CN109361483A - 一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，场景如下：认知无线供能网络包括一个主用户基站，一个认知基站，N个主用户和N个具有能量采集技术的次用户。本发明的目的是在满足主用户最小速率约束，主用户基站发射功率约束，次用户能量消耗约束下，通过优化两阶段时长，主用户基站两阶段发射功率和τ₁阶段次用户的上行发射功率，以最大化次用户的上行传输速率。本发明在不影响主用户性能的前提下，认知无线供能网络通过允许次用户使用主用户频段，实现频谱资源的高效利用。次用户通过射频能量采集技术从基站射频信号中收集能量，减少了基站射频信号能量的损耗，摆脱了电池的限制，增长了使用周期，提高了移动性。

Description

一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配 方法

技术领域

本发明属于认知无线供能网络资源分配领域，涉及一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，在保证主用户服务质量的同时，利用剩余频谱资源为次用户服务。

背景技术

近年来无线通信技术发展迅速，随着移动设备的种类和数量的增加，产生的数据流量也呈现出爆炸式增长，如何高效的利用有限频谱资源显得越来越重要。如今频谱资源的分配规则是由频率管理部门统一规定的，即为特定任务分配特定频段，这种分配规则存在一种弊端，当某种任务类型频段处于低利用率时，其他类型任务不能利用此频段，导致了频谱资源的利用不充分，因此如何高效利用频谱资源成为了无线通信领域的一个重要任务。为了提高现有频段利用率，解决频谱资源匮乏的问题，提出了认知无线网络概念。在认知无线网络中主用户和次用户可以共享相同的频谱，两类系统之间不可避免地存在相互干扰，但是主用户是该频谱的法定用户，次用户只可在不影响主用户正常工作的前提下使用该段频谱，如何控制次用户与主用户之间的干扰成了认知网络得以应用的关键。同时，随着移动设备数量和所需流量的增长，需要部署的基站数量也越来越多，这增大了基站的能量消耗，其中很大一部分能量用于基站发送射频信号。为了更好的利用射频能量，减少能源损耗，实现绿色通信，提出了射频能量采集技术概念。通过射频能量采集技术，移动设备可以从基站发出的射频信号中收集能量进行无线充电，从而不受电池寿命的影响，增长了使用周期，提高了移动性。

本发明提出了一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法。当主用户基站网络压力大时，可以引入认知基站协同主用户基站服务主用户。次用户在空闲时期可以通过射频能量采集技术从基站射频信号中收集能量，用于自身通信，提高能源利用率。同时为了提高频谱利用率，次用户可以在不影响主用户服务质量的前提下，与主用户共享频段进行数据传输。

发明内容

本发明针对缓解主用户基站网络压力和减少基站射频能量损耗，运用认知无线网络和射频能量采集技术，即提高了主用户服务质量又提高了能源和频谱资源利用率。本发明提出了一种在认知无线供能网络中满足主用户最小速率要求下的资源分配方法，该方法通过交替优化方法进行迭代优化，复杂度低，收敛快。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，所述认知无线供能网络包括一个主用户基站，一个认知基站，N个主用户和N个具有能量采集技术的次用户，N为正整数，每个主用户和每个次用户共享一个授权信道；整个数据传输过程分为两个阶段，其中第一阶段的时长为τ₀，第二阶段的时长为τ₁，且τ₀+τ₁＝1；在第一阶段，主用户基站和认知基站同时向主用户发送数据，次用户通过射频能量采集技术在各自占用的信道上收集两基站发出的射频信号能量；在第二阶段，主用户基站继续向主用户发送数据，次用户利用第一阶段收集的射频信号能量在各自占用的信道上向认知基站发送数据；

无线供能网络资源分配问题如下：

其中，主用户基站的最大发射功率为认知基站的最大发射功率为主用户基站和主用户、主用户基站和次用户、认知基站和主用户、认知基站和次用户之间的信道增益分别为h_pp、h_ps、h_sp、h_ss，信道噪声为σ²；在第n对用户中，主用户n的最小速率要求为R_p ⁿ。阶段，主用户基站在用户授权信道的发射功率为认知基站在用户授权信道的发射功率为主用户数据接收速率为射频能量采集技术的能效转化率为ξ；阶段，主用户基站在用户所授权信道的发射功率为主用户数据接收速率为次用户在授权信道的上行发射功率和上行发送速率分别为和

约束C1表示每个主用户两阶段数据接收速率之和需满足自身最小速率要求，约束C2表示主用户基站在每个授权信道两阶段发射功率之和不大于主用户基站最大发射功率，约束C3表示每个次用户第一阶段通过射频能量采集技术收集的能量不小于第二阶段发送数据消耗的能量，约束C4表示认知基站在每个授权信道的发送功率不大于其最大发射功率，约束C5表示两阶段时长和为1。

优选的，由于不同用户对之间占用不同的信道，且用户设备在各自占用的信道上进行能量采集，故不同用户对之间是独立的，因此所述无线供能网络资源分配问题可分解为N个相同的子问题；对于第n对用户(1≤n≤N)，求解问题如下：

优选的，所述无线供能网络资源分配问题的求解步骤包括：

步骤1：设置第一阶段的认知基站发送功率为其最大值

步骤2：设置n＝1,并初始化和

步骤3：在和固定的情况下，优化目标是最大化

步骤4：在和固定的情况下，优化和目标是最大化

步骤5：在和固定的情况下，优化和目标是最大化

步骤6：判断次用户上行发送速率是否收敛，若收敛则输出优化后的 和并更新n＝n+1返回步骤2，直到N对用户的资源分配全部求解，输出若不收敛，则重复步骤3-步骤6。

优选的，步骤3的问题如下：

可由表示，问题如下：

该问题分为两种情况：1)当主用户第一阶段的数据接收速率已满足主用户最小速率要求时，第二阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率；2)当主用户第一阶段的数据接收速率不满足主用户最小速率要求时，第二阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率和满足主用户最小速率要求时的次用户最大发射功率两者之间的较小者；

最优P_s1值可由以下表示：

其中

优选的，步骤4的问题如下：

最优解为在满足约束C1、C2、C3下，求解最小分析可知最优情况满足由C3得所以在C3约束下，的取值范围为令最优可通过以下算法求解，

初始化为0，将代入到约束C1中，若满足C1约束条件，则输出最优若不满足则更新直到满足C1为止。

优选的，步骤5的问题如下：

该问题分为两种情况：1)当主用户第一阶段的数据接收速率大于第二阶段数据接收速率时，存在一个最小值次用户在满足能量消耗约束下，也存在一个最小值最优值为两个最小值之间的较大者；2)当主用户第一阶段的数据接收速率小于第二阶段数据接收速率时，存在一个最大值次用户在满足能量消耗约束下，存在一个最小值最优值为次用户在满足能量消耗约束下的最小值；

最优值可由以下表示：

其中，

有益效果：本发明与传统技术相比，有如下优点：

本发明提出的主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，提出了一种新的频谱资源利用方式，在不影响主用户性能的前提下，认知无线供能网络通过允许次用户使用主用户频段，实现频谱资源的高效利用。

本发明中次用户通过射频能量采集技术从基站射频信号中收集能量，减少了基站射频信号能量的损耗，摆脱了电池的限制，增长了使用周期，提高了移动性。

附图说明

图1认知无线供能网络系统模型图；

图2主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，下面以一种单主用户和单次用户场景为例进行详细说明，但该方法不仅仅局限于解决单主用户、单次用户场景下的资源分配，也适用于多主用户和多次用户场景。

本例中认知无线供能网络由一个主用户基站、一个认知基站、一个主用户和一个具有射频能量采集技术的次用户组成。主用户基站的最大发射功率为认知基站的最大发射功率为主用户最小速率要求为R_p。主用户基站和主用户、主用户基站和次用户、认知基站和主用户、认知基站和次用户之间的信道增益分别为h_pp、h_ps、h_sp、h_ss，信道噪声为σ²。整个数据传输过程分为τ₀和τ₁两个阶段，且τ₀+τ₁＝1。τ₀阶段，主用户基站和认知基站同时向主用户发送数据，次用户通过射频能量采集技术从主用户基站和认知基站发出的射频信号中收集能量。其中主用户基站发射功率为P_p0,认知基站发射功率为P_s0，主用户数据接收速率为R_p0，射频能量采集技术的能效转化率为ξ。τ₁阶段，主用户基站继续向主用户发送数据，次用户向认知基站发送数据。其中主用户基站发射功率为P_p1，主用户数据接收速率为R_p1，次用户上行发射功率和上行发送速率分别为P_s1和R_s。此外，主用户基站两阶段发射功率P_p0和P_p1之和需不大于主用户基站最大发射功率为了保证主用户的服务质量，主用户基站和认知基站两阶段数据发送速率之和需满足主用户最低速率要求，无线供能网络资源分配问题如下：

C3:0≤P_s1τ₁≤ξ(P_p0h_ps+P_s0h_ss)τ₀

C5:τ₀+τ₁＝1,τ₀≥0,τ₁≥0

约束C1表示主用户两阶段数据接收速率之和需满足主用户最小速率要求，约束C2表示主用户基站两阶段发射功率之和不大于主用户基站最大发射功率，约束C3表示次用户τ₀阶段通过射频能量采集技术收集的能量不小于τ₁阶段发送数据消耗的能量，约束C4表示认知基站发送功率不大于其最大发射功率，约束C5表示τ₀和τ₁两阶段时长和为1。

本发明设计的主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法包括以下步骤：

1)设置τ₀阶段的认知基站发送功率为其最大值

2)初始化τ₀、τ₁、P_p0、P_p1和P_s1。

3)在τ₀、τ₁、P_p0和P_p1固定的情况下，优化P_s1，目标是最大化R_s。其中τ₁可由1-τ₀表示，问题如下：

C2:0≤P_s1τ₁≤ξ(P_p0h_ps+P_s0h_ss)τ₀

该问题分为两种情况：1、当主用户τ₀阶段的数据接收速率已满足主用户最小速率要求时，τ₁阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率。当主用户τ₀阶段的数据接收速率不满足主用户最小速率要求时，τ₁阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率和满足主用户最小速率要求时的次用户最大发射功率两者之间的较小者。

最优P_s1值可由以下表示：

其中

4)在τ₀、τ₁和P_s1固定的情况下，优化P_p0和P_p1，目标是最大化R_s。问题如下：

C3:0≤P_s1τ₁≤ξ(P_p0h_ps+P_s0h_ss)τ₀

最优解为在满足约束C1、C2、C3下，求解最小P_p1。分析可知最优情况满足由C3得所以在C3约束下，P_p1的取值范围为令最优P_p1可通过以下算法求解。

初始化P_p1为0，将P_p1代入到约束C1中，若满足C1约束条件，则输出最优P_p0、P_p1。若不满足则更新P_p1＝P_p1+M,直到满足C1为止。

5)在P_p0、P_p1和P_s1固定的情况下，优化τ₀和τ₁，目标是最大化R_s。问题如下：

C2::0≤P_s1τ₁≤ξ(P_p0h_ps+P_s0h_ss)τ₀

C3:0≤τ₀≤1

该问题分为两种情况：1、当主用户τ₀阶段的数据接收速率大于τ₁阶段数据接收速率时，τ₀存在一个最小值次用户在满足能量消耗约束下，τ₀也存在一个最小值最优τ₀值为两个最小值之间的较大者。2、当主用户τ₀阶段的数据接收速率小于τ₁阶段数据接收速率时，τ₀存在一个最大值次用户在满足能量消耗约束下，τ₀存在一个最小值最优τ₀值为次用户在满足能量消耗约束下的最小τ₀值。

最优τ₀值可由以下表示：

其中，

6)判断次用户上行发送速率R_s是否收敛，若收敛则输出优化后的τ₀、τ₁、P_p0、P_p1、P_s1和R_s；若不收敛，则重复步骤3-步骤6。

对于多主用户和多次用户场景，每对用户各占一个信道，能量采集也是在设备各自占用的信道上进行的，不同设备对之间是独立的，所以N对用户的最优问题就可以分解成N个相同的单对用户问题，即求解N个相同的单对问题最后把N个结果进行求和。

多主用户和多次用户场景的无线供能网络资源分配问题如下：

Claims (6)

1.一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，所述认知无线供能网络包括一个主用户基站，一个认知基站，N个主用户和N个具有能量采集技术的次用户，N为正整数，每个主用户和每个次用户共享一个授权信道；整个数据传输过程分为两个阶段，其中第一阶段的时长为τ₀，第二阶段的时长为τ₁，且τ₀+τ₁＝1；在第一阶段，主用户基站和认知基站同时向主用户发送数据，次用户通过射频能量采集技术在各自占用的信道上收集两基站发出的射频信号能量；在第二阶段，主用户基站继续向主用户发送数据，次用户利用第一阶段收集的射频信号能量在各自占用的信道上向认知基站发送数据；

无线供能网络资源分配问题如下：

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

其中，主用户基站的最大发射功率为认知基站的最大发射功率为主用户基站和主用户、主用户基站和次用户、认知基站和主用户、认知基站和次用户之间的信道增益分别为h_pp、h_ps、h_sp、h_ss，信道噪声为σ²；在第n对用户中，主用户n的最小速率要求为R_p ⁿ。阶段，主用户基站在用户授权信道的发射功率为认知基站在用户授权信道的发射功率为主用户数据接收速率为射频能量采集技术的能效转化率为ξ；阶段，主用户基站在用户所授权信道的发射功率为主用户数据接收速率为次用户在授权信道的上行发射功率和上行发送速率分别为和

约束C1表示每个主用户两阶段数据接收速率之和需满足自身最小速率要求，约束C2表示主用户基站在每个授权信道两阶段发射功率之和不大于主用户基站最大发射功率，约束C3表示每个次用户第一阶段通过射频能量采集技术收集的能量不小于第二阶段发送数据消耗的能量，约束C4表示认知基站在每个授权信道的发送功率不大于其最大发射功率，约束C5表示两阶段时长和为1。

2.根据权利要求1所述的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，所述无线供能网络资源分配问题可分解为N个相同的子问题；对于第n对用户(1≤n≤N)，求解问题如下：

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

3.根据权利要求2所述的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，所述无线供能网络资源分配问题的求解步骤包括：

步骤1：设置第一阶段的认知基站发送功率为其最大值

步骤2：设置n＝1,并初始化和

步骤3：在和固定的情况下，优化目标是最大化

步骤4：在和固定的情况下，优化和目标是最大化

步骤5：在和固定的情况下，优化和目标是最大化

步骤6：判断次用户上行发送速率是否收敛，若收敛则输出优化后的 和并更新n＝n+1返回步骤2，直到N对用户的资源分配全部求解，输出若不收敛，则重复步骤3-步骤6。

4.根据权利要求3所述的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，步骤3的问题如下：

可由表示，问题如下：

C1:

C2:

该问题分为两种情况：1)当主用户第一阶段的数据接收速率已满足主用户最小速率要求时，第二阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率；2)当主用户第一阶段的数据接收速率不满足主用户最小速率要求时，第二阶段次用户的上行发射功率为次用户在满足能量消耗约束下的最大发射功率和满足主用户最小速率要求时的次用户最大发射功率两者之间的较小者；

最优P_s1值可由以下表示：

其中

5.根据权利要求3所述的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，步骤4的问题如下：

C1:

C2:

C3:

最优解为在满足约束C1、C2、C3下，求解最小分析可知最优情况满足由C3得所以在C3约束下，的取值范围为令最优可通过以下算法求解，

初始化为0，将代入到约束C1中，若满足C1约束条件，则求得最优若不满足则更新直到满足C1为止。

6.根据权利要求3所述的一种主用户最小速率需求下的认知无线供能网络资源分配方法，其特征在于，步骤5的问题如下：

C1:

C2:

C3:

该问题分为两种情况：1)当主用户第一阶段的数据接收速率大于第二阶段数据接收速率时，存在一个最小值次用户在满足能量消耗约束下，也存在一个最小值最优值为两个最小值之间的较大者；2)当主用户第一阶段的数据接收速率小于第二阶段数据接收速率时，存在一个最大值次用户在满足能量消耗约束下，存在一个最小值最优值为次用户在满足能量消耗约束下的最小值；

最优值可由以下表示：

其中，