_min)/|h_k|²，确定最优的能量信号的载波数N_E ^*＝k，P₁至P_k-1为分配调制在子载波信道A1至A(k-1)的功率，最优的能量信号的功率

P_E ^*＝(N_E ^*-1)*P_l+(Q_k-P_min)/|h_NE*|²；

其中，|h_NE*|²为第N_E ^*个载波信道的信道参数向量的模。

比如，如图1所示，用于传输信能同传信号的子载波信道有8个，按信道质量排序依次为A1至A8，假设每个子载波信道带宽均为B_s，其所对应的信道参数|h₁|²≥|h₂|²≥。。。≥|h_N|²。信道质量由于E[S² _E(n)]/B≤A这个限制条件的存在，对于信道质量较好的子载波信道，最优分配功率E_n ^*＝AB＝Pl。能量信号先填充(调制)到子载波信道A1,然而经计算，即便填满了子载波信道A1,能量信号仍然无法满足约束条件C1。于是继续填充子载波信道A2，依次类推，直至填充到子载波信道A5，计算得出能量信号的可以满足约束调节C1，则判断5为最优的能量信号载波个数N_E ^*，然后将满足约束条件C1的最优的能量信号的功率P_E ^*调制在信道质量排序在前的5个子载波信道上。其中，经计算，当子载波信道A5填充到一半，能量信号即可满足约束条件C1，那么子载波信道A5的另一半带宽资源以及子载波信道A6至A8均可用于传输信息信号。

优化系统信息传输速率问题，求解过程如下：

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R

s.t.

利用凸优化算法，可求解确定最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波集Sc_I ^*,最终得到最优信息传输速率R^*＝argmax R，其中，n＝1,2，…，N_I。所述优化方法还包括步骤P2的求解步骤：S21，N_I ^*＝N-N_E ^*，P_I ^*＝P-P_E ^*。

其中，R^*＝argmax R具体表达式为：

其中，i＝1,2，…，N_I ^*，σ²为平均噪声功率。

优选的，约束条件C1所述接收端的工作模式包括正常工作模式、耗能模式(加速耗电工作模式)和储能工作模式。

本发明提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行、自动化配置的多载波宽带信能同传优化方法，在向接收端发送信息信号的同时发送独立的能量信号，能够为接收端所处工作模式提供需要的能量，另外，通过优化算法对信息信号和能量信号进行优化，既能提高能量传输效率又能提高信息速率。本发明可广泛应用于各种信能同传系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其应用于多载波宽带信能同传系统中，所述信能同传系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法包括步骤：

P1，发射端根据第一优化目标和第一约束条件集来确定最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*；

所述第一优化目标为：使第一约束条件集成立的情况下，能量信号载波个数N_E最小和能量信号的功率P_E最小；

所述第一约束条件集涉及：

C1，接收端所采集功率Q大于等于接收端当前工作模式所需的最低功率P_min，即满足Q≥P_min；

C2，每个子载波信道上能量信号的能量不大于限制能量P_l；

C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于或等于一个既定的参数值A；

其特征在于，

所述优化方法还包括步骤P1的求解步骤：

S11,对反馈的子载波信道参数按信道质量做降序排列；

S12，计算信道质量排序在前的一个子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则进入步骤S13；

S13，继续叠加排序在前的下一子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大总功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14，否则返回执行步骤S13；

S14，记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个数N_E ^*，将满足约束条件C1的最优的能量信号的功率P_E ^*调制在信道质量排序在前的N_E ^*个子载波信道上。

2.根据权利要求1所述一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其特征在于，所述优化方法还包括步骤:

P2，发射端基于步骤P1中所述最优的能量信号载波个数N_E ^*和最优的能量信号的功率P_E ^*，得出最优的信息信号载波个数N_I ^*和最优的信息信号的功率P_I ^*；

所述优化方法还包括步骤P2的求解步骤：

S21，N_I ^*＝N-N_E ^*，P_I ^*＝P-P_E ^*,

N为总载波数，P为总功率。

3.根据权利要求2所述一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其特征在于，所述优化方法还包括步骤：

P3，利用凸优化算法，求解确定最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波分配集Sc_I ^*，其中，n＝1,2，…，N_I。

4.根据权利要求3所述一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其特征在于，所述优化方法还包括步骤：

P4，根据最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波集Sc_I ^*，确定最优信息传输速率R^*，具体求解关系式为：

<mrow> <msup> <mi>R</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>*</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msubsup> <mi>N</mi> <mi>I</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </munderover> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>E</mi> <mi>i</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中，i＝1,2，…，N_I ^*，σ²为平均噪声功率，B_s为每个子载波上的信道带宽，|h_i|²为第i个载波信道的信道参数向量的模，为第i个载波信道上的信号能量。

5.根据权利要求1至4任一项所述一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其特征在于，所述第一约束条件集还涉及：C4，子载波上的能量信号功率之和小于等于能量信号的总功率。

6.根据权利要求1至4任一项所述一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其特征在于，约束条件C1所述接收端的工作模式包括正常工作模式、耗能模式和储能工作模式。