CN107277925A - 基于信息和能量传输的能量采集协作网络资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于协作传输技术领域，公开了一种基于信息和能量同时传输技术的能量采集网络资源分配方法，获取传输时隙内各子载波上的信道状态信息；根据资源分配算法，计算各子载波上的最优功率分配及确定子载波分配、增量策略、最优功率分割比；有用数据传输过程中，第一时隙，源以计算的功率在各个子载波上广播数据，中继与目的端接收，采用中继转发策略时，源发送功率的一部分用于该时隙的信息传输，另一部分由中继采集用于下一时隙的信息传输，而增量策略决定第二时隙的传输策略，即中继以计算的功率转发信息到目的端，或源以计算的功率发送新数据给目的端。本发明在满足每个用户速率最低要求下，提高了系统的容量和频谱利用率。
Description
技术领域
本发明属于协作传输技术领域，尤其涉及一种基于信息和能量同时传输(SWIPT)技术的能量采集协作网络资源分配方法。
背景技术
目前，在引入SWIPT技术的无线传输网络中，协作传输模式下的资源分配方案已经考虑了单用户系统中多载波上的功率分配和功率分割比(PS)，或者单用户系统中多载波上的功率分配和时间分割比(TS)，或者非协作模式下多用户系统联合考虑了功率分配，功率分割比及子载波分配，以实现系统能量效率或者系统容量最大化，其中传输技术方案一般采用PS协议、TS协议。另外，针对建立的优化模型多为简单的凸优化问题，采用传统的求解凸优化问题的方法(优化工具包，KKT条件)即可，少量的技术方案中建立的模型也有非凸的优化问题，采用的拉格朗日对偶问题求解。
但现有的技术方案存在一些问题：建立单用户模型与实际应用有较大差距，因此考虑多用户的传输系统是有必要的；单纯的多用户非协作模式传输系统，并不能有效地发挥多输入多输出(MIMO)技术的优势，获得分集和复用增益；尽管有些协作传输时考虑多用户的模型，最大化用户和速率，且得到最优的功率分割比以及最优的功率分配，但是并未考虑每个用户的最小速率约束，这使得用户之间的公平性不能得到保证，导致信道条件好的用户会获得更高的传输速率，信道条件下差的用户可能不会被服务。采用传统的转发协议，由于中继的半双工特性，尽管系统性能有所提升，但频谱效率会减半。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法。该算法考虑多用户系统并涉及多个维度变量包括增量策略，子载波分配，功率分割比以及功率分配，在满足每个用户最小的速率约束下，最大化所有用户的和速率；该算法在传输机制选择上采用增量AF-OFDM转发策略，有效地利用第二时隙子载波传输新的信息，从而提高频率效率。
本发明具体的技术方案为：一种基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，所述能量采集协作网络资源分配方法考虑多用户系统并涉及多个维度变量包括增量策略，子载波分配，功率分割比以及功率分配，在满足每个用户最小的速率约束下，最大化所有用户的和速率；该算法在传输机制选择上采用增量放大转发-正交频分复用转发策略，有效地利用第二时隙子载波传输新的信息，从而提高频率效率。
进一步，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法包括：
引入增量策略二进制变量，二进制变量指示第二个时隙传输方式，当第一时隙采用的是直接传输方式时，第二时隙发送新的数据；当第二时隙采用转发方式时，第二时隙中继转发信息到目的端；
中继协作传输过程中找到最佳功率分割比，中继收集到能量用于第二时隙的信息传输；
在两个时隙内每个子载波上分配最佳的功率，满足每个用户最低速率要求下，根据信道条件，将子载波分配给用户，实现系统容量最大化。
进一步，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法进一步包括以下步骤：
获取传输时隙内各子载波上的信道状态信息；根据资源分配算法，计算各子载波上的最优功率分配及确定子载波分配、增量策略、最优功率分割比；有用数据传输过程中，第一时隙，源以计算的功率在各个子载波上广播数据，中继与目的端接收，采用中继转发策略时，源发送功率的一部分用于该时隙的信息传输，另一部分由中继采集用于下一时隙的信息传输，而增量策略决定第二时隙的传输策略，中继以计算的功率转发信息到目的端，或源以计算的功率发送新数据给目的端。
进一步，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法具体包括以下步骤：
步骤一，获取传输时隙内各子载波上的信道状态信息，源节点，中继节点，目的节点分别用S,R,D表示，设链路S→R,R→D,S→D，准静态信道参数分别为hsc,n,k，hcd,n,k，hsd,n,k其中n＝1,2,…,N为子载波n，k表示第k个用户；
步骤二，根据多维度资源分配算法，计算两个时隙子载波n上的最优功率分配psd,n,k，psc,n,k，prc,n,k及确定子载波分配φn,k、增量策略λcn，λdn、最优功率分割比ρ；
所述多维度资源优化算法引入增量策略二进制变量λcn,λdn∈{0,1}，分别表示本次传输两个时隙采用中继转发或者直接传输，设置的变量应满足以下条件：
λcn+λdn＝1；
确定子载波分配(0,1)矩阵[φn,k]N×K,矩阵每一个元素取值如下：
步骤三，有用数据传输过程中，第一时隙，源以计算的功率psd,n,k，psc,n,k在各个子载波上广播数据，中继与目的端接收，中继转发策略下，源发送功率的(1-ρ)比例部分用于该时隙的信息传输，ρ比例的功率由中继采集用于下一时隙的信息传输，根据增量策略，确定第二时隙的传输策略，即中继以计算的功率prc,n,k转发信息到目的端，或源以计算的功率psd,n,k给目的端发送新数据，实现一次完整的信息传输过程。
进一步，所述多维度资源优化算法首先采用二进制变量松弛，将问题化为凸优化问题，然后使用拉格朗日对偶理论求解；固定功率分割比，求解得到的最优的功率分配为：
其中G＝κγn,k+(κηρ-υ)βn,k，[x]+＝max(0,x),μk,υ,κ为拉格朗日乘子；psd,n,k，psc,n,k，prc,n,k分别为两个时隙源和中继在直接传输和转发的发送功率；假设所有链路噪声均为加性高斯白噪声服从均值为零方差为σ2的分布，因此，S→R,R→D,S→D链路信噪比分别为
进一步，采用边缘收益函数来对子载波进行分配，定义边缘收益函数为原优化问题的拉格朗日函数对子载波用户分配变量的一阶偏导值，由于通常情况下信道条件是不同的，因此对于不同的用户来说，边缘收益函数值不同，子载波将分配给使边缘收益函数最大的用户，即
原优化问题的拉格朗日函数为L(p,z,ρ,μ,υ,κ)，直接传输模式下的边缘收益函数Qdn,k为
其中zdn,k表示子载波采用直接传输方式，分配给用户k的情况，子载波n将分配给使得边缘收益函数Qdn,k最大的一个用户k，即
同理，确定zcn,k，zcn,k表示子载波采用协作传输传输方式，分配给用户k的情况，
子载波n将分配给使得边缘收益函数Qcn,k最大的一个用户k，这种分配准则可以达到用户得到较为公平服务的原则，并且算法复杂度很低。
进一步，采用信息和能量同时传输技术，通过一维搜索的方法找到最佳的功率分割比ρ，固定拉格朗日乘子，并且设定充分小的步长，穷举[0,1]中的值，计算功率分配，二进制变量，以及子载波-用户分配变量，直到搜索到使拉格朗日对偶函数最大的ρ*，按照这种能量采集策略进行信息和能量传输可使用户和速率最大化。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法的中继协作传输系统。
本发明的优点及积极效果为：在未增加系统设备成本的基础上，通过设计传输策略，优化多个维度包含增量策略，子载波分配，功率分割比以及功率分配变量，最大化系统容量。相同约束条件下，提出的优化算法获得的用户和速率高于其他算法，具体地，当最小速率约束Rmin＝10bps，源的发射功率为40W时，提出的算法得到的所有用户和速率是采用固定功率分割比为0.55的算法的1.13倍，是平均功率分配算法的1.14倍，是采用传统AF转发协议算法的1.52倍；考虑增量策略，第二时隙在直接传输模式下，源节点发送新的数据，频谱利用率提升了1倍；考虑到每个用户最小的速率约束，这相比其他的仅最大化系统容量的优化模型，更符合实际；对一般凸优化问题可以采用KKT条件求解，但该问题是复杂的非凸优化问题，首先采用二进制变量松弛，转化为凸问题，然后采用拉格朗日对偶问题求解，这为相似的数学模型求解提供了依据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法与其他算法获得的系统容量的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
S101：引入增量策略二进制变量，二进制变量指示第二个时隙传输方式，当第一时隙采用的是直接传输方式时，第二时隙发送新的数据；当第二时隙采用转发方式时，第二时隙中继转发信息到目的端；
S102：中继协作传输过程中找到最佳功率分割比，中继收集到能量用于第二时隙的信息传输；
S103：在两个时隙内每个子载波上分配最佳的功率，满足每个用户最低速率要求下，根据信道条件，将子载波分配给用户，实现系统容量最大化。
本发明建立多用户，单中继协作OFDM传输系统模型，中继R和目的节点Dk,k＝1,2,…,K均为单天线，中继工作在半双工模式下并且具有能量采集的功能，子载波个数为N。整个传输过程分为两个持续时间相等的时隙，第一时隙源发送信息，目的与中继接收信息，中继接收信息的同时采集能量，第二时隙检测信道状态信息，判断采用直接传输还是转发模式，转发模式下，该阶段中继发送信息的能量源于上一时隙收集到的射频信号的能量，目的端使用最大比值合并方式形成接收信号，直接传输模式下，该阶段源发送个新的数据给目的节点。一次完整的传输过程中，两个时隙占用同一个信道进行传输信息，即都在子载波n上传输。
基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，首先，引入增量策略二进制变量，表示传输模式的选择，设置λcn,λdn∈{0,1},n＝1,2,…,N且满足λcn+λdn＝1,当λcn＝0,λdn＝1时表示直接传输方式，当λcn＝1,λdn＝0时，表示协作模式。
其次，考虑SWIPT技术，中继采用基于功率分割协议的接收机结构，设功率分割比为ρ，0≤ρ≤1，源节点在子载波n发送功率的ρ部分由中继节点收集存储，用于第二时隙的信息转发，发送功率的(1-ρ)部分用于第一时隙内的信息传输。因为功率分割操作在数字OFDM解调之前的模拟域进行，所以假设所有子载波上具有相同的功率分割比。
再次，对信道进行合理分配，在满足每个用户的可达速率高于设定门限速率的情况下，为了使系统的所有用户和速率达到最大，需要对子载波进行分配，用矩阵Φ＝[φn,k]N×K指示子载波分配给哪个用户，矩阵元素φn,k＝1表示当前子载波n分配给用户k，φn,k＝0表示当前子载波n未分配给用户k，由于优化目标是最大化所有用户和速率，则应充分利用子载波，因此子载波不存在空闲状态。另外，一般情况下，子载波个数大于用户数目，即N＞K，为了避免干扰，每个子载波只允许分配给一个用户，而为了使得每个用户得到更好的服务，一个用户能够得到多个子载波，即
最后，采用注水算法计算在每个传输时隙的每个子载波上分配的最佳功率，即psd,n,k，psc,n,k，和prc,n,k，系统按照最佳的功率分配进行信息传输。传输过程两种方式下获得的互信息量计算如下：
非协作模式下，假设两个时隙考虑在同一子载波上进行信息传输，两个时隙的互信息量相等，因此总互信息量可以表示为
In,k,NC＝2log2(1+psd,n,k·γn,k)
协作模式下，的互信息量为
因此，第k个用户的接收速率为
综合上述描述的优化问题，建立以最大化所有用户和速率为优化目标，满足源节点总发送功率不超过最大限制PSM，中继节点转发信息消耗的总功率PR不超过第一时隙采集到的能量，每个用户速率不低于最小速率Rmin等约束的数学优化模型：
其中，优化变量P＝{psd,n,k,psc,n,k,prc,n,k}是节点的发送功率，ρ是功率分割比，表示中继采集到的源节点发送功率的ρ部分，λ＝{λcn,λdn}是增量策略二进制变量，Φ＝[φn,k]N×K是子载波-用户分配矩阵，η为中继的能量转换效率。该数学优化模型为MINLP问题，且不是凸问题，需要对二进制变量进行处理，再进行求解。
分析模型中二进制变量φn,k与λ＝{λcn,λdn}之间的关系，令zcn,k＝φn,kλcn，zdn,k＝φn,kλdn，zcn,k,zdn,k∈{0,1}，且满足zcn,k+zdn,k＝1,zcn,k＝1且zdn,k＝0表示子载波n上的数据采用转发方式发送给用户k，zcn,k＝0且zdn,k＝1子载波n上的数据采用直接传输方式发送给用户k，由于实际问题，一次传输中每个子载波仅能选择一种传输方式，子载波n不能处于空闲状态，因此zcn,k和zdn,k不能同时取1，也不能同时为零。确定了zcn,k和zdn,k的取值，可以唯一确定φn,k和λ＝{λcn,λdn}。二进制变量zcn,k和zdn,k进行松弛处理：其中0≤zcn,k≤1，0≤zdn,k≤1，将代入(4-7)中，优化模型转化为
松弛之后该问题为凸优化问题，采用对偶理论对其求解，拉格朗日函数表示为
其中，μ＝[μ1,μ2,…,μK],υ,κ是拉格朗日乘子，根据定义其拉格朗日对偶函数为
上式给出了原问题最优值的上界，该问题现在凸优化问题，转化为对偶问题进行求解，对偶问题如下：
对该优化问题的求解过程具体如下：
首先，固定对偶变量、功率的分割比、以及二进制变量，对功率分配变量进行优化，将拉格朗日函数进行分解为K×N独立子问题
另外，采用KKT条件，对上式关于每个功率求偏导，找到最优的进而求得最优功率分配
其中G＝κγn,k+(κηρ-υ)βn,k，[x]+＝max(0,x)。
其次，确定增量策略中的二进制变量λ＝{λcn,λdn}和子载波-用户分配矩阵Φ＝[φn,k]N×K，采用边缘收益函数确定zcn,k和zdn,k。
对拉格朗日函数关于zdn,k的求偏导，令其为Qdn,k，即
Qdn,k为定义的边缘收益函数，确定子载波-用户分配的一种准则，子载波n将分配给使得边缘收益函数Qdn,k最大的一个用户k，即
同理，确定zcn,k，
分析可知可能存在当前用户直接传输边缘收益函数Qdn,k和协作传输边缘收益函数Qcn,k均是最大的情况，使得zcn,k＝zdn,k＝1，因此，需要进一步判断分配给当前用户的子载波采用的是哪种传输方案。当子载波n确定分配给用户k后，通过比较直接传输和协作传输两种方式下用户获得的速率的大小，来确定λdn和λcn。
因此，二进制变量可以由下式唯一确定：
最后，确定每个子载波上的功率分割比ρ，采用一维搜索的方法找到最佳的功率分割比ρ，即设定在充分小的步长，穷举[0,1]中的值，搜索到使拉格朗日对偶函数最大的ρ*。
上述过程先后确定了最优的功率，子载波-用户分配矩阵，增量策略二进制变量和功率分割比，这些均是在固定拉格朗日乘子的前提下得到的，下面采用次梯度方法更新对偶变量，找到使所有用户和速率最大的解。次梯度为
乘子迭代公式为
κ(tj+1)＝[κ(tj)-τ(tj)Δκ]+
υ(tj+1)＝[υ(tj)-ο(tj)Δυ]+
其中tj为更新迭代次数，τ(tj),ο(tj)为最小下降的迭代步长。
对本发明提出算法的复杂度进行分析，计算复杂度主要由ρ的搜索次数M，分配矩阵的确定收敛迭代次数V决定，计算功率的复杂度为2N×K，确定分配矩阵的复杂度为N×K，因此该算法复杂度为O(V×M×(3N×K))。
图2为本发明优化算法与其他算法的仿真对比图，可以看出相同条件下，本发明提出的算法得到的所有用户和速率最大，当源节点的发送功率为40W时，提出的算法得到的所有用户和速率是采用固定功率分割比为0.55的算法的1.13倍，是平均功率分配算法的1.14倍，是采用传统AF转发协议算法的1.52倍。随着源发射功率的增加，所有用户和速率增加。
本发明以最大化所有用户和速率为目标，提出了一种基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，所述能量采集协作网络资源分配方法考虑多用户系统并涉及多个维度变量包括增量策略，子载波分配，功率分割比以及功率分配，在满足每个用户最小的速率约束下，最大化所有用户的和速率；该算法在传输机制选择上采用增量放大转发-正交频分复用转发策略，有效地利用第二时隙子载波传输新的信息，从而提高频率效率。
2.如权利要求1所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法包括：
引入增量策略二进制变量，二进制变量指示第二个时隙传输方式，当第一时隙采用的是直接传输方式时，第二时隙发送新的数据；当第二时隙采用转发方式时，第二时隙中继转发信息到目的端；
中继协作传输过程中找到最佳功率分割比，中继收集到能量用于第二时隙的信息传输；
在两个时隙内每个子载波上分配最佳的功率，满足每个用户最低速率要求下，根据信道条件，将子载波分配给用户，实现系统容量最大化。
3.如权利要求1所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法进一步包括以下步骤：
获取传输时隙内各子载波上的信道状态信息；根据资源分配算法，计算各子载波上的最优功率分配及确定子载波分配、增量策略、最优功率分割比；有用数据传输过程中，第一时隙，源以计算的功率在各个子载波上广播数据，中继与目的端接收，采用中继转发策略时，源发送功率的一部分用于该时隙的信息传输，另一部分由中继采集用于下一时隙的信息传输，而增量策略决定第二时隙的传输策略，中继以计算的功率转发信息到目的端，或源以计算的功率发送新数据给目的端。
4.如权利要求3所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法具体包括以下步骤：
步骤一，获取传输时隙内各子载波上的信道状态信息，源节点，中继节点，目的节点分别用S,R,D表示，设链路S→R,R→D,S→D，准静态信道参数分别为hsc,n,k，hcd,n,k，hsd,n,k其中n＝1,2,…,N为子载波n，k表示第k个用户；
步骤二，根据多维度资源分配算法，计算两个时隙子载波n上的最优功率分配psd,n,k，psc,n,k，prc,n,k及确定子载波分配φn,k、增量策略λcn，λdn、最优功率分割比ρ；
所述多维度资源优化算法引入增量策略二进制变量λcn,λdn∈{0,1}，分别表示本次传输两个时隙采用中继转发或者直接传输，设置的变量应满足以下条件：
λcn+λdn＝1；
确定子载波分配(0,1)矩阵[φn,k]N×K,矩阵每一个元素取值如下：
步骤三，有用数据传输过程中，第一时隙，源以计算的功率psd,n,k，psc,n,k在各个子载波上广播数据，中继与目的端接收，中继转发策略下，源发送功率的(1-ρ)比例部分用于该时隙的信息传输，ρ比例的功率由中继采集用于下一时隙的信息传输，根据增量策略，确定第二时隙的传输策略，即中继以计算的功率prc,n,k转发信息到目的端，或源以计算的功率psd,n,k给目的端发送新数据，实现一次完整的信息传输过程。
5.如权利要求1所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，所述多维度资源优化算法首先采用二进制变量松弛，将问题化为凸优化问题，然后使用拉格朗日对偶理论求解；固定功率分割比，求解得到的最优的功率分配为：
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其中G＝κγn,k+(κηρ-υ)βn,k，[x]+＝max(0,x),μk,υ,κ为拉格朗日乘子；psd,n,k，psc,n,k，prc,n,k分别为两个时隙源和中继在直接传输和转发的发送功率；假设所有链路噪声均为加性高斯白噪声服从均值为零方差为σ2的分布，因此，S→R,R→D,S→D链路信噪比分别为
6.如权利要求1所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，采用边缘收益函数来对子载波进行分配，定义边缘收益函数为原优化问题的拉格朗日函数对子载波用户分配变量的一阶偏导值，由于通常情况下信道条件是不同的，因此对于不同的用户来说，边缘收益函数值不同，子载波将分配给使边缘收益函数最大的用户，即
原优化问题的拉格朗日函数为L(p,z,ρ,μ,υ,κ)，直接传输模式下的边缘收益函数Qdn,k为
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其中zdn,k表示子载波采用直接传输方式，分配给用户k的情况，子载波n将分配给使得边缘收益函数Qdn,k最大的一个用户k，即
同理，确定zcn,k，zcn,k表示子载波采用协作传输传输方式，分配给用户k的情况，
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2
子载波n将分配给使得边缘收益函数Qcn,k最大的一个用户k，这种分配准则可以达到用户得到较为公平服务的原则，并且算法复杂度很低。
7.如权利要求1所述的基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法，其特征在于，采用信息和能量同时传输技术，通过一维搜索的方法找到最佳的功率分割比ρ，固定拉格朗日乘子，并且设定充分小的步长，穷举[0,1]中的值，计算功率分配，二进制变量，以及子载波-用户分配变量，直到搜索到使拉格朗日对偶函数最大的ρ*，按照这种能量采集策略进行信息和能量传输可使用户和速率最大化。
8.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于信息和能量同时传输技术的能量采集协作网络资源分配方法的中继协作传输系统。
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