CN105307271A - 吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，该方法包括以下步骤：1)网络初始化；2)网络初始传输；3)网络时间优化分配；4)网络传输阶段。本发明通过对多天线通信系统的无线信息传输与能量采集的时间进行优化分配，有效提高网络能量采集效率，实现网络上行链路吞吐量最大化。

Description

吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法

技术领域

本发明涉及一种多天线无线通信网络下的信息传输与能量采集方法，尤其涉及一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，属于无线供电通信网络技术领域。

背景技术

无线能量采集技术可以从周围环境中收集或采集微小电磁能源，并把它们转换为电能的过程。在无线通信网络以及一些其它潜在的应用中，所采集到的能源在每个通信节点上都可作为电源使用。同时实现无线通信系统的信息传输与能量采集是当前通信学科中的重要研究领域，这一技术可以有效提高无线通信系统的能耗效率。VarshneyLavR.于2008年在IEEEInternationalSymposiumonInformationTheory发表论文《Transportinginformationandenergysimultaneously》表明可以折中实现无线通信与功率传输。随后，人们针对同时实现无线通信与供电传输的方法展开了研究，JuHyungsik于2014年在IEEETransactionsonWirelessCommunications发表论文《ThroughputMaximizationinWirelessPoweredCommunicationNetworks》，该文献给出了最优时间分配方案，实现了该无线供电通信网络上行链路吞吐量最大化。然而，该方法仅考虑了各用户节点从综合接入点采集能量的传输方案，并未对用户节点间能量采集的情况进行研究。专利申请号为CN201410798696.7的中国专利申请公开了一种基于多中继的SWIPT中继网络中ARQ协议的实现方法，其特点是基于反馈信息选择有效中继节点并实施能量采集，但是并未涉及吞吐量性能与能量采集的优化。

考虑到相邻用户节点间实施能量采集可以优于从距离较远的接入点实施能量采集的情况，本发明以用户节点上行链路吞吐量最大化为准则，设计了一种基于粒子群优化的循环能量采集方法，有效优化了用户节点间信息传输与能量采集的时间分配方案，提高网络用户节点能量采集效率，达到网络吞吐量最大化的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，通过对多天线通信系统的无线信息传输与能量采集的时间进行优化分配，有效提高网络能量采集效率，实现网络上行链路吞吐量最大化。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，该方法包括以下步骤：

1)网络初始化，部署K+1(K≥1)个节点，第k个节点配置天线数为M_k(k＝0,1,…,K)；编号0为综合接入点，编号1-K为用户节点；综合接入点具有恒定功率为P₀瓦，用户节点初始功率为0瓦；综合接入点0与所有K个用户节点总通信时长为T秒，随机为0～K个节点分配初始工作时间t₀T,t₁T,…,t_KT；其中，t_i为时间分配权重(i＝0,1,…,K)，且t₀+t₁+…+t_K＝1，令t＝[t₀t₁…t_K]；

2)网络初始传输

(1)下行链路能量采集：综合接入点在时间t₀T内以功率P₀发送下行链路信号x₀；各用户节点在时间t₀T内接收从综合接入点发送的下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量；第k个用户节点接收信号为y_k＝H_k,0x₀+z_k，H_k,0为M_k×M₀信道矩阵，z_k为加性高斯白噪声，且假定各节点所接收噪声信号功率可忽略；

(2)上行链路能量采集与信息传输：第k个用户节点在时间内对其它各用户节点的上行链路信号均实施能量采集并存储，在时间t_kT内按照时分多址方式发送自身上行链路信息x_k(k＝1,…,K)；

3)网络时间优化分配：

(1)计算各用户节点采集能量，即第k个粒子采集的能量为：

式中，为矩阵的共轭转置操作，(·)^[n]为在第n次通信中对前k-1个用户节点完成采集的能量，(·)^[n-1]为在第n-1次通信中对后k+1～K个用户节点完成采集的能量，P_i为第i个用户节点的发送功率，D_k,i，α_k,i分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距离和路径传输损耗系数，ζ_k为第k个用户节点的能量转换效率，0＜ζ_k＜1；

(2)计算各用户节点采集功率，即第k个粒子发送功率为：P_k＝η_kE_k/(t_kT)，式中η_k为采集能量利用率；

(3)计算各用户节点可获得上行链路吞吐量C_k(t)：式中I_k为M₀×M₀维单位矩阵，H_0,k为第k个用户节点到综合接入点0的信道状态信息，δ²为噪声方差；

(4)计算网络当前上行链路吞吐量

(5)求解并更新节点分配时间t，计算网络当前上行链路吞吐量C(t)；以上行链路吞吐量最大化为准则，选取不同分配时间t所对应的最大C(t)值：

$\underset{t}{max}\left\{C\left(t\right)\right\}.$

$s.t.P_k\≤P_0,\underset{k=0}{\overset{K}{\Σ}}{t}_k=1,t_k\≥0$

式中，{C(t)}表示不同分配时间t对应的C(t)所构成的集合；表示选取不同分配时间t对应的C(t)所构成集合中的最大C(t)值；s.t.P_k≤P₀表示计算C(t)过程中的应满足的采集能量约束条件，即各节点可采集能量P_k应小于综合接入点0能量P₀；

(6)保存对应最大C(t)值的节点分配时间t为优化后的时间分配值；

4)网络传输阶段

在同一衰落信道块中，按照各节点优化后的时间分配值t，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集；即综合接入点0在时隙t₀T内以功率P₀持续发送下行链路信号x₀，各用户节点在时隙t₀T内持续接收下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量；t₁T时隙，用户节点1以功率P₁向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点2,…,K在此时隙内实施能量采集；t₂T时隙，用户节点2以功率P₂向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点1,3,…,K在此时隙内实施能量采集；以此类推，t_kT时隙，用户节点k以功率P_k向综合接入点0发送上行链路信息，用户节点1,2,…,k-1,k+1,…,K在此时隙内实施能量采集；在下一信道衰落信道块中，若信道状态信息发生改变，则对网络各节点分配时间重新进行优化，重复执行步骤3)；否则，仍按当前各节点优化后的时间分配值，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述用户节点具备同时信息传输与能量采集的双重射频链路，则在步骤2)中同时实现下行链路信号的信息传输功能。

前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述ζ_k小于0.7。

前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述步骤3)网络时间优化分配阶段，基于凸优化算法对节点分配时间t进行求解。

前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述步骤3)网络时间优化分配阶段，基于启发式优化算法对节点分配时间t进行求解，基于启发式优化算法中的标准粒子群优化方法对各节点分配时间t_k进行求解的方法如下：

(1)映射K+1个节点到n个粒子；

(2)初始化粒子速度v_k为一组随机数，初始化适应度函数值C_k(t)＝0，初始化各节点时间分配值为一组随机数，其和为T，并将此时间分配值映射到粒子初始位置y_k(t)；

(3)计算采集能量与发送功率：

a.第k个粒子采集的能量为：

式中，为矩阵的共轭转置操作，(·)^[n]为在第n次通信中对前k-1个用户节点完成采集的能量，(·)^[n-1]为在第n-1次通信中对后k+1～K个用户节点完成采集的能量，P_i为第i个用户节点的发送功率，D_k,i，α_k,i分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距离和路径传输损耗系数，ζ_k为第k个用户节点的能量转换效率，0＜ζ_k＜1；

b.第k个粒子发送功率为：P_k＝η_kE_k/(t_kT)，式中η_k为采集能量利用率；

(4)基于上行链路吞吐量最大化准则，计算适应度函数：

基于适应度函数计算网络当前上行链路吞吐量：

$C\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{C}_k\left(t\right)$

(5)更新粒子群

a.若当前粒子个体极值优于上一时刻该粒子个体极值，则更新当前粒子个体极值；

b.若当前粒子个体极值优于上一时刻全局极值，则更新当前全局极值；

c.更新每个粒子的速度v_k和位置y_k(t)；

(6)重复执行步骤(3)-(5)直到达到最大迭代次数；

(7)当达到最大迭代次数时，映射全局最优粒子位置为最优网络节点时间分配值t，对应C(t)为上行链路吞吐量最大值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：设计了一种适用于多天线通信系统的无线通信与能量采集方法，该方法可以充分采集网络中各用户节点的上行链路信号能量，有效优化用户节点间信息传输与能量采集的时间分配方案，提高网络用户节点能量采集效率，达到网络吞吐量最大化的目的。

附图说明

图1是本发明无线通信与能量采集网络的结构原理图；

图2是本发明的通信协议时序图；

图3是本发明的时间优化分配流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法可以实现多天线无线通信系统信息与能量的同时传输，适用于具有任意K+1个节点的无线通信网络，其中第k个节点配置天线数为M_k(k＝0,1,…,K)。如图1所示，无线通信网络包括1个编号为0的综合接入点和若干个编号为1～K的用户节点；综合接入点0的功能是在下行链路通信时间t₀T内发送能量(若各用户节点具备同时信息传输与能量采集的双重射频链路，则也可同时实现下行链路信号的信息传输功能)，在上行链路通信时间t₁T,…,t_KT内接收数据信息。用户节点k(k＝1,…,K)的功能是在下行链路通信时间t₀T与上行链路通信时间t₁T,…,t_k-1T,t_k+1T,…,t_KT内完成对综合接入点与其它用户节点发送信号的能量采集，在上行链路通信时间t_kT内完成自身数据到综合接入点0的信息传输。

本发明设计了一种新型的以上行链路吞吐量最大化为准则的信息传输与循环能量采集无线网络结构，并基于粒子群方法对无线网络节点工作时间进行优化。所提方法可以合理分配节点通信时间，有效改善无线网络系统吞吐量与能量效率，具体实施方式如下：

1.网络初始化阶段，如图1所示

无线通信与能量采集网络由K+1个节点构成。其中，编号0为综合接入点，编号1～K为用户节点。综合接入点部署在该无线网络四周的某一处，具有恒定发送功率P₀，可实现数据信息接收；各用户节点均可直接与综合接入点实现通信，具有能量采集、数据处理和发送的功能。网络各节点总通信时长为T秒，初始化阶段随机为0～K个节点分配初始工作时间t₀T,t₁T,…,t_KT。其中，t_i为时间分配权重(i＝0,1,…,K)，t₀+t₁+…+t_K＝1，令t＝[t₀t₁…t_K]。

2.网络初始传输阶段

1)下行链路能量采集。综合接入点0在时间t₀T内以功率P₀发送下行链路信号x₀，各用户节点在时间t₀T内接收下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量(若各用户节点具备同时信息传输与能量采集的双重射频链路，则也可同时实现下行链路信号的信息传输功能)。此时，第k个用户节点接收信号为y_k＝H_k,0x₀+z_k。H_k,0为M_k×M₀信道矩阵，z_k为加性高斯白噪声，且假定各节点所接收噪声信号功率可忽略。

2)上行链路能量采集与信息传输。t₁T时隙，用户节点1以功率P₁向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点2,…,K在此时隙内实施能量采集；t₂T时隙，用户节点2以功率P₂向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点1,3,…,K在此时隙内实施能量采集；以此类推，t_kT时隙，用户节点k以功率P_k向综合接入点0发送上行链路信息，用户节点1,2,…,k-1,k+1,…,K在此时隙内实施能量采集。即，第k个用户节点在时隙t_kT内按照时分多址方式发送自身上行链路信息x_k(k＝1,…,K)，在时隙内对其它各用户节点的上行链路信号均实施能量采集并存储，时序图如图2所示。

3.网络时间优化分配阶段，如图3所示是本发明的时间优化分配流程图；

1)映射K+1个节点到n个粒子。

2)初始化各粒子速度v_k为一组随机数，初始化适应度函数值C_k(t)＝0，初始化各节点时间分配值为一组随机数(其和为T)，并将此时间分配值映射到粒子初始位置y_k(t)。

3)计算采集能量与发送功率。

①第k个粒子采集的能量为：

式中，为矩阵的共轭转置操作，(·)^[n]为在第n次通信中对前k-1个用户节点完成采集的能量，(·)^[n-1]为在第n-1次通信中对后k+1～K个用户节点完成采集的能量，P_i为第i个用户节点的发送功率，D_k,i，α_k,i分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距离和路径传输损耗系数，ζ_k为第k个用户节点的能量转换效率，0＜ζ_k＜1(ζ_k具体取值需由实际系统电路特性决定，以目前技术水平一般小于0.7)。

②第k个粒子发送功率为：P_k＝η_kE_k/(t_kT)，式中η_k为采集能量利用率。

4)基于上行链路吞吐量最大化准则，计算适应度函数

基于适应度函数计算网络当前上行链路吞吐量

$C\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{C}_k\left(t\right)$

5)更新粒子群

①若当前粒子的个体极值优于初始个体极值，则更新当前粒子个体极值。

②若当前全局极值优于初始全局极值，则更新当前粒子个体极值。

③更新每个粒子的速度v_k和位置y_k(t)。

6)重复执行步骤3)-5)直到达到最大迭代次数。

7)当达到最大迭代次数时，映射全局最优粒子位置为最优网络节点时间分配最优值t，对应C(t)为上行链路吞吐量最大值。

4.网络传输阶段

在同一衰落信道块中，按照各节点优化后的时间分配值t，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集。即，综合接入点0在时隙t₀T内以功率P₀持续发送下行链路信号x₀，各用户节点在时隙t₀T内持续接收下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量；t₁T时隙，用户节点1以功率P₁向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点2,…,K在此时隙内实施能量采集；t₂T时隙，用户节点2以功率P₂向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点1,3,…,K在此时隙内实施能量采集；以此类推，t_kT时隙，用户节点k以功率P_k向综合接入点0发送上行链路信息，用户节点1,2,…,k-1,k+1,…,K在此时隙内实施能量采集，如图2所示。在下一信道衰落信道块中，若信道状态信息发生改变，则对网络各节点分配时间重新进行优化，重复执行步骤3。否则，仍按当前各节点优化后的时间分配值，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)网络初始化，部署K+1(K≥1)个节点，第k个节点配置天线数为M_k(k＝0,1,…,K)；编号0为综合接入点，编号1-K为用户节点；综合接入点具有恒定功率为P₀瓦，用户节点初始功率为0瓦；综合接入点0与所有K个用户节点总通信时长为T秒，随机为0～K个节点分配初始工作时间t₀T,t₁T,…,t_KT；其中，t_i为时间分配权重(i＝0,1,…,K)，且t₀+t₁+…+t_K＝1，令t＝[t₀t₁…t_K]；

2)网络初始传输

(1)下行链路能量采集：综合接入点在时间t₀T内以功率P₀发送下行链路信号x₀；各用户节点在时间t₀T内接收从综合接入点发送的下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量；第k个用户节点接收信号为y_k＝H_k,0x₀+z_k，H_k,0为M_k×M₀信道矩阵，z_k为加性高斯白噪声，且假定各节点所接收噪声信号功率可忽略；

(2)上行链路能量采集与信息传输：第k个用户节点在时间内对其它各用户节点的上行链路信号均实施能量采集并存储，在时间t_kT内按照时分多址方式发送自身上行链路信息x_k(k＝1,…,K)；

3)网络时间优化分配：

(1)计算各用户节点采集能量，即第k个粒子采集的能量为：

式中，为矩阵的共轭转置操作，(·)^[n]为在第n次通信中对前k-1个用户节点完成采集的能量，(·)^[n-1]为在第n-1次通信中对后k+1～K个用户节点完成采集的能量，P_i为第i个用户节点的发送功率，D_k,i，α_k,i分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距离和路径传输损耗系数，ζ_k为第k个用户节点的能量转换效率，0＜ζ_k＜1；

(2)计算各用户节点采集功率，即第k个粒子发送功率为：P_k＝η_kE_k/(t_kT)，式中η_k为采集能量利用率；

(3)计算各用户节点可获得上行链路吞吐量C_k(t)：式中I_k为M₀×M₀维单位矩阵，H_0,k为第k个用户节点到综合接入点0的信道状态信息，δ²为噪声方差；

(4)计算网络当前上行链路吞吐量

(5)求解并更新节点分配时间t，计算网络当前上行链路吞吐量C(t)；以上行链路吞吐量最大化为准则，选取不同分配时间t所对应的最大C(t)值：

$\underset{t}{max}\left\{C\left(t\right)\right\}.$

$s.t.P_k\≤P_0,\underset{k=0}{\overset{K}{\Σ}}{t}_k=1,t_k\≥0$

式中，{C(t)}表示不同分配时间t对应的C(t)所构成的集合；表示选取不同分配时间t对应的C(t)所构成集合中的最大C(t)值；s.t.P_k≤P₀表示计算C(t)过程中的应满足的采集能量约束条件，即各节点可采集能量P_k应小于综合接入点0能量P₀；

(6)保存对应最大C(t)值的节点分配时间t为优化后的时间分配值；

4)网络传输阶段

在同一衰落信道块中，按照各节点优化后的时间分配值t，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集；即综合接入点0在时隙t₀T内以功率P₀持续发送下行链路信号x₀，各用户节点在时隙t₀T内持续接收下行链路信号x₀，采集并存储此信号能量；t₁T时隙，用户节点1以功率P₁向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点2,…,K在此时隙内实施能量采集；t₂T时隙，用户节点2以功率P₂向综合接入点0发送上行链路信息，同时用户节点1,3,…,K在此时隙内实施能量采集；以此类推，t_kT时隙，用户节点k以功率P_k向综合接入点0发送上行链路信息，用户节点1,2,…,k-1,k+1,…,K在此时隙内实施能量采集；在下一信道衰落信道块中，若信道状态信息发生改变，则对网络各节点分配时间重新进行优化，重复执行步骤3)；否则，仍按当前各节点优化后的时间分配值，采用时分多址传输方式进行信息传输与能量采集。

2.如权利要求1所述的吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，其特征在于，所述用户节点具备同时信息传输与能量采集的双重射频链路，在步骤2)中同时实现下行链路信号的信息传输功能。

3.如权利要求1所述的吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，其特征在于，所述ζ_k小于0.7。

4.如权利要求1所述的吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，其特征在于，所述步骤3)网络时间优化分配阶段，基于凸优化算法对节点分配时间t进行求解。

5.如权利要求1所述的吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，其特征在于，所述步骤3)网络时间优化分配阶段，基于启发式优化算法对节点分配时间t进行求解，基于启发式优化算法中的标准粒子群优化方法对各节点分配时间t_k进行求解的方法如下：

(1)映射K+1个节点到n个粒子；

(2)初始化粒子速度v_k为一组随机数，初始化适应度函数值C_k(t)＝0，初始化各节点时间分配值为一组随机数，其和为T，并将此时间分配值映射到粒子初始位置y_k(t)；

(3)计算采集能量与发送功率：

a.第k个粒子采集的能量为：

式中，为矩阵的共轭转置操作，(·)^[n]为在第n次通信中对前k-1个用户节点完成采集的能量，(·)^[n-1]为在第n-1次通信中对后k+1～K个用户节点完成采集的能量，P_i为第i个用户节点的发送功率，D_k,i，α_k,i分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距离和路径传输损耗系数，ζ_k为第k个用户节点的能量转换效率，0＜ζ_k＜1；

b.第k个粒子发送功率为：P_k＝η_kE_k/(t_kT)，式中η_k为采集能量利用率_；

(4)基于上行链路吞吐量最大化准则，计算适应度函数：

基于适应度函数计算网络当前上行链路吞吐量：

$C\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{C}_k\left(t\right)$

(5)更新粒子群

a.若当前粒子个体极值优于上一时刻该粒子个体极值，则更新当前粒子个体极值；

b.若当前粒子个体极值优于上一时刻全局极值，则更新当前全局极值；

c.更新每个粒子的速度v_k和位置y_k(t)；

(6)重复执行步骤(3)-(5)直到达到最大迭代次数；

(7)当达到最大迭代次数时，映射全局最优粒子位置为最优网络节点时间分配值t，对应C(t)为上行链路吞吐量最大值。