CN109561494A - 一种混合供电物联网的资源分配方法、装置以及设备 - Google Patents

一种混合供电物联网的资源分配方法、装置以及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合物联网的资源分配方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，包括：分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。本发明所提供的方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，可以使无线通信供电网络的加权和速率最大化。

Description

一种混合供电物联网的资源分配方法、装置以及设备
技术领域
本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种混合供电物联网的资源分配方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
随着智能终端用户数量的增长以及物联网、车联网等移动新业务的飞速发展，无线网络各个应用领域的需求呈现爆炸性增长，在传统无线网络中，节点的电池是由固定的能源供电的，这必然导致其网络运行时间有限。虽然可以通过更换或者充电来延长网络运行的时间，但这是是非常不方便、高成本的。电池寿命也是影响网络性能的一项重要指标。特别是在传感器节点设备数量庞大的网络中，电池的充电或者更换是必须关注的问题。使用无线能量传输技术可以有效避免有线能量传输和电池供电带来的诸多问题。
无线通信供电网络作为无线能量传输的重要应用之一，已经被业内认是延长无网络节点寿命的有效方案。无线通信供电网络是一种新型的无线网络模式，它通过微波无线电力传输技术来远程补充无线网络节点设备的电池电量。无线通信供电网络无需频繁的手动更换电池更换或者充电，与传统的电池供电通信网络相比，具有诸多优点，如更高的吞吐量，更长的设备寿命和更低的网络运营成本等。
现有技术中的资源分配中，通过优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间来最大化无线通信供电网络的吞吐量。但在现有技术中，只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，并没有考虑优化基站发射功率和每个用户信息传输时的发射功率。且在现有的资源分配中，通常假设每个网络节点的电路工作功率(工作功率为节点所用功能运行消耗功率的总和，包括运行功率、通信功率、计算功率等)消耗为零，并不符合实际应用。现有方案中还将能量基站设定为单天线的，但现代通信系统中，基站一般会装置多根天线，天线间距较大时，天线间的衰落相关性是较低的；能量基站使用单根天线降低了无线通信网络的能量发射效率。且只考虑了无线通信节点通过能量只能从基站发射的能量信号中收集能量，并没有考虑从环境中获取能源问题，缺乏对无线能量传输开启条件的判断。
综上所述可以看出，如何对混合供电物联网的资源进行分配使网络的加权和速率达到最优是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合供电物联网的资源分配方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，以便于解决现有技术中的资源分配方法不能最大化网络的加权和速率的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种混合物联网的资源分配方法，包括：分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
优选地，所述判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件包括：
通过判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
其中，T为所述无线通信供电网络能量传输阶段和信息传输阶段的最大传输时间和，为第k个无线通信供电网络用户的初始能量，Pck为第k个无线通信供电网络用户的电路功率消耗。
优选地，所述判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件包括：
当时，所述发射功率Pk满足所述预设激活条件；
当时，所述发射功率Pk不满足所述预设激活条件。
优选地，所述根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *包括：
通过计算能量传输的目标时间τ0 *；
其中，为第k个无线通信供电网络用户的上行信息传输的信道增益与噪声方差的比值，gk为第k个无线通信供电网络用户到基站的传输信道，σ2为噪声方差；
ηk为第k个无线通信供电网络用户的能量转换效率；为能量基站到第k个无线通信供电网络用户的信道矩阵，为所述能量基站到第k个无线通信供电网络用户的传输信道；Tr(WHk)表示求矩阵WHk的迹。
优选地，所述根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出信息传输的目标时间τk *包括：
通过计算得出信息传输的目标时间τk *。
优选地，所述发射功率Pk不满足所述预设激活条件包括：
若所述发射功率不满足所述预设激活条件时，则计算所述下行能量传输未激活时的各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk'；
根据所述能量传输和所述信息传输的时间总和不变，且当所述下行能量传输未激活时能量传输的时间τ0'＝0；
利用所述目标发射功率Pk'，计算所述下行能量传输未激活时信息传输的目标时间τk'。
本发明还提供了一种混合供电物联网的资源分配装置，包括：
计算模块，用于分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率 Pk；
判断模块，用于判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
发射功率确定模块，用于若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；
传输时间确定模块，用于计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
优选地，所述判断模块用于：
通过判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
其中，T为所述无线通信供电网络能量传输阶段和信息传输阶段的最大传输时间和，为第k个无线通信供电网络用户的初始能量，Pck为第k个无线通信供电网络用户的电路功率消耗。
本发明还提供了一种混合供电物联网的资源分配设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
本发明所提供的混合供电物联网的资源分配方法，通过所述K个无线通信供电网络用户的发射功率，判断是否激活下行能量传输；当所述发射功率满足所述下行能量传输的激活条件时，所述无线通信供电网络用户从能量基站中收集能量，将满足所述下行能量激活条件的发射功率作为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *。得到所述无线通信供电网络用户的最优的发射功率后，根据所述目标发射功率对能量传输时间和信息传输时间进行优化，得到最优的能量传输时间和最优的信息传输时间。利用优化后的发射功率、能量传输时间和信息传输时间有效的提高了网络的吞吐量，使系统的加权和速率最大化。本发明所提供的资源分配方法，解决了现有技术中在资源分配时只对下行能量传输时间和上行能量传输时间进行优化，不考虑每个无线通信供电网络用户发射功率的优化，导致不能使系统的加权和速率最大化的问题，在本发明中不仅考虑了每个无线通信供电网络用户发射功率的优化，还考虑了所述无线通信供电网络用户从能量基站和外界环境所收集的能量，增加了对下行能量传输激发条件的判断，从而使所述无线通信供电网络的加权和速率最大化。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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为本发明所提供的混合供电物联网的资源分配方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为本发明所提供的无线通信供电网络系统的结构示意图；
图3为求解下行能量传输激活时的无线通信供电网络用户的目标发射功率的流程图；
图4为本发明所提供的混合供电物联网的资源分配方法的第二种具体实施例的流程图；
图5为求解下行能量传输未激活时的无线通信供电网络用户的目标发射功率的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种混合供电物联网的资源分配装置的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种混合供电物联网的资源分配方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，使无线通信供电网络的加权和速率最大化。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
请参考图1，图1为本发明所提供的混合供电物联网的资源分配的方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S101：分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
如图2所示，所述无线通信供电网络系统由1个能量基站(power station)、K个无线通信供电网络用户和1个信息接收基站组成。所述能量基站配备了M根天线，K个物联网节点设备和信息接收基站配备了单根天线。所述无线通信供电网络为一个基于时分多址接入的无线通信供电网络系统。在所述无线通信供电网络系统模型中的无线通信供电网络用户有多个能量来源，如：自身电池的剩余能量；来自外界环境的能量：太阳能或者风能发电的能量等；来自能量基站的无线传输能量等。
我们假定每个无线通信供电网络用户设备在信息传输之前都有一定数量的初始能量可以使用，记为为了更符合实际，在本实施例中考虑了K个无线通信供电网络用户的电路消耗；同时，为了降低系统的复杂度以及电路功率的消耗，我们假设K个物联网用户节点采用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)的传输协议。
假设所述无线通信供电网络系统知道信道状态信息。且在下行能量传输激活的情况下，所述能量基站会广播无线能量给所有的用户，在这里假设基站到用户节点的传输信道为基站能量传输分配的时间为τ0。当所述无线通信供电网络用户能量收集到一定的能量后，每个用户会利用收集到的能量传输信息给信息接收基站。在这里假设第k个无线通信供电网络用户到基站的传输信道为gk，第k个无线通信供电网络用户的信息传输分配的时间为τk。所述能量传输阶段和所述信息传输阶段的传输时间和假设不超过最大传输时间T。利用：
计算所述K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
其中，目标函数为第k个无线通信供电网络用户的加权和速率；wk为第k个无线通信供电网络用户的加权系数，Pk为第k个无线通信供电网络用户信息传输时的发射功率，为第k个无线通信供电网络用户的上行信息传输的信道增益与噪声方差的比值，σ2为噪声方差；信噪比。
第一个约束 表示第k个无线通信供电网络用户总的能量消耗不会超过其获得的总能量；其中，Pck为第k个无线通信供电网络用户的电路功率消耗；W为基站发射的能量信号的协方差矩阵；为能量基站到第k个无线通信供电网络用户的信道矩阵，为所述能量基站到第k个无线通信供电网络用户的传输信道；Tr(WHk)表示求矩阵WHk的迹。
第二个约束Tr(W)≤Pmax表示所述能量基站的最大发射功率约束；其中，Pmax为所述能量基站的最大发射功率。
第三个约束表示所述能量传输时间和所述信息传输时间的总和不超过最大的传输时间T。
第四条约束表示，所有的优化变量都是非负的。
为了计算所述发射功率，我们定义变量ek＝τPk,V＝τ0W，并将所述变量代入公式(1)中，得到公式(2)，如下所示：
所述公式(2)为凸优化问题。公式(2)拉格朗日函数的可以表示为：
其中，μ表示约束Tr(V)≤τ0Pmax的拉格朗日乘子，δ表示约束的拉格朗日乘子。让所述拉格朗日函数L分别对τ0、τk和ek求偏导函数，得到：
若下行无线能量传输阶段被激活时，公式(2)的最优解满足和因此下述方程成立：
将L转换为L＝Tr(AV)+ΔL形式，其中，A＝B-μI，ΔL 为剩余与V无关的项。用表示的最大特征值B，可以进一步推导将代入B中得到：
将所述公式(7)等价为：
通过求解公式(9)得到所述发射功率Pk。
步骤S102：判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
在本实施例中，通过判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
当时，所述发射功率Pk满足所述预设激活条件；
当时，所述发射功率Pk不满足所述预设激活条件。
步骤S103：若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；
如图3所示，通过二分法求得所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *。
步骤S104：计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵 W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
在下行能量传输激活时，计算公式(1)的最优解：
W*＝PmaxvvH (10)
其中v为矩阵B在取得最大特征值时，对应的特征向量；vH为特征向量v的共轭转置向量。
当下行能量传输阶段激活时，要使得系统的加权和速率最大化，则每个无线通信供电网络用户在信息传输阶段时会消耗完全部收集到的能量同时无线通信供电网络用户在能量传输阶段和信息传输阶段会消耗完最大可用时间结合这两者，我们可以分别求出最优的能量传输时间和最优的信息传输时间。
通过
计算能量传输的目标时间τ0 *；
通过
计算得出信息传输的目标时间τk *。
本实施例在考虑用户节点的电路消耗情况下，研究了无线能量传输开启的条件。并通过联合优化系统的资源，包括优化能量基站的能量波束赋形向量，用户的发射功率，上行能量传输时间以及下行信息传输时间，来最大化网络的加权和速率。在本实施例中，利用K个无线通信供电网络用户的发射功率判断是非激活下行能量传输；且计算了在下行能量传输激活时的最优的发射功率、最优的能量传输时间和最优的信息传输时间，从而使所述无线通信传输网络的加权和速率最大化，提高了网络的吞吐量。
基于上述实施例，在本实施例中，若所述下行能量传输未激活，则说明用户从环境中收集到的能量足以满足系统通信的要求，用户无需再从基站发射的能量信号中收集能量，此时能量传输的时间τ0'＝0。请参考图4，图4为本发明所提供的混合供电物联网的资源分配方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S401：分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
步骤S402：判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
步骤S403：若所述发射功率不满足所述预设激活条件时，则计算所述下行能量传输未激活时的各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk'；
所述目标发射功率Pk'可以通过：
以及求解；其中Ψoff(Pk)为求解所述目标发射功率Pk'的表达式；δ*表示约束的拉格朗日乘子δ再取得最优解时的拉格朗日乘子。
如图5所示，可以通过二分法求解得到所述目标发射功率Pk'。
步骤404：利用所述目标发射功率Pk'，计算所述下行能量传输未激活时信息传输的目标时间τk'。
通过计算所述下行能量传输未激活时信息传输的目标时间τk'。
在本实施例中，计算了在所述下行能量传输未激活时，混合供电物联网的资源分配结果，得到最优的发射功率和信息传输的最优时间，从而在下行能量传输未激活阶段，所述无线通信传输网络的加权和速率也可以最大化。
请参考图6，图6为本发明实施例提供的一种混合供电物联网的资源分配装置的结构框图；具体装置可以包括：
计算模块100，用于分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
判断模块200，用于判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
发射功率确定模块300，用于若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；
传输时间确定模块400，用于计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
本实施例的混合供电物联网的资源分配装置用于实现前述的混合供电物联网的资源分配方法，因此混合供电物联网的资源分配装置中的具体实施方式可见前文中的混合供电物联网的资源分配方法的实施例部分，例如，计算模块100，判断模块200，发射功率确认模块 300，传输时间确认模块400，分别用于实现上述混合供电物联网的资源分配方法中步骤S101，S102，S103和S104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明具体实施例还提供了一种混合供电物联网的资源分配设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程 ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的混合供电物联网的资源分配方法、装置、设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合供电物联网的资源分配方法，其特征在于，包括：
分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；
计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
2.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件包括：
通过判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
其中，T为所述无线通信供电网络能量传输阶段和信息传输阶段的最大传输时间和，为第k个无线通信供电网络用户的初始能量，Pck为第k个无线通信供电网络用户的电路功率消耗。
3.如权利要求2所述的资源分配方法，其特征在于，所述判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件包括：
当时，所述发射功率Pk满足所述预设激活条件；
当时，所述发射功率Pk不满足所述预设激活条件。
4.如权利要求2所述的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *包括：通过计算能量传输的目标时间τ0 *；
其中，为第k个无线通信供电网络用户的上行信息传输的信道增益与噪声方差的比值，gk为第k个无线通信供电网络用户到基站的传输信道，σ2为噪声方差；
ηk为第k个无线通信供电网络用户的能量转换效率；为能量基站到第k个无线通信供电网络用户的信道矩阵，为所述能量基站到第k个无线通信供电网络用户的传输信道；Tr(WHk)表示求矩阵WHk的迹。
5.如权利要求4所述的资源分配方法，其特征在于，所述根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出信息传输的目标时间τk *包括：
通过计算得出信息传输的目标时间τk *。
6.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述发射功率Pk不满足所述预设激活条件包括：
若所述发射功率不满足所述预设激活条件时，则计算所述下行能量传输未激活时的各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk'；
根据所述能量传输和所述信息传输的时间总和不变，且当所述下行能量传输未激活时能量传输的时间τ0'＝0；
利用所述目标发射功率Pk'，计算所述下行能量传输未激活时信息传输的目标时间τk'。
7.一种混合供电物联网的资源分配装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于分别计算K个无线通信供电网络用户的发射功率Pk；
判断模块，用于判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
发射功率确定模块，用于若满足所述发射功率Pk满足所述预设激活条件，则所述发射功率Pk为所述下行能量传输时各个无线通信供电网络用户的目标发射功率Pk *；
传输时间确定模块，用于计算无线能量基站发射的能量信号的目标协方差矩阵W*，从而根据所述目标协方差矩阵W*和所述目标发射功率Pk *计算得出能量传输的目标时间τ0 *和信息传输的目标时间τk *。
8.如权利要求7所述的资源分配装置，其特征在于，所述判断模块用于：
通过判断所述发射功率Pk是否满足下行能量传输的预设激活条件；
其中，T为所述无线通信供电网络能量传输阶段和信息传输阶段的最大传输时间和，为第k个无线通信供电网络用户的初始能量，Pck为第k个无线通信供电网络用户的电路功率消耗。
9.一种混合供电物联网的资源分配设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述一种混合供电物联网的资源分配方法的步骤。
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