CN108462975A - D2d无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，包括步骤1：构建D2D无线供电通信网络；步骤2：基于D2D无线供电通信网络，计算D2D发送节点吸收的能量、D2D接收节点的信干噪比和D2D用户的可达数据传输速率；步骤3：基于D2D用户的数据传输需求，导出D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程；步骤4：基于耦合方程及D2D用户的能量约束和时间约束，联合迭代计算D2D用户发送功率与信息传输时间。本发明中的方法允许多对D2D用户同时进行通信，提升了时间资源的利用率，并给出了联合计算D2D用户发送功率与传输时间的方法，为D2D无线供电通信网络中基于并发传输模型的资源分配提供了指导方法。

Description

D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法。

背景技术

设备到设备(Device-to-Device，D2D)通信使得两个近距离用户之间无需通过基站和核心网络而直接建立数据传输链路，能够显著提升频谱效率、改善网络吞吐量，同时有效缓解传输延迟并保证网络公平性，因而被认为是实现下一代网络的关键技术之一。然而，传统的D2D网络中设备由固定电源供给能量，具有有限的生存时间。为了解决这一瓶颈问题，能量采集(Energy Harvesting)作为一种解决方案被提出。能量采集使得设备具有从周围环境吸取能量的能力，从而能够延长网络的生存时间。先前基于能量采集的方法往往利用自然能源例如风能或者太阳能，而这些自然能源由于其时变及间断性的特点，通常不能提供稳定可控的能量。随着在射频领域技术的发展，无线供电通信网络(Wireless PoweredCommunication Network)在学术界和工业界都取得了很大的关注。作为一种新型的网络架构，无线供电通信网络使得用户能够从射频信号中吸收能量，从而提供可持续的能量供应。无线供电通信网络系统通常包括两个阶段：下行无线能量传输阶段(Downlink WirelessEnergy Transfer，DL WET)和上行无线数据传输阶段(Uplink Wireless InformationTransmission，UL WIT)。在D2D传输场景中，能量基站首先给D2D发送节点(D2D_Tx)提供能量。利用吸收到的能量，D2D_Tx再将要发送的数据信息传输给对应的D2D接收节点(D2D_Rx)。

关于无线供电通信网络的研究主要集中在优化各类网络性能指标，包括系统吞吐量最大化以及总传输时间最小化等。H.Ju and R.Zhang的文献“Throughput maximizationin wireless powered communication networks,(无线供电通信网络中的吞吐量最大化)，”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.13,no.1,pp.418–428,Jan.2014中提出了一种称为“吸收再发送”(“Harvest-Then-Transmit”)的传输方案。具体地，多个用户利用在下行无线能量传输阶段吸收的能量，在上行无线数据传输阶段以时分多址(Time-Division-Multiple-Access)的方式传输数据信息。利用时分多址的传输模型可以避免引入用户间互相干扰。然而，这种传输模型可能会导致低效的时间资源利用。本发明在D2D无线供电通信网络中提出一种并发式的传输架构，允许多对D2D用户同时进行数据传输。并发式的传输会导致用户间相互干扰，这增加了对功率和时间资源分配问题的求解难度。基于所提出的并发传输模型，在给定D2D用户数据需求的情况下，本发明提供了发送功率和传输时间的联合计算方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法。

根据本发明提供的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，包括如下步骤：

步骤1：构建D2D无线供电通信网络；

步骤2：基于D2D无线供电通信网络，计算D2D发送节点吸收的能量、D2D接收节点的信干噪比以及D2D用户的可达数据传输速率；

步骤3：基于D2D用户的数据传输需求，导出D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程；

步骤4：基于步骤3得到的D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程、D2D用户的能量约束以及时间约束，联合迭代计算D2D用户发送功率与信息传输时间。

优选地，所述D2D无线供电通信网络包括：1个能量基站和K对D2D用户；其中将D2D用户对集合记为：第k对D2D用户包含D2D发送节点和D2D接收节点，将第k对D2D用户的D2D发送节点记为：D2D_Tx k，将第k对D2D用户的D2D接收节点记为：D2D_Rx k；k的取值范围为1,…K；每一个传输块持续时间内包含两个阶段，即下行无线能量传输阶段和上行无线数据传输阶段。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：在下行无线能量传输阶段，能量基站首先给D2D发送节点提供能量，其中D2D_Tx k所吸收的能量记为E_k，计算公式如下：

E_k＝ηP_Eh_kτ_E,k

式中：η∈(0,1]表示能量转换效率，P_E表示能量基站的固定发送功率，h_k表示能量基站与D2D_Tx k之间的下行信道增益，τ_E,k表示D2D_Tx k吸收能量的持续时间；

步骤2.2：在上行无线数据传输阶段，D2D_Tx k利用在下行无线能量传输阶段吸收的能量以发送功率p_k将数据信息传输给对应的D2D_Rx k，信息传输持续时间记为τ_I,_k；γ_k表示在D2D_Rx k处的信干噪比，计算公式如下：

式中：τ_I＝[τ_I,1,...,τ_I,K]^T表示所有D2D用户传输时间组成的向量，p＝[p₁,...,p_K]^T表示所有D2D用户发送功率组成的向量，g_kk表示第k对D2D用户的发送节点D2D_Tx k和接收节点D2D_Rx k之间的上行信道增益，p_l表示D2D_Tx l的发送功率，g_lk表示D2D_Tx l与D2D_Rx k之间的上行信道增益，σ²表示噪声功率；乘积项p_lg_lkτ_I,l中的τ_I,_l用来从统计意义上描述受到来自第l对D2D用户数据传输干扰的概率；

步骤2.3：用R_k表示第k对D2D用户的可达数据传输速率，根据步骤2.2中得到的D2D_Rx k处信干噪比γ_k，R_k的计算公式如下：

式中：B表示有效系统带宽，Γ表示信噪比修正因子。

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1：定义D2D用户的数据传输需求d_k，d_k表示在单位时间内第k对D2D用户的数据传输量；

步骤3.2：满足第k对D2D用户的数据传输需求时所分配的信息传输时间的计算公式如下：

式中，映射f_k(τ_I,p):其中 和分别表示K维非负间量空间、K维正向量空间和正实数集合；

步骤3.3：对所有的将步骤3.2中的信息传输时间计算式归结成向量形式，得到如下D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程：

τ_I＝f(τ_I,p)

式中，映射f:

优选地，所述步骤4包括：

步骤4.1：固定发送功率向量p，并定义映射J_p(τ_I)＝[J_p,1(τ_I),...,J_p,K(τ_I)]^T，其中J_p,k(τ_I)＝f_k(τ_I,p)，在给定发送功率向量p的情况下，迭代求解信息传输时间向量τ_I的方法为：

设定最大迭代次数L₁，最大误差容忍值δ₁＞0，初始迭代次数l＝1，给定初始向量和 满足

对于每一对D2D用户k分别计算和

令l的值增加1，直到或者迭代次数l达到最大迭代次数L₁则结束；其中||·||表示向量的无穷范数，返回

步骤4.2：D2D用户吸收能量的时间τ_E,k与信息传输时间τ_I,k受到传输块总持续时间的限制条件如下：

D2D用户的发送功率p_k、信息传输时间τ_I,k与吸收的能量E_k有如下关系约束：

步骤4.3：迭代联合求解发送功率向量p与传输时间向量τ_I的方法为：设定最大迭代次数L₂，初始迭代次数l＝1，给定任意初始传输时间向量τ_I满足0＜τ_I＜1；对于第k对D2D用户，判断信息传输时间τ_I,k是否小于1；如果τ_I,k小于1，则利用步骤4.2所述的D2D用户传输块总持续时间约束和能量约束更新发送功率p_k，具体计算公式如下：

如果τ_I,k大于或等于1，返回网络不可行指示，并结束方法，其中网络不可行指示表明D2D无线供电通信网络不能支持当前给定的用户数据速率；

步骤4.4：利用步骤4.1所述的固定发送功率向量p下，迭代求解传输时间向量τ_I的方法更新τ_I，直到迭代次数l达到最大迭代次数L₂则结束；返回发送功率向量p与传输时间向量τ_I。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法针对D2D无线供电通信网络，提出一种并发式传输模型，允许多对D2D用户同时进行通信，从而提升了时间资源的利用率。

2、本发明提供的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法给出了在已知D2D用户数据需求的情况下，联合迭代计算D2D用户发送功率与传输时间的方法，为D2D无线供电通信网络中基于并发传输模型的资源分配提供了指导方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为D2D无线供电通信网络系统结构示意图。

图2为D2D用户并发式传输模型架构示意图。

图3为在不同D2D用户数据需求下，用户的传输时间随数据需求的变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，包括如下步骤：

步骤1：构建D2D无线供电通信网络；

步骤2：基于D2D无线供电通信网络，计算D2D发送节点吸收的能量、D2D接收节点的信干噪比和D2D用户的可达数据传输速率；

步骤3：基于D2D用户的数据传输需求，导出D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程；

步骤4：基于步骤3得到的耦合方程及D2D用户的能量约束和时间约束，联合迭代计算D2D用户发送功率与信息传输时间；

所述D2D无线供电通信网络包括：1个能量基站和K对D2D用户；其中将D2D用户对集合记为：第k对D2D用户包含D2D发送节点和D2D接收节点，将第k对D2D用户的D2D发送节点记为：D2D_Tx k，将第k对D2D用户的D2D接收节点记为：D2D_Rx k；k的取值范围为1,…K；每一个传输块持续时间内包含两个阶段，即下行无线能量传输阶段和上行无线数据传输阶段。

所述步骤2包括：

步骤2.1：在下行无线能量传输阶段，能量基站首先给D2D发送节点提供能量，其中D2D_Tx k所吸收的能量记为E_k，计算公式如下：

E_k＝ηP_Eh_kτ_E,k

式中：η∈(0,1]表示能量转换效率，P_E表示能量基站的固定发送功率，h_k表示能量基站与D2D_Tx k之间的下行信道增益，τ_E,k表示D2D_Tx k吸收能量的持续时间；

步骤2.2：在上行无线数据传输阶段，D2D_Tx k利用在下行无线能量传输阶段吸收的能量以发送功率p_k将数据信息传输给对应的D2D_Rx k，信息传输持续时间记为τ_I,k；γ_k表示在D2D_Rx k处的信干噪比，计算公式如下：

式中：τ_I＝[τ_I,1,...,τ_I,K]^T表示所有D2D用户传输时间组成的向量，p＝[p₁,...,p_K]^T表示所有D2D用户发送功率组成的向量，g_kk表示第k对D2D用户的发送节点D2D_Tx k和接收节点D2D_Rx k之间的上行信道增益，p_l表示D2D_Tx l的发送功率，g_lk表示D2D_Tx l与D2D_Rx k之间的上行信道增益，σ²表示噪声功率；乘积项p_lg_lkτ_I,l中的τ_I,l用来从统计意义上描述受到来自第l对D2D用户数据传输干扰的概率；

步骤2.3：用R_k表示第k对D2D用户的可达数据传输速率，根据步骤2.2中得到的D2D_Rx k处信干噪比γ_k，R_k的计算公式如下：

式中：B表示有效系统带宽，Γ表示信噪比修正因子。

所述步骤3包括：

步骤3.1：定义D2D用户的数据传输需求d_k，d_k表示在单位时间内第k对D2D用户的数据传输量；

步骤3.2：满足第k对D2D用户的数据传输需求时所分配的信息传输时间的计算公式如下：

式中，映射f_k(τ_I,p):其中 和分别表示K维非负向量空间、K维正向量空间和正实数集合；

步骤3.3：对所有的将步骤3.2中的信息传输时间计算式归结成向量形式，得到如下D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程：

τ_I＝f(τ_I,p)

式中，映射f:

所述步骤4包括：

步骤4.1：固定发送功率向量p，并定义映射J_p:J_p(τ_I)＝[J_p,1(τ_I),...,J_p,K(τ_I)]^T，其中J_p,k(τ_I)＝f_k(τ_I,p)，在给定发送功率向量p的情况下，迭代求解信息传输时间向量τ_I的方法为：

设定最大迭代次数L₁，最大误差容忍值δ₁＞0，初始迭代次数l＝1，给定初始向量和 满足

对于每一对D2D用户k分别计算和

令l的值增加1，直到或者迭代次数l达到最大迭代次数L₁则结束；其中||·||表示向量的无穷范数，返回

步骤4.2：D2D用户吸收能量的时间τ_E,k与信息传输时间τ_I,k受到传输块总持续时间的限制条件如下：

D2D用户的发送功率p_k、信息传输时间τ_I,k与吸收的能量E_k有如下关系约束：

步骤4.3：迭代联合求解发送功率向量p与传输时间向量τ_I的方法为：设定最大迭代次数L₂，初始迭代次数l＝1，给定任意初始传输时间向量τ_I满足0＜τ_I＜1；对于第k对D2D用户，判断信息传输时间τ_I,k是否小于1；如果τ_I,k小于1，则利用步骤4.2所述的D2D用户传输块总持续时间约束和能量约束更新发送功率p_k，具体计算公式如下：

如果τ_I,k大于或等于1，返回网络不可行指示，并结束方法，其中网络不可行指示表明D2D无线供电通信网络不能支持当前给定的用户数据速率；

步骤4.4：利用步骤4.1所述的固定发送功率向量p下，迭代求解传输时间向量τ_I的方法更新τ_I，直到迭代次数l达到最大迭代次数L₂则结束；返回发送功率向量p与传输时间向量τ_I。

更进一步地，本实施例中，所用的参数如下：系统有效带宽B为1MHz；D2D用户对数目为4；D2D_Tx k和能量基站之间距离为D_k＝2.5×km，k＝1,2,3,4；每对D2D用户的发送和接收节点相距2m；能量转换效率η为0.9；信噪比修正因子Γ为9.8dB；信道路损模型为对数衰落模型PL(D)＝10^-3D^-α，其中D表示距离，路损指数α为3；能量基站的发射功率P_E为40dBm；噪声功率谱密度为-140dBm/Hz。

实施例步骤如下：

步骤S1：D2D发送节点吸收的能量是指：

E_k＝ηP_Eh_kτ_E,k

D2D接收节点的信干噪比是指：

D2D用户的可达数据传输速率是指：

步骤S2：定义D2D用户的数据传输需求d_k，它表示在单位时间内第k对D2D用户的数据传输量。根据用户数据需求，计算信息传输时间如下：

对所有的将信息传输时间计算式归结成向量形式，得到D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程：

τ_I＝f(τ_I,p)

步骤S3：在给定发送功率向量p的情况下，迭代求解信息传输时间向量τ_I。

步骤S4：D2D用户的时间约束是指：

D2D用户的能量约束是指：

步骤S5：迭代联合求解发送功率向量p与传输时间向量τ_I。

图1展示了D2D无线供电通信网络的整体系统架构。图2展示了用户并发式传输模型架构。图3显示了D2D用户传输时间随着不同数据需求下的变化情况。由图可知，所有D2D用户的数据传输时间随着数据需求的增加而增加。并且，在相同数据需求的情况下，信道状况较差的用户(图3中的D2D 4)，需要更多的传输时间来发送数据。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建D2D无线供电通信网络；

步骤2：基于D2D无线供电通信网络，计算D2D发送节点吸收的能量、D2D接收节点的信干噪比以及D2D用户的可达数据传输速率；

步骤3：基于D2D用户的数据传输需求，导出D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程；

步骤4：基于步骤3得到的D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程、D2D用户的能量约束以及时间约束，联合迭代计算D2D用户发送功率与信息传输时间。

2.根据权利要求1所述的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，其特征在于，所述D2D无线供电通信网络包括：1个能量基站和K对D2D用户；其中将D2D用户对集合记为：第k对D2D用户包含D2D发送节点和D2D接收节点，将第k对D2D用户的D2D发送节点记为：D2D_Tx k，将第k对D2D用户的D2D接收节点记为：D2D_Rx k；k的取值范围为1,…K；每一个传输块持续时间内包含两个阶段，即下行无线能量传输阶段和上行无线数据传输阶段。

3.根据权利要求2所述的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：在下行无线能量传输阶段，能量基站首先给D2D发送节点提供能量，其中D2D_Tx k所吸收的能量记为E_k，计算公式如下：

E_k＝ηP_Eh_kτ_E,k

式中：η∈(0,1]表示能量转换效率，P_E表示能量基站的固定发送功率，h_k表示能量基站与D2D_Tx k之间的下行信道增益，τ_E,k表示D2D_Tx k吸收能量的持续时间；

步骤2.2：在上行无线数据传输阶段，D2D_Tx k利用在下行无线能量传输阶段吸收的能量以发送功率p_k将数据信息传输给对应的D2D_Rx k，信息传输持续时间记为τ_I,k；γ_k表示在D2D_Rx k处的信干噪比，计算公式如下：

式中：τ_I＝[τ_I,1,...,τ_I,K]^T表示所有D2D用户传输时间组成的向量，p＝[p₁,...,p_K]^T表示所有D2D用户发送功率组成的向量，g_kk表示第k对D2D用户的发送节点D2D_Tx k和接收节点D2D_Rx k之间的上行信道增益，p_l表示D2D_Tx l的发送功率，g_lk表示D2D_Tx l与D2D_Rxk之间的上行信道增益，σ²表示噪声功率；乘积项p_lg_lkτ_I,l中的τ_I,l用来从统计意义上描述受到来自第l对D2D用户数据传输干扰的概率；

步骤2.3：用R_k表示第k对D2D用户的可达数据传输速率，根据步骤2.2中得到的D2D_Rx k处信干噪比γ_k，R_k的计算公式如下：

式中：B表示有效系统带宽，Γ表示信噪比修正因子。

4.根据权利要求1所述的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：定义D2D用户的数据传输需求d_k，d_k表示在单位时间内第k对D2D用户的数据传输量；

步骤3.2：为满足第k对D2D用户的数据传输需求所分配的信息传输时间计算公式如下：

式中，映射f_k(τ_I,p):其中和分别表示K维非负向量空间、K维正向量空间和正实数集合；

步骤3.3：对所有的将步骤3.2中的信息传输时间计算式归结成向量形式，得到如下D2D用户发送功率与信息传输时间耦合方程：

τ_I＝f(τ_I,p)

式中，映射f:

5.根据权利要求1所述的D2D无线供电通信网络中功率与时间联合分配方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：固定发送功率向量p，并定义映射J_p:J_p(τ_I)＝[J_p,1(τ_I),...,J_p,K(τ_I)]^T，其中J_p,k(τ_I)＝f_k(τ_I,p)，在给定发送功率向量p的情况下，迭代求解信息传输时间向量τ_I的方法为：

设定最大迭代次数L₁，最大误差容忍值δ₁＞0，初始迭代次数l＝1，给定初始向量和 满足

对于每一对D2D用户k分别计算和

令l的值增加1，直到或者迭代次数l达到最大迭代次数L₁则结束；其中||·||表示向量的无穷范数，返回

步骤4.2：D2D用户吸收能量的时间τ_E,k与信息传输时间τ_I,k受到传输块总持续时间的限制条件如下：

D2D用户的发送功率p_k、信息传输时间τ_I,k与吸收的能量E_k有如下关系约束：

步骤4.3：迭代联合求解发送功率向量p与传输时间向量τ_I的方法为：设定最大迭代次数L₂，初始迭代次数l＝1，给定任意初始传输时间向量τ_I满足0＜τ_I＜1；对于第k对D2D用户，判断信息传输时间τ_I,k是否小于1；如果τ_I,k小于1，则利用步骤4.2所述的D2D用户传输块总持续时间约束和能量约束更新发送功率p_k，具体计算公式如下：

如果τ_I,k大于或等于1，返回网络不可行指示，并结束方法，其中网络不可行指示表明D2D无线供电通信网络不能支持当前给定的用户数据速率；

步骤4.4：利用步骤4.1所述的固定发送功率向量p下，迭代求解传输时间向量τ_I的方法更新τ_I，直到迭代次数l达到最大迭代次数L₂则结束；返回发送功率向量p与传输时间向量τ_I。