CN108599911B - 一种无线供电的用户协作系统资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，该方法采用的通信系统模型包括混合接入点HAP、M个非合作的用户节点以及2N个合作用户的节点，其中合作用户中每两个用户节点组成一个合作用户对，该方法在用户满足总得时间限制的情况，HAP为每个用户分配相应的时间资源，减小了“双远近效应”的影响。以无线供电通信网络的总吞吐量为优化目标，针对最优化问题，采用两部求解方法，获得了最优的时间分配的闭式解以及提出了合作用户对功率分配的方法。与等时间和等功率分配的方法相比，提供的时间和功率分配的方法，极大的提高了系统的吞吐量。

Description

一种无线供电的用户协作系统资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，适用于合作用户对采用Alamouti空时编码方式下的用户时间资源和功率的分配。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，无线用户的数量急剧的增加，在传统的无线网络中，如传感器网络、蜂窝网、室内wifi以及小小区网络，无线设备由可更换或者可充电的电池驱动。因此网络的运行受到了极大的限制。虽然定期更换电池或者给电池充电是一种办法，但是对具有上千个节点的传感器网络来说这是不方便的，对于安置在有毒环境中的设备这是危险的，对于植入到人体内的设备来说这甚至是不可能的。因此这一问题亟待解决。

最近出现的射频能量获取技术可以有效的延长能量受限的无线网络的使用寿命。因为无线设备可以连续的从周围的无线电环境中获取能量。应用能量获取技术无线供能通信网络引起了极大的关注。无线供能通信网络采用TDMA协议用户在下行阶段从混合接入点HAP发射的能量信号获取能量，此后用户在上行阶段向混合接入点传输信息。在网络的供电时间和信息发送的时间满足一定时间限制，以及每个用户满足相应的服务质量需求时，HAP基于用户的信道信息为每个用户分配相应的资源，提高了网络的性能。

无线供电通信网络中存在“双远近效应”的问题，即距离混合接入点远的用户在下行阶段获得的能量少，在上行阶段传送信息需要消耗更多的能量，因此远距离的次级用户具有较低的吞吐量。传统的最大吞吐量资源分配的方法给用户造成了极大的不公平。针对以上问题，对无线供电通信网络中用户采用的合作方式以及资源分配的问题展开深入的研究，提出了提出更符合实际的用户合作方式和资源分配方法。

发明内容

本发明的目的在于克服无线供电通信网络中“双远近效应”造成的距离HAP远的用户吞吐量低的问题，合作用户对采用Alamouti空时编码传输信息，基于用户的信道增益，提供了一种无线供电的用户协作系统资源分配方法。与等时间和等功率分配的方法相比，提供的时间和功率分配的方法，极大的提高了系统的吞吐量。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，该方法采用的通信系统模型包括混合接入点HAP、M个非合作的用户节点以及2N个合作用户的节点，其中合作用户中每两个用户节点组成一个合作用户对，该方法包括如下步骤：

时间资源划分为N+M+1个时隙，每个用户节点不具有能量供给，每次与HAP通信前由HAP充电；第一个时隙，HAP利用射频技术给网络中所有的用户节点充电；接下来的N个时隙，网络中的N个合作用户对依次和HAP通信；接下来的M个时隙，网络中的非合作用户依次和HAP通信。

本发明进一步的改进在于，网络中的每一个合作用户对对采用三时隙的Alamouti空时编码进行通信。

本发明进一步的改进在于，每个合作用户对的吞吐量随时间资源分配和功率分配策略的不同而不同，具体情况如下：

一个合作用户对由用户a和用户b组成，第一个时隙，用户a使用ρ_k部分的获取的能量向用户b和HAP发送信息；第二个时隙，用户b使用ρ_k部分获取的能量向用户a和HAP发送信息；第三个时隙，用户a使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发b的信息，同时用户b使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发a的信息；其中ρ_k表示第k个合作用户对的功分比，HAP采用联合检测，则用户a的吞吐量为：

其中，

为第k个用户对发送信息的时间，

为用户a的信噪比，

τ₀为HAP发送能量的时间，η为能量转化效率，P为HAP的发射功率，h_ka为HAP和第k个合作用户对中用户a的信道增益，h_kb为HAP和第k个合作用户对中用户b的信道增益，f_k用户a和用户b的信道增益，N₀是HAP的噪声功率；

用户b的吞吐量为：

其中，

为用户b的信噪比，

合作用户对k的吞吐量为用户a和b的吞吐量的和：

本发明进一步的改进在于，非合作用户直接向HAP发送信息，每个非合作用户的吞吐量随时间资源分配的不同而不同，每个非合作用户使用全部获取的能量向HAP发送自己的信息，非合作用户i的吞吐量为：

其中，

为第i个非合作用户发送信息的时间，

h_i为HAP和第i个非合作用户的信道增益。

本发明进一步的改进在于，优化无线供电通信网络中时间和功率分配的问题，使无线供电通信网络的吞吐量最大，具体如下：

0≤τ₀≤1

其中，优化的变量为充电时间和每个用户传输信息的时间，和合作用户对中用户的的功率比，限制条件为一个时隙的总的时间限制；M为非合作用户的数目，N为合作用户对的个数；

采用两步求解，首先固定每个合作用户对的功分比，优化供电时间和信息传输时间，然后固定优化的时间优化每个合作用户对的功分比，直到时间和功分比收敛为止。

本发明进一步的改进在于，当ρ_k固定时1≤k≤N，采用拉格朗日对偶法求解优化问题，由此得到：

其中，

x₁为方程

的根，x₂为方程

的根，

β的值在0到1范围内使用二分查找法搜索使方程

的根x₁和方程

的根x₃满足等式(x₁-1)[B_k(1-ρ_k)+C_kρ_k]＝(x₃-1)[D_k(1-ρ_k)+E_kρ_k]。

本发明进一步的改进在于，当τ₀、

和

固定时，优化每个合作用户对中用户的功分比，具体如下：

中的γ_a+γ_b+γ_aγ_b是ρ_k的函数当γ_a+γ_b+γ_aγ_b最大时

最大，对γ_a+γ_b+γ_aγ_b关于ρ_k求导并令其为零得到一个一元五次方程：

其中，

j_k＝(B_k-C_k)(D_k-E_k)，l_k＝B_k(E_k-D_k)+D_k(C_k-B_k)，q_k＝B_kD_k；

最后，采用二分查找法在0到1范围内搜索得到最优的ρ_k。

本发明进一步的改进在于，具体的算法如下：

a.初始化ρ_k；

b.循环直到τ₀,

ρ_k收敛；

c.使用二分查找法搜索获取最优的β；

d.计算τ₀,

e.使用二分查找法搜索获取最优的ρ_k；

f.结束循环。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明是在无线供电通信网络中实现的用户合作通信和资源分配方法，该方法通过将用户集合分为合作用户集合和非合作用户集合，合作用户集合中每两个用户组成一对合作用户对，通过用户之间的合作以及合理的时间和功率的分配，能够明显改善“双远近效应”，提高资源分配公平性，原因如下：当一个用户距离HAP比较近，另一个用户距离HAP比较远时，较近的用户或得能量较多，较远的用户获得能量较少，上行传输时较近的用户的吞吐量较大，较远的用户的吞吐量较少，如果除了较远用户直接向HAP传输外，较近用户接收到较远用户的信息后用自己一部分能量帮助较远用户转发信息，那么较远的用户的吞吐量就会变大，这样对于用户来说就会变得公平。

进一步，无线供电通信网络中合作用户对采用Alamouti空时编码发送信息，将自身获取的能量的一部分用来转发合作用户的信息，从而克服非合作方式下只传输自己的信息时由于“双远近效应”造成的信道质量差的用户信息速率低的问题，原因如下：合作用户对采用三时隙的Alamouti空时编码方式传输信息，第一时隙传一个用户信息，第二时隙传另一个用户的信息，第三个时隙两个用户转发对方的信息。由于两个用户接收对方的信息形成了一个虚拟的天线阵并且使用对方的能量转发对方的信息具有能量分集和信道分集增益，这样就能提高每个合作用户对中吞吐量低的那个用户的吞吐量，整体提高网络中用户的公平性。

进一步，计算出网络中非合作用户和合作用户的吞吐量，获取网络中的优化问题，针对优化问题，本发明将其转化为两步优化过程，首先固定每个合作用户对的功分比优化系统为每个用户分配的时间，然后使用最优的分配的时间去优化每个合作用户对的功分比，直到时间和功分比收敛为止，最终获取最优的时间分配和功分比。与等时间和等功率分配的方法相比，提供的时间和功率分配的方法，极大的提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1为本发明采用的系统模型框图；

图2为本发明中整个系统的传输模型框图；

图3为本发明所提时间分配方法的吞吐量vs等时间分配吞吐量示意图；

图4为本发明所提功率分配方法的吞吐量vs等功率分配吞吐量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，该方法采用的通信系统模型由1个HAP，2N+M个用户节点组成，其中2N个用户两两组成一个合作用户对采用合作方式发送信息，M个用户采用非合作方式发送信息。HAP具有恒定能量，HAP和用户都是单天线的，工作在半双工模式，协作用户工作在AF模式。假设用户和HAP，以及合作用户对之间的信道状态信息已知，信道是对偶的，所有的信道是准静态平衰落的，信道的功率增益在一个时隙内保持不变，不同时隙内是可以变化的。对一个合作用户对k和一个非合作用户i来说，非合作用户和HAP功率增益表示为h_i，合作用户对中的a用户和HAP的功率增益表示为h_ka，合作用户对中的b用户和HAP的功率增益表示为h_kb，用户a和用户b之间的功率增益表示为f_k，参见图1。假设一个传输时隙为T，为了简便假设T＝1。将时隙分为N+M+1个时间块。τ₀时间段为下行链路的供能时间，此时间段内HAP以恒定功率向系统中的用户发送能量信号，用户进行充电，为后续的发送信息做准备。接下来的N个时间段为系统中和作用户对发送信息的时间，N对用户依次发送信息，其中每个时间段内又分为三个相等的时间段，前三分之一为用户a使用ρ_k部分的获取的能量向用户b和HAP发送信息的时间，中间三分之一用户b使用ρ_k部分获取的能量向用户a和HAP发送信息的时间，后三分之一时间用户a使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发b的信息，同时用户b使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发a的信息；为接下来的M个时间段为系统中非合作用户依次发送信息的时间，参见图2。

无线供电通信网络中的用户工作在两种模式下：

1)当用户i工作在非合作的方式下，下行阶段，HAP以恒定功率P＝E[|x_H|²]发送能量信号x_H，E表示均值，用户获取的能量为：

τ₀为下行链路的供能时间，η表示能量获取效率，为了简便将所有用户的能量转换效率设为η。用户i向HAP发送信息，平均发送功率为：

为第i个非合作用户发送信息的时间，HAP接收的信号为：

其中

为信息信号

n_H为HAP的接收的噪声，

表示均值为0方差为1。则用户在非合作工作方式下的速率为：

其中，

为第i个非合作用户发送信息的时间，设

N₀表示噪声功率。

2)当合作用户对k工作在合作方式时，用户a获取的能量为

用户b获取的能量为

用户a和用户b使用三时隙Alamouti空时编码进行信息发送，前三分之一时隙，用户a使用ρ_k部分的获取的能量向用户b和HAP发送信息；中间三分之一时隙，b使用ρ_k部分获取的能量向用户a和HAP发送信息；后三分之一时间用户a使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发b的信息，同时用户b使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发a的信息；HAP采用联合检测，则用户a的吞吐量为：

其中，

为第k个用户对发送信息的时间，

为用户a的信噪比，设

用户b的吞吐量为：

其中，

为用户b的信噪比；

设

合作用户对k的吞吐量为用户a和b的吞吐量的和：

优化无线供电通信网络中时间和功率分配的问题，使无线供电通信网络的吞吐量最大：

0≤τ₀≤1

其中，优化的变量为充电时间和每个用户传输信息的时间，和合作用户对中用户的的功率比，限制条件为一个时隙的总的时间限制；M为非合作用户的数目，N为合作用户对的个数。

此问题是个凸问题，需要优化时间和功率分配因子，采用两步求解，首先固定每个合作用户对的功分比，优化供电时间和信息传输时间，然后固定优化的时间优化每个合作用户对的功分比，直到时间和功分比收敛为止。

当ρ_k固定时1≤k≤N，采用拉格朗日对偶法求解优化问题，由此可以得到：

其中，设

x₁为方程

的根，x₂为方程

的根，

β的值需要在0到1范围内使用二分查找法搜索使方程

的根x₁和方程

的根x₃满足等式(x₁-1)[B_k(1-ρ_k)+C_kρ_k]＝(x₃-1)[D_k(1-ρ_k)+E_kρ_k]。

当τ₀、

和

固定时，优化每个合作用户对中用户的功分比，具体如下：

中的γ_a+γ_b+γ_aγ_b是ρ_k的函数当γ_a+γ_b+γ_aγ_b最大时

最大，对γ_a+γ_b+γ_aγ_b关于ρ_k求导并令其为零可以得到一个一元五次方程：

其中，设

j_k＝(B_k-C_k)(D_k-E_k)，l_k＝B_k(E_k-D_k)+D_k(C_k-B_k)，q_k＝B_kD_k；

关于ρ_k的一元五次多项式在0大于零，在1处小于零，并且多项式在0到1范围内是先增再减再增，并且在0到1范围内有唯一零点，采用二分查找法在0到1范围内搜索可得到最优的ρ_k。算法具体实施过程：

a.初始化ρ_k；

b.循环直到τ₀,

ρ_k收敛；

c.使用二分查找法搜索获取最优的β；

d.计算τ₀,

e.使用二分查找法搜索获取最优的ρ_k；

f.结束循环。

仿真实验和效果分析：

仿真模型参数为：合作用户对的个数为2，其中用户a距离HAP为10m，用户b距离HAP为5m，非合作用户的个数为3，HAP和非合作用户的距离为10m。带宽为1MHz，HAP的发送功率P＝1W，用户和中继的能量获取效率为η＝0.8，噪声的功率谱密度为-150dB/Hz，T＝1。上行信道和下行信道对偶，系统的信道功率增益可以表示成10^-3ρ²D^-α，其中，ρ表示服从瑞利分布的加性信道小尺度衰落，因此ρ²是均值为一的指数随机变量，参考距离为1m时信号平均功率衰减为30dB，路径损耗指数α＝3，D为设备间的距离。进行1000信道实现。

仿真图3对比了本发明所提时间分配方法和等时间分配方法随HAP功率变化的平均吞吐量的大小。等时间分配方法中设置

可以发现本发明所提时间分配方法明显大于等时间分配方法得到的平均吞吐量；

仿真图4对比了本发明所提功率分配方法和等功率分配方法随HAP功率变化的平均吞吐量的大小。等功率分配方法中设置两种方案ρ_k＝0.5和ρ_k＝0.3。可以发现本发明所提功率分配方法明显大于等功率分配方法得到的平均吞吐量。

Claims (6)

1.一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，该方法采用的通信系统模型包括混合接入点HAP、M个非合作的用户节点以及2N个合作用户的节点，其中合作用户中每两个用户节点组成一个合作用户对，该方法包括如下步骤：

时间资源划分为N+M+1个时隙，每个用户节点不具有能量供给，每次与HAP通信前由HAP充电；第一个时隙，HAP利用射频技术给网络中所有的用户节点充电；接下来的N个时隙，网络中的N个合作用户对依次和HAP通信；接下来的M个时隙，网络中的非合作用户依次和HAP通信；

网络中的每一个合作用户对采用三时隙的Alamouti空时编码进行通信，每个合作用户对的吞吐量随时间资源分配和功率分配策略的不同而不同，具体情况如下：

一个合作用户对由用户a和用户b组成，第一个时隙，用户a使用ρ_k部分的获取的能量向用户b和HAP发送信息；第二个时隙，用户b使用ρ_k部分获取的能量向用户a和HAP发送信息；第三个时隙，用户a使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发b的信息，同时用户b使用剩余(1-ρ_k)部分的能量采用AF协议转发a的信息；其中ρ_k表示第k个合作用户对的功分比，HAP采用联合检测，则用户a的吞吐量为：

其中，

为第k个用户对发送信息的时间，

为用户a的信噪比，

τ₀为HAP发送能量的时间，η为能量转化效率，P为HAP的发射功率，h_ka为HAP和第k个合作用户对中用户a的信道增益，h_kb为HAP和第k个合作用户对中用户b的信道增益，f_k用户a和用户b的信道增益，N₀是HAP的噪声功率；

用户b的吞吐量为：

其中，

为用户b的信噪比，

合作用户对k的吞吐量为用户a和b的吞吐量的和：

2.根据权利要求1所述的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，非合作用户直接向HAP发送信息，每个非合作用户的吞吐量随时间资源分配的不同而不同，每个非合作用户使用全部获取的能量向HAP发送自己的信息，非合作用户i的吞吐量为：

其中，

为第i个非合作用户发送信息的时间，

h_i为HAP和第i个非合作用户的信道增益。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，优化无线供电通信网络中时间和功率分配的问题，使无线供电通信网络的吞吐量最大，具体如下：

0≤τ₀≤1

其中，优化的变量为充电时间和每个用户传输信息的时间，和合作用户对中用户的功率比，限制条件为一个时隙的总的时间限制；M为非合作用户的数目，N为合作用户对的个数；

采用两步求解，首先固定每个合作用户对的功分比，优化供电时间和信息传输时间，然后固定优化的时间优化每个合作用户对的功分比，直到时间和功分比收敛为止。

4.根据权利要求3所述的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，当ρ_k固定时1≤k≤N，采用拉格朗日对偶法求解优化问题，由此得到：

其中，

x₁为方程

的根，x₂为方程

的根，

β的值在0到1范围内使用二分查找法搜索使方程

的根x₁和方程

的根x₃满足等式(x₁-1)[B_k(1-ρ_k)+C_kρ_k]＝(x₃-1)[D_k(1-ρ_k)+E_kρ_k]。

5.根据权利要求4所述的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，当τ₀、

和

固定时，优化每个合作用户对中用户的功分比，具体如下：

中的γ_a+γ_b+γ_aγ_b是ρ_k的函数当γ_a+γ_b+γ_aγ_b最大时

最大，对γ_a+γ_b+γ_aγ_b关于ρ_k求导并令其为零得到一个一元五次方程：

其中，

j_k＝(B_k-C_k)(D_k-E_k)，l_k＝B_k(E_k-D_k)+D_k(C_k-B_k)，q_k＝B_kD_k；

最后，采用二分查找法在0到1范围内搜索得到最优的ρ_k。

6.根据权利要求4或5所述的一种无线供电的用户协作系统资源分配方法，其特征在于，具体的算法如下：

a.初始化ρ_k；

b.循环直到τ₀,

ρ_k收敛；

c.使用二分查找法搜索获取最优的β；

d.计算τ₀,

e.使用二分查找法搜索获取最优的ρ_k；

f.结束循环。

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