CN106101048A - 一种基于ofdm子载波分配的无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，在该方法中，接收端根据信道状态使用一部分子载波接收信息，视野剩余部分子载波收集能量。接收端只需要知道哪些子载波用于信息接收，哪些子载波进行能量接收，即接收端只要知道用于信息接收和能量接收的子载波序号，接收端不需要增加分配器。本发明有效降低了接收端的设计复杂度。

Description

一种基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的无线携能通信技术领域，尤其是一种携能通信方法。

背景技术

近年来，无线通信系统业务需求与日俱增，数据量呈指数式增长，人们除了面临无线频谱资源告急的局面，同时也面临着能量资源过度消耗的挑战。随着科技的飞速发展，跨学科、多平台的整合与集成逐渐成为技术创新的重要趋势和产业进步的源源动力，可持续科学发展迫切需要整合当前通信技术与能源技术的现有研究成果，在满足人们对高效可靠的信息交互需求的同时有效应对能源和频谱短缺的压力。无线携能通信技术通过接收周围环境中的射频信号，在提取信息的同时收集能量。实现高效可靠信息通信的同时充分利用宝贵的能量资源，不仅提高了能量的利用率，同时也为无线系统设计和无线资源分配引入革命性的变化。

现有的无线携能通信技术主要基于两种方法：功率分配方法和时间转换方法。在功率分配方法中，接收端利用一部分接收到的功率进行信息解码，利用剩余的功率进行能量接收。在时间转换方法中，接收端在一个时隙中利用全部接收到的功率进行信息解码、另一个时隙进行能量接收。这两种方法中，接收端需要增加一个功率分配器或者时间转换器来进行信息解码和能量接收，因此增加了接收端的设计复杂度。

发明内容

为了克服现有无线携能通信方法中接收端设计复杂度高的问题，本发明提供一种有效降低接收端设计复杂度的基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，无线携能通信系统由一对发送端(Tx)和接收端(Rx)组成，发送端有K个子载波，所述基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)发送端发送信息给接收端，接收端利用一部分子载波接收信息；

2)计算接收端获得的信息速率R；

3)如果R≥R_T，则接收端利用剩余部分的子载波收集能量；

接收端的子载波分配问题建模为：

$\underset{G_E}{\max }Q---\left(1\right)$

满足以下条件

R≥R_T (2)

其中R_T表示接收端的目标信息速率，R和Q分别表示接收端接收到的信息速率和能量。

通过拉格朗日乘子法获得上述的最优子载波分配：

$G_I^{*}=\underset{G_I}{\arg \max }\underset{k\∈G_I}{\Σ}{F}_k---\left(3\right)$

$G_E^{*}=N-G_I^{*}---\left(4\right)$

其中，G_I和G_E分别表示用于接收信息和能量的子载波集合，N＝{1,2,3,...,K}，

$F_k=\mathrm{\β}\ln (1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2})-p_k{h}_k-{\mathrm{\σ}}_k^2---\left(5\right)$

其中，β表示拉格朗日乘子，h_k表示发送端到接收端在第k个子载波上的信道增益，表示在第k个子载波上的信道噪声方差，p_k表示在第k个子载波上分配的功率。

进一步，所述步骤2)中，接收端收到的信息速率R通过以下方法获得：

$R=\underset{k\∈G_I}{\Σ}{\log }_2(1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2})---\left(6\right)$

p_k按照注水算法进行分配：

$p_k={(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{h_k})}^{+}---\left(7\right)$

其中λ为拉格朗日乘子。

再进一步，所述步骤3)中，接收端收到的能量Q通过以下方法获得：

$Q=\mathrm{\ξ}\underset{k\∈G_E}{\Σ}(p_k{h}_k+{\mathrm{\σ}}_k^2)---\left(8\right)$

其中ξ表示接收端的能量转换效率。

本发明的技术构思为：现有的无线携能通信方法中接收端需要增加一个功率分配器或者时间转换器来进行信息解码和能量接收，因此增加了接收端的设计复杂度。本专利方法中接收端分别使用不同的子载波进行信息接收和能量收集，接收端不再需要增加分配器，能够有效降低接收端的设计复杂度。

本发明的有益效果主要表现在：接收端不需要增加分离器，降低了接收端的设计复杂度。

附图说明

图1是本发明方法的基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法系统模型示意图，其中，Tx为发射端，Rx为接收端；

图2是本发明方法的子载波集合分配图和每个子载上波收集到的能量或者接收到的速率图，其中，(a)是收集的能量；(b)是接收的速率；

图3为本发明方法的不同目标速率下接收端收集到的能量随着发送端总功率的变化图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，是基于现有的无线通信系统实现的，所述无线携能通信系统由一对发送端(Tx)和接收端(Rx)组成，发送端有K个子载波。

本实施方式的方法中，发送端发送信息给接收端，接收端根据信道状态利用一部分子载波接收信息。如果接收到收到的信息速率R大于目标速率，即R≥R_T，则剩余的子载波用于收集能量。

本实施方式中接收端接收到的信息速率R和收集到的能量Q可以通过以下方法获得：

$R=\underset{k\∈G_I}{\Σ}{\log }_2(1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2})---\left(6\right)$

$Q=\mathrm{\ξ}\underset{k\∈G_E}{\Σ}(p_k{h}_k+{\mathrm{\σ}}_k^2)---\left(8\right)$

其中ξ表示接收端的能量转换率，G_I和G_E分别表示用于接收信息和能量的子载波集合，h_k表示发送端到接收端在第k个子载波上的信道增益，表示在第k个子载波上的信道噪声方差，p_k表示在第k个子载波上分配的功率，按照注水算法进行分配：

$p_k={(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{h_k})}^{+}---\left(7\right)$

其中λ为拉格朗日乘子。

本实施方式中的子载波分配方法具体为：

接收端的子载波分配问题建模为：

$\underset{G_E}{\max }Q---\left(1\right)$

满足以下条件

R≥R_T (2)

其中R_T表示用户的目标信息速率。

通过拉格朗日乘子法获得上述的最优子载波分配：

$G_I^{*}=\underset{G_I}{\arg \max }\underset{k\∈G_I}{\Σ}{F}_k---\left(3\right)$

$G_E^{*}=N-G_I^{*}---\left(4\right)$

其中N＝{1,2,3,...,K}，

$F_k=\mathrm{\β}In(1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2})-p_k{h}_k-{\mathrm{\σ}}_k^2---\left(5\right)$

其中β表示拉格朗日乘子。

本实施例的基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，能够有效降低接收端的设计复杂度。

本实施例的无线携能通信方法中，接收端使用G_I中的子载波进行信息接收，使用G_E中的子载波进行能量收集，接收端只需要知道哪些子载波用于信息接收，哪些子载波进行能量接收，即接收端只要知道用于信息接收和能量接收的子载波序号，所以不用在接收端增加分配器，能够有效降低接收端的设计复杂度。

在本实施方式中，我们使信道中心频率为1.9GHz，发送端和接收端距离为5米，因此视距传输占主要作用，信道可以建模为其中，表示视距传输部分， 表示瑞利衰落部分。M表示在g(k)中视距传输和瑞利衰落所占的比例，子载波k上的信道功率增益定义为h(k)＝|g(k)|²。我们使M＝3，噪声功率谱密度为-50dBm，子载波个数K为32。图2中显示了本发明中发送端总功率为0.5W，目标速率为5bps/Hz的子载波集合分配和每个子载波收集到的能量或者接收到的速率。图3显示了接收端接收到的能量随着目标速率的提高而减少。

Claims (3)

1.一种基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，无线携能通信系统由一对发送端Tx和接收端Rx组成，发送端有K个子载波，其特征在于：所述基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法包括以下步骤：

1)发送端发送信息给接收端，接收端利用一部分子载波接收信息；

2)计算接收端获得的信息速率R；

3)如果R≥R_T，则接收端利用剩余部分的子载波收集能量；

接收端的子载波分配问题建模为：

$\underset{G_E}{max}Q---\left(1\right)$

满足以下条件

R≥R_T (2)

其中R_T表示接收端的目标信息速率，R和Q分别表示接收端接收到的信息速率和能量。

通过拉格朗日乘子法获得上述的最优子载波分配：

$G_I^{*}=\underset{G_I}{\mathrm{argmax}}\underset{k\∈G_I}{\Σ}{F}_k---\left(3\right)$

$G_E^{*}=N-G_I^{*}---\left(4\right)$

其中，G_I和G_E分别表示用于接收信息和能量的子载波集合，N＝{1,2,3,...,K}，

$F_k=\mathrm{\β}ln\left(1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2}\right)-p_k{h}_k-{\mathrm{\σ}}_k^2---\left(5\right)$

其中，β表示拉格朗日乘子，h_k表示发送端到接收端在第k个子载波上的信道增益，表示在第k个子载波上的信道噪声方差，p_k表示在第k个子载波上分配的功率。

2.如权利要求1所述的基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，接收端接收到的信息速率R通过以下方法获得：

$R=\underset{k\∈G_I}{\Σ}{\log }_2\left(1+\frac{p_k{h}_k}{{\mathrm{\σ}}_k^2}\right)---\left(3\right)$

p_k按照注水算法进行分配：

$p_k={(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{h_k})}^{+}---\left(7\right)$

其中λ为拉格朗日乘子。

3.如权利要求1或2所述的基于OFDM子载波分配的无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤3)中，接收端接收到的能量Q通过以下方法获得：

$Q=\mathrm{\ξ}\underset{k\∈G_E}{\Σ}(p_k{h}_k+{\mathrm{\σ}}_k^2)---\left(4\right)$

其中ξ表示接收端的能量转换效率。