CN109831826B - 无线供能通信网络中的联合上下行信息传输的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线供能通信网络中的联合上下行信息传输的资源分配方法，用户通过射频无线能量收集技术为其提供上行信息传输能量。整个网络架构包含一个基站，多个用户。本发明联合考虑了用户的上下行信息传输，在基站总发射功率和能量因果约束下优化用户上下行传输时间分配、载波分配和功率分配，能最大化用户的加权上下行传输速率。本发明的联合考虑上下行信息传输资源分配方法可以通过调节权重因子调节用户的上下行信息传输，且该方法复杂度低，易于实现。

Description

无线供能通信网络中的联合上下行信息传输的资源分配方法

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联合考虑上下行信息传输的资源分配方法，该方法可以在无线供能通信网络中基于射频无线能量收集技术，并结合用户上下行传输时间分配、载波分配和功率分配，最大化用户的加权上下行传输总速率。

背景技术

无线网络利用能量收集技术能够为无线设备提供永久的能量，最近引起了人们的广泛关注。射频无线能量收集技术利用电磁波的远场辐射特性，可以为广泛分布的移动设备提供能量。由此出现了一种无线供能的通信网络架构，在此架构中用户通过射频无线能量收集技术，从基站或特定能量站发射的射频信号中收集能量。基于射频无线能量收集技术，无线设备可以利用收集的能量传输信息。在用户下行传输阶段，可以同时进行无线信息和能量的传输。而在用户上行传输阶段，用户可以利用收集的能量进行上行信息传输。目前的研究通常将无线供能通信网络中用户的下行能量及信息传输和上行信息传输分开考虑，降低了网络的传输效率。所以，对于无线供能通信网络来说，可联合考虑用户的上下行信息传输，并通过联合优化上下行资源分配，进一步提高网络的传输效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是通过射频无线能量收集技术进一步提高无线供电通信网络中的资源分配效率，提出一种联合上下行信息传输的资源分配方法，在基站总发射功率和能量因果约束下，优化用户上下行传输时间分配、载波分配和功率分配。

技术方案：提供一种无线供能通信网络中的上下行资源分配方法，所述的无线供能通信网络包括一个基站，K个用户和N个子载波。用户和子载波的集合分别用

和

表示。假设传输时间是归一化的。传输时间包含两个阶段，即下行传输阶段，其持续时间表示为τ^D；上行传输阶段，其持续时间表示为1-τ^D。基站和用户k之间在子载波n上的信道功率增益用h_k,n表示。在下行传输阶段，每个用户在其分配的子载波上接收信息，并在其他子载波上进行能量收集。考虑到子载波可以分配给所有用户进行能量收集，引入一个序号为0的虚拟用户。如果子载波被分配给虚拟用户用于信息传输，那么这些子载波被所有真实用户用于能量收集。假设与虚拟用户有关的信道功率增益为零，且虚拟用户被包含在用户集

中。

表示从基站到第k个用户在子载波n上的下行链路传输功率。假设每个子载波一次可以且仅可以给一个用户提供下行信息传输服务，即

基站的总发射功率限制为

且分配给每个子载波的传输功率限制为

其中P_pk为基站分配给每个子载波的功率，P为基站的总发射功率。ζ(0<ζ<1)表示能量收集效率，用户k收集的能量可以表示为

其中

是能量收集饱和阈值。假设用户k收获的能量储存在初始能量为Q_k的蓄电池中。在上行通信中，用户利用收集到的能量进行上行信息传输。

表示用户k在第n个子载波上进行上行信息传输的功率。假设每个子载波只能分配给一个用户提供上行信息传输，即

根据能量因果约束，上行信息传输消耗的能量不能超过收获的能量与蓄电池初始能量的总和，即约束条件

第k个用户的上下行传输速率分别为

其中σ²是噪声功率，分别令w^U，w^D为上下行传输速率的加权因子，且其满足条件w^U≥0,w^D≥0,w^U+w^D＝1。

本发明的联合考虑上下行信息传输的资源分配方法解决的优化问题如下：

0<τ^D<1.

本发明给出的优化方法包括以下步骤：

1)根据上下行速率的需要初始化w^D，w^U的值，初始化τ^D＝Δ，其中Δ为τ^D取值的精度。

2)对于给定的τ^D，初始化非负变量λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K为随机数。

3)对所有的用户k＝1,…,K以及所有的子载波n＝1,…,N,计算

4)对所有的子载波n＝1,…,N，计算

其中

5)令

并对所有的

令

令

并对所有的

令

6)更新λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K的值如下，

其中θ为更新的步长。

7)若λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K的值收敛，则进行下一步，否则返回步骤3)。

8)令τ^D＝τ^D+Δ，若τ^D<1，返回步骤2)，否则进行下一步。

9)比较在不同的τ^D值下求得的目标函数值

取最大值所对应的τ^D值为最终的优化结果，算法结束。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明提出的联合考虑上下行信息传输的资源分配方法，通过联合上下行资源优化分配，在基站总发射功率和能量因果约束下，能最大化用户的加权上下行传输速率。

2、本发明的联合考虑上下行信息传输资源分配方法可以通过调节权重因子调节用户的上下行信息传输，且该方法复杂度低，易于实现。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明的系统模型示意图。

图3为下行传输速率相对于w^D的变化示意图。

图4为上行传输速率相对于w^D的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明设计的无线供能网络中联合考虑上下行信息传输的资源分配方法考虑的场景如下：无线供能网络中包含一个基站，K个用户和N个子载波。假设系统带宽为10MHZ，噪声谱密度为-120dBm/Hz，且等分为8个子载波，即N＝8。从基站到用户的路径损耗假设为30+20log₁₀(d)dB，其中d为基站到用户的距离。假设所有的信道都是单位均值的小尺度瑞利衰落信道。给定K＝2，ζ＝0.5，P_pk＝4P/N。为了便于比较，提出了三种参考方案。第一种方法(ETRef scheme)假设时间分配相等，同时将子载波分配给信道功率增益最高的用户，并按照注水模式分配发射功率。第二种方法(表示为DLRef scheme)设置τ^D＝1，τ^U＝0，即只考虑下行链路信息传输。第三种方法(表示为ULRef scheme)是只考虑上行链路信息传输的传统无线供能网络方案。

三种方法以及所提出的方法，下行传输速率和上行传输速率相对于权重因子w^D的变化情况如图3、图4所示。通过观察可以发现，我们所提方法(Proposed scheme)的下行传输速率低于DLRef方法，上行传输速率低于ULRef方法，这在期望之内，因为上述两种方法分别只考虑下行、上行的最大速率传输。通过观察，随着权重因子w^D的增加或减少，所提出的方法中下行或上行的速率随之增加。并且当w^D趋近于1或0时，所提方案的下行或上行传输速率接近于DLRef或ULRef方法，并且可以提供一定水平的上行或下行传输速率。意味着此方法可以实现最大下行传输速率或最大上行传输速率，并且可以通过调节w^D，w^U的值很好的平衡上下行传输速率。具体来说，当需要更大的下行传输速率时，可以通过增加w^D的值来实现，相反地，当需要更大的上行传输速率时，可以通过减少w^D来实现。此外，发现与所提方法相比，ETRef方法不够灵活，大多数情况下获得的下行速率较低，当w^D较大时可以获得较高的上行速率。这表明等时间分配是不灵活的且可能牺牲下行速率来换取更高的上行速率。

Claims (1)

1.无线供能通信网络中的联合上下行信息传输的资源分配方法，所述无线供能通信网络架构包括一个基站、K个用户和N个子载波，K和N为正整数，用户和子载波的集合分别用

和

表示；其特征在于，

步骤1：构建资源分配优化问题如下：

0<τ^D<1；

其中，τ^D表示下行传输阶段续时间；1-τ^D表示上行传输阶段持续时间；h_k,n表示基站和用户k之间在子载波n上的信道功率增益；

表示从基站到第k个用户在子载波n上的下行链路传输功率；P_pk为基站分配给每个子载波的功率，P为基站的总发射功率；ζ表示能量收集效率，0<ζ<1；

是能量收集饱和阈值；假设用户k收获的能量储存在初始能量为Q_k的蓄电池中；

表示用户k在第n个子载波上进行上行信息传输的功率；第k个用户的上下行传输速率分别为

其中σ²是噪声功率，分别令w^U，w^D为上下行传输速率的加权因子，且其满足条件w^U≥0,w^D≥0,w^U+w^D＝1；

步骤2：根据上下行速率的需要初始化w^D，w^U的值，比较在不同的τ^D值下求得的目标函数值

取最大值所对应的τ^D值为最终的优化结果；

步骤2包括：

1)根据上下行速率的需要初始化w^D，w^U的值，初始化τ^D＝Δ，其中Δ为τ^D取值的精度；

2)对于给定的τ^D，初始化非负变量λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K为随机数；

3)对所有的用户k＝1,…,K以及所有的子载波n＝1,…,N,计算

(.)⁺＝max(.,0)；

4)对所有的子载波n＝1,…,N，计算

其中

5)令

并对所有的

令

令

并对所有的

令

6)更新λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K的值如下，

其中θ为更新的步长；

7)若λ，μ_k，v_k，k＝1,…,K的值收敛，则进行下一步，否则返回步骤3)；

8)令τ^D＝τ^D+Δ，若τ^D<1，返回步骤2)，否则进行下一步；

9)比较在不同的τ^D值下求得的目标函数值

取最大值所对应的τ^D值为最终的优化结果，算法结束。

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