CN110418360B - 无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法。本发明以绿色无线携能网络为研究背景，引入具有多个能量收集功能的SWIPT用户。首先给出了所提基于裕量自适应的无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法的场景与数学模型；然后，基于用户传输速率公平比进行多用户子载波分配；最后，使用两次Hughes‑Hartogs比特分配算法为多个SWIPT用户分配比特。本发明将经典的单用户比特分配算法拓展用于多个SWIPT用户的子载波比特联合分配，并通过两次比特分配，在满足SWIPT用户能量收集需求的同时，最小化源节点的发送功率。当可分配比特数相同时，本发明所提方案较平均比特分配算法有效降低了源节点发送功率。通过选择合适的SWIPT用户数，本发明所提方案可以实现最大化SWIPT网络的能效。

Description

无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，为了解决无线携能(SimultaneousWireless Information and Power Transfer，SWIPT)网络中能量受限节点的资源分配与调度问题，基于裕量自适应(Margin Adaptation,MA)准则，提出了最小化源发送功率的多用户子载波比特联合分配方法。该方法涉及在无线携能网络传输总比特数受限和多个SWIPT接收节点能量收集受限情况下的源发送功率最小化，主要为SWIPT网络中实现基于功率分割(Power Splitting，PS)的高能效子载波比特分配方案。

背景技术

随着技术的发展，人们对无线设备的需求不断增加，无线设备的供能成为了一个严重的问题。对工作在难以充电和更换电池环境下的设备，人们尝试通过太阳能、风能和热能收集能量。物联网形式无线设备的急剧增加，使得射频信号(Radio Frequency,RF)信号成为了一个热门的能量收集源。RF信号的收集不仅能弥补天然能源在收集环境上的缺陷，其本身还具有一个其他自然能源无法比拟的巨大优势——信号同时承载着信息与能量，为信息与能量的同时传输提供了极大的可能性，无线携能通信应运而生。

在无线携能通信(SWIPT)场景中，接收端可以在一个时隙内完成信息的解码和能量的收集，收集的能量可以用于后续的信息传输或信号处理，为能量受限的网络提供了一种新的解决方案，符合绿色通信的理念，因此SWIPT得到了广泛的研究。实际中易于实现的SWIPT的接收机结构有功率分割和时隙切换两种。

在SWIPT网络中，合理的资源分配与调度对于提升接收端的信息速率和能量收集能力有着至关重要的作用。正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)因为其频谱效率的优越性以及其对频率选择性衰落信道的鲁棒性，广泛应用于SWIPT网络的资源分配和调度。通过为OFDM的各个子载波分配资源，优化SWIPT网络的性能。在多用户场景下，如何合理地分配子载波，也是一个重要的研究课题。

SWIPT网络多用户资源分配和调度技术主要基于裕量自适应(MA)和速率自适应(Rate Adaptation,RA)两个准则。MA准则旨在通过约束用户数据速率来最小化总发射功率，而RA准则旨在通过总发射功率的约束来最大化总吞吐量。目前，SWIPT网络中资源分配与调度研究大部分基于RA准则。基于MA准则的比特分配也是SWIPT网络资源分配与调度研究的方向。

衡量SWIPT网络资源分配算法好坏的指标主要包括频带利用率、能量效率(EnergyEfficiency，EE)、用户服务质量、公平性、干扰限制等。能量效率定义为消耗单位能量可达到的信息速率，它是SWIPT网络中衡量资源分配算法好坏的重要指标。

发明内容

本发明目的是在无线携能网络中节点能量受限情况下，无线携能网络的中断性能与能量效率需同时优化。本发明提出了基于裕量自适应(MA)准则的SWIPT网络多用户子载波比特联合分配方案，同时满足SWIPT接收节点的能量收集要求。

本发明解决的问题的技术方案包括以下步骤：

步骤1、基于OFDM的SWIPT网络多用户传输场景的建模。

在基于OFDM的多用户SWIPT网络中，源节点S通过N个子载波向K个SWIPT用户发送信息，第k个用户接收到的第n个子载波发送的信号表示为：

其中：在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，x_k,n表示归一化的发送信号，λ_k,n表示功率分割因子，P_k,n表示源发送功率，h_k,n表示信道系数，w_k,n表示均值为零、方差为σ²的高斯白噪声。

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数。

假设传输时间为1s，第k个用户从第n个子载波收集到的能量为：

其中：在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，λ_k,n表示功率分割因子，P_k,n表示源发送功率，h_k,n表示信道系数。

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数。能量转换效率0≤η≤1。

所提方案基于裕量自适应(MA)准则，以最小化源节点发送功率为目标，在满足SWIPT用户能量约束、传输总速率(比特)约束与SWIPT用户比例公平性等约束条件下，构建优化问题如下：

其中：P表示发送端所需的总发送功率，在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，λ_k,n表示功率分割因子，h_k,n表示信道系数，b_k,n表示传输的比特数。

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数。约束条件1表示为K个用户分配的总比特数要小于等于可分配的总比特数R_th，约束条件2限制每个用户收集的能量要大于等于给定的门限E_th，约束条件3限制每个子载波只能分配给一个用户。f(b_k,n)表示第k个SWIPT用户信息接收机可靠接收第n个子载波发送的b_k,nbit数据所需的接收功率，具体的计算与调制方式有关，本发明中主要考虑多进制相移键控(MPSK)调制，f(b_k,n)与误比特率BER的关系式表示为：

其中：b_k,n表示第n个子载波向第k个用户传输的比特数，N₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；Q^-1(x)为

的反函数。

步骤2、子载波分配。

子载波分配前，对所有的K个SWIPT用户子载波集合A_k初始化为空，未被分配的子载波集合Z装入所有子载波，各个用户之间的速率公平比例为

通过计算出第k个用户的分配的信息传输速率R_k与

之间比例系数

为该比例系数最小的用户优先分配最佳信道条件的子载波，直至所有载波都分配给各个用户。

子载波分配算法具体步骤如下：

(1)初始化：R_k＝0，

Z＝{1,2,3,...,N}。

(2)分别取k＝1,2,...,K；

找出n^*满足

更新

Z＝Z-{n^*}，R_k＝R_k+R_th/N。

(3)当

时，执行以下循环：

①求出各个SWIPT用户的信息传输速率比例系数

②找出比例系数μ_k中的最小值

找出对应k^*满足条件

n∈Z的最优n^*；

③更新

Z＝Z-{n^*}，

步骤3、两次比特分配。

参考经典Hughes-Hartogs(HH)比特分配方法，在其他研究中的多用户HH比特分配是给定每个用户的比特数限制，对每个用户进行比特分配，这样可能导致一些接收1bit信息消耗能量更少的信道由于用户比特数达到上限而无法分配比特，从而导致性能的损失。由于加入SWIPT用户能量收集约束，在每个用户比特数受限的情况下，可能导致分配结果无法满足SWIPT用户能量收集约束的情况。鉴于这些问题，本发明在传输总比特数限制条件下对比特进行二次分配。第一次对每个用户采用经典HH比特分配算法以满足用户能量收集约束，当有剩余比特的情况下，第二次对所有已分配的子载波继续采用HH比特分配，以最小化源节点总发送功率。

为了简化计算，本发明假设所有SWIPT用户的功率分割因子都相同，且为定值，后续将通过仿真分析SWIPT用户功率分割因子对系统性能的影响。

第一次HH比特分配算法：

以第k个用户为例，假设其子载波集合A_k中有L_k个子载波，算法步骤如下：

(1)初始化：对于所有的l(1≤l≤L_k)，b_k,l＝第一次分配的结果。

(2)当

且

时，执行以下循环：

①求出所有L_k个子载波增加1比特信息所带来的功率增量ΔP_k,l＝[f(b_k,l+1)-f(b_k,l)]/|h_k,l|²，由于假设每个用户使用归一化距离，且每个子载波功率分割因子相同，所以功率增量的比较可不考虑距离和分割因子的影响；

②找出功率增量最小的子载波l^*，可以表示为

③给功率增量最小的子载波l^*增加1比特信息，即

根据比特分配情况计算SWIPT用户收集的能量

判断循环条件。

第二次HH比特分配算法：

(1)初始化：对于所有的1≤k≤K，1≤l≤L_k，b_k,l＝第一次分配的结果。

(2)当

时，执行以下循环：

①求出所有N个子载波增加1比特信息所带来的功率增量ΔP_k,l＝[f(b_k,l+1)-f(b_k,l)]/|h_k,l|²；

②找出功率增量最小的子载波k^*,l^*，可以表示为

③给功率增量最小的子载波k^*,l^*增加1比特信息，即

(3)根据最终功率分配结果计算每个已分配子载波源发送功率

步骤4、基于OFDM的多用户SWIPT网络能效分析。

本发明定义能效为发送端单位能量消耗下链路可实现的传输速率或信道容量。能效表达式为：

其中：分母表示链路的能量消耗，E_S表示源端发送的能量，

表示能量收集器收集的能量。考虑一个时隙的情况，能量的消耗可以用功率的消耗来代替，上式可进一步写为：

其中：在第k个用户接收到的第l个子载波信号中，λ_k,l表示功率分割因子，h_k,l表示信道系数，b_k,l表示传输的比特数。

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数。

表示源总发送功率，能量转换效率0≤η≤1。

本发明有益效果如下：

本发明对基于OFDM的多用户SWIPT网络源发送功率最小化为优化目标建立优化模型，通过对多个SWIPT用户子载波和比特的合理分配，使系统性能达到所需要求。

本发明以绿色无线携能网络为研究背景，引入具有多个能量收集功能的SWIPT用户。首先给出了所提基于裕量自适应的无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法的场景与数学模型；然后，基于用户传输速率公平比进行多用户子载波分配；最后，使用两次Hughes-Hartogs比特分配算法为多个SWIPT用户分配比特；本发明将经典的单用户比特分配算法拓展用于多个SWIPT用户的子载波比特联合分配，并通过两次比特分配，在满足SWIPT用户能量收集需求的同时，最小化源节点的发送功率。当可分配比特数相同时，本发明所提方案较平均比特分配算法有效降低了源节点发送功率。通过选择合适的SWIPT用户数，本发明所提方案可以实现最大化SWIPT网络的能效。

附图说明

图1为基于OFDM的SWIPT网络多用户传输场景图。

图2为设计的SWIPT用户能量收集与信息传输协议。

图3为本发明中可分配比特数对源发送功率的影响。

图4为本发明中子载波数对源发送功率的影响。

图5为SWIPT用户数对能效的影响。

具体实施方式

图1为基于OFDM的SWIPT网络多用户传输场景图，SWIPT网络由源节点S、多个SWIPT用户D_k(k＝1,，…，K)组成。源节点S通过N个子载波向K个SWIPT用户发送信息，每个用户均配备有功率分割器、信息收发机、能量收集器，采用基于功率分割的SWIPT接收机结构。假设无线信道为瑞利衰落信道，A_k包含所有子载波到第k个用户的信道信息，h_k,n(k＝1,，…，K,n＝1，…，N)表示第n个子载波到第k个用户的信道系数。

图2为设计的SWIPT用户能量收集与信息传输协议。接收端采用功率分割接收机，将从第k的用户的第n个子载波收到的信息分成两部分，λ_k,n部分用于信息接收，1-λ_k,n部分用于能量收集。

图3给出了本发明中可分配比特数R_th对源发送功率的影响。用户数K＝8，能量转换效率η＝0.5，子载波数N＝32，无线信道为瑞利衰落信道，归一化距离

每个信道功率分割因子λ_k,n＝0.75，能量收集门限E_th＝0.01，用户速率公平比取r＝[1,1,2,2,3,4,1,1,1,1,2,2,3,4,1,1…]的前K个，误比特率BER＝0.01，噪声功率为0.01。由图可知，随着可分配比特数R_th的增多，所需源节点发送功率不断增大，这是因为，随着比特数的增多，接收端可靠接收所消耗的功率增多，源节点发送功率也随之变大。同时可以观察到，与平均比特分配算法相比，本发明所提算法可以有效降低了源节点发送功率。

图4给出了在不同功率分割因子情况下，本发明中子载波数对源发送功率的影响。用户数K＝8，可分配比特数R_th＝64bit，能量转换效率η＝0.1，无线信道为瑞利衰落信道，归一化距离

每个信道功率分割因子相同，能量收集门限E_th＝0.01，误比特率BER＝0.01，噪声功率为0.01，用户速率公平比取r＝[1,1,2,2,3,4,1,1,1,1,2,2,3,4,1,1…]的前K个。由图可知，随着载波数的增多，所需源发送功率逐渐降低，这是因为随着载波数的增多，比特分配可选择的载波增多，HH算法更容易选择到ΔP_k,l更小的子载波，从而使最终优化得到的源发送功率减小。同时，本发明观察到，随着功率分割因子的增大，源发送功率减小，这是因为随着功率分割因子的增大，虽然每个载波的在能量接收机存储的能量

减小，在第一次比特分配中要想达到能量收集门限需要分配更多一些的比特(例如在64个子载波的比特分配中，分割因子为0.75时，第一次比特分配分配比特数为64；而分隔因子为0.5时，第一次比特分配分配比特数为32)，信息接收机接收功率略有增大；但是由于源发送功率为

功率分割因子的增大使得源发送功率成倍地减小，最终得到的源发送功率反而更小。

图5给出了不同能量转换效率情况下，SWIPT用户数对能效的影响。子载波数N＝32，可分配比特数R_th＝64bit，无线信道为瑞利衰落信道，归一化距离

每个信道功率分割因子λ_k,n＝0.75，噪声功率为0.01，用户速率公平比取r＝[1,1,2,2,3,4,1,1,1,1,2,2,3,4,1,1…]的前K个，能量收集门限E_th＝0.01，误比特率BER＝0.01。由图可知，随着用户数的增多，能效先上升后下降。这是因为，一开始，随着用户数的增多，可选择的子载波增多，HH算法更容易选择到ΔP_k,l更小的子载波，从而使最终优化得到的源发送功率减小，能效增大。但当用户数达到一定数目以后(例如图中EE最高时的用户数)，随着用户数的增多，可供分配的比特只能满足一部分SWIPT用户的能量收集门限，这就导致另外一些SWIPT用户没有机会分配到比特，从而使系统总的能效下降。同时可以观察出，随着能量转换效率的提高，SWIPT网络能效显著增加。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.无线携能网络多用户子载波比特联合分配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、基于OFDM的SWIPT网络多用户传输场景的建模；

步骤2、子载波分配：

为了满足各个认知用户信息传输速率公平比的要求，对信息传输速率要求最高的用户优先分配最佳信道条件的子载波，直至所有载波都分配给各个用户；

步骤3、两次比特分配：

在传输总比特数限制条件下对比特进行二次分配；第一次对每个用户采用经典HH(Hughes-Hartogs算法)比特分配算法以满足用户能量收集约束，当有剩余比特的情况下，第二次对所有已分配的子载波继续采用HH比特分配，以最小化源节点总发送功率；

步骤4、基于OFDM的多用户SWIPT网络能效分析；

步骤1所述的基于OFDM的SWIPT网络多用户传输场景的建模，具体如下：

在基于OFDM的多用户SWIPT网络中，源节点S通过N个子载波向K个SWIPT用户发送信息，第k个用户接收到的第n个子载波发送的信号表示为：

其中：在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，x_k,n表示归一化的发送信号，λ_k,n表示功率分割因子，P_k,n表示源发送功率，h_k,n表示信道系数，w_k,n表示均值为零、方差为σ²的高斯白噪声；

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数；

假设传输时间为1s，第k个用户从第n个子载波收集到的能量为：

其中：在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，λ_k,n表示功率分割因子，P_k,n表示源发送功率，h_k,n表示信道系数；

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数；能量转换效率0≤η≤1；

所提方案基于裕量自适应(MA)准则，以最小化源节点发送功率为目标，在满足SWIPT用户能量约束、传输总速率(比特)约束与SWIPT用户比例公平性等约束条件下，构建优化问题如下：

其中：P表示发送端所需的总发送功率，在第k个用户接收到的第n个子载波信号中，λ_k,n表示功率分割因子，h_k,n表示信道系数，b_k,n表示传输的比特数；

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数；约束条件1表示为K个用户分配的总比特数要小于等于可分配的总比特数R_th，约束条件2限制每个用户收集的能量要大于等于给定的门限E_th，约束条件3限制每个子载波只能分配给一个用户；f(b_k,n)表示第k个SWIPT用户信息接收机可靠接收第n个子载波发送的b_k,nbit数据所需的接收功率，具体的计算与调制方式有关，本发明中主要考虑多进制相移键控调制，f(b_k,n)与误比特率BER的关系式表示为：

其中：b_k,n表示第n个子载波向第k个用户传输的比特数，N₀为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；Q^-1(x)为

的反函数；

步骤2所述的子载波分配方法，具体如下：

子载波分配前，对所有的K个SWIPT用户子载波集合A_k初始化为空，未被分配的子载波集合Z装入所有子载波，各个用户之间的速率公平比例为

通过计算出第k个用户的分配的信息传输速率R_k与

之间比例系数

为该比例系数最小的用户优先分配最佳信道条件的子载波，直至所有载波都分配给各个用户；

步骤2所述的子载波分配方法，具体如下：

(1)初始化：R_k＝0，

Z＝{1,2,3,...,N}；

(2)分别取k＝1,2,...,K；

找出n^*满足

更新

Z＝Z-{n^*}，R_k＝R_k+R_th/N；

(3)当

时，执行以下循环：

①求出各个SWIPT用户的信息传输速率比例系数

②找出比例系数μ_k中的最小值

找出对应k^*满足条件

n∈Z的最优n^*；

③更新

Z＝Z-{n^*}，

步骤3所述的两次比特分配方法，具体如下：

假设所有SWIPT用户的功率分割因子都相同，且为定值，后续将通过仿真分析SWIPT用户功率分割因子对系统性能的影响；

第一次HH比特分配算法：

以第k个用户为例，假设其子载波集合A_k中有L_k个子载波，算法步骤如下：

(1)初始化：对于所有的l,1≤l≤L_k，b_k,l＝第一次分配的结果；

(2)当

且

时，执行以下循环：

①求出所有L_k个子载波增加1比特信息所带来的功率增量ΔP_k,l＝[f(b_k,l+1)-f(b_k,l)]/|h_k,l|²，由于假设每个用户使用归一化距离，且每个子载波功率分割因子相同，所以功率增量的比较可不考虑距离和分割因子的影响；

②找出功率增量最小的子载波l^*，可以表示为

③给功率增量最小的子载波l^*增加1比特信息，即

根据比特分配情况计算SWIPT用户收集的能量

判断循环条件；

第二次HH比特分配算法：

(1)初始化：对于所有的1≤k≤K，1≤l≤L_k，b_k,l＝第一次分配的结果；

(2)当

时，执行以下循环：

①求出所有N个子载波增加1比特信息所带来的功率增量ΔP_k,l＝[f(b_k,l+1)-f(b_k,l)]/|h_k,l|²；

②找出功率增量最小的子载波k^*,l^*，可以表示为

③给功率增量最小的子载波k^*,l^*增加1比特信息，即

(3)根据最终功率分配结果计算每个已分配子载波源发送功率

步骤4所述的基于OFDM的多用户SWIPT网络能效分析，具体如下：

定义能效为发送端单位能量消耗下链路可实现的传输速率或信道容量；故能效表达式为：

其中：分母表示链路的能量消耗，E_S表示源端发送的能量，

表示能量收集器收集的能量；考虑一个时隙的情况，能量的消耗用功率的消耗来代替，上式可进一步写为：

其中：在第k个用户接收到的第l个子载波信号中，λ_k,l表示功率分割因子，h_k,l表示信道系数，b_k,l表示传输的比特数；

表示源到第k个用户之间的归一化距离，m为路径衰耗指数；

表示源总发送功率，能量转换效率0≤η≤1。

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