CN109275149B - 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

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CN109275149B CN201811153246.7A CN201811153246A CN109275149B CN 109275149 B CN109275149 B CN 109275149B CN 201811153246 A CN201811153246 A CN 201811153246A CN 109275149 B CN109275149 B CN 109275149B
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

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
Figure BDA00018163551200000210
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
Figure BDA0001816355120000021
第二阶段所占比例为
Figure BDA0001816355120000022
Figure BDA0001816355120000023
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
Figure BDA0001816355120000024
主发射机PTx收集到的能量为
Figure BDA0001816355120000025
ζ表示能量收集效率，
Figure BDA0001816355120000026
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
Figure BDA0001816355120000027
次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为
Figure BDA0001816355120000028
在时隙j中，主发射机PTx传输的数据量为Dj，次发射机STx传输的数据量为
Figure BDA0001816355120000029
(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：
Figure BDA0001816355120000031
C1：
Figure BDA0001816355120000032
C2：
Figure BDA0001816355120000033
C3：
Figure BDA0001816355120000034
C4：
Figure BDA0001816355120000035
C5：
Figure BDA0001816355120000036
C6：
Figure BDA00018163551200000316
C7：
Figure BDA0001816355120000037
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；
Figure BDA0001816355120000038
表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，Dj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
Figure BDA0001816355120000039
和
Figure BDA00018163551200000310
两阶段时长和为1且
Figure BDA00018163551200000311
和
Figure BDA00018163551200000312
的取值范围均为[0，1]。
(2-2)通过求解问题模型P1，得到
Figure BDA00018163551200000313
的最优解，并按照最优解分配相应资源。
具体的，所述Dj的表达式为：
Figure BDA00018163551200000314
其中，σ2为噪声功率，
Figure BDA00018163551200000315
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
Figure BDA0001816355120000041
的计算公式为：
Figure BDA0001816355120000042
其中，
Figure BDA0001816355120000043
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
Figure BDA0001816355120000044
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
Figure BDA0001816355120000045
Figure BDA0001816355120000046
给定
Figure BDA0001816355120000047
通过求解问题P2求解
Figure BDA0001816355120000048
和
Figure BDA0001816355120000049
P2：
Figure BDA00018163551200000410
C8：
Figure BDA00018163551200000411
C9：
Figure BDA00018163551200000412
根据求得的
Figure BDA00018163551200000413
和
Figure BDA00018163551200000414
计算
Figure BDA00018163551200000415
(4-2)根据步骤(4-1)求得的
Figure BDA00018163551200000416
求解问题P1，得到
Figure BDA00018163551200000417
和
Figure BDA00018163551200000418
的优化结果；
(4-3)根据步骤(4-2)得到的
Figure BDA00018163551200000419
和
Figure BDA00018163551200000420
的优化结果，求解问题P1，得到
Figure BDA00018163551200000421
Figure BDA00018163551200000422
和
Figure BDA00018163551200000423
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
Figure BDA0001816355120000051
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
Figure BDA0001816355120000052
第二阶段所占比例为
Figure BDA0001816355120000053
Figure BDA0001816355120000054
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
Figure BDA0001816355120000055
主发射机PTx收集到的能量为
Figure BDA0001816355120000056
ζ表示能量收集效率，
Figure BDA0001816355120000057
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
Figure BDA0001816355120000058
次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为
Figure BDA0001816355120000059
在时隙j中，主发射机PTx传输的数据量为Dj，次发射机STx传输的数据量为
Figure BDA00018163551200000510
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
Figure BDA00018163551200000511
其中
Figure BDA00018163551200000512
表示主发射机在时隙j的传输数据量，σ2为噪声功率。
Figure BDA00018163551200000513
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
Figure BDA00018163551200000514
Figure BDA00018163551200000515
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
Figure BDA0001816355120000061
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：
Figure BDA0001816355120000062
C1：
Figure BDA0001816355120000063
C2：
Figure BDA0001816355120000064
C3：
Figure BDA0001816355120000065
C4：
Figure BDA0001816355120000066
C5：
Figure BDA0001816355120000067
C6：
Figure BDA0001816355120000068
C7：
Figure BDA0001816355120000069
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；
Figure BDA00018163551200000610
表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，Dj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
Figure BDA00018163551200000611
和
Figure BDA00018163551200000612
两阶段时长和为1且
Figure BDA00018163551200000613
和
Figure BDA00018163551200000614
的取值范围均为[0，1]。
(2)通过求解问题模型P1，得到
Figure BDA00018163551200000615
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
Figure BDA0001816355120000071
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
Figure BDA0001816355120000072
Figure BDA0001816355120000073
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：
Figure BDA0001816355120000074
C1：
Figure BDA0001816355120000075
C4：
Figure BDA0001816355120000076
C6：
Figure BDA0001816355120000077
C7：
Figure BDA0001816355120000078
易证
Figure BDA0001816355120000079
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
Figure BDA00018163551200000710
故
Figure BDA00018163551200000711
设置
Figure BDA00018163551200000712
通过求解问题P2求解
Figure BDA00018163551200000713
和
Figure BDA00018163551200000714
P2：
Figure BDA00018163551200000715
C8：
Figure BDA00018163551200000716
C9：
Figure BDA00018163551200000717
该问题是凸问题，可由内点法或拉格朗日对偶法求得
Figure BDA00018163551200000718
和
Figure BDA00018163551200000719
再根据求得的
Figure BDA00018163551200000720
和
Figure BDA00018163551200000721
计算
Figure BDA00018163551200000722
2)在问题P1中的优化变量
Figure BDA00018163551200000723
给定的前提下，求解问题P1，得到
Figure BDA00018163551200000724
和
Figure BDA00018163551200000725
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
Figure BDA00018163551200000726
和
Figure BDA00018163551200000727
给定的前提下，对
Figure BDA00018163551200000728
进行优化。令
Figure BDA00018163551200000729
先对
Figure BDA00018163551200000730
和
Figure BDA00018163551200000731
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
Figure BDA0001816355120000081
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
Figure BDA0001816355120000082
优化问题如下：
Figure BDA0001816355120000083
C10：
Figure BDA0001816355120000084
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
Figure BDA0001816355120000085
Figure BDA0001816355120000086
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 (3)

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，所述认知无线供电网络包括：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
Figure FDA0003715823680000011
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
Figure FDA0003715823680000012
第二阶段所占比例为
Figure FDA0003715823680000013
Figure FDA0003715823680000014
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
Figure FDA0003715823680000015
主发射机PTx收集到的能量为
Figure FDA0003715823680000016
ζ表示能量收集效率，
Figure FDA0003715823680000017
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
Figure FDA0003715823680000018
次发射机STx在第i个子载波上的传输功率为
Figure FDA0003715823680000019
(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：
P1：
Figure FDA00037158236800000110
C1：
Figure FDA00037158236800000111
C2：
Figure FDA00037158236800000112
C3：
Figure FDA00037158236800000113
C4：
Figure FDA00037158236800000114
C5：
Figure FDA00037158236800000115
C6：
Figure FDA00037158236800000116
C7:
Figure FDA0003715823680000021
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；
Figure FDA0003715823680000022
表示在时隙j中次发射机STx传输的数据量，Dj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
Figure FDA0003715823680000023
的最优解，并按照最优解分配相应资源；
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
Figure FDA0003715823680000024
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
Figure FDA0003715823680000025
给定
Figure FDA0003715823680000026
通过求解问题P2求解
Figure FDA0003715823680000027
和
Figure FDA0003715823680000028
P2:
Figure FDA0003715823680000029
C8：
Figure FDA00037158236800000210
C9:
Figure FDA00037158236800000211
根据求得的
Figure FDA00037158236800000212
和
Figure FDA00037158236800000213
计算
Figure FDA00037158236800000214
Figure FDA00037158236800000215
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；
(4-2)根据步骤(4-1)求得的
Figure FDA00037158236800000216
求解问题P1，得到
Figure FDA00037158236800000217
和
Figure FDA00037158236800000218
的优化结果；
(4-3)根据步骤(4-2)得到的
Figure FDA00037158236800000219
和
Figure FDA00037158236800000220
的优化结果，求解问题P1，得到
Figure FDA00037158236800000221
Figure FDA00037158236800000222
和
Figure FDA00037158236800000223
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)。
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Dj的表达式为：
Figure FDA0003715823680000031
其中，σ2为噪声功率，
Figure FDA0003715823680000032
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
Figure FDA0003715823680000033
的计算公式为：
Figure FDA0003715823680000034
其中，
Figure FDA0003715823680000035
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。
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