CN109275149A - 一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，该方法在两阶段协议的基础上，针对主用户收集的能量可以积累存储供后面使用的情况，假设所有信道增益都先验已知，以保证主用户在给定的时间内传输的数据量达到目标值为目标问题，在满足主用户QoS要求、次用户传输功率受限以及能量因果限制条件下，以次用户传输数据量最大化为目标，提出了一种资源分配方法，对时间、子载波以及功率进行了优化分配。该方法可以在给定时隙内灵活分配累积的收集的能量以满足主用户的目标数据量需求，并进而给次用户留下更多的资源，以获得更高的数据传输速率。

Description

一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，可以在保证主用户传输质量的前提下同时优化次用户的性能。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线通信中数据传输速率的要求越来越高，因此无线频谱作为有限资源，变得越来越紧缺。然而另一方面，现有的分配给无线系统的频谱资源在时间和空间上都无可避免地存在闲置问题，导致频谱利用率较低。为此，人们提出了认知无线电技术。认知无线电技术在不影响授权频段正常通信的条件下，具有一定感知能力的无线通信设备可以按照某种机会方式来接入授权的频段内，并动态地利用其频谱，从而使得空闲的频谱资源得到充分利用，提高频谱效率。由于我们日常生活中接触到的电磁波都承载着能量，无线供电技术便采用一种非放射性的场来聚集这些能量，从而达到供能的目的。无线供电能够使得设备供电摆脱线路的限制，实现设备和电源的完全分离，更加方便灵活地为设备提供能量，也避免了更换电池的问题，在无线通信领域显示出了广阔的前景。

近年来，利用射频能量收集技术来为认知无线电网络提供能量越来越受到关注。在认知无线供电通信网络中，主次用户利用从射频信号中获取的能量来传输信息，从而延长设备的寿命。在实际应用中，次用户为主用户提供能量，作为回报，主用户允许次用户使用其授权频谱。主次用户之间的合作对双方皆有益处，因此，现已提出了一些主次用户之间的两阶段协议和三阶段协议。对于两阶段协议，在第一阶段，次用户进行信息传输，而主用户从次用户的传输信号中收集能量，在第二阶段，主用户进行信息传输。对于三阶段协议，其前两个阶段与两阶段协议相似，在第三阶段，次用户作为中继，转发主用户传输的信息。然而这两种协议都没有对资源分配进行优化，也没有保证主用户的QoS。与现有研究不同，本发明在两阶段协议的基础上，针对主用户收集的能量可以积累存储供后面使用的情况，假设所有信道增益都先验已知，在保证主用户QoS的同时，通过不断地对资源分配进行优化，提高次用户的性能。保证主用户QoS就是在给定的时间内传输的数据量达到目标值，这一约束条件适用于带有对延迟敏感设备的主用户，而能量可积累使得能量分配更加灵活。本发明假设所有时隙的信道增益都是先验已知，在满足主用户QoS要求、次用户传输功率受限以及能量因果限制条件下，以次用户传输数据量最大化为目标，提出了一种资源分配方法，对时间、子载波以及功率进行了优化分配。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明针对认知无线供电网络，在主用户收集到的能量可以累积的情况下，提出了一种保证主用户QoS的资源分配方法，即一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法。该方法通过对时间、子载波、以及功率进行优化分配，既保证了主用户的QoS，又提升了次用户的性能。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

本发明设计的认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法考虑的场景如下：认知无线供电网络包括一对主用户，即主发射机PTx和主接收机PRx，以及一对次用户，即次发射机STx和次接收机SRx。主发射机PTx利用无线收集的能量供电，其它所有节点都由传统能源供电。总频谱带宽被平分为N个子载波，这些子载波的集合为传输过程包含M个时隙。主用户和次用户之间采用了一个两阶段协议，每个时隙时长归一化为1，且被分为两个阶段，在同一时隙的第一阶段，次发射机向次接收机发送信号，主发射机从次发射机发送的信号中收集能量，而在第二阶段，主发射机向主接收机发送信号，同时次发射机向次接收机发送信号。

所述资源分配方法包括步骤：

(1)参数设置：记时隙j的第一阶段所占比例为第二阶段所占比例为 时隙j的第一阶段次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为主发射机PTx收集到的能量为ζ表示能量收集效率，表示次发射机STx到主发射机PTx间的信道增益；时隙j的二阶段，主发射机PTx在第i个子载波上的传输功率为次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为在时隙j中，主发射机PTx传输的数据量为D_j，次发射机STx传输的数据量为

(2)为了保证主用户的QoS，主发射机PTx需要在给定的M个时隙内传输目标数据量D。本发明的目标是在满足主用户在M个时隙内总传输数据量D的要求下，通过优化分配子载波、时间和功率，最大化次用户的传输数据量，具体步骤为：

(2-1)构建优化问题模型P1：

P1：

C1：

C2：

C3：

C4：

C5：

C6：

C7：

其中，P表示次发射机STx在每个时隙的每个阶段上的最大传输功率；表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，D_j表示在时隙j中主发射机PTx传输的数据量；约束C1，C2为次用户两阶段的传输功率约束，表示分别在每个时隙的每个阶段中，次发射机的传输功率不能超过最大总传输功率P；约束C3表示在时隙j的第二阶段，一个子载波只能分配给主发射机或次发射机使用；约束条件C4表示每个时隙中主发射机PTx在时隙j第一阶段收集的能量都可累积存储供第二阶段使用的前提下，主发射机PTx的能量因果约束，表示主发射机在当前时隙消耗的能量不能大于其累积收集的能量；约束C5为主用户的最低传输数据量约束；约束C6、C7表示和两阶段时长和为1且和的取值范围均为[0，1]。

(2-2)通过求解问题模型P1，得到的最优解，并按照最优解分配相应资源。

具体的，所述D_j的表达式为：

其中，σ²为噪声功率，表示第i个子载波在时隙j中从主发射机PTx到主接收机PRx的信道增益。

具体的，所述的计算公式为：

其中，表示第i个子载波在时隙j中从次发射机STx到次接收机SRx的信道增益。

进一步的，所述求解问题模型P1的方法包括依次执行步骤(4-1)至(4-4)：

(4-1)初始化：假设在所有时隙的第一阶段的所有子载波都分配给主发射机PTx，即将次发射机STx在时隙j第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i^*，即 给定通过求解问题P2求解和

P2：

C8：

C9：

根据求得的和计算

(4-2)根据步骤(4-1)求得的求解问题P1，得到和的优化结果；

(4-3)根据步骤(4-2)得到的和的优化结果，求解问题P1，得到 和的优化结果；

(4-4)判断问题P1的目标函数是否收敛，若是，则结束步骤(4-4)，否则，返回步骤(4-2)。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明提出的认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法可以在给定时隙内灵活分配累积的收集的能量以满足主用户的目标数据量需求，并进而给次用户留下更多的资源，以获得更高的数据传输速率。

附图说明

图1为本发明所述认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明设计的认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法考虑的场景如下：认知无线供电网络包括一对主用户，即主发射机PTx和主接收机PRx，以及一对次用户，即次发射机STx和次接收机SRx。主发射机PTx利用无线收集的能量供电，其它所有节点都由传统能源供电。总频谱带宽被平分为N个子载波，这些子载波的集合为传输过程包含M个时隙。主用户和次用户之间采用了一个两阶段协议，每个时隙时长归一化为1，且被分为两个阶段，在同一时隙的第一阶段，次发射机向次接收机发送信号，主发射机从次发射机发送的信号中收集能量，而在第二阶段，主发射机向主接收机发送信号，同时次发射机向次接收机发送信号。记时隙j的第一阶段所占比例为第二阶段所占比例为 时隙j的第一阶段次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为主发射机PTx收集到的能量为ζ表示能量收集效率，表示次发射机STx到主发射机PTx间的信道增益；时隙j的二阶段，主发射机PTx在第i个子载波上的传输功率为次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为在时隙j中，主发射机PTx传输的数据量为D_j，次发射机STx传输的数据量为

为了保证主用户的QoS，主发射机PTx需要在给定的M个时隙内传输目标数据量D。故其目标数据量约束为其中表示主发射机在时隙j的传输数据量，σ²为噪声功率。表示次发射机在时隙j的传输数据量。由于在时隙j的第二阶段，一个子载波只能分配给主用户或次用户使用，所以 表示在时隙j的第一阶段中主发射机PTx收集的能量，其中ζ表示能量收集效率。假设每个时隙中主发射机PTx在第一阶段收集的能量都可累积存储供第二阶段使用，可得主发射机PTx的能量因果约束本发明的目标是在主用户的能量因果、主用户的目标数据量以及次用户的传输功率的约束下，通过联合分配时间、子载波和功率，最大化次用户的传输数据量，具体流程如图1所示，包括步骤：

(1)构建优化问题模型P1：

P1：

C1：

C2：

C3：

C4：

C5：

C6：

C7：

其中，P表示次发射机STx在每个时隙的每个阶段上的最大传输功率；表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，D_j表示在时隙j中主发射机PTx传输的数据量；约束C1，C2为次用户两阶段的传输功率约束，表示分别在每个时隙的每个阶段中，次发射机的传输功率不能超过最大总传输功率P；约束C3表示在时隙j的第二阶段，一个子载波只能分配给主发射机或次发射机使用；约束条件C4表示每个时隙中主发射机PTx在时隙j第一阶段收集的能量都可累积存储供第二阶段使用的前提下，主发射机PTx的能量因果约束，表示主发射机在当前时隙消耗的能量不能大于其累积收集的能量；约束C5为主用户的最低传输数据量约束；约束C6、C7表示和两阶段时长和为1且和的取值范围均为[0，1]。

(2)通过求解问题模型P1，得到的最优解，并按照最优解分配相应资源，所述求解问题P1的步骤如下：

1)初始化：假设在所有时隙的第一阶段的所有子载波都分配给主发射机PTx，即将次发射机STx在时隙j第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i^*，即 在主用户的能量因果约束与次用户的传输功率约束下最大化主用户的传输数据量的优化问题如下：

C1：

C4：

C6：

C7：

易证越大，主发射机PTx在时隙j的第一阶段收集的能量越多，则主发射机PTx的传输数据量越大。因此，将次发射机STx在每个时隙的第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i^*，即子载波故设置通过求解问题P2求解和

P2：

C8：

C9：

该问题是凸问题，可由内点法或拉格朗日对偶法求得和再根据求得的和计算

2)在问题P1中的优化变量给定的前提下，求解问题P1，得到和的优化结果，该问题属于线性规划问题，可采用内点法求解；

3)在问题P1中的优化变量和给定的前提下，对进行优化。令先对和进行优化，该问题是凸问题，可用拉格朗日对偶法或内点法求解。再令为时隙j第二阶段中分配给次发射机的子载波，在时隙j第二阶段次发射机最大传输功率约束下，以最大化次发射机在时隙j的传输数据量为目标优化时隙j中的优化问题如下：

C10：

该问题是凸问题，可用经典注水法求解。

4)判断次用户的传输数据量是否收敛，若收敛则算法结束，输出优化后的 若不收敛，则返回步骤2)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，其特征在于，所述认知无线电网络包括：一对主用户，分别为主发射机PTx和主接收机PRx；以及一对次用户，分别为次发射机STx和次接收机SRx；所述认知无线供电网络总频谱带宽被平分为N个子载波，这些子载波的集合为主用户和次用户之间采用两阶段协议，每个时隙分为两个阶段，在同一时隙的第一阶段，次发射机向次接收机发送信号，主发射机从次发射机发送的信号中收集能量，而在第二阶段，主发射机向主接收机发送信号，同时次发射机向次接收机发送信号；

所述资源分配方法包括步骤：

(1)参数设置：记时隙j的第一阶段所占比例为第二阶段所占比例为 时隙j的第一阶段次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为主发射机PTx收集到的能量为ζ表示能量收集效率，表示次发射机STx到主发射机PTx间的信道增益；时隙j的二阶段，主发射机PTx在第i个子载波上的传输功率为次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为

(2)以满足主发射机PTx在预设的M个时隙内总传输给定数据量D的要求为前提，通过优化分配子载波、时间和功率实现最大化次发射机STx的传输数据量，包括步骤：

(2-1)构建优化问题模型P1：

其中，P表示次发射机STx在每个时隙的每个阶段上的最大传输功率；表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，D_j表示在时隙j中主发射机PTx传输的数据量；约束条件C4表示每个时隙中主发射机PTx在时隙j第一阶段收集的能量都可累积存储供第二阶段使用的前提下，主发射机PTx的能量因果约束；

(2-2)通过求解问题模型P1，得到的最优解，并按照最优解分配相应资源。

2.根据权利要求1所述的一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，其特征在于，所述D_j的表达式为：

其中，σ²为噪声功率，表示第i个子载波在时隙j中从主发射机PTx到主接收机PRx的信道增益。

3.根据权利要求2所述的一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，其特征在于，所述的计算公式为：

其中，表示第i个子载波在时隙j中从次发射机STx到次接收机SRx的信道增益。

4.根据权利要求2所述的一种认知无线供电网络中基于能量累积的资源分配方法，其特征在于，所述求解问题模型P1的方法包括依次执行步骤(4-1)至(4-4)：

(4-1)初始化：假设在所有时隙的第一阶段的所有子载波都分配给主发射机PTx，即将次发射机STx在时隙j第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i^*，即给定通过求解问题P2求解和

根据求得的和计算

(4-2)根据步骤(4-1)求得的求解问题P1，得到和的优化结果；

(4-3)根据步骤(4-2)得到的和的优化结果，求解问题P1，得到 和的优化结果；

(4-4)判断问题P1的目标函数是否收敛，若是，则结束步骤(4-4)，否则，返回步骤(4-2)。