CN109219143A - 一种无线供电通信网络中通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种无线供电通信网络中通信方法，方法包括：基站通过多个子载波向用户终端发射射频信号。用户终端获取射频信号中的能量。用户终端基于所获取的能量，采用正交频分复用OFDM和非正交多址接入NOMA技术，通过多个子载波向基站发射信号。可见，本发明实施例中，用户终端可以从基站发送的射频信号中提取能量，并使用提取的能量，采用OFDM‑NOMA技术发射信号。从而在解决用户终端侧的能源短缺问题基础上，提高频带利用率。

Description

一种无线供电通信网络中通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无线供电通信网络中通信方法。

背景技术

无线供电通信网络中，基站向用户终端发送射频信号，用户终端可以从射频信号中收集能量，并用于自身工作与信息传输，从而解决了设备侧的能量短缺、频繁更换电池等问题，可以适用于物联网技术。

然而，传统的无线供电通信网络中，仅仅采用OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用)技术作为上行链路无线信息传输方案。这种方案中，无线供电通信网络仅允许每个子载波上接入单个用户终端，导致频带利用率较低，无法满足未来物联网网络中大规模接入用户终端的需求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种无线供电通信网络中通信方法，在解决用户终端侧的能源短缺问题基础上，提高频带利用率。具体技术方案如下：

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种无线供电通信网络中通信方法，方法包括：

基站通过多个子载波向用户终端发射射频信号；

用户终端获取所述射频信号中的能量；

用户终端基于所获取的能量，采用正交频分复用OFDM和非正交多址接入NOMA技术，通过所述多个子载波向所述基站发射信号。

可选的，所述用户终端向所述基站发射的信号的总吞吐量为：

C₆:0≤τ≤1,

其中，τ为每个时隙中所述基站发射射频信号的传能时长，P_n ^D为所述基站向所述用户终端发射射频信号的下行功率，P_n,i ^U为所述用户终端向所述基站发射信号的上行功率，表示用户终端i和子载波n的分配结果，其中，表示子载波n被分配给了用户终端i，表示子载波n未被分配给用户终端i，K为用户终端的总个数，N为子载波的总个数，ρ_n,i表示用户终端i在子载波n上的载波增益，ρ_n,j表示用户终端j在子载波n上的载波增益，Kmax表示每个子载波能够分配的用户终端的最大数目，N_UB表示每个用户终端能够分配的子载波的最大数目，η_i表示能量转化效率，h_n,i表示信道增益。

可选的，所述方法还包括：

根据所述传能时长、所述下行功率、所述上行功率，基于匹配理论，优化子载波分配结果。

可选的，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述下行功率、所述传能时长，按照迭代注水算法，优化所述上行功率。

可选的，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述传能时长、所述上行功率，按照投影子梯度法，优化所述下行功率。

可选的，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述上行功率、所述下行功率，按照一维搜索算法，优化所述传能时长。

可选的，所述根据所述传能时长、所述下行功率、所述上行功率，基于匹配理论，优化子载波分配结果的步骤，包括：

基于如下公式优化子载波分配结果：

可选的，所述根据子载波分配结果、所述下行功率、所述传能时长，按照迭代注水算法，优化所述上行功率的步骤，包括：

基于如下公式优化所述上行功率：

可选的，所述根据子载波分配结果、所述传能时长、所述上行功率，按照投影子梯度法，优化所述下行功率的步骤，包括：

基于如下公式优化所述下行功率：

可选的，所述根据子载波分配结果、所述上行功率、所述下行功率，按照一维搜索算法，优化所述传能时长的步骤，包括：

基于如下公式优化所述传能时长：

可见，应用本发明实施例提供的无线供电通信网络中通信方法，用户终端可以从基站发送的射频信号中提取能量，并使用提取的能量，采用OFDM-NOMA技术发射信号。从而在解决用户终端侧的能源短缺问题基础上，提高频带利用率。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的无线供电通信网络的系统场景示意图；

图2为本发明实施例提供的无线供电通信网络中通信方法的一种流程图；

图3为本发明实施例提供的基站传能和用户终端传信号的一种示意图；

图4为本发明实施例提供的子载波分配的一种流程示意图；

图5为本发明实施例提供的使用黄金分割搜索算法优化传能时长的一种流程示意图；

图6为本发明实施例提供的使用交替迭代法优化上行功率和下行功率的一种流程示意图；

图7为本发明实施例提供的使用迭代注水法优化上行功率的一种流程示意图。

具体实施方式

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。

为了便于理解，下面先对本发明的应用场景进行介绍。

参见图1，本发明应用于无线供电通信网络，该无线供电通信网络包括一个基站HAP和多个用户终端User，基站和用户终端均配备有天线设备。基站通过多个子载波向用户终端发射射频信号，用户终端提取射频信号中的能量，并基于提取的能量向基站发送信息，从而不需要用户终端配备能源设备。

下面结合附图，对本发明实施例提供的无线供电通信网络中通信方法进行说明，参见图2，图2为本发明实施例提供的无线供电通信网络中通信方法的一种流程图，包括以下步骤：

步骤S201：基站通过多个子载波向用户终端发射射频信号。

本发明实施例中，由于考虑了OFDM技术，总带宽可以被N个子载波等分。基站可以通过每个子载波向用户终端发射射频信号，该过程称为下行传能。在每个时隙中，下行传能的时长称为传能时长。

步骤S202：用户终端获取所述射频信号中的能量。

在该步骤中，用户终端在接收到射频信号后，可以提取出射频信号中的能量，提取能量的过程可以根据现有技术进行，在此不赘述。

步骤S203：用户终端基于所获取的能量，采用OFDM-NOMA技术，通过所述多个子载波向所述基站发射信号。

本发明实施例中，用户终端可以使用获取的能量来发射信号，为了提高频带利用率，用户终端向基站发射信号时，可以采用OFDM-NOMA技术。

可见，本发明实施例中，用户终端可以从基站发送的射频信号中提取能量，并使用提取的能量，采用OFDM-NOMA技术发射信号。从而在解决用户终端侧的能源短缺问题基础上，提高频带利用率。

本发明实施例中，每个时隙可以分为下行传能时长和上行传信号的时长。为了便于理解，可以设定每个时隙时长为1，下行传能时长为τ，则上行传信号时长即为1-τ。可以参见图3。

作为一个示例，前τ(0≤τ≤1)时间段内，基站通过子载波以发射功率向所有用户广播无线能量信号则用户i的接收信号表示为其中g_n,i为用户i在下行链路的子载波n上的信道系数，表示子载波n上基站与用户i之间的循环对称复高斯分布噪声。

用户从接收到的能量信号中获取的能量可以表示为其中0≤η_i≤1代表能量转换效率。

在每个时隙的上行传信号时间段内，用户终端采用OFDM-NOMA方案，通过子载波同时向基站传输信息。为了表示子载波分配的结果，可以引入矩阵其中二进制数表示子载波n是否匹配用户终端i,例如，时用户终端i在子载波n上发送信息；时用户i在子载波n上不发送信息。可见，Φ即可表示子载波分配结果。

在接收端，基站通过连续干扰消除技术解码用户的信号,由于用户终端i的信号在被解码时会受到来自任何其他具有更好的子载波增益的用户终端的干扰，因此用户终端i观察到的基站的接收信号为：

其中ρ_n,j为用户终端j在子载波n上的子载波增益，ρ_n,i为用户终端i在子载波n上的子载波增益。

则用户终端i的上行吞吐量为：

从而，整个无线供电通信网络中用户终端的吞吐量可以表示为:

针对上述表达式，存在以下约束条件：

C₆:0≤τ≤1,

其中，C₁表示每个用户在上行链路发射的能量不能超过其获取的能量E_i；C₂表示HAP的总功率约束；C₃-C₅表示每个子载波只能被分配给最多K_max用户，并且考虑到用户公平性，分配给每个用户的子载波的数量不大于N_UB；C₆-C₈是传能时长，下行链路和上行链路发射功率的可行域约束。

在本发明的一个实施例中，为了提高无线供电通信网络中用户终端的吞吐量，可以对子载波、传能时长、上行功率、下行功率进行联合分配。

在本发明的一个实施例中，可以将上述子载波、传能时长、上行功率、下行功率联合分配的问题解耦为子载波分配子问题和联合上、下行链路时长及能量分配子问题。

一个实施例中，当传能时长，下行功率和上行功率已知时，可以对子载波分配结果进行优化，以提高无线供电通信网络中用户终端的吞吐量。

具体的，上述问题用公式可以表示为：

本发明一个实施例中，可以采用匹配理论解决上述问题，具体的，给出如下定义：

定义1：定义Φ作为包含SC∪U中所有子集的函数，并满足如下式子：

1)且

2)

3)

其中S＝{S₁,S₂,…,S_N}与U＝{U₁,U₂,…,U_K}分别表示信道集合与用户集合。

定义2：

定义3：

定义2表示根据信道增益，用户i对子载波n比n'更偏好。在定义2的基础上，又进一步定义了用户i的偏好集合PLU_i，它根据信道增益将所有用户降序排列。定义3表示子载波n更偏好用户集合U_k，因其在U_k上能取得更高的吞吐量。

定义4：假设匹配Φ和组合(S_n,U_i)满足和那么当U_i∈U且S_n′∈Φ(U_i)时，(S_n,U_i)为Φ中的一个阻碍配对。当Φ中不存在阻碍配对时，Φ为稳定匹配。

基于以上定义，本发明实施例提供了一种子载波分配算法，包括以下步骤：

步骤11：对用户集K中的第i＝1个用户，根据定义2构建用户i的偏好集合PLU_i。

步骤12：对于PLU_i中的第l＝1个元素即子载波n，若n∈Φ(U_i)，那么子载波n与用户i已匹配；否则，计算子载波上n的用户个数即|Φ(S_n)|。

步骤13：若|Φ(S_n)|<K_max，直接将用户i分配到子载波n上；否则，将用户i以此替换集合Φ(S_n)中的用户i'，并计算所有用户集合的吞吐量，取最大的一个。

步骤14：若步骤13中最大的吞吐量大于用户i替换前集合的吞吐量，则此最大吞吐量对应的用户集合更新为子载波n的匹配用户。

步骤15：令l＝l+1，返回步骤12，并重复执行步骤12至步骤14，直到l＞N_UB。

步骤16：令i＝i+1，返回步骤11，并重复执行步骤11至步骤15，直到i＞K。

基于上述步骤，为了便于理解，本发明实施例提供了一种与子载波分配算法相对应的流程图，可以参见图4。

在本发明一种实施例中，当子载波分配结果已知时，可以对上行功率、下行功率以及传能时长进行优化分配，以尽可能提高无线供电通信网络中用户终端的吞吐量。该问题可以表示为：

其中，表示信道n上的匹配用户集合。

令π_n(k)表示第n个子载波上的译码顺序第k个对应的用户序号，则的目标函数可以进一步写成：

令上述优化问题可以转换为：

C″₅:0≤τ≤1,

上述问题中，关于变量传能时长τ及上下行能量是凹极大值问题，可以用传统凸优化方法内点法求解，同时说明该问题的最大值关于变量τ是凹的。由于固定τ时，与等价，为了简便，下面我们用代替问题可进一步分解为子问题通过对这三个子问题交替优化，能用低复杂度算法求解。

子问题为：给定上行功率、下行功率，优化传能时长。用公式表示为

其中，

R(τ)为关于τ的凹函数，可以采用一维搜索算法对传能时长τ进行优化。一种实施例中，可以采用黄金分割搜索算法，参见图5，可以包括以下步骤：

步骤21：给定初始时间区间[τ_l,τ_r]与精度ε＞0，令τ_l＝0，τ_r＝1；

步骤22：令τ_0.382＝0.382(τ_r-τ_l),τ_0.618＝0.618(τ_r-τ_l)，计算R(τ_0.382),R(τ_0.618)。

步骤23：若|τ_0.618-τ_0.382|＞ε，转到步骤24；否则，停止搜索，得到最优的传能时长τ＝(τ_0.382+τ_0.618)/2。

步骤24：若R(τ_0.382)<R(τ_0.618)，转到步骤25，否则转到步骤26。

步骤25：令τ_l＝τ_0.382，τ_0.382＝τ_0.618，τ_0.618＝0.618(τ_r-τ_l)，并计算R(τ_0.618)。

步骤26：令τ_r＝τ_0.618，τ_0.618＝τ_0.382，τ_0.382＝0.382(τ_r-τ_l)，计算R(τ_0.382)，并转到步骤27。

步骤27：返回步骤23。

针对子问题给定传能时长、上行功率，优化下行功率。可以用公式表示为：

上述问题是关于下行功率的凹极大值问题，可以用投影子梯度法求解。

具体的，下行功率的子梯度可以计算为：

其中，λ_i为中与C′₁相关的对偶变量。

投影子梯度更新可以写成

其中π_C表示向凸集C进行投影 γ^t为子梯度步长。

针对上述子问题给定下行功率、传能时长，优化上行功率。可以用公式表示为：

本发明实施例中，上述问题是零对偶间隙的凹极大值问题，可用拉格朗日对偶法求解。

具体的，构造公式：

其中，

根据KKT(Karush-Kuhn-Tucher，库恩塔克条件)，计算得到：

其中，β_n＝ρ_n,k，J_n为子载波n上非零功率分配的用户集合，即|J_n|为J_n的基数。

本发明一个实施例中，针对每一个固定的τ值，交替迭代和其中采用投影子梯度法更新，采用迭代注水法更新。

具体的，参见图6，可以包括以下步骤：

步骤31：输入传能时长τ，与初始下行功率

步骤32：根据传能时长、初始下行功率计算得到当前上行功率以及拉格朗日因子λ_i。

步骤33：更新子梯度d_n与下行功率分配

步骤34：判断是否收敛，若收敛，执行步骤35；否则，返回步骤32。

步骤35：输出当前下行功率和当前上行功率

其中，上述步骤32中根据传能时长、下行功率计算得到上行功率以及拉格朗日因子的步骤，可以参见图7，包括以下细化步骤：

步骤41：输入传能时长，下行功率以及信道n匹配的用户集合K_n，记迭代因子为t。

步骤42：令t＝t+1，从第k＝1个用户开始遍历用户集合K。

步骤43：计算α_n,β_n。

步骤44：更新子载波n上非零上行功率分配的用户集合J_n。并计算

步骤45：判断J_n是否收敛，若不收敛，返回步骤44；若收敛，执行步骤46。

步骤46：令k＝k+1，若k>K，执行步骤47；否则返回步骤43。

步骤47：根据公式计算R。若R收敛，输出上行功率否则返回步骤42。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无线供电通信网络中通信方法，其特征在于，所述方法包括：

基站通过多个子载波向用户终端发射射频信号；

用户终端获取所述射频信号中的能量；

用户终端基于所获取的能量，采用正交频分复用OFDM和非正交多址接入NOMA技术，通过所述多个子载波向所述基站发射信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户终端向所述基站发射的信号的总吞吐量为：

C₆:0≤τ≤1,

其中，τ为每个时隙中所述基站发射射频信号的传能时长，P_n ^D为所述基站向所述用户终端发射射频信号的下行功率，P_n,i ^U为所述用户终端向所述基站发射信号的上行功率，表示用户终端i和子载波n的分配结果，其中，表示子载波n匹配用户终端i，表示子载波n未匹配用户终端i，K为用户终端的总个数，N为子载波的总个数，ρ_n,i表示用户终端i在子载波n上的载波增益，ρ_n,j表示用户终端j在子载波n上的载波增益，Kmax表示每个子载波能够分配的用户终端的最大数目，N_UB表示每个用户终端能够分配的子载波的最大数目，η_i表示能量转化效率，h_n,i表示信道增益。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述传能时长、所述下行功率、所述上行功率，基于匹配理论，优化子载波分配结果。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述下行功率、所述传能时长，按照迭代注水算法，优化所述上行功率。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述传能时长、所述上行功率，按照投影子梯度法，优化所述下行功率。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据子载波分配结果、所述上行功率、所述下行功率，按照一维搜索算法，优化所述传能时长。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述传能时长、所述下行功率、所述上行功率，基于匹配理论，优化子载波分配结果的步骤，包括：

基于如下公式优化子载波分配结果：

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据子载波分配结果、所述下行功率、所述传能时长，按照迭代注水算法，优化所述上行功率的步骤，包括：

基于如下公式优化所述上行功率：

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据子载波分配结果、所述传能时长、所述上行功率，按照投影子梯度法，优化所述下行功率的步骤，包括：

基于如下公式优化所述下行功率：

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据子载波分配结果、所述上行功率、所述下行功率，按照一维搜索算法，优化所述传能时长的步骤，包括：

基于如下公式优化所述传能时长：

s.t.C′₁,C₂,C₇,C₈