CN110493872A - 反向散射通信辅助无线供电通信网络系统及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反向散射通信辅助无线供电通信网络系统及优化方法。无线供电通信网络(WPCN)有两种主要的工作模式，分别为采集再传输(HTT)模式和反向散射通信(BackCom)模式。本发明研究了WPCN中两种模式的融合方案，充分利用两者的优点。对于该方案，每个用户可采用HTT模式或者BackCom模式，所有用户以时分多址(TDMA)模式调用。在每个用户分配的时隙内，用户依次工作在HTT模式和BackCom模式。相较于单一模式方案，混合模式方案中工作模式的选择具有更大的灵活性。对于混合模式方案，分析得到最优的用户工作模式组合，在各个用户分配的时隙内，用户只采用HTT模式和BackCom模式中的一种。根据得到的工作模式组合，给出了最优时间分配的闭式解，仿真结果验证混合模式方案的性能优越性。

Description

反向散射通信辅助无线供电通信网络系统及优化方法

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种反向散射通信辅助无线供 电通信网络系统及优化方法。

背景技术

目前无线供电通信网络(Wireless Powered Communication Network,WPCN) 通常采用采集再传输(Harvest-then-Transmit,HTT)模式，根据HTT模式，用户总 是先采集能量并将采集的能量存储起来，当用户有通信需要时再利用采集的能量 传输信息。然而，能量采集时间必然占据整个时间周期的一部分，特别是对于离 混合接入点(Hybrid AccessPoint,HAP)距离较远的用户，通常需要较长的时间才 能采集到足够的能量。当用户存在信息需要传输时，如果用户尚未采集到足够的 能量，那么信息传输的实时性或者数据量会受到很大的影响。

反向散射通信(Backscatter Communication,BackCom)模式也是WPCN的一 种工作模式。对于BackCom模式，相较于信息反射的时间，用以采集能量的时 间可以忽略不计，即用户可以实时反射入射信号以实现信息的传输。当然，这种 模式也有缺点，不同于HTT模式利用采集的能量的主动通信，利用BackCom模 式的通信依赖于实时的入射信号。当用户无法接收到入射信号时，信息的反射无 法实现。对于存在混合用户的网络场景，可以充分利用HTT模式和BackCom模 式的优势，以增强网络性能。

发明内容

为了解决现有技术中HTT模式和BackCom模式各自的特点与不足，本发明 针对WPCN，研究了HTT和BackCom两种模式在WPCN中的融合方案，考虑 了混合模式方案。对于该方案，每个用户可采用HTT模式或者BackCom模式， 所有用户以TDMA模式调用。在每个用户分配的时隙内，用户依次工作在HTT 模式和BackCom模式。相较于单一模式方案，混合模式方案中工作模式的选择 具有更大的灵活性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种反向散射通信辅助无线供电通信网络系统，所述系统包含一个HAP和K 个带有超级电容器的用户，基于HTT和BackCom两种模式在WPCN中的融合 方案为基础，所述用户在某个时隙可以自适应在HTT和BackCom两种模式下进 行切换，所述用户用符号U_i,i＝1,…,K表示，所述HAP和用户间的下行信道功 率增益、用户与HAP间的上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示，所述HAP 含有两根天线并采用全双工FD模式，所述用户均含有一根天线，所述HAP采 用连续干扰抵消技术来消除信号自干扰；假设HAP配备固定的能量供给，而所 有用户本身不含有能量，同时假设HAP完美已知所有的信道状态信息。

本发明还包括一种反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，包 括如下实施步骤：

步骤一：划分时隙、计算各个用户收集到的能量及HTT模式的吞吐量。在 给定的传输块内研究混合模式方案取得的系统性能，定义一个传输块的时间为T。 整个传输块被分成K+1个主时隙，每个主时隙对应的时间周期为t_i,i＝0,…,K。 在t₀内，HAP向所有用户广播能量信号，t_i,i＝1,…,K分配给U_i。U_i对应的主时 隙进一步分为三个子时隙，分别表示为α_i，β_i和t_i-α_i-β_i，其中α_i和β_i分别用 以HTT模式中的能量采集和信息传输，t_i-α_i-β_i用于BackCom模式的信息反 射。系统中用户的工作时间调度和工作模式的选择由HAP控制。考虑到超级电 容器的高自放电特性，假设每个用户只能利用其在传输信息之前采集的能量。在整个传输块内，HAP以功率P广播无线射频信号。

用户U_i采集的能量用符号E_i表示，E_i表示为：

其中为用户U_i采集能量的时间，η_i为能量采集的效率。利用采集 的能量E_i，用户U_i在时间β_i内发送信息。为避免能量浪费，假设用户U_i采集的能 量都用以传输信息，即E_i在β_i时间内都被用于以HTT模式发送信息。用户U_i采 用HTT模式得到的吞吐量表示为：

其中W为系统带宽，

步骤二：计算BackCom模式得到的吞吐量和系统的总吞吐量。对于BackCom 模式，采用环境反向散射模式，用户的反射信息速率用表示。基于此，采用 BackCom模式得到的吞吐量表示为：

根据公式(2)和(3)，系统的总吞吐量表示为：

步骤三：根据步骤二中已经求得的系统总吞吐量，列出网络中系统吞吐量的 优化问题并证明为凸优化问题。定义t＝[t₀,t₁,…,t_K]，α＝[α₁,…,α_K]和 β＝[β₁,…,β_K]。优化问题定义为：

容易证明问题(5)为凸优化问题。

步骤四：针对两个用户场景，求出优化问题的闭式解。为了解决K＝2对应 的问题，设计了两步法，即先求解单用户场景的最优时间分配方案，再据此求解 两个用户场景的最优解。

步骤五：根据步骤四中求得的两个用户场景的闭式解，根据该闭式解揭示的 规律，进一步求解三个用户场景的闭式解。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用混合模式方案相比于单一模式 方案取得的系统性能更佳。本发明的系统采用全双工(Full Duplex,FD)-HAP；定 义了关于时间分配的系统吞吐量优化问题。对于混合模式方案，分析得到最优的 用户工作模式组合，在各个用户分配的时隙内，用户只采用HTT模式和BackCom 模式中的一种。根据得到的工作模式组合，给出了最优时间分配的闭式解。仿真 结果验证了混合模式方案的性能优越性。

附图说明

图1是系统模型示意图。

图2是时隙分配示意图。

图3是系统吞吐量随着HAP发射功率的变化曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。

本实施例用于一种反向散射通信辅助无线供电通信网络系统及优化方法。系 统模型示意图如图1所示。所述系统包含一个HAP和K个带有超级电容器的用 户。HAP含有两根天线并采用全双工FD模式，用户均含有一根天线。为了描述 方便，用户用符号U_i,i＝1,…,K表示。HAP和用户间的下行信道功率增益、用 户与HAP间的上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示。HAP采用连续干扰抵 消技术来消除信号自干扰。假设HAP配备固定的能量供给，而所有用户本身不 含有能量。

本实施例通过以下步骤实现：

第一步，划分时隙、计算各个用户收集到的能量及HTT模式用户的吞吐量T， 该传输块的结构如图2所示。整个传输块被分成K+1个主时隙，每个主时隙对 应的时间周期为t_i,i＝0,…,K。在t₀内，HAP向所有用户广播能量信号， t_i,i＝1,…,K分配给U_i。U_i对应的主时隙进一步分为三个子时隙，分别表示为α_i， β_i和t_i-α_i-β_i，其中α_i和β_i分别用以HTT模式中的能量采集和信息传输，t_i-α_i-β_i用于BackCom模式的信息反射。系统中用户的工作时间调度和工作模 式的选择由HAP控制。考虑到超级电容器的高自放电特性，假设每个用户只能利用其在传输信息之前采集的能量。在整个传输块内，HAP以功率P广播无线 射频信号。用户U_i采集的能量用符号E_i表示，E_i表示为：

其中为用户U_i采集能量的时间，η_i为能量采集的效率。利用采集 的能量E_i，用户U_i在时间β_i内发送信息。为避免能量浪费，假设用户U_i采集的能 量都用以传输信息，即E_i在β_i时间内都被用于以HTT模式发送信息。用户U_i采 用HTT模式得到的吞吐量表示为：

其中W为系统带宽，

第二步，计算BackCom模式用户的吞吐量和系统的总吞吐量。用户的反射 信息速率用表示。基于此，采用BackCom模式得到的吞吐量表示为：

根据公式(2)和(3)，系统的总吞吐量表示为：

第三步，根据先前已经求得的系统总吞吐量，列出网络中系统吞吐量的优化 问题并将其改写为凸优化问题。定义t＝[t₀,t₁,…,t_K]，α＝[α₁,…,α_K]和 β＝[β₁,…,β_K]。优化问题定义为：

容易证明问题(5)为凸优化问题。定义问题(5)的最优解为 和问题(5)的最优解满足：

在最优的时间分配方案中，用户U_i在内已经收集了足够的能量，不 需要在α_i内继续采集能量。系统总吞吐量可以表示为：

问题(5)可以改写为：

容易证明问题(9)是凸优化问题，可以通过一些数值方法求得最优解。但是 该类方法很难得到问题的闭式解，特别是对于K≥3场景。为此，下面先考虑 K＝2场景并给出闭式解。再根据该闭式解揭示的规律，进一步求解K≥3场景 的闭式解。

第四步，针对两个用户场景，求出优化问题的闭式解。为了解决K＝2对应 的问题，设计了两步法，即先求解单用户场景的最优时间分配方案，再据此求解 两个用户场景的最优解。

对于单用户场景，令给定分析t₀、t₁和β₁的最优关系。

给定单用户场景对应的问题表示为：

为求解问题(10)，先分析t₀和β₁的最优关系。令t₀和β₁的最优关 系可通过问题(11)得到：

问题(11)的结果为：

其中为f₁(z₁)＝γ₁的结果，f₁(z₁)＝z₁lnz₁-z₁+1。根据上述结果，问题 (10)改写为：

其中通过求解问题(14)，可得：

如用户U₁工作在HTT模式下；否则，用户U₁工作在BackCom模 式下。因而，在最优的时间分配方案中，用户U₁要么工作在HTT模式要么工作 在BackCom模式下，而非两种模式都采用(不考虑的特殊情况)。

根据问题(10)的结果，进一步分析两个用户场景的优化问题。问题(9)的求解 可以通过分析以下两种情况完成：用户U₁采用HTT模式还是采用BackCom模 式。如果用户U₁采用HTT模式，系统吞吐量表达式改写为 据此问题(9)改写为：

类似于求解问题(10)，为求解问题(16)，需要先确定和β₂的关系。令 和β₂的最优关系可以通过求解问题(17)得到：

类似于求解问题(11)，可得问题(17)的结果：

其中是f₂(z₂)＝γ₂的最优解，令问题(16)改写为问题(20)：

问题(20)的结果如下：

根据公式(15)和(21)，两个用户的工作模式组合如下：如果和用户U₁和用户U₂都工作在HTT模式下；如果和用户U₁不 工作而用户U₂在整个传输块内采用BackCom模式反射信息。为了表述方便，将 用户不工作、工作在BackCom模式和工作在HTT模式三种状态用符号“0”、“B” 和“H”。因此，针对用户U₁采用HTT模式的情况，两个用户工作模式组合分别 用“HH”和“0B”表示。

下面考虑用户U₁采用BackCom模式的情况。在该情况下，系统总吞吐量表 示为通过替换问题(9)中的 目标函数，可以得到关于β₂和的结果：

是f₃(z₃)＝γ₂的解，

根据公式(15)和(24)，分析两个用户场景的工作模式组成情况。如果和用户U₁工作在BackCom模式而用户U₂工作在HTT模式。如果和只有用户U₂工作，工作模式为BackCom模式。此时两个用户场景 的用户工作模式组合表示为“BH”和“0B”。

总结上述两种情况，对于两个用户场景，问题(9)的最优解是：

这里只给出了问题(9)在K＝2场景下的一组最优解。这是因为如果 和三个条件中的任意一个满足，在t₁和t₂内HTT模式和 BackCom模式也可能都被采用，因而问题(9)还存在其他的最优解。然而，由于 这里给出的结果有助于得到多用户场景下优化问题的闭式解，这里不再赘述其他 可能的最优解。

根据上述的结果，观察到用户的调用顺序会影响时间分配方案。为解释这个 现象，举例说明：对于满足和的“0B”这种情况，可以通过调换用 户的工作顺序以取得更大的系统吞吐量，即用户U₂先被调用。具体说明如下： 随着用户数量的增加，归一化的系统吞吐量将增加。由于可得其中是用户U₂采用HTT模式取得 的归一化吞吐量，是f₁(z₁)＝γ₂的结果。另外，根据可得调换用户顺 序后的最优用户工作模式为“BH”。

第五步，根据求得的两个用户场景的闭式解，根据该闭式解揭示的规律，进 一步求解三个用户场景的闭式解。根据上述分析，提出了一个低复杂度算法来求 解K≥3时问题(9)的闭式解。根据两个用户场景的结果，可知在所有的用户工作 模式组合中，至少有一个组合是最优的。以两个用户场景为例，共有三种可行的 用户工作模式组合，分别为“0B”、“BH”和“HH”。当考虑三个用户场景时，共有 六个可行的用户工作模式组合，分别为“0BB”、“0BH”、“BHB”、“BHH”、“HHB” 和“HHH”。“0BB”、“BHB”和“HHB”这三个组合在不影响结果的情况下可以改写 为“00B”。因而，对于三个用户场景，更新后的用户工作模式组合为“00B”、“0BH”、 “BHH”和“HHH”。类似的，对于四个用户场景，可行的工作模式组合为“000B”、“00BH”、“0BHH”、“BHHH”和“HHHH”。因此，总结得到如下结论：K个用户 有K+1个可行的工作模式组合。根据每个工作模式组合，问题(9)可以改写为 K+1个子问题。通过依次解决K+1个子问题，最终得到问题(9)的最优解。

下面分析如何求解这K+1个子问题。K+1个子问题可以分为三类子问题。 第一类子问题是只有最后一个用户被调用且工作在BackCom模式下；第二类子 问题是第一个被调用的用户采用BackCom模式而其他被调用的用户都采用HTT 模式；第三类子问题是所有用户都采用HTT模式。对于第一类子问题，最优的 时间分配方案就是将整个传输块的时间都分配给U_K。对于第二类子问题，假设 工作的用户数量为M，则第一个被调用的用户的下标为K-M+1。令 N＝K-M+1。由于用户工作模式给定，为了最大化系统吞吐量，可以直接令t_i,i＝0,1,…,K-M，β_i＝0,i＝1,…,N和β_i＝t_i,t＝N+1,…,K。利用凸优化方 法，可得第二类子问题的最优时间分配方案。对于第三类子问题，由于所有的用 户都工作在HTT模式，即β_i＝t_i,i＝1,…,K。通过求解上述三类子问题，得到 K+1个可能的最优解，其中得到最大系统吞吐量的子问题的结果是问题(9)的最 优解。

本实施例在以下的仿真场景下进行仿真实验，仿真环境参数的设定如下所示。 假设K_b＝1，K_h＝3。系统带宽W＝1MHz。前向和后向信道功率增益互易且定 义为其中d_i为HAP与U_i之间距离，δ_i为衰落参数，ρ_i为信 道小尺度衰落，满足均值为一的指数分布。令HAP 处的噪声功率为σ²＝-70dBm，η₁＝…＝η_K＝0.6。不失一般性，令 δ＝δ₁＝…＝δ_K＝3和T＝1s。所有仿真结果都通过1000次蒙特卡洛实验平均得 到。为了比较系统性能，单一用户方案作为参照方案，分别包括单一HTT模式 方案(只含有采用HTT模式的用户)和单一BackCom模式方案(只含有采用 BackCom模式的用户)。

图3表述了HAP发射功率取不同值时系统吞吐量的变化曲线。考虑四个用 户场景，令δ＝3，其中D_K＝5m，需要说明的是， 单一HTT模式方案包含四个用户。由图3可知，相较于三种参照方案，混合模 式方案可以得到最大的系统吞吐量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.反向散射通信辅助无线供电通信网络系统，其特征在于：所述系统包含一个HAP和K个带有超级电容器的用户，基于HTT和BackCom两种模式在WPCN中的融合方案为基础，所述用户在某个时隙可以自适应在HTT和BackCom两种模式下进行切换，所述用户用符号U_i,i＝1,…,K表示，所述HAP和用户间的下行信道功率增益、用户与HAP间的上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示，所述HAP含有两根天线并采用全双工FD模式，所述用户均含有一根天线，所述HAP采用连续干扰抵消技术来消除信号自干扰；假设HAP配备固定的能量供给，而所有用户本身不含有能量，同时假设HAP完美已知所有的信道状态信息。

2.反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，其特征在于：包括以下实施步骤：

步骤一：划分时隙、计算各个用户收集到的能量及HTT用户的吞吐量；

步骤二：计算BackCom模式得到的吞吐量和系统的总吞吐量；

步骤三：根据已经求得的系统总吞吐量，列出网络中系统吞吐量的优化问题并将其改写为凸优化问题；

步骤四：针对两个用户场景，求出优化问题的闭式解，为了解决K＝2对应的问题，设计了两步法，即先求解单用户场景的最优时间分配方案，再据此求解两个用户场景的最优解；

步骤五：根据步骤四中求得的两个用户场景的闭式解，根据该闭式解揭示的规律，进一步求解三个用户场景的闭式解。

3.根据权利要求2所述的反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，其特征在于：所述给定的传输块内研究混合模式方案取得的系统性能，定义一个传输块的时间为T，所述整个传输块被分成K+1个主时隙，每个主时隙对应的时间周期为t_i,i＝0,…,K；在t₀内，HAP向所有用户广播能量信号，t_i,i＝1,…,K分配给U_i，U_i对应的主时隙进一步分为三个子时隙，分别表示为α_i，β_i和t_i-α_i-β_i，其中α_i和β_i分别用以HTT模式中的能量采集和信息传输，t_i-α_i-β_i用于BackCom模式的信息反射；所述系统中用户的工作时间调度和工作模式的选择由HAP控制，考虑到超级电容器的高自放电特性，假设每个用户只能利用其在传输信息之前采集的能量；所述整个传输块内，HAP以功率P广播无线射频信号；

用户U_i采集的能量用符号E_i表示，E_i表示为：

其中为用户U_i采集能量的时间，η_i为能量采集的效率，利用采集的能量E_i，用户U_i在时间β_i内发送信息，为避免能量浪费，假设用户U_i采集的能量都用以传输信息，即E_i在β_i时间内都被用于以HTT模式发送信息，用户U_i采用HTT模式得到的吞吐量表示为：

其中W为系统带宽，

4.根据权利要求2所述的反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，其特征在于：对于BackCom模式，采用环境反向散射模式，用户的反射信息速率用表示，所述采用BackCom模式得到的吞吐量表示为：

根据公式(2)和(3)，系统的总吞吐量表示为：

5.根据权利要求3和4所述的反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，其特征在于：所述定义t＝[t₀,t₁,…,t_K]，α＝[α₁,…,α_K]和β＝[β₁,…,β_K]，优化问题定义为：

6.根据权利要求5所述的反向散射通信辅助无线供电通信网络系统的优化方法，其特征在于：所述对于两个用户场景，问题(5)的最优解是：