CN110278576A - 一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法 - Google Patents

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CN110278576A CN201910348317.7A CN201910348317A CN110278576A CN 110278576 A CN110278576 A CN 110278576A CN 201910348317 A CN201910348317 A CN 201910348317A CN 110278576 A CN110278576 A CN 110278576A
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明提出一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法，该方法适用于下行合作非正交多址接入系统中基站与信道条件差的远用户之间无直接通信，只能以信道条件较好的近用户为中继与道条件差的远用户进行通信的场景。本发明利用非正交多址接入技术将远用户的信号也发送给近用户，并将近用户充当中继转发信号给远用户。本发明提出近用户利用功率分割技术进行同时的能量采集和信息解码，并在满足远用户最低传输数据量需求、基站传输功率限制以及能量因果约束的条件下，以近用户传输数据量最大化为目标构建资源分配模型，对合作非正交多址接入系统中的功率、时间、非正交多址接入功率分配比例以及能量采集的功率分割比例进行优化分配。

Description

一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅猛发展和移动终端设备的大规模普及，用户的业务量需求急剧增加，因此在即将到来的第五代无线网络中需要引入新的多址技术。非正交多址接入技术在现有时频资源块的基础上引入一个新的维度来执行多路复用，从而提高无线网络频率利用率。非正交多址接入技术的基本思想是在功率域上对信道进行复用，实现在同一频率、时间内对多个用户进行服务。在发送端，非正交多址接入采用叠加编码技术，使同一信道上的不同用户信号功率按照相关算法分配，使得到达接收端的每个用户的信号功率不一样。在接收端，非正交多址接入采用串行干扰消除技术，根据用户接收信号功率大小按照一定顺序进行干扰消除，达到区分不同用户的目的。除此之外，非正交多址接入还具有较好的公平性，超高的连通性，良好的兼容性，以及传输延迟低等优势，因此成为5G通信技术中极具前景的研究方向之一。除了提高频谱效率，能源效率的提高在5G中也是一个不可忽视的问题。基于无线能量采集的无线供电技术在提高能源效率的同时，还能够使得设备供电摆脱线路的限制，实现设备和电源的完全分离，更加方便灵活地为设备提供能量，也避免了更换电池的问题，特别是在传感器节点广泛、随机部署的无线传感器网络中，利用无线能量采集技术对设备进行供电，可以极大地提高设备以及网络的使用寿命，因此无线能量采集技术在无线通信领域显示出了广阔的前景。
近年来，采用无线能量采集技术来为利用非正交多址接入进行合作通信的设备提供能量越来越受到关注。在采用非正交多址接入进行通信的网络中，信道条件较好的近用户在解码自身信号之前需要解码出信道条件较差的远用户的信号，因此可以将近用户充当远用户的中继，并通过调用解码转发中继协议将解码的远用户信号转发给远用户。远用户接收来自基站与近用户两方面的信号，从而增强了自身的传输性能，进一步保证了远用户的服务质量。由于近用户在转发信号时需要消耗一定的能量，因此可以在近用户处采用无线能量采集技术收集环境中的射频能量以供转发使用。但是，现有的研究都是假设远用户与基站之间存在直接的通信链路，而对于一种特殊情境，即基站与信道条件差的远用户之间无直接通信的情况并没有相关研究。
发明内容
发明目的：为弥补现有技术的缺陷，本发明提出一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法，该方法适用在信道条件较差的远用户与基站没有直接通信链路的下行合作非正交多址接入系统中，给出了一种保证远用户服务质量的同时，对信道条件较好的近用户传输速率进行优化的资源分配方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法，包括步骤：
(1)构建下行合作非正交多址接入系统：所述下行合作非正交多址接入系统中，基站与信道条件差的远用户U2之间无直接通信，只能以信道条件较好的近用户U1为中继与道条件差的远用户U2进行通信；总频谱带宽平分为N个子载波，这些子载波的集合为将基站的数据传输时长归一化为1，并将数据传输时长分为两个阶段，第一阶段时长为τ，第二阶段时长为1-τ；在第一阶段，基站采用叠加编码技术将要发送给近用户U1和远用户U2的信号调制为叠加信号后发送给近用户U1；近用户U1接收叠加信号，然后利用功率分割技术将接收到的叠加信号按照分割比例β分为两部分，近用户U1将占比为β的部分信号转化为能量供转发使用，从占比为1-β的部分信号中解码出U1和U2的信号；在第二阶段，近用户U1利用在第一阶段收集到的能量将解码出的U2的信号传输给U2；
(2)基于步骤(1)构建的下行合作非正交多址接入系统，构建系统资源分配模型：
P1：
C1：
C2：
C3：
C4：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
其中，表示第一阶段基站在第i个子载波上的发射功率，表示第二阶段近用户 U1在第i个子载波上的发射功率，αi表示第一阶段基站分配给近用户信息的功率分配比例，表示在第i个子载波传输过程的第一阶段基站与近用户U1之间的信道增益，表示在第i个子载波传输过程的第二阶段近用户U1与远用户U2之间的信道增益，表示近用户U1处的噪声功率，表示远用户U2处的噪声功率，P表示基站的最大总发射功率，D表示远用户U2的总传输数据量的目标值，η表示能量转化效率；
(3)基于约束C1至C7，求解所述系统资源分配模型，得到所述下行合作非正交多址接入系统中的资源分配方案。
进一步的，求解所述系统资源分配模型的具体步骤包括：
(2-1)在求解P1之前，检查近用户U1在第一阶段解码出的远用户U2的数据量与远用户U2在第二阶段解码出的自身信号的数据量是否能够达到目标数据量D，具体步骤为：
(a)构建问题模型P2：
P2：
P2满足约束：
C1：
C4：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(b)设置{αi}＝{0}，将问题模型P2转化为P3：
P3：
P3满足约束：
C1：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
再将问题模型P3转化为P4：
P4：
P4满足约束：
C1：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
C8：
(c)初始化
(d)根据τ、β，对进行优化，优化的步骤包括(d1)至(d3)：
(d1)先通过求解问题模型P5得到问题模型P5为：
P5：
P5满足约束：
C1：
再通过求解问题模型P6得到问题模型P6为：
P6：
P6满足约束：
C4：
(d2)根据计算：
比较和的大小，若则将步骤(d1)计算出的作为最优解，步骤(d)结束；否则，计算转入步骤(d3)；
(d3)将基站第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i*，即进而得到i≠i*；通过求解问题模型P7得到问题模型P7为：
P7：
P7满足约束：
C9：
(d4)重新计算和比较和的大小，若则此时的为最优解，步骤(d)结束；否则，计算转入步骤(d5)；
(d5)计算ps＝(psmin+Psmax)/2，通过求解问题模型P8得到问题模型P8为：
P8：
P8满足约束：
C10：
再通过求解问题模型P9得到问题模型P9为：
P9：
C11：
C12：
(d6)重新计算和比较和的大小，若则更新psmin＝ps，否则，更新psmax＝ps，返回步骤(d5)；
(d7)重复执行步骤(d5)至(d6)，直至
(e)将步骤(d)得到的代入问题模型P10，求出τ和β的最优解后返回步骤(d)；问题模型P10为：
P10：
问题模型P10满足以下约束：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
C8：
(f)重复执行步骤(d)至(e)，直至P4的目标函数收敛；
(2-2)判断步骤(2-1)得到的P4目标函数的值是否大于D，若是，则问题模型P1 有可行解，执行步骤(2-3)；否则，问题模型P1没有可行解，不对所述下行合作非正交多址接入系统进行资源分配；
(2-3)将步骤(2-1)输出的τ、β、{αi}作为初始可行解，并通过如下步骤求解P1：
(g)根据当前的τ、{αi}、β对P1进行求解，得到
(h)根据当前的{αi}、β、对P1进行求解，得到τ；
(i)根据当前的τ、{αi}对P1进行求解，得到β；
(j)根据当前的τ、β对P1进行求解，得到{αi}；
(k)重复执行步骤(g)至(j)，直至问题模型P1的目标函数收敛。
进一步的，所述步骤(j)中，根据τ、β对P1进行求解的具体步骤包括：
将问题模型P1转化为问题模型P11：
P11：
P11满足约束：
C13：
C14：
其中，ti为中间参数，
求解问题模型P11，得到ti，然后根据ti计算
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明提出基于功率分割模式无线能量采集的合作非正交多址接入传输方式，使得基站在传输信号给信道条件较好的近用户的同时将其作为中继，转发信号给因信道条件较差而无直接通信链路的远用户，从而扩大基站的覆盖范围，实现在同一时频资源块上服务于两个用户，且不占用额外的中继设备。
(2)本发明采用了基于功率分割模式的能量采集技术，基站同时传输信号与能量给近用户，弥补了近用户因作为中继转发信号而消耗的能量，延长了用户设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述的下行合作非正交多址接入系统的架构图；
图2为近用户在传输同一个子载波的第一阶段和第二阶段的传输过程图；
图3为近用户进行功率分割后两部分能量的去向图；
图4为所述下行合作非正交多址接入系统的资源分配流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明所要解决的是一种特殊场的下行合作非正交多址接入系统中的资源分配问问题，图1给出该系统的一个实施例，基站与信道条件差的远用户U2之间无直接通信，为了与远用户通信，基站利用合作非正交多址接入技术，将信道条件较好的近用户U1为作为中继转发信息给远用户U2。所述下行合作非正交多址接入系统中，总频谱带宽平分为N个子载波，这些子载波的集合为将基站传输一个子载波给远用户U2的传输时长归一化为1，将数据传输时长分为两个阶段，第一阶段时长为τ，第二阶段时长为 1-τ；如图2所示，在第一阶段，基站采用叠加编码技术将要发送给近用户U1和远用户 U2的信号调制为叠加信号后发送给近用户U1；为了不在近用户处产生额外的能量消耗，近用户U1在接收叠加信号后，利用功率分割技术将接收到的叠加信号按照分割比例β分为两部分，这两部分信号能量的去向如图3所示，近用户U1将占比为β的部分信号转化为能量供转发使用，从占比为1-β的部分信号中解码出U1和U2的信号；在第二阶段，近用户U1利用在第一阶段收集到的能量将解码出的U2的信号传输给U2；记第一阶段，在第i个子载波上，近用户解码得到的自身数据量为近用户解码得到的远用户数据量为记第二阶段，在第i个子载波上，远用户解码出自身信号的数据量为
为了保证远用户的服务质量，要求在所有子载波上，近用户解码出远用户信号的总数据量和远用户解码出自身信号的总数据量都不能小于目标传输数据量D，故有：
由于近用户在第二阶段用于转发的能量不能超过其在第一阶段收集的能量，故可得能量因果约束为：
本发明的目标是在满足远用户总传输数据量目标D的需求下，通过优化分配功率、时间、非正交多址接入的功率分配比例以及能量采集的功率分割比例，最大化近用户的传输数据量。本发明的资源分配方法解决的优化问题(P1)如下：
P1：
C1：
C2：
C3：
C4：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
其中，表示第一阶段基站在第i个子载波上的发射功率，表示第二阶段近用户U1在第i个子载波上的发射功率，αi表示第一阶段基站分配给远用户信息的功率分配比例，表示在第i个子载波传输过程的第一阶段基站与近用户U1之间的信道增益，表示在第 i个子载波传输过程的第二阶段近用户U1与远用户U2之间的信道增益，表示近用户U1处的噪声功率，表示远用户U2处的噪声功率，P表示基站的最大总发射功率，D 表示远用户U2的总传输数据量的目标值，η表示能量转化效率。
优化问题P1中，目标函数为近用户的传输数据量。约束C1为基站的传输功率约束，表示在第一阶段中，基站的传输功率不能超过最大总传输功率P；约束C2、C3为远用户的最低传输数据量约束，表示第一阶段近用户解码出远用户的数据量与第二阶段远用户解码出自身信号数据量都不能低于远用户的目标传输数据量D，才能保证远用户的服务质量；约束C4为近用户的能量因果约束，表示近用户第二阶段用于转发的能量不能超过其第一阶段收集到的能量；约束C5、C6和C7分别表示αi、β和τ的取值范围为 [0，1]。
基于约束C1至C7，求解所述系统资源分配模型P1，即可得到所述下行合作非正交多址接入系统中的资源分配方案。求解所述系统资源分配模型P1的具体步骤如图4所示，包括：
(1)可行性检查：在求解P1之前，检查近用户U1在第一阶段解码出的远用户U2的数据量与远用户U2在第二阶段解码出的自身信号的数据量是否能够达到目标数据量D，通过求解问题模型P2进行可行性检查：
构建问题模型P2：
P2：
P2满足约束：
C1：
C4：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(1.a)由于对于αi越小越好，而其他式子与αi无关，故令αi＝0，则优化问题可转化为如下优化问题：
P3：
P3满足约束：
C1：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(1.b)令
由于关于τ单调递增，关于τ单调递减，且当任意给定β、和时，都有故当时，目标函数取得最大值，因此，优化问题P3可转化为优化问题P4：
P4：
P4满足约束：
C1：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
C8：
(1.c)初始化：初始化
(1.d)给定τ、β，对进行优化：
(1.d.1)先优化优化问题如下：
P5：
P5满足约束：
C1：
该问题为凸问题，可用经典注水法求解。再优化优化问题如下：
P6：
P6满足约束：
C4：
该问题为凸问题，可用经典注水法求解。
(1.d.2)比较和的大小，如果则可得和的最优解；否则，令并执行下一步。
(1.d.3)易证越大，用户1在一阶段收集的能量越大，则用户1转发给用户2的传输数据量越大。因此，将基站第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波，即子载波故i≠i*。再对进行优化，优化问题如下：
P7：
P7满足约束：
C9：
该问题为凸问题，可用经典注水法求解。
(1.d.4)再比较和的大小，如果则可得的最优解；否则，令并执行下一步。
(1.d.5)令ps＝(psmin+psman)/2，先优化优化问题如下：
P8：
P8满足约束：
C10：
该问题为凸问题，可用经典注水法求解。再优化优化问题如下：
P9：
C11：
C12：
该问题为凸问题，可用内点法求解。
(1.d.6)比较和的大小，如果则令psmin＝ps；否则，令psmax＝ps。重复执行步骤(1.d.5)，直到为止。
(1.e)给定和对τ和β进行优化，优化问题如下：
P10：
问题模型P10满足以下约束：
C4：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
C8：
由约束C8可得将其代入优化问题中可将优化问题转化为：
C6：0≤β≤1
由约束C4可得故可得关于β的不等式约束：
由于不等式左边的式子关于β单调递增，不等式右边的式子关于β单调递减，且当β＝0 时，左边的值小于右边的值，当β＝1，左边的值大于右边的值，故存在常数0＜C＜1，使得当C≤β≤1时，满足不等式约束。又因为目标函数关于β单调递减，故当β＝C，即约束C4取等时，目标函数最大，求得β和τ的解。
(1.f)重复执行步骤(d)至(e)，直至P4的目标函数收敛，然后转入步骤(2)；
(2)判断步骤(2-1)得到的P4的目标函数的值是否大于D，若是，则问题模型P1 有可行解，执行步骤(2-3)；否则，问题模型P1没有可行解，不对所述下行合作非正交多址接入系统进行资源分配；
(3)将步骤(1)求得的解作为初始可行解，并通过如下步骤求解优化问题P1：
(3.a)根据当前的τ、{αi}、β，对进行优化：该问题是凸问题，可用拉格朗日对偶法求解。
(3.b)根据当前的{αi}、β、对τ进行优化，优化问题如下：
该问题满足约束：
C2：
C3：
C4：
C7：0≤τ≤1
由约束C3得由于目标函数是关于τ的线性单调递增函数，所以当τ取最大值即约束C3取等时，目标函数最大，得τ的解。
(3.c)根据当前的τ、{αi}，对β进行优化，优化问题如下：
该优化问题满足约束：
C2：
C4：
C6：0≤β≤1
令因为f′(β)≤0，所以f(β)关于β单调递减，又因为目标函数关于β单调递减，且由约束C4得所以当约束C4取等时，目标函数最大，得β的解。
(3.d)根据当前的τ、β，对{αi}进行优化，优化问题如下：
该优化问题满足约束：
C2：
C5：0≤αi≤1
约束C2可以转化为：
而优化问题的目标函数可转化为：
令则可将优化问题转化为如下问题：
P11：
P11满足约束：
C13：
C14：
该问题为线性规划问题，当约束C13取等时，目标函数最大，故求得的解满足约束C13取等即约束C2取等的情况即可，然后令
(3.e)判断优化问题P1的目标函数值是否收敛，若收敛则该方法结束，输出优化后的τ，β，{αi}，和若不收敛，则返回步骤(3.a)。
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)

1.一种无线能量采集非正交多址接入系统资源分配方法，其特征在于，包括步骤：
(1)构建下行合作非正交多址接入系统：所述下行合作非正交多址接入系统中，基站与信道条件差的远用户U2之间无直接通信，只能以信道条件较好的近用户U1为中继与道条件差的远用户U2进行通信；总频谱带宽平分为N个子载波，这些子载波的集合为将基站的数据传输时长归一化为1，并将数据传输时长分为两个阶段，第一阶段时长为τ，第二阶段时长为1-τ；在第一阶段，基站采用叠加编码技术将要发送给近用户U1和远用户U2的信号调制为叠加信号后发送给近用户U1；近用户U1接收叠加信号，然后利用功率分割技术将接收到的叠加信号按照分割比例β分为两部分，近用户U1将占比为β的部分信号转化为能量供转发使用，从占比为1-β的部分信号中解码出U1和U2的信号；在第二阶段，近用户U1利用在第一阶段收集到的能量将解码出的U2的信号传输给U2；
(2)基于步骤(1)构建的下行合作非正交多址接入系统，构建系统资源分配模型：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
其中，表示第一阶段基站在第i个子载波上的发射功率，表示第二阶段近用户U1在第i个子载波上的发射功率，αi表示第一阶段基站分配给近用户信息的功率分配比例，表示在第i个子载波传输过程的第一阶段基站与近用户U1之间的信道增益，表示在第i个子载波传输过程的第二阶段近用户U1与远用户U2之间的信道增益，表示近用户U1处的噪声功率，表示远用户U2处的噪声功率，P表示基站的最大总发射功率，D表示远用户U2的总传输数据量的目标值，η表示能量转化效率；
(3)基于约束C1至C7，求解所述系统资源分配模型，得到所述下行合作非正交多址接入系统中的资源分配方案。
2.根据权利要求1所述的一种下行合作非正交多址接入系统的资源分配方法，其特征在于，求解所述系统资源分配模型的具体步骤包括：
(2-1)在求解P1之前，检查近用户U1在第一阶段解码出的远用户U2的数据量与远用户U2在第二阶段解码出的自身信号的数据量是否能够达到目标数据量D，具体步骤为：
(a)构建问题模型P2：
P2满足约束：
C5：0≤αi≤1
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(b)设置{αi}＝{0}，将问题模型P2转化为P3：
P3满足约束：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
再将问题模型P3转化为P4：
P4满足约束：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(c)初始化
(d)根据τ、β，对进行优化，优化的步骤包括(d1)至(d3)：
(d1)先通过求解问题模型P5得到问题模型P5为：
P5满足约束：
再通过求解问题模型P6得到问题模型P6为：
P6满足约束：
(d2)根据计算：
比较和的大小，若则将步骤(d1)计算出的作为最优解，步骤(d)结束；否则，计算转入步骤(d3)；
(d3)将基站第一阶段的传输功率全部分配给其信道增益最大的子载波i*，即进而得到i≠i*；通过求解问题模型P7得到问题模型P7为：
P7满足约束：
(d4)重新计算和比较和的大小，若则此时的为最优解，步骤(d)结束；否则，计算转入步骤(d5)；
(d5)计算ps＝(psmin+psmax)/2，通过求解问题模型P8得到问题模型P8为：
P8满足约束：
再通过求解问题模型P9得到问题模型P9为：
(d6)重新计算和比较和的大小，若则更新psmin＝ps，否则，更新psmax＝ps，返回步骤(d5)；
(d7)重复执行步骤(d5)至(d6)，直至
(e)将步骤(d)得到的代入问题模型P10，求出τ和β的最优解后返回步骤(d)；问题模型P10为：
问题模型P10满足以下约束：
C6：0≤β≤1
C7：0≤τ≤1
(f)重复执行步骤(d)至(e)，直至P4的目标函数收敛，然后转入步骤(2-2)；
(2-2)判断步骤(2-1)得到的P4的目标函数的值是否大于D，若是，则问题模型P1有可行解，执行步骤(2-3)；否则，问题模型P1没有可行解，不对所述下行合作非正交多址接入系统进行资源分配；
(2-3)将步骤(2-1)输出的τ、β、{αi}作为初始可行解，并通过如下步骤求解P1：
(g)根据当前的τ、{αi}、β对P1进行求解，得到
(h)根据当前的{αi}、β、对P1进行求解，得到τ；
(i)根据当前的τ、{αi}对P1进行求解，得到β；
(j)根据当前的τ、β对P1进行求解，得到{αi}；
(k)重复执行步骤(g)至(j)，直至问题模型P1的目标函数收敛。
3.根据权利要求2所述的一种下行合作非正交多址接入系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤(j)中，根据τ、β对P1进行求解的具体步骤包括：
将问题模型P1转化为问题模型P11：
P11满足约束：
其中，ti为中间参数，
求解问题模型P11，得到ti，然后根据ti计算
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