CN110167171A - 一种无线供电通信网络资源分配的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线物理层领域，公开了一种无线供电通信网络中的资源分配方法，所述方法包括以下步骤：基于能量收集构建无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型；对所述系统模型以最大化系统吞吐量为目标，提出了最优的用户配对算法，并通过计算得出了最优的能量收集/信息传输持续时间。本方法基于能量收集和正交/非正交多址接入技术，用户被分为多个组进行信息传输，基于用户收集到的能量，提出了能量收集用户配对算法以及时间分配算法，提高了用户的公平性，系统吞吐量，以及能量效率。

Description

一种无线供电通信网络资源分配的方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信物理层领域，尤其涉及一种无线供电通信网络资源分配方法。

背景技术

无线供电通信网络彻底解决了无线设备电池寿命受限的问题，具有高吞吐量、低运营成本等优点。而由于无线资源非常稀缺，因此无线供电通信网络的资源分配问题通常是重要的研究内容。

现有的无线供电通信网络资源分配方法主要集中于TDMA和NOMA两个方向。采用TDMA方式，通过优化基站发射功率、能量收集/各用户信息时间来优化系统的性能。采用NOMA方式，所有用户同时同频的在信息传输阶段传输信息，通过联合优化基站发射功率和能量收集时间可提高系统的吞吐量与公平性。

综上所述，现有技术存在的问题是不能兼顾低解码复杂度与高效资源利用率，因为采用正交的资源分配方法不能充分利用现有的紧缺资源，而采用非正交多址接入技术进行信息传输又会导致难以接受的高解码复杂度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线供电通信网络资源分配方法，本发明将正交多址接入技术与非正交多址接入技术相结合，通过优化用户配对算法、能量收集/各用户组信息传输持续时间，实现系统吞吐量的最大化，提高用户公平性与能量效率，从而提升整个系统的性能，详见下文描述：

一种无线供电通信网络资源分配方法，所述方法包括以下步骤：

基于能量收集构建无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型；

对所述系统模型以系统吞吐量为优化目标，提出了最优的用户配对算法，并通过计算得出了最优的能量收集/信息传输持续时间。

所述系统传输模型具体为：

基站和用户均配置为单天线，用户按照信道增益h_i降序排列。

能量收集阶段基站向N个用户广播射频信号，t₀表示能量收集阶段的持续时间，信息传输阶段用户被分为K个NOMA组，t_k表示第K个组的信息传输时间。α_i,k＝{0,1}表示用户i是否被分配到第K个NOMA组。

所述能量收集用户配对算法具体步骤为：

根据用户收集到的能量将用户分为强用户和弱用户；

强弱用户数目相等时，将最强的强用户与最弱的弱用户配对，次强的强用户与次弱的弱用户配对……；

强用户数目小于弱用户时，将部分最强的强用户收集到的能量平分，按照强弱用户数目相等的策略分别与两个弱用户配对；

强用户数目大于弱用户时，部分最强的强用户单独为一组，剩下的强用户按照强弱用户数目相等的情况进行配对。

所述最优的时间分配具体表达式为：

其中，N₀为噪声功率谱密度，P_i表示用户i的发射功率，z^*为zln(z)-z+1＝A的唯一解。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法基于能量收集和正交/非正交多址接入技术，用户通过能量收集技术收集射频能量，并被分为多个组进行信息传输，基于资源的正交和非正交分配相结合，得出了最优的能量收集用户配对算法以及最优的时间分配具体表达式，提高了用户的公平性、系统吞吐量和能量效率，从而提高了整个系统的性能。

附图说明

图1为基于能量收集构建无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型的示意图；

图2为不同资源分配算法下的系统吞吐量比较示意图；

图3为不同资源分配算法下的能量效率比较示意图；

图4为一种无线供电通信网络资源分配方法的流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面对本发明实施方式作进行进一步地详细描述。

无线供电通信基本原理为：利用波的辐射传播特性，无线设备可以采集微波能量，并将其转换成电能来给自己的电池充电。节点在需要时即可进行能量收集，因此不会出现电量耗尽的情况，这一优势有助于改善用户体验，比传统的电池供电通信具有更高的吞吐量和更强的可持续性。

混合多址方式是指将正交多址接入技术与非正交多址接入技术相结合，将所有的用户分为多个用户组，同一个用户组内的用户之间通过非正交多址接入技术进行信息传输，不同用户组之间通过正交多址接入技术进行信息传输。这样既可以利用非正交多址接入技术带来的高频谱效率和高吞吐量，同时又避免了接收端难以令人接受的高解码复杂度。

由于无线资源非常稀缺，所以在物理层的一个主要应用就是资源分配。无线供电通信网络中的资源分配算法通常是基于系统某一性能的最优化而对频谱、时间、功率等资源进行合理分配的算法。

一种无线供电通信网络资源分配方法，参见图1和图4，该方法包括以下步骤：

基于能量收集构建无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型；

参见图1，给出了N个用户采用先收集能量再传输信息的混合多址方式无线供电通信系统模型。基站位于小区中心，N个用户随机分布在小区内，基站和用户均配备单天线。用户按照信道增益h_i降序排列。

在信息传输阶段，所有的N个用户被分为K个NOMA组，每个NOMA组内的用户通过NOMA方式向基站发送信息，而不同的NOMA组之间是通过TDMA方式向基站发送信息的。令t₀表示能量收集阶段的持续时间，t_k表示第K个组的信息传输时间。α_i,k＝{0,1}表示用户i是否被分配到第K个NOMA组。

由香农公式，系统的总吞吐量R为：

其中，N₀为噪声功率谱密度，P_i表示用户i的发射功率。

对所述系统模型以系统吞吐量为优化目标，对用户配对、能量收集/各用户组信息传输持续时间进行优化，得出了最优的用户配对算法以及最优的能量收集/信息传输时间分配表达式。

基于用户收集到的能量，首先将系统中的所有用户分为两类：强用户和弱用户。强用户指那些在能量收集阶段收集到的能量多的用户，而弱用户指在能量收集阶段收集到的能量少的用户。

强弱用户的数目正好相等的情况下，可以将强弱用户一一配对，由于每一个强用户都想选择信道质量最差的弱用户来与自己配对，而弱用户并不关心自己将与哪个强用户配对，因此将最强的强用户与最弱的弱用户进行配对，次强的强用户与次弱的弱用户进行配对……

强用户比弱用户少的情况下，考虑到强用户在能量收集阶段收集了较多的能量，因此，可以让一个强用户同时与两个弱用户进行配对。强用户中的前部分用户将其能量等分为两份，按照等分后的能量，重新对强用户进行排序，然后按照强弱用户数量相等的情况进行一一配对。

强用户比弱用户多的情况下，配对中会出现强用户过剩的情况，由于每个强用户都希望与自己配对的弱用户越弱越好，因此让前部分较强的强用户单独为一组，剩下后部分较弱的强用户与弱用户按照强弱用户数目相等的配对规则进行配对。

在用户配对完成后，假设每个NOMA组分配到的信息传输时间是相等的，可以推导出系统吞吐量关于能量收集时间的二次倒数是小于零的：

故系统总吞吐量R是关于t₀的严格凸函数，在求出最优的能量传输时间t₀ ^*后，根据已经配对好的用户组就可以给每个NOMA组分配相应的信息传输时间，因此可以得出最优的时间分配的表达式为：

其中，z^*为zln(z)-z+1＝A的唯一解。

为了评估无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型资源分配的性能，本方法进行了仿真，详见下文描述：

仿真模型中，设定基站位于小区中心，用户在距基站5米到20米的环形区域内均匀的随机分布，信道为瑞利衰落信道，则信道增益h_i服从指数分布，其期望值E[h_i]的计算公式为：E[i]＝10^-3d_i ^-α。图2和图3分别仿真了系统吞吐量和能效随着小区中用户数目的变化趋势。可以看到，本方法不管是系统吞吐量还是能效都比TDMA和NOMA的性能更优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线供电通信网络资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于能量收集构建无线供电通信网络的混合多址接入技术传输模型；

对所述系统模型以系统吞吐量为优化目标，提出了最优的用户配对算法，并通过计算得出了最优的能量收集/信息传输持续时间。

2.根据权利要求1所述的一种无线供电通信网络资源分配方法，其特征在于，所述系统传输模型具体为：

基站和用户均配置为单天线，用户按照信道增益h_i降序排列。

能量收集阶段基站向N个用户广播射频信号，t₀表示能量收集时间，信息传输阶段用户被分为K个NOMA组，t_k表示第K个组的信息传输时间。P_i表示用户i的发射功率，α_i,k＝{0,1}表示用户i是否被分配到第K个NOMA组。

3.根据权利要求2所述的一种无线供电通信网络资源分配方法，其特征在于，能量收集用户配对算法具体步骤以及最优的时间分配为：

根据用户收集到的能量将用户分为强用户和弱用户；

强弱用户数目相等时，将最强的强用户与最弱的弱用户配对，次强的强用户与次弱的弱用户配对……；

强用户数目小于弱用户时，将部分最强的强用户收集到的能量平分，按照强弱用户数目相等的策略分别与两个弱用户配对；

强用户数目大于弱用户时，部分最强的强用户单独为一组，剩下的强用户按照强弱用户数目相等的情况进行配对。

其中，N₀为噪声功率谱密度，z^*为zln(z)-z+1＝A的唯一解。