CN109661034A - 一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，该方法构建的无线供能通信网络为基于正交频分复用技术的多用户网络架构，包括一个混合接入点，混合接入点下连接有K个用户，每个用户具有2根用于收发射频信号的天线。该方法基于自能量回收技术，通过联合天线选择和资源优化分配，在能量因果约束下，最大化用户的总数据速率，提升了无线供电通信网络中的资源分配效率，最大化所有用户的总数据速率。

Description

一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其是一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，该方法可以在无线供电通信网络中基于自能量回收技术实现，并结合天线选择和网络资源分配，最大化用户传输数据速率。

背景技术

有限的设备电池寿命这一问题一直制约着现代无线通信技术的发展。而射频无线能量传输技术的出现为该问题的解决提供了一种可行的途径，而后依托于此技术出现了一种称为无线供能的通信网络的通信架构。在此架构中无线设备使用射频信号采集的能量来传输信息，其对于充分利用宝贵的数据、能量等资源具有非常重要的实际意义。与用户设备由电池或电网供电的传统无线网络相比，无线供电通信网络更适合无线传感器网络。应用此架构的最大好处是为用户设备(如小型无线传感器)提供长期稳定的能量。所以，对于能量受限的无线网络来说，可以通过射频能量收集技术为用户提供更多的能量，本发明在此基础上提出一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，可通过高效的天线选择和资源分配方法进一步提升网络中用户总传输速率，以达到最大化的总用户速率

发明内容

发明目的：本发明的目的在于通过自能量回收技术进一步提高无线供电通信网络中的资源效率，为实现该目的，本发明提出一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，该方法通过联合天线选择和资源优化分配，在能量因果约束下，最大化用户的总数据速率。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下方案：

一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，所述认知无线供电网络为基于正交频分复用技术的多用户网络架构，包括一个混合接入点，混合接入点下连接有K个用户，每个用户具有2根用于收发射频信号的天线；混合接入点与用户之间的每次数据传输时间归一化为1，且每次数据传输分为两个阶段；第一阶段时长为τ₀，第二阶段时长为τ₁，τ₀+τ₁＝1；在第一阶段，混合接入点在第n个子载波上以发射功率在下行链路中广播能量，而每个用户使用两根天线来获取混合接入点广播的能量，每个子载波一次仅可以给一个用户提供上行信息传输服务；在第二阶段，每个用户使用一根天线进行上行信息传输，使用另一根天线收集能量，而混合接入点接收用户从上行链路中发送的信息；

该方法包括步骤：

(1)参数设置：记h_a，k，n表示第n个子载波上混合接入点与第k个用户的第a根天线之间的信道增益，I_k，n表示第n个子载波上第k个用户的2根天线之间的自干扰信道增益；h_a，k，n和I_k，n均为预先获知的已知参数；表示第k个用户在第n个子载波上进行上行信息传输的功率，其中，n＝1，2，…，N，k＝1，2，…，K，a∈{1，2}；

(2)以系统中的用户速率总和最大为目标问题，构建问题模型P1：

问题模型P1满足约束C1至C7：

C7：0＜τ₁＜1

其中，R_k为第k个用户的速率，σ²为噪声功率，P_max表示混合接入点的功率预算值，ζ为预设的能量收集效率，0＜ζ＜1，χ_a，k表示天线选择指数，χ_a，k＝1表示第k个用户的天线a被用于信息传输，χ_a，k＝0表示第k个用户的天线a不用于信息传输；B_k表示第k个用户进行信息传输所消耗的能量；

(3)求解所述问题模型P1，得到τ₁、{χ_a，k}的值，{χ_a，k}即为天线选择方案，而τ₁、即为所述认知无线供电网络中的资源分配方案。

进一步的，所述求解问题模型P1的步骤包括：

S1：初始化τ₁＝Δ，Δ为τ₁的取值精度；设置非负变量λ_k，k＝1，2，…，K；设置参数j表示迭代轮次，初始化j＝1；设置参数π_j表示第j轮迭代得到的天线选择和资源分配策略，初始化π_j为空集；

S2：设置λ₁至λ_K均为非负的随机数；

S3：通过求解问题模型P2得到的值，问题模型P2为：

问题模型P2满足约束条件

S4：对所有用户，计算和x_a，k：

其中，(x)⁺表示取x与0之间的最大值，即(x)⁺＝max(x，0)；

S5：对k＝1，2，…，K，更新：

其中，θ为预设的权值系数；

S6：判断是否所有λ_k均收敛，若是，则执行步骤S7；否则，返回步骤S3；

S7：更新：τ₁＝τ₁+Δ，判断是否满足τ₁＜1，若满足，则更新：

将π_j代入问题模型P1，计算出题函数的值，记为(P1)_j；

输出π_j和(P1)_j，计算j＝j+1，返回步骤S2；

若不满足τ₁＜1，则直接转入步骤S8；

S8：从步骤S7输出的所有(P1)_j中选取最大值，将最大值对应的π_j作为最终的天线选择和资源分配策略。

进一步的，所述步骤S3中求解问题模型P2的方法为内点法。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1.本发明提出的天线选择和资源分配方法，通过联合天线选择和资源优化分配，在能量因果约束下，能最大化用户的数据速率。

2.本发明的天线选择和资源分配方法复杂度低，收敛速度快，易于实现。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的系统模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的所述的认知无线网络的架构如附图2所示，所述认知无线供电网络为基于正交频分复用技术的多用户网络架构，包括一个混合接入点，混合接入点下连接有K个用户，每个用户具有2根用于收发射频信号的天线；

该方法的流程如图1所示

首先进行参数设置：设h_a，k，n表示第n个子载波上混合接入点与第k个用户的第a根天线之间的信道增益，I_k，n表示第n个子载波上第k个用户的2根天线之间的自干扰信道增益；h_a，k，n和I_k，n均为预先获知的已知参数；表示第k个用户在第n个子载波上进行上行信息传输的功率，其中，n＝1，2，…，N，k＝1，2，…，K，a∈{1，2}；

混合接入点与用户之间的每次数据传输时间归一化为1，且每次数据传输分为两个阶段；第一阶段时长为τ₀，第二阶段时长为τ₁，τ₀+τ₁＝1；在第一阶段，混合接入点在第n个子载波上以发射功率在下行链路中广播能量，而每个用户使用两根天线来获取混合接入点广播的能量，每个子载波一次仅可以给一个用户提供上行信息传输服务；

第一阶段中，混合接入点在所有子载波范围内的总传输限制为：

其中，P_max是混合接入点的功率预算。

用户k在第一阶段获得的能量为：

ζ为能量收集效率，0＜ζ＜1。

在第二阶段，每个用户使用一根天线进行上行信息传输，使用另一根天线收集能量，而混合接入点接收用户从上行链路中发送的信息；表示第k个用户在第n个子载波上进行上行信息传输的功率。假设每个子载波一次可以且仅可以给一个用户提供上行信息传输服务，另外每个用户使用一根天线进行信息传输，另一根进行能量收集，即：

第k个用户在第二阶段收集的能量表示为：

考虑到每个用户上的两根天线间距比用户之间天线距离小得多，从其他用户的射频信号获取的能量比从用户的其他天线获取的能量少得多，根据能量因果约束，第二阶段消耗的能量不能超过收获的能量，即存在约束条件：

其中，B_k表示第k个用户进行信息传输所消耗的能量。

χ_a，k表示天线选择指数，χ_a，k＝1表示第k个用户的天线a被用于信息传输，χ_a，k＝0表示第k个用户的天线a不用于信息传输。R_k为第k个用户的速率，

其中，σ²为噪声功率。

(2)基于上述约束条件，以系统中的用户速率总和最大为目标问题，构建问题模型P1：

问题模型P1满足约束C1至C7：

C7：0＜τ₁＜1

该优化问题是非线性优化问题，本发明给出的求解方法包括以下步骤：

S1：初始化τ₁＝Δ，Δ为τ₁的取值精度；设置非负变量λ_k，k＝1，2，…，K；设置参数j表示迭代轮次，初始化j＝1；设置参数π_j表示第j轮迭代得到的天线选择和资源分配策略，初始化π_j为空集；

S2：设置λ₁至λ_K均为非负的随机数；

S3：通过内点法求解问题模型P2得到的值，问题模型P2为：

问题模型P2满足约束条件

S4：对所有用户，计算和x_a，k：

其中，(x)+表示取x与0之间的最大值，即(x)⁺＝max(x，0)；

S5：对k＝1，2，…，K，更新：

其中，θ为预设的权值系数；

S6：判断是否所有λ_k均收敛，若是，则执行步骤S7；否则，返回步骤S3；

S7：更新：τ₁＝τ₁+Δ，判断是否满足τ₁＜1，若满足，则更新：

将π_j代入问题模型P1，计算出题函数的值，记为(P1)_j；

输出π_j和(P1)_j，计算j＝j+1，返回步骤S2；

若不满足τ₁＜1，则直接转入步骤S8；

S8：从步骤S7输出的所有(P1)_j中选取最大值，将最大值对应的π_j作为最终的天线选择和资源分配策略，至此，本方法结束。

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)

1.一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，其特征在于，所述认知无线供电网络为基于正交频分复用技术的多用户网络架构，包括一个混合接入点，混合接入点下连接有K个用户，每个用户具有2根用于收发射频信号的天线；混合接入点与用户之间的每次数据传输时间归一化为1，且每次数据传输分为两个阶段；第一阶段时长为τ₀，第二阶段时长为τ₁，τ₀+τ₁＝1；在第一阶段，混合接入点在第n个子载波上以发射功率在下行链路中广播能量，而每个用户使用两根天线来获取混合接入点广播的能量，每个子载波一次仅可以给一个用户提供上行信息传输服务；在第二阶段，每个用户使用一根天线进行上行信息传输，使用另一根天线收集能量，而混合接入点接收用户从上行链路中发送的信息；

该方法包括步骤：

(1)参数设置：记h_a，k，n表示第n个子载波上混合接入点与第k个用户的第a根天线之间的信道增益，I_k，n表示第n个子载波上第k个用户的2根天线之间的自干扰信道增益；h_a，k，n和I_k，n均为预先获知的已知参数；表示第k个用户在第n个子载波上进行上行信息传输的功率，其中，n＝1，2，…，N，k＝1，2，…，K，a∈{1，2}；

(2)以系统中的用户速率总和最大为目标问题，构建问题模型P1：

问题模型P1满足约束C1至C7：

C7：0＜τ₁＜1

其中，R_k为第k个用户的速率，σ²为噪声功率，P_max表示混合接入点的功率预算值，ζ为预设的能量收集效率，0＜ζ＜1，χ_a，k表示天线选择指数，x_a，k＝1表示第k个用户的天线a被用于信息传输，x_a，k＝0表示第k个用户的天线a不用于信息传输；B_k表示第k个用户进行信息传输所消耗的能量；

(3)求解所述问题模型P1，得到τ₁、{χ_a，k}的值，{x_a，k}即为天线选择方案，而τ₁、即为所述认知无线供电网络中的资源分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，其特征在于，所述求解问题模型P1的步骤包括：

S1：初始化τ₁＝Δ，Δ为τ₁的取值精度；设置非负变量λ_k，k＝1，2，…，K；设置参数j表示迭代轮次，初始化j＝1；设置参数π_j表示第j轮迭代得到的天线选择和资源分配策略，初始化π_j为空集；

S2：设置λ₁至λ_K均为非负的随机数；

S3：通过求解问题模型P2得到的值，问题模型P2为：

问题模型P2满足约束条件

S4：对所有用户，计算和χ_a，k：

其中，(x)⁺表示取x与0之间的最大值，即(x)⁺＝max(x，0)；

S5：对k＝1，2，…，K，更新：

其中，θ为预设的权值系数；

S6：判断是否所有λ_k均收敛，若是，则执行步骤S7；否则，返回步骤S3；

S7：更新：τ₁＝τ₁+Δ，判断是否满足τ₁＜1，若满足，则更新：

将π_j代入问题模型P1，计算出题函数的值，记为(P1)_j；

输出π_j和(P1)_j，计算j＝j+1，返回步骤S2；

若不满足τ₁＜1，则直接转入步骤S8；

S8：从步骤S7输出的所有(P1)_j中选取最大值，将最大值对应的π_j作为最终的天线选择和资源分配策略。

3.根据权利要求1所述的一种无线供能通信网络中的天线选择和资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3中求解问题模型P2的方法为内点法。