CN107613567A - 一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，应用于无线携能传输非正交多址接入的通信系统，包括：步骤1、设置初始的能量效率q⁰，设置初始数值n＝0；步骤2、令n＝n+1，设置第一时间分配系数第二时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和发射功率P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾；步骤3、判断q⁽ⁿ⁾‑q^(n‑1)＜ε是否成立，若是，进入步骤4，若否，进入步骤5；其中，ε为误差阈值；步骤4、确定τ⁽ⁿ⁾为最优时间分配系数，确定P⁽ⁿ⁾为最优发射功率；步骤5、令n＝n+1，把τ^(n‑1)、P^(n‑1)代入函数F(τ₀,τ,q,P)中，利用内点法求出P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾，进入步骤3。该方法实现提高能量利用效率。

Description

一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术领域，特别是涉及一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法。

背景技术

目前，电池的寿命一直是现代无线移动设备的一项重要指标之一，无线设备在数量多的情景下进行电池的更换或再充电是非常麻烦和高成本的。针对这种情况，无线能量传输技术被提出来解决电池寿命的问题。这个技术利用电磁波的远场辐射特性，无线设备可以接收从能量发射机发射的射频信号，能量发射机的能量可以通过各种可再生能源例如太阳能、风力、水力等收集能量。无线能量传输技术适用于支持低功耗的无线设备如：无线射频识别、无线传感器、移动通讯设备等，由于天线技术和射频芯片技术的日趋成熟，这个技术将会运用在物联网、大规模无线传感网络等应用场景中。

现今，世界正面临着能源危机和环境污染的两大问题，节能减排已经成为各个行业的一项重要指标，因此，在通信行业中产生了一种新的概念“绿色通信”。绿色通信是以节能减耗为目标的无线通信，主要的机制是保证用户传输质量和传输速率的同时，尽可能的降低能耗，减少碳排放量，其中有一项重要的指标被用来判断绿色通信的性能——能量效率，所以，如何设计合适的资源分配方案使得能量效率最大化尤为重要。

非正交多址接入(NOMA)在第五代移动通信网络中被提出用来提高频谱效率和吞吐量的新多址接入技术。该技术采用在发送端采用非正交发送，在接收端通过设计串行干扰的接收机实现正确解调。不同于其他正交多址接入(OMA)技术，NOMA在时域和频域上的资源不再只分配给一个用户，而是多个用户共享同一个资源，从而大大提高无线频谱效率、吞吐量和用户的接入量。

现在已有的基于无线输能的无线传感网络资源分配方案由论文“Throughputmaximization in wireless powered communication networks,”IEEETrans.Wireless.Commun.,vol.13,no.1,pp.418-428,Jan.2014给出。这篇文章描述了能量和时间分配的方案，提出优化分配能量的能量波束成型向量和每个用户发送信息的时隙系数，目的是最大化用用户到基站的吞吐量，该论文的系统是基于OMA，而不是基于NOMA的。论文“Energy efficient resource allocation for wireless powered communicationnetworks,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.15,no.3,pp.2312–2327,Mar.2016描述了基于无线携能的时分多址接入(TDMA)的用户的功率分配和能量、信息传输的时间分配方案，优化每个用户的发射功率和每个用户发送信息的时隙系数和能量传输的时隙系数，目的是最大化系统的能量效率，该论文也是基于OMA，而不是基于NOMA的。相似的专利有“一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机”，这篇专利描述了一个基于无线携能传输系统中的信号接收方法和接收机的设计，同时在接收机上设计能量和信息接收的时间分配，提高系统的性能。

现有技术已有的资源分配方案，主要缺点是节点发送信息的方案是采用时分多址技术(TDMA)进行传输信息，虽然可以保证用户间不会相互受到干扰，但在目前频谱资源的紧缺下，会占用很多的无线频谱资源，具有较低的频谱效率，对未来无线通信的发展是不利。在已有的基于无线输能的无线传感网络中，无论信道状态信息的好坏，节点都会用尽所有的能量来进行信息传输，当遇到信道状态信息很差的时候，节点就会消耗更多的能量进行信息传输，这样会降低节点的能量利用效率，造成很多不必要的能量损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，以实现提高能量利用效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，该方法应用于无线携能传输非正交多址接入的通信系统，包括：

步骤1、设置初始的能量效率q⁰，设置初始数值n＝0；

步骤2、令n＝n+1，设置第一时间分配系数第二时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和发射功率P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾；

其中，p_k表示能量节点k进行信息传输的发射功率；R_tot函数表示吞吐量，E_tot函数表示能量损耗；

步骤3、判断q⁽ⁿ⁾-q^(n-1)＜ε是否成立，若是，进入步骤4，若否，进入步骤5；其中，ε为误差阈值；

步骤4、确定τ⁽ⁿ⁾为最优时间分配系数，确定P⁽ⁿ⁾为最优发射功率；

步骤5、令n＝n+1，把τ^(n-1)、P^(n-1)代入函数F(τ₀,τ,q,P)中，利用内点法求出P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾，进入步骤3。

优选的，所述通信系统的整个通信链路分为两部分，包括：从能量基站到多个能量节点的通信链路和从能量节点到信息接收机的通信链路。

优选的，从能量基站到多个能量节点的通信链路设置为PU链路，表示k个能量节点在PU链路的信道，k＝1，2…，K，其中d_k ^PU表示能量基站到能量节点k的距离，α表示能量基站到能量节点k的路径衰落因子，g_k ^small为能量基站到第k个能量节点的小尺度衰落信道状态信息。

优选的，从能量节点到信息接收机的通信链路设置为UI链路，表示k个能量节点在UI链路的信道，k＝1，2…，K，其中表示能量节点k到信息接收机的距离，α表示能量节点k到信息接收机的路径衰落系数，h_k ^cmall为第k个能量节点到信息接收机的小尺度衰落信道状态信息。

优选的，所述通信系统的运行时间T分为两个时隙，分别为(1-τ)T和τT，其中τ∈[0，1]；所述通信系统的运行过程包括：在第一个时隙τ₀T，能量基站给k个能量节点发送能量；在第二个时隙τT，能量节点利用接收到的能量把采集的信息同时同频发送给信息接收机。

优选的，对于所述通信系统，能量基站获取从基站到节点的信道状态信息g_k，其中k＝1，2…，K，构造矩阵其中ζ_k为能量节点k的能量接收效率，构造矩阵A＝(G-I)，I为单位矩阵，把A进行奇异值分解：然后取Γ中最大的奇异值λ₁和在V_G中与λ₁所对应的列向量v₁，将v₁与基站的最大发射功率P_max构成最优的能量波束成型向量

优选的，F(τ₀，τ，q，P)＝R_tot(τ，P)-qE_tot(τ₀，τ，P)；

函数

函数

其中，p_c表示节点电路所消耗的能量，p_e表示基站电路所消耗的能量；利用内点法求P⁽ⁿ⁾使得函数F(τ₀，τ，q，P)最大。

优选的，误差阈值ε＝10^-5。

本发明所提供的一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，应用于无线携能传输非正交多址接入的通信系统，包括：步骤1、设置初始的能量效率q⁰，设置初始数值n＝0；步骤2、令n＝n+1，设置第一时间分配系数第二时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和发射功率P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾；其中，p_k表示能量节点k进行信息传输的发射功率；R_tot函数表示吞吐量，E_tot函数表示能量损耗；步骤3、判断q⁽ⁿ⁾-q^(n-1)＜ε是否成立，若是，进入步骤4，若否，进入步骤5；其中，ε为误差阈值；步骤4、确定τ⁽ⁿ⁾为最优时间分配系数，确定P⁽ⁿ⁾为最优发射功率；步骤5、令n＝n+1，把τ^(n-1)、P^(n-1)代入函数F(τ₀，τ，q，P)中，利用内点法求出P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾，进入步骤3。可见，在信息传输方案中采用非正交多址接入，同时采用交替优化的节点功率和能量、信息传输的时间分配系数的设计方法，使系统的能量效率达到最大化，与传统的TDMA资源分配方案相比，不仅能更充分地利用有限的频谱资源，而且具有更高的能量利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法的流程图；

图2为无线携能传输非正交多址接入的通信系统示意图；

图3为能量效率最大化的能量波束成型设计流程图；

图4为传感网络能量效率最大化的资源分配流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，以实现提高能量利用效率。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法的流程图，该方法应用于无线携能传输非正交多址接入的通信系统，该方法包括：

步骤1、设置初始的能量效率_q ⁰，设置初始数值n＝0；

步骤2、令n＝n+1，设置第一时间分配系数第二时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和发射功率P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾；

其中，p_k表示能量节点k进行信息传输的发射功率；R_tot函数表示吞吐量，E_tot函数表示能量损耗；

步骤3、判断q⁽ⁿ⁾-q^(n-1)＜ε是否成立，若是，进入步骤4，若否，进入步骤5；

其中，ε为误差阈值；

步骤4、确定τ⁽ⁿ⁾为最优时间分配系数，确定P⁽ⁿ⁾为最优发射功率；

步骤5、令n＝n+1，把τ^(n-1)、P^(n-1)代入函数F(τ₀，τ，q，P)中，利用内点法求出P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾，进入步骤3。

可见，在信息传输方案中采用非正交多址接入，同时采用交替优化的节点功率和能量、信息传输的时间分配系数的设计方法，使系统的能量效率达到最大化，与传统的TDMA资源分配方案相比，不仅能更充分地利用有限的频谱资源，而且具有更高的能量利用效率。

基于上述方法，具体的，所述通信系统的整个通信链路分为两部分，包括：从能量基站到多个能量节点的通信链路和从能量节点到信息接收机的通信链路。图2为无线携能传输非正交多址接入的通信系统示意图。在通信系统中，无线携能传输非正交多址接入的通信网络存在一个多天线的能量基站，多个能量接收节点和一个信息接收机，节点和信息接收机均为单天线，通信系统中能量基站负责发送能量给多个能量节点，能量节点依靠接收到的能量用于发送采集到的信息给信息接收机。

其中，从能量基站到多个能量节点的通信链路设置为PU链路，即从能量基站到多个能量节点的通信链路，在这里假设为PU链路，表示k个能量节点在PU链路的信道，k＝1，2…，K，其中d_k ^PU表示能量基站到能量节点k的距离，α表示能量基站到能量节点k的路径衰落因子，g_k ^small为能量基站到第k个能量节点的小尺度衰落信道状态信息。能量节点也称为传感器节点。

其中，从能量节点到信息接收机的通信链路设置为UI链路，即从能量节点k到信息接收机的通信链路，假设为UI链路，表示k个能量节点在UI链路的信道，k＝1，2…，K，其中表示能量节点k到信息接收机的距离，α表示能量节点k到信息接收机的路径衰落系数，h_k ^small为第k个能量节点到信息接收机的小尺度衰落信道状态信息。

其中，通信系统的运行时间T分为两个时隙，分别为(1-τ)T和τT，其中τ∈[0,1]；所述通信系统的运行过程包括：在第一个时隙τ₀T，能量基站给k个能量节点发送能量；在第二个时隙τT，能量节点利用接收到的能量把采集的信息同时同频发送给信息接收机。

在第一个时隙里面，由于能量基站是多天线的，因此利用能量波束成型技术，给k个能量节点分配不同的能量。不仅可以合理的分配能量，而且还大大提高从能量节点到信息接收机的可达速率和降低问题的复杂度，从而提高整个通信系统的性能。

在第二个时隙里面，由于多个能量节点是同时发送信息给信息接收机，信息接收机会同时收到多个能量节点的发送的信息，每个信息相互间会造成同频干扰。本文中使用串行干扰消除方案解码接收到的信息，假设信息接收机首先解码第一个能量节点，最后解码第K个节点。当它解码第一个节点的信息信号时，第二个节点到第K个节点的信息会被当作是干扰；当信息接收机解码第二个节点的信息时，第三个节点到第K个节点的信息会被当作是干扰，如此类推。通过这个技术可以有效的提高系统的吞吐量和频谱效率，从而提高系统的性能。

其中，对于通信系统，能量基站获取从基站到节点的信道状态信息g_k，其中k＝1，2…，K，构造矩阵其中ζ_k为能量节点k的能量接收效率，构造矩阵A＝(G-I)，I为单位矩阵，把A进行奇异值分解：然后取Γ中最大的奇异值λ₁和在V_G中与λ₁所对应的列向量v₁，将v₁与基站的最大发射功率P_max构成最优的能量波束成型向量如此完成能量基站最大化能量的能量波束成型设计。图3为能量效率最大化的能量波束成型设计流程图。

进一步的，步骤5中，F(τ₀，τ，q，P)＝R_tot(τ，P)-qE_tot(τ₀，τ，P)；

其中，函数

其中，函数

其中，pc表示节点电路所消耗的能量，p_e表示基站电路所消耗的能量；利用内点法求P⁽ⁿ⁾使得函数F(τ₀,τ,q，P)最大。

可选的，误差阈值ε＝10^-5。

本发明在无线携能传输的无线传感网络中多个节点非正交的信息传输方案，多个节点同时在同一个频段上进行信息传输，目的是有效地提高频谱利用效率，同时设计一种优化节点发射功率和能量传输、信息传输的时间分配系数的交替优化方法，使得系统的能量效率最大。

更详细的，本方法采用联合优化用户功率和能量、信息传输时间的交替优化算法使得系统的总能量效率达到最大化，本方法具体步骤如下：

(1)初始化：设置初始的能量效率q⁰,n＝0，误差阈值ε＝10^-5；

(2)令n＝n+1,设置τ⁽ⁿ⁾和P⁽ⁿ⁾，其中p_k表示节点k信息传输的发射功率，计算能量效率

(3)如果q⁽ⁿ⁾-q^(n-1)＜ε,得到最优的时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和节点最优的发射功率P⁽ⁿ⁾，否则重复(4)、(5)、(6)直到得到最优解；

(4)令n＝n+1；把τ^(n-1)、P^(n-1)代入函数F(τ₀,τ,q,P)中；

其中，F(τ₀,τ,q,P)＝R_tot(τ,P)-qE_tot(τ₀,τ,P)，R_tot(τ,P)和E_tot(τ₀,τ,P)分别表示为系统的吞吐量和系统的能量损耗，表达式如下：

其中，

其中P_c和P_e分别表示为节点电路所消耗的能量和基站电路所消耗的能量；

然后利用内点法求P⁽ⁿ⁾使得函数F(P)即F(τ₀,τ,q,P)最大；

(5)把P⁽ⁿ⁾代入函数C(P)；

如果C(Pⁿ)＞0， 其中Q_k为节点的初始能量，否则其中R_min表示系统要满足的最小吞吐量，

(6)计算参考图4，图4为传感网络能量效率最大化的资源分配流程图。

本发明的优点是采用能量波束成型进行无线能量传输，提高了使用率，在信息传输方案中采用非正交多址接入，同时采用交替优化的节点功率和能量、信息传输的时间分配系数的设计方法，使系统的能量效率达到最大化，与传统的TDMA资源分配方案相比，不仅能更充分地利用有限的频谱资源即具有更高的频谱使用效率，而且具有更高的能量使用效率。

以上对本发明所提供的一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于无线输能的无线传感网络资源分配方法，其特征在于，应用于无线携能传输非正交多址接入的通信系统，包括：

步骤1、设置初始的能量效率q⁰，设置初始数值n＝0；

步骤2、令n＝n+1，设置第一时间分配系数第二时间分配系数τ⁽ⁿ⁾和发射功率P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾；

其中，p_k表示能量节点k进行信息传输的发射功率；R_tot函数表示吞吐量，E_tot函数表示能量损耗；

步骤3、判断q⁽ⁿ⁾-q^(n-1)＜ε是否成立，若是，进入步骤4，若否，进入步骤5；其中，ε为误差阈值；

步骤4、确定τ⁽ⁿ⁾为最优时间分配系数，确定P⁽ⁿ⁾为最优发射功率；

步骤5、令n＝n+1，把τ^(n-1)、P^(n-1)代入函数F(τ₀,τ,q,P)中，利用内点法求出P⁽ⁿ⁾，计算能量效率q⁽ⁿ⁾，进入步骤3。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信系统的整个通信链路分为两部分，包括：从能量基站到多个能量节点的通信链路和从能量节点到信息接收机的通信链路。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，从能量基站到多个能量节点的通信链路设置为PU链路，表示k个能量节点在PU链路的信道，k＝1，2…，K，其中d_k ^PU表示能量基站到能量节点k的距离，α表示能量基站到能量节点k的路径衰落因子，g_k ^small为能量基站到第k个能量节点的小尺度衰落信道状态信息。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，从能量节点到信息接收机的通信链路设置为UI链路，h_k＝(d_k ^UL)^-α/2h_k ^small表示k个能量节点在UI链路的信道，k＝1，2…，K，其中表示能量节点k到信息接收机的距离，α表示能量节点k到信息接收机的路径衰落系数，h_k ^small为第k个能量节点到信息接收机的小尺度衰落信道状态信息。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通信系统的运行时间T分为两个时隙，分别为(1-τ)T和τT，其中τ∈[0,1]；所述通信系统的运行过程包括：在第一个时隙τ₀T，能量基站给k个能量节点发送能量；在第二个时隙τT，能量节点利用接收到的能量把采集的信息同时同频发送给信息接收机。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述通信系统，能量基站获取从基站到节点的信道状态信息g_k，其中k＝1，2…，K，构造矩阵其中ζ_k为能量节点k的能量接收效率，构造矩阵A＝(G-I)，I为单位矩阵，把A进行奇异值分解：然后取Γ中最大的奇异值λ₁和在V_G中与λ₁所对应的列向量v₁，将v₁与基站的最大发射功率P_max构成最优的能量波束成型向量

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，F(τ₀，τ，q，P)＝R_tot(τ，P)-qE_tot(τ₀，τ，P)；

函数

函数

其中，p_c表示节点电路所消耗的能量，p_e表示基站电路所消耗的能量；利用内点法求P⁽ⁿ⁾使得函数f(τ₀，τ，q，P)最大。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，误差阈值ε＝10^-5。