CN105744628A - 一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，由基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分组成。本发明在做功率和时隙分配时考虑实际的RF?CD电路的功率灵敏度的问题，不仅提高了多用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还兼顾了多用户数据队列传输的公平性和系统稳定性。

Description

一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法

技术领域

本发明属于数能一体化通信网络技术领域，具体涉及一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法的设计。

背景技术

能量收集(Energy Harvesting，EH)技术因其能为无线传感网络等能量受限网络提供稳定的能量并延长网络生命周期而具有大好发展前景。能量收集技术的能量来源不仅包括周围环境的大多数自然能源，如太阳能、光能、风能、热能、化学能等，还可以将接收的周围无线信号转化成一种电能，如人工获取的射频(Radio Frequency，RF)信号。而基于RF信号的能量收集因其可以不受天气环境影响并提供稳定能量成为研究热点。

随着无线网络技术的快速发展和移动设备的数量急剧增加，如手机和可穿戴设备等用户设备(UEs)产生了巨大的数据量。如何为这些设备无线供能成为一个具有挑战性的问题。无线能量传输(Wireless Energy Transfer，WET)技术可以收集外在RF信号并通过电路设计将其转化为直流(Direct Current，DC)电路用于无线信息传输(WirelessInformation Transfer，WIT)，从而处理一些能量受限和不稳定网络的能量瓶颈问题。数能一体化通信网络(Data and energy integrated communication networks，DEINs)是一种能实现数据与能量协作传输的新型网络。在数能一体化网络中，能量和数据可以同时传输，亦可以通过传输能量信号为能量受限设备提供能量进行信息传输，延长网络寿命。在一个典型的多用户数能一体化网络中，基站通过下行WET为用户提供能量，而用户通过这些能量来进行上行WIT。

目前许多研究都集中在大数据传输技术，包括框架、传输协议和算法。其中有文献研究了移动自组织网络(MANETS)的大数据传输，提出了一种新的在网络中的分发票的协议，在带宽受限的环境中表现出较高的性能。另有文献提出了一种新的方案，该方案可以通过基于属性的加密(ABE)系统的动态策略更新方法进行有效的访问控制，并且考虑到了安全性问题。

但是所有这些关于DEINs的研究都集中在上行总吞吐量和下行信息速率，而总的能量利用率却被忽略了。并且当前研究忽略了一些紧急UEs的数据需要首先发送，除此之外，当前研究并未考虑RF-DC电路的功率灵敏度，这会造成对上行WIT吞吐量的过高估计。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中对于多用户数能一体化通信网络能量利用效率缺乏研究，并且在做功率和时隙分配时未按实际要求考虑电池的容量受限以及RF-CD电路的功率灵敏度的问题，提出了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法。

本发明的技术方案为：一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，包括以下步骤：

S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；

S2、根据系统特性定义传输策略；

S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息(ChannelState Information，CSI)和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；

S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率；

S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束；

S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；

S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。

进一步地，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电路门限值；

S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下行WET阶段和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通过空分多址向基站传输信息。

进一步地，步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、考虑公平性问题，定义紧急用户设备；

S22、考虑系统的表现稳定性问题，定义传输策略。

进一步地，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、在基站部署迫零接收机并确定迫零接收机波束、接收信号以及信道增益；

S42、根据步骤S41所得的迫零接收机波束、接收信号以及信道增益，在已知高斯噪声功率的情况下，根据香农公式确定对应的信息传输速率。

进一步地，步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、得到能够保证紧急用户设备发送的基站发送功率下限；

S52、得到各用户的上行链路的发送功率与基站的发送功率的关系；

S53、考虑到系统的稳定性，每个时隙发送的数据量满足一定的比例，得到目标函数的约束条件；

S54、得到优化目标表达式。

进一步地，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、考虑公平性得到最优波束设计的目标函数；

S62、求解得到最优波束设计。

进一步地，步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、对基站的传输功率范围区间[P_min,P_max]划分子空间；

S72、对其中一个子空间求出基站功率的最优化分配；

S73、求得能量效率最优解。

本发明的有益效果是：本发明包括基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分，在做功率和时隙分配时考虑实际的RF-CD电路的功率灵敏度的问题，不仅提高了多用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还兼顾了多用户数据队列传输的公平性和系统稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法流程图。

图2为本发明实施例的数能一体化网络模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，由基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分组成，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议。

该步骤具体包括以下分步骤：

S11、假设数能一体化网络模型中基站有M根天线，且一共有K个单天线用户，且M≥K。假设基站与用户之间的信道为瑞利信道，信道参数满足瑞利分布，且信道参数在一个时隙中保持恒定。另设基站传输的最大功率P_max，信道间的噪声功率为σ²，用户与基站的距离分别为D_i(i＝1,...,K)，每个用户含有一个待发送数据队列长度I_i(i＝1,...,K)，用户的电路门限值分别为α_i(i＝1,...,K)。数能一体化网络模型如图2所示。

S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，设定每个时隙有固定周期T，且划分为τ·T的下行WET阶段和(1-τ)·T的上行WIT阶段，其中0≤τ≤1。在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通过空分多址向基站传输信息。在开始下行WET之前，广播控制帧用于确定该周期基站与用户进行信息交互的参数，包括最优波束设计、每个用户的能量收集概率和上行下行时隙比例分配等，因为控制帧占得时隙比例与另外两部分相比是非常的小，所以在时隙分配中可以忽略。为方便计算，本发明实施例中假设T＝1s。

S2、根据系统特性定义传输策略。

该步骤具体包括以下分步骤：

S21、考虑公平性问题，定义紧急用户设备。定义紧急用户设备是在当前时隙中上行WIT阶段发送数据量大于所有UEs平均数据量的UEs。其中UEs的平均数据量为其中I_i是第i个用户待发送数据队列长度，K是UEs的数目。为了区分将非紧急用户设备表示为紧急用户设备表示为

S22、考虑系统的表现稳定性问题，定义传输策略。在每个时隙中，基站需要保证各用户在上行传输的总数据占所有数据队列至少γ的比例，以保证系统的正常运行，因此传输功率应满足该传输策略限制。

S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设第l个时隙第i个用户的上行信道增益其中，α₀是由RF信号传播环境所确定的常数，β为路径衰落指数，C_i表示阴影衰落，g_l,i∈C^M*1为瑞利衰落系数，C^M*1为M*1矩阵。为了让CSI已知，假设C_i＝1。因此，下行信道信息可简单表示为h_l,i ^H。假设在下行WET中，x_l0为发送信号。则用户在第l时隙的接收信号y_l,i，接收功率P_l,i和接收能量E_l,i可以分别表示为：

y_l,i＝h_l,i ^Hω_lx_l0+n_l,i，i＝1,...,K；

P_l,i＝x_l0 ²h_l,i ^Hω_lω_l ^Hh_l,i，i＝1,...,K；

E_l,i＝ε_iτ_lP_l,i＝ε_iτ_lx_l0 ²h_l,i ^Hω_lω_l ^Hh_l,i，i＝1,...,K。

其中，为接收机噪声，τ_l为下行WET时间，ω_l为M×1的波束向量，且满足||ω_l||²＝1，ω_l ^H为ω_l的赫米特矩阵，x_l0 ²≤P_max，ε_i为能量转换效率，为方便计算，本发明实施例中假设ε_i＝1。

S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率。

该步骤具体包括以下分步骤：

S41、对于第l时隙，假设上行WIT阶段基站接收到第i个用户发射的信号表示为：其中，n_l∈C^M*1表接收机处附加高斯白噪声，并且x_l,i表示第i个用户的发射信号，且满足x_l,i ²＝P_l,i'。用户在基站部署迫零接收机，可以使得上行的信息传输速率与下行的接收功率以及波束设计无关，同时消除了不同用户之间的干扰。

则假设迫零接收波束向量为V＝{v_l,1,...,v_l,K}，这里定义H_-l,i＝[h_l,1,...,h_l,i-1,h_l,i+1,...,h_l,i]^H，i＝1,...,K，对其进行奇异值分解，即 $H_{-l,i}=X_{l,i}{\mathrm{\Λ}}_{l,i}{Y}_{l,i}^H=X_{l,i}{\mathrm{\Λ}}_{l,i}{\[{\stackrel{\‾}{Y_l}}_{,i}{\tilde{Y}}_{l,i}\]}^H.$

其中X_l,i∈C^(K-1)*(K-1),C^(K-1)*(K-1),C^M*(K-1),C^M*(M-K+1)分别表示(K-1)*(K-1)、M*(K-1)以及M*(M-K+1)矩阵。那么，迫零接收机波束向量可表示为 $v_{l,i}^{ZF}=\frac{{\tilde{Y}}_{l,i}{\tilde{Y}}_{l,i}^H{h}_{l,i}}{\left|\right|{\tilde{Y}}_{l,i}^H{h}_{l,i}\left|\right|},$ 信道增益可表示为 ${\tilde{h}}_{l,i}=\left|\right|{\tilde{Y}}_{l,i}^H{h}_{l.i}|{|}^2.$

S42、根据步骤S41所得的迫零接收机波束、接收信号以及信道增益，在已知高斯噪声功率的情况下，根据香农公式确定对应的信息传输速率：其中为基站处附加高斯白噪声。

S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束。

该步骤具体包括以下分步骤：

S51、根据优化目标为最大化能量利用率，考虑到在时隙中紧急用户设备上行必须发送信息的策略，因此我们必须考虑基站的最小发送功率以保证不同接收门限的紧急用户设备能够接收并储存到能量，所以得到基站发送功率下限。假设P_min是能够保证紧急用户设备发送的基站发送功率的下限，表示为其中α_i表示U_i的功率灵敏度，K₁表示紧急用户设备的数目，ε_i＝P_i ^D/P，其中P_i ^D是U_i的下行链路接收功率。

S52、得到各用户U_i的上行链路的发送功率P_i ^U与基站的发送功率P的关系： $P_i^U=\frac{\mathrm{\τ}}{1-\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ϵ}}_{i}P.$

S53、考虑到系统的稳定性，每个时隙发送的数据量满足一定的比例，得到目标函数的约束条件。U_i实际的数据流量I_i可能小于可以用来传输的总能量数R_i，因此要取I_i和U_i中的较小值作为U_i的实际吞吐量。因此，U_i的实际吞吐量R_i表示为

S54、得到优化目标表达式为：

$\begin{array}{c}\underset{P,\mathrm{\τ}}{\max }\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}\stackrel{\‾}{R_i}}{P}=\frac{\underset{\underset{i\∉\mathrm{\Ξ}}{i\∈\mathrm{\Ω}}}{\Σ}{R}_i(P_i^U,\mathrm{\τ})+\underset{i\∈\mathrm{\Ξ}}{\Σ}{I}_i}{P}=\frac{\underset{\underset{i\∉\mathrm{\Ξ}}{i\∈\mathrm{\Ω}}}{\Σ}{R}_i(P,\mathrm{\τ})+\underset{i\∈\mathrm{\Ξ}}{\Σ}{I}_i}{P};\\ s.t.P_{\min }\≤P\≤P_{\max };\\ \underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}\stackrel{\‾}{R_i}\≥\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{I}_i,i=1,\mathrm{...},K.\end{array}$

S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计。

该步骤具体包括以下分步骤：

S61、考虑到UEs有不同的数据传输时的公平性，那些传输量大的和远离基站的UEs需要被分配更多的功率来传输信息。所以要获得最优的波束成形需解决以下问题：

$\underset{\mathrm{\ω}}{\max }min\frac{P_i^D}{I_i}=\frac{{h_i}^H{\mathrm{\ω\ω}}^H{h}_i}{I_i},$ 其中||ω||²≤P。

考虑到波束成形设计只与用户的CSI和数据流量有关，所以固定基站的发射功率为恒定值P，因此这个问题可以转化为其中P_i ^D,I＝ω^HH_iω，并且

S62、求解得到最优波束成形设计。把数据流量看作一个与UEs的CSI相关的参数，主要受到基站和UEs距离的影响。则其中χ_i是U_i的距离参数，解得最优波束成形是 ${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{\′}}{\left|\right|{\mathrm{\ω}}^{\′}\left|\right|}P.$

S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。

该步骤具体包括以下分步骤：

S71、对基站的传输功率范围区间[P_min,P_max]划分子空间。步骤S6已经得到了最优波束成形ω^*，UEs收到的功率可以表示为总吞吐量会随着发送功率P的增加而增加，则总吞吐量的限制也会反映在P的最小值上。根据从小到大的顺序把[P_min,P_max]划分为许多子空间Φ，假设为l个子空间，用Φ_l表示。只需要求出每个子空间中的最优化功率，然后再对比这l个最优功率对应的能量效率，最终就可以得出一个总体最优的基站发送功率。

S72、对其中一个子空间Φ_l求出基站功率的最优化分配。假设该子空间的范围为[P_down,P_up]，并假设在该子空间内，可以进行能量收割的用户集合为Ω，该区间功率对应的可以传输完所有业务量的用户集合为Ξ，显然有那么该空间内的用户能量效率为 $\mathrm{\η}(P,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{\underset{i\∉{\mathrm{\Ξ}}_l}{i\∈{\mathrm{\Ω}}_l}}{\Σ}{R}_i(P,\mathrm{\τ})+\underset{i\∈{\mathrm{\Ξ}}_l}{\Σ}{I}_i}{P}.$

S73、求得能量效率最优解。可以证得，当P＞0时，函数是个递减函数，并且函数也是递减，其中τ^ul表示每个时隙上行分配时间，故当P＞0时函数η也递减，故当P＝P_down时能量效率最优。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；

S2、根据系统特性定义传输策略；

S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；

S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率；

S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束；

S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；

S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。

2.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电路门限值；

S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下行WET阶段和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通过空分多址向基站传输信息。

3.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、考虑公平性问题，定义紧急用户设备；

S22、考虑系统的表现稳定性问题，定义传输策略。

4.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、在基站部署迫零接收机并确定迫零接收机波束、接收信号以及信道增益；

S42、根据步骤S41所得的迫零接收机波束、接收信号以及信道增益，在已知高斯噪声功率的情况下，根据香农公式确定对应的信息传输速率。

5.根据权利要求3所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、得到能够保证紧急用户设备发送的基站发送功率下限；

S52、得到各用户的上行链路的发送功率与基站的发送功率的关系；

S53、考虑到系统的稳定性，每个时隙发送的数据量满足一定的比例，得到目标函数的约束条件；

S54、得到优化目标表达式。

6.根据权利要求5所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、考虑公平性得到最优波束设计的目标函数；

S62、求解得到最优波束设计。

7.根据权利要求5所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、对基站的传输功率范围区间[P_min,P_max]划分子空间；

S72、对其中一个子空间求出基站功率的最优化分配；

S73、求得能量效率最优解。