CN109327896A - 一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，在该方法中，基站发送信息给K个用户，每个用户利用一部分子载波来解码信息，用另外一部分子载波来收集能量。每个用户只需要知道哪些子载波用于信息解码，哪些子载波进行能量收集，即每个用户只需要知道用于信息解码和能量收集的子载波序号，不需要额外增加分配器。本发明在提高系统能量效率的同时有效降低了设备的设计复杂度。

Description

一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能 通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的无线携能通信技术领域，特别是一种能效优化无线携能通信方法。

背景技术

无线通信技术由于灵活性高、成本低、可靠性好等优点，在实际生活中得到了越来越多的应用。然而，其消耗的能量也在急剧增加，致使无线通信系统的能量效率降低，制约着无线通信的进一步发展，因此如何在无线通信系统中提高能量效率变得越来越重要。能效优化无线携能通信方法应运而生，它通过接收周围环境的射频信号，实现解码信息的同时收集能量，将收集的能量用于补偿系统所消耗的能量，被认为是一种可以提高系统能量效率的理想方法。

现有的多用户能效优化无线携能通信方法主要有两种：基于时隙切换和功率分配方法，尽管这两种方法都可以提高系统的能量效率，但这两种方法都需要在接收端额外提供时隙切换器或功率分配器，增加了系统的设计复杂度和成本。

发明内容

针对现有多用户能效优化无线携能通信方法中接收端需要额外增加时隙切换器或功率分配器的缺陷，本发明提供一种有效降低接收端设计复杂度的基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，无线携能通信系统由一个基站和K个用户组成，发送端有N个子载波，所述基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法包括以下步骤：

1)基站直接发送信息给K个用户，每个用户用一部分子载波来解码信息，用另外一部分子载波收集能量，为了避免不同用户之间的干扰，每个子载波只能用于一个用户解码信息；

2)计算用户k获得的信息速率r_k和收集到的能量Q_k；

3)如果r_k≥R_k，而且Q_k≥B_k，则计算系统的能量效率；

基站和K个用户之间的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，和分别表示用户k用于信息解码和能量收集的子载波集合，和分别表示用户k在子载波n上用于信息解码和能量收集的功率，R_k表示用户k的目标速率，B_k表示用户k收集的最小能量限制，表示系统的能量效率，P表示基站发送的总功率，ε表示能量转换效率，P_B表示基站处电子器件所消耗的固定功耗，P_R表示用户处电子器件所消耗的固定功耗，h_k,n表示子载波n在基站到用户k链路上的信道系数，σ²表示子载波在用户上接收到的噪声功率；

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率联合分配：

其中，N＝{1,2,3,...,N}表示发送端的子载波集合，β_1,k，β_2,k和β₃表示拉格朗日乘子，q表示迭代系数，p_max和p_min表示每个子载波上最大和最小功率限制，w_k表示非负加权系数，

进一步，所述步骤2)中，用户k获得的信息速率表示为：

用户k收集到的能量表示为：

再进一步，所述步骤3)中，系统的能量效率表示为：

其中，U_m(P,S)和U_TPm(P,S)分别表示系统的总吞吐量和总功耗，表示为：

本发明的技术构思为：现有多用户能效优化无线携能通信方法需要在接收端额外增加时隙切换器或功率分配器来实现信息解码和能量收集，因此增加了接收端的设计复杂度。本专利方法中用户使用不同的子载波分别进行信息解码和能量收集，不再需要增加分配器，能够有效降低设备的设计复杂度。

本发明的有益效果主要表现在：用户不需要增加分配器，降低了用户的设计复杂度。

附图说明

图1是本发明方法的基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法系统模型示意图；

图2是本发明方法在不同的噪声功率下系统能量效率随着基站发送总功率的变化图；

图3是本发明方法在不同基站发送信号电子器件所消耗固定功耗P_B下系统能量效率随着基站发送总功率的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，是基于现有的无线通信系统实现的，所述能效优化无线携能通信系统由一个基站和K个用户组成，发送端有N个子载波。

本实施方式的方法中，基站发送信息给K个用户，每个用户用一部分子载波解码信息，用另外一部分子载波收集能量。为了避免不同用户之间的干扰，每个子载波只能用于一个用户进行信息解码。

本实施方式中用户k获得的信息速率、接收到的能量、系统能量效率、系统吞吐量和系统总功耗可以通过以下方法获得：

其中，和分别表示用户k用于信息解码和能量收集的子载波集合，和分别表示用户k在子载波n上用于信息解码和能量接收的功率，R_k表示用户k的目标速率，B_k表示用户k收集的最小能量限制，表示系统的能量效率，P表示基站发送的总功率，ε表示能量转换效率，P_B表示基站处电子器件所消耗的固定功耗，P_R表示用户处电子器件所消耗的固定功耗，h_k,n表示子载波n在基站到用户k的信道系数，σ²表示子载波在用户上接收到的噪声功率。

本实施方式中的子载波和功率联合分配方法具体为：

基站和K个用户之间的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率联合分配：

其中，N＝{1,2,3,...,N}表示发送端的子载波集合，β_1,k，β_2,k和β₃表示拉格朗日乘子，q表示迭代系数，p_max和p_min表示每个子载波上最大和最小功率限制，w_k表示非负加权系数

本实施的基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，能够有效降低接收端的设计复杂度，提高系统能量效率。

本实施的无线携能通信方法中，用户k使用中的子载波进行信息解码，使用中的子载波进行能量收集，用户k只需要知道哪些子载波用于信息解码，哪些子载波进行能量收集，即用户k只要知道用于信息解码和能量收集的子载波序号，所以不用增加分配器，在提高系统能量效率的同时有效降低了设备的设计复杂度。

在本实施方式中，基站到用户传输链路的信道假定为OFDM的频率选择性衰落信道。噪声功率为-80dBm，子载波个数为N＝32，能量转换效率ε＝1。图2中显示了随着总功率的增加，系统的能量效率随之增加，然而噪声功率的增大，会导致能量效率下降。图3显示了随着基站发送信号电子器件所消耗的固定功耗的增加，系统的能量效率随之降低。

Claims (3)

1.一种基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，无线携能通信系统由一个基站和K个用户组成，发送端有N个子载波，其特征在于，所述基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法包括以下步骤：

1)基站直接发送信息给K个用户，每个用户用一部分子载波来解码信息，用另外一部分子载波收集能量，为了避免不同用户之间的干扰，每个子载波只能用于一个用户解码信息；

2)计算用户k获得的信息速率r_k和收集到的能量Q_k；

3)如果r_k≥R_k，而且Q_k≥B_k，则计算系统的能量效率；

基站和K个用户之间的子载波和功率联合分配问题建模为：

满足以下条件

其中，和分别表示用户k用于信息解码和能量收集的子载波集合，和分别表示用户k在子载波n上用于信息解码和能量收集的功率，R_k表示用户k的目标速率，B_k表示用户k收集的最小能量限制，表示系统的能量效率，P表示基站发送的总功率，ε表示能量转换效率，P_B表示基站处电子器件所消耗的固定功耗，P_R表示用户处电子器件所消耗的固定功耗，h_k,n表示子载波n在基站到用户k的信道系数，σ²表示子载波在用户上接收到的噪声功率；

通过拉格朗日对偶分解方法获得上述的最优子载波和功率联合分配：

其中，N＝{1,2,3,...,N}表示发送端的子载波集合，β_1,k，β_2,k和β₃表示拉格朗日乘子，q表示迭代系数，p_max和p_min表示每个子载波上最大和最小功率限制，w_k表示非负加权系数，

2.如权利要求1所述的基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，用户k获得的信息速率表示为：

用户k收集到的能量表示为：

3.如权利要求1或2所述的基于功率和子载波联合分配的多用户能效优化无线携能通信方法，其特征在于：所述步骤3)中，系统的能量效率表示为：

其中，U_m(P,S)和U_TPm(P,S)分别表示系统的总吞吐量和总功耗，表示为：