CN108650710B - 基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法 - Google Patents

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CN108650710B CN201810482540.6A CN201810482540A CN108650710B CN 108650710 B CN108650710 B CN 108650710B CN 201810482540 A CN201810482540 A CN 201810482540A CN 108650710 B CN108650710 B CN 108650710B
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Abstract

本发明公开了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。

Description

基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信网络技术领域，尤其涉及一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法。
背景技术
随着智能终端用户数量的增长以及物联网、车联网等移动新业务的飞速发展，无线网络各个应用领域的需求呈现爆炸性增长，于是新一代移动通信系统5G对系统容量和频谱利用率等方面提出更高的要求。面对新一代无线网络的需求，传统的多址方式已经难以满足，于是业内提出了非正交多址技术。非正交多址接入技术的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过干扰消除检测接收机实现正确解调。虽然，采用干扰消除检测技术的接收机复杂度有一定的提高，但是频谱效率和系统吞吐量等可以获得很大的提升。非正交多址技术可以很好地提高频谱利用率和系统容量，而且还可以成倍地提升系统设备接入量，在一些5G场景，比如上行密集和广覆盖多节点接入的场景中，采用功率复用的非正交多址技术比传统的正交多址接入技术有更明显的性能优势。
在传统无线网络中，节点的电池是由固定的能源供电的，这必然导致其网络运行时间有限。虽然可以通过更换或者充电来延长网络运行的时间，但这是是非常不方便、高成本的。电池寿命也是影响网络性能的一项重要指标。特别是在传感器节点设备数量庞大的网络中，电池的充电或者更换是必须关注的问题。使用无线能量传输技术可以有效避免有线能量传输和电池供电带来的诸多问题。因为能量基站可以从周围环境中收集能量，其中包括太阳能、风能、潮汐能等绿色能源来为无线网络节点设备提供可靠的电力供应。
无线供电通信网络作为无线能量传输的重要应用之一，已经被业内认是延长无网络节点寿命的有效方案。无线供电通信网络是一种新型的无线网络模式，它通过微波无线电力传输技术来远程补充无线网络节点设备的电池电量。无线供电通信网络无需频繁的手动更换电池更换或者充电，与传统的电池供电通信网络相比，具有诸多优点，如更高的吞吐量，更长的设备寿命和更低的网络运营成本等。
在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，包括：
S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。
优选地，步骤S1具体包括：
S11、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M；
S12、将K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，得到K个用户簇，每个用户簇中包括M个用户节点Uk,m；
S13、将用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式。
优选地，步骤S3中用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式为：
Ek,m＝ητ0P0|hk,m|2，其中，τ0为基站的下行传输时间，P0为基站的发射功率，η(0≤η≤1)为能量转换效率。
优选地，步骤S3包括：
S31、以最大化无线供能通信网络的吞吐量
Figure GDA0003527972200000031
为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中
Figure GDA0003527972200000032
为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；
S32、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure GDA0003527972200000033
S33、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure GDA0003527972200000034
根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率
Figure GDA0003527972200000035
优选地，步骤S3还包括：
S34、结合第一约束条件
Figure GDA0003527972200000036
通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数
Figure GDA0003527972200000041
其中，λ≥0为第一约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，
Figure GDA0003527972200000042
S35、通过分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到无线供能通信网络的吞吐量达到最大时，基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000043
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA0003527972200000044
优选地，步骤S3还包括：
S36、根据基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000045
和基站的最优发射功率
Figure GDA0003527972200000046
计算得到用户节点Uk,m收集的能量
Figure GDA0003527972200000047
S37、根据用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure GDA0003527972200000048
和用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA0003527972200000049
结合用户节点Uk,m收集的能量
Figure GDA00035279722000000410
计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率
Figure GDA00035279722000000411
优选地，步骤S35具体包括：
S351、分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到
Figure GDA00035279722000000412
Figure GDA00035279722000000413
其中，
Figure GDA00035279722000000414
S352、联立
Figure GDA00035279722000000415
与
Figure GDA00035279722000000416
得到
Figure GDA00035279722000000417
S353、通过二分法求解Ψk(xk)＝0，得到基站的最优下行传输时间
Figure GDA00035279722000000418
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA00035279722000000419
优选地，步骤S353中通过二分法求解Ψk(xk)＝0具体包括：
a、将
Figure GDA0003527972200000051
变换为
Figure GDA0003527972200000052
其中
Figure GDA0003527972200000053
b、设y的上下界分别为yu和yl；
c、计算y0＝(yl+yu)/2；
d、设xk的上下界分别为
Figure GDA0003527972200000054
和
Figure GDA0003527972200000055
e、计算
Figure GDA0003527972200000056
f、设
Figure GDA0003527972200000057
并定义函数
Figure GDA0003527972200000058
求得方程g(xk)＝0的解
Figure GDA0003527972200000059
g、判断
Figure GDA00035279722000000510
是否小于0，若是，则令
Figure GDA00035279722000000511
若否，则令
Figure GDA00035279722000000512
h、判断
Figure GDA00035279722000000513
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则执行步骤i，若否，则返回步骤e进入迭代；
i、判断
Figure GDA00035279722000000514
是否小于y0，若是，则令yu＝y0，若否，则令yl＝y0；
j、判断
Figure GDA00035279722000000515
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则得到
Figure GDA00035279722000000516
的最优解
Figure GDA00035279722000000517
若否，则返回步骤c进入迭代。
本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装置，包括：
模型构建单元，用于构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
确定单元，用于确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
寻优单元，用于以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上任一项所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，包括：S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。
本发明中，在考虑用户节点的电路消耗情况下，通过联合优化网络的资源，包括基站的发射功率、用户节点的发射功率、上行传输时间和下行传输时间，来最大化无线供能通信网络的吞吐量，本发明首先通过寻找优化问题的最优解的结构来简化优化问题，然后使用拉格朗日乘数法和二分法求出优化问题的最优解，从而得到资源分配的闭式表达式，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法的一个实施例的流程示意图；
图2为利用二分法求解最优解的流程示意图；
图3为根据最优解得到资源最优分配算法的流程示意图；
图4为不同基站的发射功率条件下，网络的吞吐量折线图；
图5为不同用户节点距离的条件下，网络的吞吐量折线图；
图6为本发明提供的一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，包括：
101、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
步骤101具体包括以下步骤：
1011、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M；
1012、将K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，得到K个用户簇，每个用户簇中包括M个用户节点Uk,m；
1013、将用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式；
需要说明的是，整个无线供能通信网络由一个基站和K*M个用户节点Uk,m组成，为了更加符合实际情况，在本发明实施例中，后续考虑了K*M个用户节点Uk,m的电路消耗，即预置消耗功率。同时还考虑到，若全部用户节点Uk,m使用非正交多址接入时，这无疑会增加用户的时延以及接收机串行干扰消除的复杂度，因此对K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，在用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式；分簇后会带来簇与簇之间的干扰，为了消除簇间干扰，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式。在实际的5G无线网络中，这种混合多址接入方案更有利于取得频谱效率和网络复杂度之间的平衡，所以实际中会更倾向于这种组网方式。
102、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
需要说明的是，如图2所示，网络的工作过程分为两个阶段，第一个阶段，基站广播无线能量给所有的用户节点Uk,m，在这里假设基站到用户节点Uk,m的下行传输信道为hk,m，基站的下行传输时间为τ0；第二个阶段，每个用户利用收集到的能量传输信息给基站，由于用户节点Uk,m信息传输的能量来源于第一阶段收集到的能量，在信息传输之前，用户节点Uk,m首先会收集能量，当收集到一定能量以后，用户节点Uk,m开始传输信息分给基站，假设用户节点Uk,m到基站的上行传输信道为gk,m，每一个用户簇的上行传输时间为τk，第一阶段和第二阶段传输时间之和不超过最大传输时间Tmax。
103、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率；
步骤103具体包括以下步骤：
1031、以最大化无线供能通信网络的吞吐量
Figure GDA0003527972200000091
为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中
Figure GDA0003527972200000092
为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；
1032、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure GDA0003527972200000093
需要说明的是，假设每一个用户节点Uk,m存在电路消耗功率，即预置消耗功率Pck，即用户节点Uk,m信息传输消耗的能量为Pckτk，而用户节点Uk,m的发射功率为Pk,m。由于每一个用户节点Uk,m信息传输的能量来源于第一阶段收集到的能量Ek,m＝ητ0P0|hk,m|2，其中，τ0为基站的下行传输时间，P0为基站的发射功率，η(0≤η≤1)为能量转换效率，根据能量守恒定律，每一个用户节点Uk,m消耗的总能量不会超过收集到的能量Ek,m。在这样的约束条件下，要使得整个网络的吞吐量达到最大，那么所有用户在信息传输是必须消耗完收集到的全部能量，也就是说Pk,mτk+Pckτk＝Ek,m。根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure GDA0003527972200000101
其中
Figure GDA0003527972200000102
为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值，可以看出吞吐量Rsum是关于用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的单调函数，用户节点Uk,m的发射功率Pk,m越大，吞吐量Rsum越大。所以在这种情况下，最优的策略肯定是用户消耗完收集到的全部能量，通过简单的数学变换可以得出的用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式：
Figure GDA0003527972200000103
1033、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure GDA0003527972200000104
根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率
Figure GDA0003527972200000105
需要说明的是，基站的发射功率大小会直接影响到系统的性能，这里假设基站的发射功率为P0，基站的最大发射功率为Pmax(P0≤Pmax)。根据最优的用户发射功率策略，将用户节点Uk,m的发射功率Pk,m代入到无线供能通信网络的吞吐量的表达式中，经过简单是数学变换可以得到吞吐量Rsum的等价表达式即：
Figure GDA0003527972200000106
也可以很容易观察出基站的发射功率P0越大，吞吐量Rsum也越大。所以在这种情况下，最优的策略肯定是基站以最大的发射功率发射能量信号，也就是说基站的最优发射功率为
Figure GDA0003527972200000111
1034、结合第一约束条件
Figure GDA0003527972200000112
通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数
Figure GDA0003527972200000113
其中，λ≥0为第一约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，
Figure GDA0003527972200000114
需要说明的是，在得到无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure GDA0003527972200000115
后，结合第一约束条件
Figure GDA0003527972200000116
令
Figure GDA0003527972200000117
由于无线供能通信网络的吞吐量的表达式是凸优化问题，可以通过拉格朗日对偶方法来求得最优解，得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数
Figure GDA0003527972200000118
其中，λ≥0为第一约束条件对应的拉格朗日对偶乘子。
1035、通过分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到无线供能通信网络的吞吐量达到最大时，基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000119
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA00035279722000001110
具体地，
(1)分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到
Figure GDA00035279722000001111
Figure GDA00035279722000001112
其中，
Figure GDA0003527972200000121
需要说明的是，基于解xk的最优时间分配表达式分别为：
Figure GDA0003527972200000122
Figure GDA0003527972200000123
其中，
Figure GDA0003527972200000124
为无线供能通信网络的吞吐量的表达式的最优解。
(2)联立
Figure GDA0003527972200000125
与
Figure GDA0003527972200000126
得到
Figure GDA0003527972200000127
(3)通过二分法求解Ψk(xk)＝0，得到基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000128
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA0003527972200000129
如图3所示，
a、将
Figure GDA00035279722000001210
变换为
Figure GDA00035279722000001211
其中
Figure GDA00035279722000001212
b、设y的上下界分别为yu和yl；
c、计算y0＝(yl+yu)/2；
d、设xk的上下界分别为
Figure GDA00035279722000001213
和
Figure GDA00035279722000001214
e、计算
Figure GDA00035279722000001215
f、设
Figure GDA00035279722000001216
并定义函数
Figure GDA00035279722000001217
求得方程g(xk)＝0的解
Figure GDA00035279722000001218
g、判断
Figure GDA00035279722000001219
是否小于0，若是，则令
Figure GDA00035279722000001220
若否，则令
Figure GDA00035279722000001221
h、判断
Figure GDA00035279722000001222
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则执行步骤i，若否，则返回步骤e进入迭代；
i、判断
Figure GDA0003527972200000131
是否小于y0，若是，则令yu＝y0，若否，则令yl＝y0；
j、判断
Figure GDA0003527972200000132
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则得到
Figure GDA0003527972200000133
的最优解
Figure GDA0003527972200000134
若否，则返回步骤c进入迭代；
1036、根据基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000135
和基站的最优发射功率
Figure GDA0003527972200000136
计算得到用户节点Uk,m收集的能量
Figure GDA0003527972200000137
需要说明的是，如图4所示，在通过二分法得到最优解
Figure GDA0003527972200000138
后，根据基于解xk的最优时间分配表达式求得基站的最优下行传输时间
Figure GDA0003527972200000139
和用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA00035279722000001310
同时基于基站的最优发射功率
Figure GDA00035279722000001311
计算得到用户节点Uk,m收集的能量
Figure GDA00035279722000001312
1037、根据用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure GDA00035279722000001313
和用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure GDA00035279722000001314
结合用户节点Uk,m收集的能量
Figure GDA00035279722000001315
计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率
Figure GDA00035279722000001316
通过本发明中网络吞吐量最大化的资源分配策略可以求出基站的最优发射功率、用户节点Uk,m的最优发射功率、基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk，进而可以求出最大的网络吞吐量。
如图4所示，图4中显示了两种算法得到的网络吞吐量都随着基站发射功率的增加而增加。本发明实施例中技术方案的性能明显优于传统的固定时间分配策略，且优势随着基站发射功率的增大而增大。图5中显示了用户节点到基站的距离对不同算法的网络吞吐量的影响。两种算法的网络吞吐量都随着距离的增加而减小，并且本发明实施例中技术方案的性能是最优的。因此以系统的吞吐量作为系统性能评价标准，本发明实施例所提供的技术方案是最优方案。
本发明实施例中，在考虑用户节点的电路消耗情况下，通过联合优化网络的资源，包括基站的发射功率、用户节点的发射功率、上行传输时间和下行传输时间，来最大化无线供能通信网络的吞吐量，本发明首先通过寻找优化问题的最优解的结构来简化优化问题，然后使用拉格朗日乘数法和二分法求出优化问题的最优解，从而得到资源分配的闭式表达式，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
以上是对本发明提供的一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法的一个实施例的说明，以下将对本发明提供的一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装置的一个实施例进行说明。
请参阅图6，本发明提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装置的一个实施例，包括：
模型构建单元601，用于构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
确定单元602，用于确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
寻优单元603，用于以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例所述的一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法中的任意一种实施方式。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，包括：
S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率，具体包括：
S31、以最大化无线供能通信网络的吞吐量
Figure FDA0003527972190000011
为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中
Figure FDA0003527972190000012
为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；
S32、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure FDA0003527972190000021
S33、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure FDA0003527972190000022
根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率
Figure FDA0003527972190000023
S34、结合第一约束条件
Figure FDA0003527972190000024
通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数
Figure FDA0003527972190000025
其中，λ≥0为第一约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，
Figure FDA0003527972190000026
S35、通过分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到无线供能通信网络的吞吐量达到最大时，基站的最优下行传输时间
Figure FDA0003527972190000027
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure FDA0003527972190000028
S36、根据基站的最优下行传输时间
Figure FDA0003527972190000029
和基站的最优发射功率
Figure FDA00035279721900000210
计算得到用户节点Uk,m收集的能量
Figure FDA00035279721900000211
S37、根据用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure FDA00035279721900000212
和用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure FDA00035279721900000213
结合用户节点Uk,m收集的能量
Figure FDA00035279721900000214
计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率
Figure FDA00035279721900000215
2.根据权利要求1所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M；
S12、将K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，得到K个用户簇，每个用户簇中包括M个用户节点Uk,m；
S13、将用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式。
3.根据权利要求1所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S3中用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式为：Ek,m＝ητ0P0|hk,m|2，其中，τ0为基站的下行传输时间，P0为基站的发射功率，η(0≤η≤1)为能量转换效率。
4.根据权利要求1所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S35具体包括：
S351、分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到
Figure FDA0003527972190000031
Figure FDA0003527972190000032
其中，
Figure FDA0003527972190000033
S352、联立
Figure FDA0003527972190000034
与
Figure FDA0003527972190000035
得到
Figure FDA0003527972190000036
S353、通过二分法求解Ψk(xk)＝0，得到基站的最优下行传输时间
Figure FDA0003527972190000037
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure FDA0003527972190000038
5.根据权利要求4所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S353中通过二分法求解Ψk(xk)＝0具体包括：
a、将
Figure FDA0003527972190000039
变换为
Figure FDA0003527972190000041
其中
Figure FDA0003527972190000042
b、设y的上下界分别为yu和yl；
c、计算y0＝(yl+yu)/2；
d、设xk的上下界分别为
Figure FDA0003527972190000043
和
Figure FDA0003527972190000044
e、计算
Figure FDA0003527972190000045
f、设
Figure FDA0003527972190000046
并定义函数
Figure FDA0003527972190000047
求得方程g(xk)＝0的解
Figure FDA0003527972190000048
g、判断
Figure FDA0003527972190000049
是否小于0，若是，则令
Figure FDA00035279721900000410
若否，则令
Figure FDA00035279721900000411
h、判断
Figure FDA00035279721900000412
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则执行步骤i，若否，则返回步骤e进入迭代；
i、判断
Figure FDA00035279721900000413
是否小于y0，若是，则令yu＝y0，若否，则令yl＝y0；
j、判断
Figure FDA00035279721900000414
是否不大于预置精度阈值ε，若是，则得到
Figure FDA00035279721900000415
的最优解
Figure FDA00035279721900000416
若否，则返回步骤c进入迭代。
6.一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装置，其特征在于，包括：
模型构建单元，用于构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；
确定单元，用于确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；
寻优单元，用于以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率，具体包括：
S31、以最大化无线供能通信网络的吞吐量
Figure FDA0003527972190000051
为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中
Figure FDA0003527972190000052
为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；
S32、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure FDA0003527972190000053
S33、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式
Figure FDA0003527972190000054
根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率
Figure FDA0003527972190000055
S34、结合第一约束条件
Figure FDA0003527972190000056
通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数
Figure FDA0003527972190000061
其中，λ≥0为第一约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，
Figure FDA0003527972190000062
S35、通过分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到无线供能通信网络的吞吐量达到最大时，基站的最优下行传输时间
Figure FDA0003527972190000063
与用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure FDA0003527972190000064
S36、根据基站的最优下行传输时间
Figure FDA0003527972190000065
和基站的最优发射功率
Figure FDA0003527972190000066
计算得到用户节点Uk,m收集的能量
Figure FDA0003527972190000067
S37、根据用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式
Figure FDA0003527972190000068
和用户节点Uk,m的最优上行传输时间
Figure FDA0003527972190000069
结合用户节点Uk,m收集的能量
Figure FDA00035279721900000610
计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率
Figure FDA00035279721900000611
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-5任一项所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法。
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