CN110536318A

CN110536318A - 无线供电通信网络混合用户方案系统及吞吐量的优化方法

Info

Publication number: CN110536318A
Application number: CN201910536891.5A
Authority: CN
Inventors: 吕斌; 杨震
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2019-12-03

Abstract

本发明公开了一种无线供电通信网络混合用户方案系统及吞吐量的优化方法，无线供电通信网络(Wireless Powered Communication Network,WPCN)有两种主要的工作模式，分别为采集再传输(Harvest‑then‑Transmit,HTT)模式和反向散射通信(Backscatter Communication,BackCom)模式。针对两者的特点，本发明研究了WPCN中两种模式的融合方案以充分利用两者的优点，融合方案为混合用户方案。对于该方案，WPCN中包含分别采用HTT模式和BackCom模式的两类用户。在这种方案中，混合接入点(Hybrid Access Point,HAP)作为用户的能量信号源。针对所提出的方案，定义了系统吞吐量的优化问题，给出了最优时间分配的闭式解。根据最优解，对于混合用户方案，只有反射速率最大的BackCom用户能被调用。仿真结果表明，相较于用户采用单一模式，所提的方案可以取得更大的系统吞吐量。

Description

无线供电通信网络混合用户方案系统及吞吐量的优化方法

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种无线供电通信网络混合用户方案系统及吞吐量的优化方法。

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(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。对于具备能量采集和反向散射通信电路的用户来说，可以在HTT模式和BackCom模式间切换，以充分发挥其各自的优势，提高网络性能。

发明内容

为了解决现有技术中的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，考虑了混合用户方案。对于该方案，WPCN中包含分别采用HTT模式和BackCom模式的两类用户，所有用户以TDMA模式传输或者反射信息，此时用以传输能量的专用时隙同时也被分配给采用BackCom模式的用户来反射信息。混合用户方案中两类用户分别在不同时隙工作，因而该方案可以充分利用整个时隙传输信息，这能有效地提升系统吞吐量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

无线供电通信网络混合用户方案系统，上述系统中包含一个HAP和K个用户，所述WPCN中包含分别采用HTT模式和BackCom模式的两类用户，所述K个用户中包含K_h个工作在HTT模式的用户和K_b＝K-K_h个工作在BackCom模式的用户，所述用户以TDMA模式传输或者反射信息，此时用以传输能量的专用时隙同时也被分配给采用BackCom模式的用户来反射信息，混合用户方案中两类用户分别在不同时隙工作，因而该方案可以充分利用整个时隙传输信息，其中工作在HTT模式的用户配有超级电容器来存储采集的能量；所述工作在HTT模式和BackCom模式的用户分别用符号U_i,i＝1,…,K_h和V_j,j＝1,…,K_b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；对于工作在HTT模式的用户，假设HAP和用户U_i间的下行信道功率增益、用户与HAP间上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示；假设h_i和g_i为平坦衰落信道，所有信道增益在每个传输时间块内保持稳定，而在不同时间块内信道增益可能发生改变。

本发明还涉及一种无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，包括如下步骤：

步骤一：划分时隙、计算各个用户收集到的能量及HTT模式用户的吞吐量。在一个传输块内研究WPCN中的混合用户方案，定义一个传输块的时间为T。所有用户都采用时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)模式进行信息的反射或者传输。将时长为t₀的第一个时隙分配给所有采用BackCom模式的用户，对应信息反射阶段；时长分别为t_i的时隙依次分配给采用HTT模式的用户U_i，对应信息传输阶段。因而，可得时间约束在整个传输块内，HAP以功率P广播射频信号。对于HTT模式，考虑到超级电容器的高自放电特性，假设U_i只能利用在其传输信息之前采集的能量。因而，U_i在时间内采集的能量表示为：

其中η_i为能量采集的效率。基于采集的能量E_i，用户U_i在时间t_i内发射信息。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。因而，用户U_i的吞吐量为：

其中W为系统带宽，σ²是HAP处的噪声功率。

步骤二：计算BackCom模式用户的吞吐量和系统的总吞吐量。采用BackCom模式的用户V_j在t₀内以TDMA反射信息，将t₀进一步分成K_b个子时隙，每个子时隙的时长定义为τ_j，满足在τ_j内，用户V_j反射信息给HAP，其他BackCom用户处于静默状态而不反射信息。BackCom用户的工作状态由HAP负责调度控制。对于BackCom模式，采用环境反向散射AB模式，用户V_j的反射信息速率用表示。用户V_j的反射信息速率由用户本身的电路决定，与环境参量无关，因而为定值。基于此，采用BackCom模式的吞吐量表示为：

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将其改写为凸优化问题。定义和优化问题定义为：

定义问题(5)的最优解为和在给定t₀的情况下，最大化系统总吞吐量相当于分别最大化和因而，在给定t₀的前提下，先通过最大化得到τ^*。由于是关于τ_j的加权累加和，所以采用BackCom模式的用户的最优时间分配满足：

其中对于采用BackCom模式的用户，为了使得最大化系统吞吐量，只有反射速率最大的用户才能被调用且其工作时间为t₀，而其他BackCom用户均无法工作。故而R改写为：

问题(5)改写为：

步骤四：对步骤三中的吞吐量优化问题进行求解。问题(8)的最优解满足

其中其中是Lambert W-函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：混合用户方案中两类用户分别在不同时隙工作，因而该方案可以充分利用整个时隙传输信息，这能有效地提升系统吞吐量。本申请给出了系统模型，其中系统采用全双工(Full Duplex,FD)-HAP；定义了关于时间分配的系统吞吐量优化问题。对于混合用户方案，得到关于时间分配的闭式解，根据最优的时间分配方案可知，只有反射速率最大的BackCom用户可以工作，其他BackCom用户无法被调用。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用户方案的性能优越性。

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是系统吞吐量随着反射速率的变化曲线。

图4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。

本实施例用于一种无线供电通信网络混合用户方案系统及吞吐量的优化方法。系统模型示意图如图1所示。系统包含一个HAP和K个用户。K个用户中包含K_h个工作在HTT模式的用户和K_b＝K-K_h个工作在BackCom模式的用户，其中工作在HTT模式的用户配有超级电容器来存储采集的能量。为了表述方便，工作在HTT模式和BackCom模式的用户分别用符号U_i,i＝1,…,K_h和V_j,j＝1,…,K_b表示。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。HAP采用连续干扰抵消SIC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。对于工作在HTT模式的用户，假设HAP和用户U_i间的下行信道功率增益、用户与HAP间上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示。假设h_i和g_i为平坦衰落信道，所有信道增益在每个传输时间块内保持稳定，而在不同时间块内信道增益可能发生改变。另外，假设HAP完美已知所有的信道状态信息。

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。在一个传输块内研究WPCN中的混合用户方案，定义一个传输块的时间为T。所有用户都采用TDMA模式进行信息的反射或者传输。将时长为t₀的第一个时隙分配给所有采用BackCom模式的用户，对应信息反射阶段；时长分别为t_i的时隙依次分配给采用HTT模式的用户U_i，对应信息传输阶段。因而，可得时间约束在整个传输块内，HAP以功率P广播射频信号。对于HTT模式，考虑到超级电容器的高自放电特性，假设U_i只能利用在其传输信息之前采集的能量。因而，U_i在时间内采集的能量表示为：

其中W为系统带宽，σ²是HAP处的噪声功率。

第二步，计算BackCom模式用户的吞吐量和系统的总吞吐量。采用BackCom模式的用户V_j在t₀内以TDMA反射信息，将t₀进一步分成K_b个子时隙，每个子时隙的时长定义为τ_j，满足在τ_j内，用户V_j反射信息给HAP，其他BackCom用户处于静默状态而不反射信息。BackCom用户的工作状态由HAP负责调度控制。对于BackCom模式，采用环境反向散射模式，用户V_j的反射信息速率用表示。用户V_j的反射信息速率由用户本身的电路决定，与环境参量无关，因而为定值。基于此，采用BackCom模式的吞吐量表示为：

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。定义和优化问题定义为：

问题(5)改写为：

第四步，对第三步中的吞吐量优化问题进行求解。问题(8)的拉格朗日对偶函数表示为：

其中λ≥0为拉格朗日乘子。问题(8)的对偶函数为：

其中为t限定的约束条件。由问题(8)可知其存在可行解满足根据Slater约束准则，问题(8)的强对偶性成立。因而，问题(8)的最优解可以通过KKT条件得到，其对应的KKT条件满足

令将公式(11)带入公式(12)和(13)，可得：

其中定义根据公式(14)，x_i表示为：

由公式(15)可知，x_i依赖于c_i。在已知c₁的情况下，易得x₁；根据公式在已知x₁的情况下，易得c₂。依次类推，可得其他所有的x_i,i＝2,…,K_h。又因为可得最优的时间分配方案。问题(8)的最优解满足：

其中其中是Lambert W-函数。

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)。对于单一HTT模式方案，系统包含3个用户；对于单一BackCom模式方案，系统含有4个用户。

由于用户的信息反射速率由用户本身的电路决定，因而可以通过设计不同的电路来获取不同的反射速率。图3描述了用户V₁的反射速率对系统吞吐量的影响。假设P＝20dBm。随着用户V₁反射速率的增加，单一BackCom模式方案和混合用户方案得到的系统吞吐量显著增加，而单一HTT模式方案得到的系统吞吐量不变。混合用户方案性能优异的原因如下：相较于单一HTT模式方案，在混合用户方案中采用BackCom模式的用户可以在t₀时隙反射信息，增加了系统吞吐量，这是混合用户方案性能优异的主要原因。在混合用户方案中，当采用BackCom模式的用户反射信息时，其他采用HTT模式的用户可以同时采集能量，当采集到一定的能量时，采用HTT模式用户的传输速率会大于采用BackCom模式用户的反射速率。因而，混合用户方案得到的系统吞吐量同样大于单一BackCom模式方案的。特别地，在图3中，混合用户方案得到的系统吞吐量近似等于两种单一模式方案得到系统吞吐量之和。

图4描述了HAP发送功率对于系统吞吐量的影响。假设B₁＝50kbits/s。由图4可知，混合用户方案得到的系统吞吐量大于两种单一模式方案的。随着HAP发送功率的增加，单一HTT模式方案与混合用户方案得到的系统吞吐量间的差距减小。这是因为对于混合用户方案来说，随着HAP发射功率的增加，采用HTT模式的用户对于系统总吞吐量的贡献权重增加。当发射功率较小(不大于10dBm)时，单一BackCom模式方案得到的系统吞吐量与混合用户方案得到的近似相同，这是因为过小的HAP发射功率限制了采用HTT模式的用户得到的吞吐量。

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

1.无线供电通信网络混合用户方案系统，其特征在于：所述系统中包含一个HAP和K个用户，所述WPCN中包含分别采用HTT模式和BackCom模式的两类用户，所述K个用户中包含K_h个工作在HTT模式的用户和K_b＝K-K_h个工作在BackCom模式的用户，所述用户以TDMA模式传输或者反射信息，此时用以传输能量的专用时隙同时也被分配给采用BackCom模式的用户来反射信息，混合用户方案中两类用户分别在不同时隙工作，因而该方案可以充分利用整个时隙传输信息，其中工作在HTT模式的用户配有超级电容器来存储采集的能量；所述工作在HTT模式和BackCom模式的用户分别用符号U_i,i＝1,…,K_h和V_j,j＝1,…,K_b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；对于工作在HTT模式的用户，假设HAP和用户U_i间的下行信道功率增益、用户与HAP间上行信道功率增益分别用符号h_i和g_i表示；假设h_i和g_i为平坦衰落信道，所有信道增益在每个传输时间块内保持稳定，而在不同时间块内信道增益可能发生改变。

2.无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：划分时隙、计算各个用户收集到的能量及HTT模式用户的吞吐量；

步骤二：计算BackCom模式用户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：对吞吐量优化问题进行求解。

3.根据权利要求2所述的无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，其特征在于：所述的一个传输块内研究WPCN中的混合用户方案，定义一个传输块的时间为T，所有用户都采用TDMA模式进行信息的反射或者传输，将时长为t₀的第一个时隙分配给所有采用BackCom模式的用户，对应信息反射阶段；时长分别为t_i的时隙依次分配给采用HTT模式的用户U_i，对应信息传输阶段；因而，可得时间约束在整个传输块内，所述HAP以功率P广播射频信号，对于HTT模式，考虑到超级电容器的高自放电特性，假设U_i只能利用在其传输信息之前采集的能量；

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，因而，用户U_i的吞吐量为：

其中W为系统带宽，σ²是HAP处的噪声功率。

4.根据权利要求2所述的无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，其特征在于：所述采用BackCom模式的用户V_j在t₀内以TDMA反射信息，将t₀进一步分成K_b个子时隙，每个子时隙的时长定义为τ_j，满足在τ_j内，用户V_j反射信息给HAP，其他BackCom用户处于静默状态而不反射信息；BackCom用户的工作状态由HAP负责调度控制，对于BackCom模式，采用环境反向散射模式，用户V_j的反射信息速率用表示；用户V_j的反射信息速率由用户本身的电路决定，与环境参量无关，因而为定值，基于此，所述采用BackCom模式的吞吐量表示为：

根据公式(1)和(2)，系统的总吞吐量表示为：

5.根据权利要求3、4所述的无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，

其特征在于：所述定义和优化问题定义为：

定义问题(4)的最优解为和在给定t₀的情况下，最大化系统总吞吐量相当于分别最大化和

6.根据权利要求5所述的无线供电通信网络混合用户方案系统吞吐量的优化方法，其特征在于：问题(4)的最优解满足：

其中其中是Lambert W-函数。