CN110740461B - 基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法 - Google Patents

基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，包括如下步骤：S1.构建最小化能耗模型；S2.对信道进行分配处理；S3.根据信道分配结果，对最小化能耗模型进行转换，得到简化的能耗模型；S4.根据简化的能耗模型，对时间分配系数进行处理，得到最优时间分配系数；S5.根据简化的能耗模型及最优时间分配系数，得到终端上行传输功率；S6.根据终端上行传输功率，得到基站下行传输功率。本发明的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，能够合理、高效地联合优化信道分配、时间分配系数和上下行传输功率。

Description

基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法
技术领域
本发明涉及物联网领域，具体涉及一种基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法。
背景技术
边缘计算(EC)在物联网终端集中的区域部署边缘服务器，能提供低时延的信息处理和计算服务；无线能量传输(WPT)能为通信终端灵活提供可持续的绿色能源。
针对将无线能量传输技术和边缘计算技术融合的WPT-EC物联网系统的资源分配和功率控制，广东工业大学设计了一种联合能量波束、任务迁移和计算优化的统一框架，以计算时延为约束，以最小化基站能耗为目标，联合优化基站的能量发射波束、CPU工作频率和终端任务迁移量；英国伦敦学院大学以最大化所有通信终端的计算速率加权和为目标，联合优化基站的能量发射波束、任务迁移和时间分配；南昌大学采用无人机为通信终端提供无线能量传输，以终端能量捕获因果和无人机飞行速率为约束，联合优化CPU工作频率、任务迁移时间、终端发射功率和无人机飞行轨迹；比利时鲁文大学以最小化总能耗为目标，优化迁移决策、捕获能量、解码信息时间以及迁移功率；西南大学以任务完成时间和边缘计算容量为约束，以最小化能耗为目标，联合优化CPU工作频率、发射功率和迁移决策；西南大学设计了一种能效资源分配方案，近端用户利用收集的更多能量协助远端用户向边缘服务器转发迁移任务数据；广东工业大学利用空闲设备在捕获能量后帮助远端用户转发迁移任务数据，设计了一种联合能量发射波束以及通信和计算资源分配方法。但以上方法都没有涉及到联合优化信道分配、时间分配系数和上下行传输功率。
因此，为解决以上问题，需要一种基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，能够合理、高效地联合优化信道分配、时间分配系数和上下行传输功率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，能够合理、高效地联合优化信道分配、时间分配系数和上下行传输功率。
本发明的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，包括如下步骤：
S1.对基站进行无线能量传输分析，构建最小化基站无线能量传输能耗模型P1；
S2.基于终端迁移任务数据量和信道功率增益，对信道进行分配处理，得到信道分配结果；
S3.根据信道分配结果，对最小化基站无线能量传输能耗模型P1进行转换处理，得到固定信道下的最小化基站无线能量传输能耗模型P2；
S4.根据最小化基站无线能量传输能耗模型P2，使用搜索算法对无线能量传输时间分配系数τ进行处理，将终端上行传输功率最小值对应的时间分配系数τ作为最优时间分配系数τ*；
S5.基于最小化基站无线能量传输能耗模型P2，根据最优时间分配系数τ*，以得到所有终端上行传输功率之和的最小值为目标，对终端上行传输功率进行分配，得到终端上行传输功率；
S6.利用终端收集到的能量与终端消耗的能量相等的原理，根据终端上行传输功率，计算得到基站下行传输功率。
进一步，步骤S1中，根据如下公式确定最小化基站无线能量传输能耗模型P1：
Figure BDA0002248712910000031
Figure BDA0002248712910000032
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure BDA0002248712910000033
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000034
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000035
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；xk,n为终端k分配信道n∈N的指示变量；
Figure BDA0002248712910000036
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure BDA0002248712910000037
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure BDA0002248712910000038
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure BDA0002248712910000039
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量。
进一步，步骤S2中，根据如下步骤对信道进行分配：
S21：初始化处理信道指示变量，并计算各子信道的信道功率增益；
S22：按照终端迁移任务数据量大小对终端降序排序，然后按照信道功率增益大小对子信道降序排序；
S23：每次循环地从终端降序序列中顺次选择终端序号k，按照子信道降序顺序，为终端分配1条子信道，构成终端的子信道集合；
S24：基于子信道集合，从终端k分配的信道中，选择最大信道功率增益对应的信道作为终端k的无线能量传输信道。
进一步，步骤S3中，根据如下公式确定最小化基站无线能量传输能耗模型P2：
Figure BDA0002248712910000041
Figure BDA0002248712910000042
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000043
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000044
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；
Figure BDA0002248712910000045
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure BDA0002248712910000046
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure BDA0002248712910000047
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure BDA0002248712910000048
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量。
进一步，步骤S4中，基于搜索算法对时间分配系数τ进行处理：
S41：初始化时间分配系数τ＝τ0，设置搜索步长△以及最大搜索次数(1-τ0)/△；
S42：对上下行传输功率进行分配处理，得到上下行传输功率；
S43：重新计算τ＝τ+△，返回执行步骤S42，直到完成最大次数搜索；
S44：从每次搜索得到的上行传输功率中选择最小值，将该最小值对应的τ作为最优时间分配系数τ*。
进一步，步骤S42中，基于注水算法对上下行功率进行分配处理：
S42-1：输入终端k分配的子信道集合Nk中的信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk以及最大循环次数
Figure BDA0002248712910000049
其中，N为子信道个数；K为物联网终端个数；
S42-2：对信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk进行降序排序，得到降序排序序列；
S42-3：计算中间变量
Figure BDA0002248712910000051
其中，σ2为加性高斯白噪声功率；
Figure BDA00022487129100000511
为终端k的上行传输速率；
S42-4：将终端在各子信道上的上行传输功率与0进行比较：
若大于0，则设置len＝len+1，并返回执行步骤S42-3；
若不大于0，则计算终端在各子信道的上行传输功率
Figure BDA0002248712910000052
S42-5:输出终端对应的各子信道的上行传输功率以及基站对该终端的下行传输功率。
进一步，步骤S6中，根据如下公式确定基站下行传输功率
Figure BDA0002248712910000053
其中，k为物联网中的终端编号，k∈K；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000054
为终端k本地操作产生的电路能耗；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure BDA0002248712910000055
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道，
Figure BDA00022487129100000512
Nk为信道集合；ζ为能量捕获模块的能量转换效率；
Figure BDA0002248712910000056
为终端k在子信道
Figure BDA0002248712910000057
上的信道功率增益；
Figure BDA0002248712910000058
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道
Figure BDA0002248712910000059
上的下行传输功率；
Figure BDA00022487129100000510
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道集合Nk上的上行传输功率之和。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，通过以最小化物联网基站无线能量传输能耗为目标，合理、高效地联合优化信道分配、时间分配系数和上下行传输功率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的WPT-EC物联网系统结构示意图；
图3为本发明的WPT-EC物联网系统时隙分配示意图；
图4为本发明的物联网终端平均能耗随物联网终端数量变化曲线；
图5为本发明的物联网系统总能耗随子信道集合规模变化曲线；
图6为本发明的物联网终端平均能耗随平均迁移任务数据量变化曲线；
图7为本发明的系统能耗随各迁移任务数据量变化曲线。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，包括如下步骤：
S1.对基站进行无线能量传输分析，构建最小化基站无线能量传输能耗模型P1；
S2.基于终端迁移任务数据量和信道功率增益，对信道进行分配处理，得到信道分配结果；
S3.根据信道分配结果，对最小化基站无线能量传输能耗模型P1进行转换处理，得到固定信道下的最小化基站无线能量传输能耗模型P2；
S4.根据最小化基站无线能量传输能耗模型P2，使用搜索算法对无线能量传输时间分配系数τ进行处理，将终端上行传输功率最小值对应的时间分配系数τ作为最优时间分配系数τ*；
S5.基于最小化基站无线能量传输能耗模型P2，根据最优时间分配系数τ*，以得到所有终端上行传输功率之和的最小值为目标，对终端上行传输功率进行分配，得到终端上行传输功率；
S6.利用终端收集到的能量与终端消耗的能量相等的原理，根据终端上行传输功率，计算得到基站下行传输功率。
本实施例中，步骤S1中，WPT-EC物联网系统采用时分双工(TDD)模式，其时隙分配为(如图3所示)：在下行时隙τ×T，基站执行无线能量传输；在上行时隙(1-τ)×T，物联网终端通过能量捕获模块完成能量收集，并通过收发信机(一种无线信号收发的设备集合)完成迁移任务数据传输和边缘服务器迁移任务处理；其中，T为物联网终端的任务截止期，即必须在时间T内完成下行无线能量传输和上行任务数据迁移与处理，其中，τ为无线能量传输的时间分配系数。
WPT-EC物联网系统采用正交频分多址接入(OFDMA)方式，将可用信道带宽WB等分为N个子信道，子信道带宽WS＝WB/N，用hk,n表示物联网终端k∈K在子信道n∈N上的信道功率增益；
Figure BDA0002248712910000071
表示在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k∈K分配子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000072
表示在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k∈K在分配子信道n∈N上的上行传输功率。
在基于TDD-OFDMA的WPT-EC物联网系统中，为了优化无线能量传输和任务数据迁移效率，规定分配给任意一台物联网终端的上下行子信道集合相同，且在任务截止期T内每个子信道只能分配给一台物联网终端，用xk,n表示为物联网终端k∈K分配信道n∈N的指示变量，xk,n＝1表示将子信道n分配给物联网终端k，否则，xk,n＝0。即为物联网终端k∈K分配的子信道集合为：
Nk＝{n|xk,n＝1；n＝1,…,N} (1)
物联网终端k∈K利用子信道集合Nk，下行传输无线能量，上行传输迁移任务。为了确保所有物联网终端都能在任务截止期T内完成能量捕获、任务数据迁移和处理，基站为每台物联网终端至少分配1条子信道且每条子信道至多分配给1台物联网终端，即信道分配应满足如下约束：
Figure BDA0002248712910000073
Figure BDA0002248712910000074
物联网终端利用能量捕获模块收集来自基站下行传输的能量，用
Figure BDA0002248712910000075
表示基站在无线能量传输信道
Figure BDA0002248712910000076
上对物联网终端k∈K的传输功率，则基站对K个物联网终端传输能量的总功率PD：
Figure BDA0002248712910000077
物联网终端接收来自基站传输过来的无线能量时，要将能量进行转换，用ζ(0<ζ≤1)表示能量捕获模块的能量转换效率，即物联网终端k∈K收集的能量Ek：
Figure BDA0002248712910000078
一般地，物联网终端的能耗由两部分构成：一是开机或待机等本地操作产生的电路能耗
Figure BDA0002248712910000081
此能耗在任务截止期T内为常数；二是迁移任务数据产生的能耗
Figure BDA0002248712910000082
取决于信道分配Nk、上行传输功率
Figure BDA0002248712910000083
以及时间分配系数τ，即物联网终端k∈K的迁移任务数据产生的能耗
Figure BDA0002248712910000084
Figure BDA0002248712910000085
综上所述，物联网终端k∈K收集的能量必须大于或等于物联网终端消耗的能量，即是满足以下能量约束：
Figure BDA0002248712910000086
根据子信道带宽WS、上行传输功率
Figure BDA0002248712910000087
以及信道功率增益hk,n等参数，计算得到物联网终端k∈K在子信道n∈Nk上的上行传输速率为：
Figure BDA0002248712910000088
其中，σ2为加性高斯白噪声功率。
而物联网终端k∈K在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率
Figure BDA0002248712910000089
为各个子信道上的上行传输速率之和，则
Figure BDA00022487129100000810
Figure BDA00022487129100000811
为了在任务截止期T内完成所有物联网终端的任务数据迁移和处理，即对于物联网终端k∈K，需要在(1-τ)×T内完成lk比特的任务数据迁移和处理，则最小上行传输速率
Figure BDA00022487129100000812
则对于物联网终端k∈K上行传输速率约束为：
Figure BDA00022487129100000813
以信道分配、时间分配系数和上下行功率分配为决策变量，以最小化基站无线能量传输能耗为目标，建立优化模型P1：
Figure BDA0002248712910000091
Figure BDA0002248712910000092
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure BDA0002248712910000093
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000094
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000095
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；xk,n为终端k分配信道n∈N的指示变量；
Figure BDA0002248712910000096
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure BDA0002248712910000097
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure BDA0002248712910000098
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure BDA0002248712910000099
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量；C1为子信道分配约束；C2为子信道传输功率约束，C3为时间分割比例因子约束；C4为上行传输速率约束；C5为物联网终端能耗约束。
本实施例中，步骤S2中，基于物联网终端迁移任务数据量排序和信道功率增益排序执行信道分配：
S21：输入物联网终端数K、各台物联网终端迁移任务数据量L＝(l1>l2>…>lK)以及子信道数N，并初始化指示变量xn,k＝0,n∈N,k∈K；
对于物联网终端k∈K，计算得到各子信道的信道功率增益hk,n,n∈N；
S22：首先依据物联网终端迁移任务数据量确定优先级，根据优先级大小对物联网终端降序排列，然后按照信道功率增益大小对子信道降序排序。
具体地：对物联网终端迁移任务数据量降序排列，执行L′←sort(L)排序，得到新的终端降序序列L′＝(l′1>l′2>…>l′K)；
同理，对各子信道的信道功率增益降序排列，得到序列hk,1>hk,2>…>hk,N,k∈K。
S23：设置
Figure BDA0002248712910000101
执行len次循环；每次循环从终端降序序列L′中顺次选择物联网终端序号k，按照信道功率增益降序序列hk,1>hk,2>…>hk,N,k∈K顺次为选择的物联网终端k分配1条子信道；
其中，若子信道序号n∈N未被分配，就为物联网终端k分配该子信道，且信道指示变量设置为xn,k＝1；否则，按信道功率增益降序序列hk,1>hk,2>…>hk,N,k∈K顺序搜索最靠前的未被分配子信道，并分配给物联网终端k，信道指示变量设置为xn,k＝1；
根据上述，即构成物联网终端k∈K的子信道集合Nk:Nk＝{n|xk,n＝1；n＝1,…,N}。
S24：对于物联网终端k∈K及其分配的子信道集合Nk，仅选择1条子信道执行下行无线能量传输。为了确保无线能量传输效率，根据如下公式确定物联网终端k∈K的无线能量传输信道：
Figure BDA0002248712910000102
其中，如果子信道集合Nk中存在多条子信道的信道功率增益相同，则随机选择一条作为无线能量传输信道。
本实施例中，步骤S3中，完成信道的分配之后，在固定信道下，对无线能量传输能耗模型P1进行联合时间分配系数优化与上下行功率分配，得到简化版的无线能量传输能耗模型P2：
Figure BDA0002248712910000103
Figure BDA0002248712910000104
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000111
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000112
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；
Figure BDA0002248712910000113
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure BDA0002248712910000114
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure BDA0002248712910000115
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure BDA0002248712910000116
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量；C1为子信道传输功率约束，C2为时间分割比例因子约束；C3为上行传输速率约束；C4为物联网终端能耗约束。
本实施例中，步骤S4中，基于简化版的无线能量传输能耗模型P2，使用搜索算法获取最优的时间分配系数τ*。具体地，初始化τ＝τ0，设置搜索步长为△，则最大搜索次数F＝(1-τ0)/△，τ0→0+；对于第一次搜索到第F次搜索，每次搜索都执行的操作为：利用基于注水算法对上下行功率进行分配处理，得到终端k对应的上行传输功率
Figure BDA0002248712910000117
以及下行传输功率
Figure BDA0002248712910000118
其中，
Figure BDA0002248712910000119
从第一次搜索开始，每次搜索的时间分配系数为上次的时间分配系数加搜索步长△，即τ＝τ+△；当第F次搜索完成后，整个搜索过程结束。最后从每次搜索获得的
Figure BDA00022487129100001110
中选择最小值
Figure BDA00022487129100001111
并将该最小值
Figure BDA00022487129100001112
对应的时间分配系数τ作为最优时间分配系数τ*。
本实施例中，步骤S4中，基于注水算法的上下行功率分配算法实现流程如下所示：
1.输入物联网终端k∈K分配的子信道集合Nk中信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk以及最大循环次数
Figure BDA00022487129100001113
其中N表示子信道个数，K表示终端个数；
2.对信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk进行降序排列，得到信道功率增益降序序列
Figure BDA00022487129100001114
3.设置变量i:i＝len；
4.计算
Figure BDA0002248712910000121
其中，
Figure BDA0002248712910000122
5.判断
Figure BDA0002248712910000123
是否大于0，若是，则使得i＝i-1，并返回执行步骤4；否则，计算各子信道的传输功率
Figure BDA0002248712910000124
6.最后输出物联网终端k∈K各子信道的上行传输功率
Figure BDA0002248712910000125
与基站对物联网终端k∈K的下行传输功率
Figure BDA0002248712910000126
步骤S5中，基于固定信道分配Nk,k∈K和最优时间分配系数τ*，为物联网终端k∈K对应的各个子信道n∈Nk分配上行传输功率，使上行传输功率之和最小，进而可以获得基站对于终端k∈K最优的下行无线能量传输效率；则物联网终端k∈K对应的各个子信道n∈Nk的上行传输功率分配策略为：以得到物联网终端k∈K最小上行传输功率
Figure BDA0002248712910000127
(其中，
Figure BDA0002248712910000128
)为目标，计算物联网终端k∈K对应的各子信道的传输功率
Figure BDA0002248712910000129
将简化版的无线能量传输能耗模型P2转换为能耗模型P3：
Figure BDA00022487129100001210
Figure BDA00022487129100001211
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；K为物联网的终端数目；
Figure BDA00022487129100001212
为物联网终端k∈K的各子信道的上行传输功率之和；
Figure BDA00022487129100001213
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure BDA00022487129100001214
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；C1为上行子信道传输功率约束，C2为上行传输速率约束。
本实施例中，步骤S6中，通过上述能耗模型P3，求得终端k∈K上行传输功率之和的最小值后，带入公式(6)、(7)得到最优的基站对终端k∈K的下行传输功率为
Figure BDA00022487129100001215
Figure BDA00022487129100001216
其中，k为物联网中的终端编号，k∈K；K为物联网的终端数目；
Figure BDA0002248712910000131
为终端k本地操作产生的电路能耗；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure BDA0002248712910000132
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道，
Figure BDA0002248712910000139
Nk为信道集合；ζ为能量捕获模块的能量转换效率；
Figure BDA0002248712910000133
为终端k在子信道
Figure BDA0002248712910000134
上的信道功率增益；
Figure BDA0002248712910000135
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道
Figure BDA0002248712910000136
上的下行传输功率；
Figure BDA0002248712910000137
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道集合Nk上的上行传输功率之和最小值。
为了评价本发明提供的资源分配与功率控制方法(EE-RAPC)的优势，将其与任务优先信道分配方法(TP)和上行链路等功率信道分配方法(UEP)进行实施效果对比。其中，TP在信道分配阶段，首先对每个物联网终端的迁移任务数据量降序排列，然后依次分配相同数量的子信道集合，UEP为已分配的子信道集合中的子信道采用等功率分配。
以智能变电站室外单元监测与环境监测物联网系统为例阐述本方法的实施效果。单蜂窝WPT-EC物联网系统如图2所示，基站天线部署在智能变电站室外高处，能与物联网终端天线形成视距传输，任务截止期T＝50ms，系统可用传输带宽WB＝2MHz，将其等分为带宽为31.25kHz的子信道，即子信道数N＝64，子信道带宽WS＝31.25kHz，设置噪声功率σ2＝10-9W，物联网终端能量捕获模块的能量转换效率ζ＝0.75，物联网终端迁移任务数据量lk＝[5,15]kbits,k∈K并且均匀分布，物联网终端开机/待机本地操作产生的电路能耗
Figure BDA0002248712910000138
时间分配系数搜索步长△＝0.1，信道功率增益hk,n＝(dk)-2α,k∈K,n∈N，本实施例选取路径损失指数α＝2.7，物联网终端与基站的通信距离dk＝[5,20]m均匀分布。
图4为物联网终端平均能耗随物联网终端数量变化曲线，各物联网终端的迁移任务数据量在[5,15]kbits均匀取值。EE-RAPC和TP的平均能耗随物联网终端数量的增加而增大，其原因一是物联网终端数量增加导致迁移任务数据量增大，导致所有物联网终端的平均能耗增大；二是当子信道数一定时，物联网终端数量增多导致子信道集合变小，上行传输速率降低，终端能耗增加。综合而言，EE-RAPC的信道分配优于TP，整体性好；任务迁移优于UEP，能自适应为信道质量优的子信道分配较大功率，为信道质量差的子信道分配较小功率。
图5为物联网系统总能耗随子信道集合规模变化曲线，固定物联网终端数K＝4，迁移任务数据量在[5,15]kbits均匀取值。三种方法的系统总能耗均随物联网终端分配的子信道数增加而减小，EE-RAPC的能耗表现最优，其原因是：随着为终端分配子信道的增多，各物联网终端用于无线能量传输的信道可选择性增强，用于迁移任务的传输信道增多也会优化能耗，但随着子信道数的继续增加，不会产生更明显的能耗降低。
图6为物联网终端平均能耗随平均迁移任务数据量变化曲线，固定物联网终端数K＝4。三种方法的物联网终端平均能耗均随平均迁移任务数据量增加而增大，其原因是：随着平均迁移任务数据量的增加，终端需要捕获更多的能量用于数据传输，能耗也将增加。此外，当平均迁移任务数据量较小时，TP和UEP的平均能耗差异较小，随着平均迁移任务数据量的增加，二者的平均能耗差异逐渐增大，其原因是：当迁移任务数据量较小时，当前能优化的信道分配与优化效果较折中，即信道分配的优化性能与无线能量传输过程中最小能耗的优化性能较平均；随着迁移任务数据量的增加，二者的信道分配方案不变，任务迁移分配的传输功率更大，优化能耗效果更显著，二者的差异增大。综合而言，EE-RAPC在任意迁移任务数据量下都能获得最小的平均能耗。
图7为物联网系统总能耗随平均迁移任务数据量变化曲线，固定物联网终端数K＝4。EE-RAPC与UEP的系统总能耗随平均迁移任务数据量增加而增大，而TP的系统总能耗随平均迁移数据量增加先减后增，其原因是：TP优先考虑迁移数据量大的终端，而迁移任务数据量与能耗正相关，只有对迁移任务数据量大的终端分配信道后，才能为迁移数据量小的终端分配资源，而此时已无较好信道分配给这类终端，故出现先减后增情况。当迁移数据量较小时，EE-RAPC的总能耗最小、UEP次之，最后是TP。随着迁移任务数据量的增加，TP的总能耗逐渐小于UEP，但仍大于EE-RAPC。当迁移任务数据量较大时，TP的总能耗最小，但EE-RAPC的平均能耗仍小于UEP。综合而言，EE-RAPC的能耗整体好于UEP和TP。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.对基站进行无线能量传输分析，构建最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA0003559418390000011
根据如下公式确定最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA0003559418390000012
Figure FDA0003559418390000013
Figure FDA0003559418390000014
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure FDA0003559418390000015
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道；K为物联网的终端数目；
Figure FDA0003559418390000016
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure FDA0003559418390000017
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；xk,n为终端k分配信道n∈N的指示变量；
Figure FDA0003559418390000018
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure FDA0003559418390000019
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure FDA00035594183900000110
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure FDA00035594183900000111
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量；
S2.基于终端迁移任务数据量和信道功率增益，对信道进行分配处理，得到信道分配结果；根据如下步骤对信道进行分配：
S21：初始化处理信道指示变量，并计算各子信道的信道功率增益；
S22：按照终端迁移任务数据量大小对终端降序排序，然后按照信道功率增益大小对子信道降序排序；
S23：每次循环地从终端降序序列中顺次选择终端序号k，按照子信道降序顺序，为终端分配1条子信道，构成终端的子信道集合；
S24：基于子信道集合，从终端k分配的信道中，选择最大信道功率增益对应的信道作为终端k的无线能量传输信道；
S3.根据信道分配结果，对最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA00035594183900000210
进行转换处理，得到固定信道下的最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA00035594183900000211
S4.根据最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA00035594183900000212
使用搜索算法对无线能量传输时间分配系数τ进行处理，将终端上行传输功率最小值对应的时间分配系数τ作为最优时间分配系数τ*；
S5.基于最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA00035594183900000213
根据最优时间分配系数τ*，以得到所有终端上行传输功率之和的最小值为目标，对终端上行传输功率进行分配，得到终端上行传输功率；
S6.利用终端收集到的能量与终端消耗的能量相等的原理，根据终端上行传输功率，计算得到基站下行传输功率；根据如下公式确定基站下行传输功率：
Figure FDA0003559418390000021
其中，k为物联网中的终端编号，k∈K；K为物联网的终端数目；
Figure FDA00035594183900000214
为终端k本地操作产生的电路能耗；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure FDA0003559418390000022
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道，
Figure FDA0003559418390000023
Nk为信道集合；ζ为能量捕获模块的能量转换效率；
Figure FDA0003559418390000024
为终端k在子信道
Figure FDA0003559418390000025
上的信道功率增益；
Figure FDA0003559418390000026
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道
Figure FDA0003559418390000027
上的下行传输功率；
Figure FDA0003559418390000028
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道集合Nk上的上行传输功率之和最小值。
2.根据权利要求1所述的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，其特征在于：步骤S3中，根据如下公式确定最小化基站无线能量传输能耗模型
Figure FDA0003559418390000029
Figure FDA0003559418390000031
Figure FDA0003559418390000032
其中，n为物联网中的信道编号，n∈N；k为物联网中的终端编号；τ为无线能量传输的时间分配系数；T为物联网终端的任务截止期；
Figure FDA0003559418390000033
为终端k分配的具有最大信道功率增益的信道；K为物联网的终端数目；
Figure FDA0003559418390000034
为在无线能量传输的下行时隙τ×T，基站在终端k分配的子信道n∈N上的下行传输功率；
Figure FDA0003559418390000035
为在任务数据迁移的上行时隙(1-τ)×T，终端k在分配子信道n∈N上的上行传输功率；
Figure FDA0003559418390000036
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率；
Figure FDA0003559418390000037
为终端k在上行时隙(1-τ)×T的上行传输速率的最小值；
Figure FDA0003559418390000038
为终端k本地操作产生的电路能耗；
Figure FDA0003559418390000039
为终端迁移任务数据产生的能耗；Ek为终端收集到的能量。
3.根据权利要求1所述的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，其特征在于：步骤S4中，基于搜索算法对时间分配系数τ进行处理：
S41：初始化时间分配系数τ＝τ0，设置搜索步长Δ以及最大搜索次数(1-τ0)/Δ；
S42：对上下行传输功率进行分配处理，得到上下行传输功率；
S43：重新计算τ＝τ+Δ，返回执行步骤S42，直到完成最大次数搜索；
S44：从每次搜索得到的上行传输功率中选择最小值，将该最小值对应的τ作为最优时间分配系数τ*。
4.根据权利要求3所述的基于物联网无线能量传输的资源分配与功率控制方法，其特征在于：步骤S42中，基于注水算法对上下行功率进行分配处理：
S42-1：输入终端k分配的子信道集合Nk中的信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk以及最大循环次数
Figure FDA00035594183900000310
其中，N为子信道个数；K为物联网终端个数；
S42-2：对信道功率增益hk,n,k∈K,n∈Nk进行降序排序，得到降序排序序列；
S42-3：计算中间变量λ:
Figure FDA0003559418390000041
其中，σ2为加性高斯白噪声功率；
Figure FDA0003559418390000042
为终端k的上行传输速率；
S42-4：将终端在各子信道上的上行传输功率与0进行比较：
若大于0，则设置len＝len+1，并返回执行步骤S42-3；
若不大于0，则计算终端在各子信道的上行传输功率
Figure FDA0003559418390000043
Figure FDA0003559418390000044
k∈K,n∈Nk；
S42-5:输出终端对应的各子信道的上行传输功率以及基站对该终端的下行传输功率。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111683410A (zh) * 2020-06-07 2020-09-18 合肥工业大学 一种基于NB-IoT协议的应急性无线网络资源分配方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109151864A (zh) * 2018-09-18 2019-01-04 贵州电网有限责任公司 一种面向移动边缘计算超密集网络的迁移决策与资源优化分配方法
CN109413724A (zh) * 2018-10-11 2019-03-01 重庆邮电大学 一种基于mec的任务卸载和资源分配方案
CN109474983A (zh) * 2018-12-26 2019-03-15 国网浙江省电力有限公司信息通信分公司 Mec网络中联合发射功率控制的信道分配方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11412052B2 (en) * 2018-12-28 2022-08-09 Intel Corporation Quality of service (QoS) management in edge computing environments

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109151864A (zh) * 2018-09-18 2019-01-04 贵州电网有限责任公司 一种面向移动边缘计算超密集网络的迁移决策与资源优化分配方法
CN109413724A (zh) * 2018-10-11 2019-03-01 重庆邮电大学 一种基于mec的任务卸载和资源分配方案
CN109474983A (zh) * 2018-12-26 2019-03-15 国网浙江省电力有限公司信息通信分公司 Mec网络中联合发射功率控制的信道分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
移动边缘计算网络联合计算迁移决策与资源分配算法研究;肖骞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20190419(第4期);全文 *

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