CN111314959A - 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法 - Google Patents

一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111314959A
CN111314959A CN202010102037.0A CN202010102037A CN111314959A CN 111314959 A CN111314959 A CN 111314959A CN 202010102037 A CN202010102037 A CN 202010102037A CN 111314959 A CN111314959 A CN 111314959A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
multiple access
orthogonal multiple
user
cache
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010102037.0A
Other languages
English (en)
Inventor
类先富
任娟娟
李江龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202010102037.0A priority Critical patent/CN111314959A/zh
Publication of CN111314959A publication Critical patent/CN111314959A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
    • H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
    • H04W28/0215—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on user or device properties, e.g. MTC-capable devices
    • H04W28/0221—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on user or device properties, e.g. MTC-capable devices power availability or consumption
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
    • H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
    • H04W28/0231—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on communication conditions
    • H04W28/0236—Traffic management, e.g. flow control or congestion control based on communication conditions radio quality, e.g. interference, losses or delay

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法，在通信过程中，系统根据数据缓存、能量缓存和信道条件的实时状态，自适应的在下行无线供能和上行非正交多址数据传输模式之间切换，即在信道条件足够好的时候用尽量多的能量来进行非正交多址数据传输，否则系统则工作在能量收获阶段。本发明充分发掘缓存资源对无线携能非正交多址网络带来的增益，设计的低复杂度资源分配和传输调度方法充分利用了时间和功率资源，从而使得网络吞吐率得到了很大的提升。

Description

一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法
技术领域
本发明属于无线携能非正交多址网络传输网络领域，具体涉及一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法。
背景技术
无线携能技术是延长能量受限网络寿命的关键技术之一，其传统的工作模式为：先收获能量后传输数据，即一个时隙长度被分成两部分，第一部分被无线接入点用来进行下行传能，第二部分被用户用来进行上行数据传输。但是，无线供能过程对于由传播距离、反射、散射和衰落等原因造成的信号衰落高度敏感。为了解决这一难题，能量波束赋形这一技术被广泛的应用在无线携能传输网络中。传统的无线携能网络的研究，通过优化波束赋形向量、无线能量和数据的时间分配因子来最大化网络性能。
然而，针对无线携能网络的大量研究都考虑上行数据传输采用正交多址接入的方式。众所周知，由于大量的移动用户接入、基于物联网的机器型通信设备激增等因素，下一代无线通信将面临无线资源严重稀缺的困境。为了进一步提高频谱效率和支持大链接，可以在相同的时间、频率、空间资源块上同时服务多个用户的功率域非正交多址技术成为5G候选多址接入技术之一。在非正交多址技术中，可以对抗用户间干扰的串行干扰消除方案通常被作为译码手段，即根据用户的信道条件或者用户服务质量需求对用户进行排序，然后在接收端进行逐步译码。因此，P.D.Diamantoulakis等人(Wireless-poweredcommunications with non-orthogonal multiple access,IEEE Trans.WirelessCommun.Vol.15,no.12,pp.8422-8436,Dec.2016)对无线携能非正交多址网络进行了研究，同时从网络吞吐率、能效和公平性等性能指标入手，进行了相关的分析。
与此同时，为了进一步的满足高吞吐率的需求，缓存辅助通信技术在近几年也得到了一定的关注。一方面，数据缓存技术通过将从上层业务或者其他终端设备到达的数据存储在数据缓存设备中，然后充分利用信道状态条件进行数据传输。另一方面，能量存储技术可以在信道经历深度衰落等条件时将收获的能量先放置在能量设备中以提高能量利用效率。缓存技术的引入，使得无线携能网络可以把整个时隙资源自适应的分配给一种传输模式，而不再是传统的时分方案。这样可以使得时隙资源和功率资源等得到更高效的利用，从而提高系统性能。
发明内容
本发明目的在于将缓存技术引入无线携能非正交多址网络，并设计低复杂度的动态资源分配和调度方案来提高系统的吞吐率。
为此本发明提供了一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法，在无线携能非正交多址网络系统中包括一个多天线混合无线接入节点、两个能量受限的单天线用户节点，每个用户配备一个无限大小的数据缓存和能量存储装置；系统基于实时的缓存状态和信道状态信息选择以下两种模式之间进行切换：
模式A：混合无线接入节点发送能量波束赋形向量为用户传能。
模式B：所有的用户利用能量存储装备中的能量，以非正交多址的方式向混合无线接入节点发送数据。
选择模式A时，混合无线接入节点利用波束赋形为所有的用户供能，用户收到能量后将其存储在自己对应的能量装置中；如果上行数据传输的信道条件不够，则系统继续工作在能量收获模式，即能量波束赋形的设计除了受到基站功率约束的限制外，还和用户能量队列及信道条件的实时状态相关。此能量波束赋形设计，在保证能量队列稳定的同时使得能量资源得到充分利用。
选择模式B时，所有的用户通过使用能量存储装备中的能量，以非正交多址的方式向混合无线接入节点发送数据，混合无线接入节点采用基于数据队列长度的串行干扰消除方案对用户信息进行译码，即它首先译码队列长度短的用户的信息，把另一个用户的信息作为干扰；然后将其从组合信号中减掉；接着译码队列长度长的用户的信息，该用户信息的译码过程不受其他用户信息的干扰。功率分配方案通过优化数值解法得到。这种基于队列长度的译码方案，可以保证队列挤压多的用户具有大的自适应传输速率，从而保证数据队列的稳定特征。
本发明与现有技术相比取得的有益技术效果是：
本发明充分发掘缓存资源对无线携能非正交多址网络带来的增益，设计的低复杂度资源分配和传输调度方案充分利用了时间和功率资源，从而使得网络吞吐率得到了很大的提升。本发明也可以推广到无线传感器网络和物联网等应用场景中。
附图说明
图1为本发明的操作流程示意图。
图2为本发明系统模型。
图3为本发明针对混合接入节点处分别配置1，2，4根天线时，对应的系统吞吐率随着混合接入节点的平均功率限制增加时的变化情况。
图4为本发明与传统的没有缓存辅助的无线携能非正交多址系统的吞吐率性能对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1对应本发明的操作流程示意图，其中，
Figure BDA0002387181090000031
和
Figure BDA0002387181090000032
分别对应于当前时隙系统工作在无线能量传输模式和非正交多址数据传输模式时的目标函数。如果
Figure BDA0002387181090000033
则表示在当前时刻，系统选择工作在无线能量传输模式下；否则，系统选择非正交多址数据传输模式。图2为本发明系统模型，包括一个多天线混合无线接入点和两个单天线用户节点，其中am和bm分别对应于数据缓存在当前时刻的到达和离开速率。
操作方式由以下四个步骤组成：记当前时隙为t，引入二元选择变量d(t)来表征系统的模式选择，即d(t)＝1表示系统工作在非正交多址数据传输模式，d(t)＝0表示系统工作在能量传输模式。
步骤一、上层业务到达数据速率控制
考虑用户的数据来自上层业务且用户端采用速率控制协议，假设在时刻t到达用户Um的业务量Am(t)服从泊松分布，而实际存入用户缓存的数据量记为am(t)，其中am(t)≤Am(t)。此时，为了保证数据队列的稳定特性，系统采用基于数据缓存队列长度的到达速率控制方案，即
Figure BDA0002387181090000034
也就是说，在当前时隙用户的数据队列长度如果小于某个阈值V，则上层所有的数据都允许到达；否则，丢掉所有的数据。
步骤二、能量波束赋形设计
在当前时隙，混合无线接入点通过发送能量波束赋形向量w(t)＝(w1(t),w2(t),…,wK(t))T给两个用户供能，此时，用户端收获的能量为
Figure BDA0002387181090000035
Figure BDA0002387181090000036
其中，η为能量转换效率，
Figure BDA0002387181090000037
为用户Um到混合无线接入点的信道系数。
最优的能量波束赋形向量可以表示为
Figure BDA0002387181090000038
其中，dmin(t)是
Figure BDA0002387181090000039
的最小特征值，u1(t)是对应于特征值dmin(t)的特征向量，此外，
Figure BDA00023871810900000310
表示混合无线接入点的峰值功率。可以看出最优的波束赋形向量的的设计不仅受限于混合无线接入点处的功率约束，还要受到用户能量队列的影响。
从图3可以看出，随着天线数的增多，对应的吞吐率增益逐渐增加。验证了本发明下的波束能量赋形设计提高了系统的吞吐率性能。
步骤三、非正交多址数据传输资源分配设计
在当前时隙，两个用户利用非正交多址的形式，将信息发送给混合无线接入节点，此时，如果用户1的队列长度Q1(t)小于用户2的队列长度Q2(t)，那么最优的速率分配为
Figure BDA0002387181090000041
Figure BDA0002387181090000042
如果用户1的队列长度Q1(t)大于用户2的队列长度Q2(t),那么最优的速率分配为
Figure BDA0002387181090000043
Figure BDA0002387181090000044
速率分配方案可以解释为：为了达到最大化吞吐率并且使得用户的缓存队列稳定的目标，最优的速率分配方案是基站基于数据队列长度对用户信息进行译码，它最先译码队列长度短的用户的信息，此时，把另外一个用户的信息作为干扰；然后将其从从组合信号中减掉；接着译码队列长度长的用户的信息，该用户信息的译码过程不受其他用户信息的干扰。这样可以保证队列挤压多的用户具有更大的传输速率，从而保证数据队列的稳定特性。把相应的速率分配函数代入目标，利用内点法可以得到对应的功率分配数值解。
从图4中可以看出，所提缓存辅助方案达到的系统吞吐率明显高于传统无缓存辅助的方案，这表明了该发明引入的数据和能量缓存为传输调度方案的设计带来了新的自由度。
步骤四、系统模式选择
基于上述三个步骤的分析，本发明提出的最优模式选择方案为
Figure BDA0002387181090000045
其中，
Figure BDA0002387181090000046
Figure BDA0002387181090000051
如果
Figure BDA0002387181090000052
则表示在当前时刻，无线能量传输对应的目标函数值小，与最佳的优化目标相契合，系统选择工作在此种模式下；否则，系统选择非正交多址数据传输模式。此外，也可以观察到系统的模式选择受到缓存状态的影响。

Claims (3)

1.一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法，其特征在于，在无线携能非正交多址网络系统中包括一个多天线混合无线接入节点、两个能量受限的单天线用户节点，每个用户配备一个无限大小的数据缓存和能量存储装置；系统基于实时的缓存状态和信道状态信息在以下两种模式之间进行切换：
模式A：混合无线接入节点发送能量波束赋形向量为用户传能；
模式B：所有的用户利用能量存储装备中的能量，以非正交多址的方式向混合无线接入节点发送数据。
2.根据权利要求1所述的一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法，其特征在于，选择所述模式A时，混合无线接入节点利用波束赋形为所有的用户供能，用户收到能量后将其存储在自己对应的能量装置中；如果上行数据传输的信道条件不够，则系统继续工作在能量收获模式，即能量波束赋形的设计除了受到基站功率约束的限制外，还和用户能量队列的实时状态及信道条件相关。
3.根据权利要求1所述的一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法，其特征在于，选择所述模式B时，所有的用户通过使用能量存储装备中的能量，以非正交多址的方式向混合无线接入节点发送数据，混合无线接入节点采用基于数据队列长度的串行干扰消除方案对用户信息进行译码，即它首先译码队列长度短的用户的信息，把另一个用户的信息作为干扰；然后将其从组合信号中减掉；接着译码队列长度长的用户的信息，该用户信息的译码过程不受其他用户信息的干扰。
CN202010102037.0A 2020-02-19 2020-02-19 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法 Pending CN111314959A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010102037.0A CN111314959A (zh) 2020-02-19 2020-02-19 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010102037.0A CN111314959A (zh) 2020-02-19 2020-02-19 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111314959A true CN111314959A (zh) 2020-06-19

Family

ID=71148441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010102037.0A Pending CN111314959A (zh) 2020-02-19 2020-02-19 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111314959A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105610485A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种无线中继通信系统携能传输方法
CN108770007A (zh) * 2018-05-22 2018-11-06 华南理工大学 基于noma的无线携能通信系统多目标优化方法
CN110708711A (zh) * 2019-10-10 2020-01-17 重庆邮电大学 基于非正交多址接入的异构携能通信网络资源分配方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105610485A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种无线中继通信系统携能传输方法
CN108770007A (zh) * 2018-05-22 2018-11-06 华南理工大学 基于noma的无线携能通信系统多目标优化方法
CN110708711A (zh) * 2019-10-10 2020-01-17 重庆邮电大学 基于非正交多址接入的异构携能通信网络资源分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOLONG LAN, QINGCHUN CHEN: "Buffer-Aided Adaptive Wireless Powered Communication Network With Finite Energy Storage and Data Buffer", 《IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110769514B (zh) 一种异构蜂窝网络d2d通信资源分配方法及系统
KR20140148270A (ko) 대규모 다중 안테나 무선통신 시스템에서 에너지 효율적인 신호 전송 방법 및 장치
CN111314894B (zh) 一种面向noma与携能d2d融合网络的鲁棒资源分配方法
CN105680920B (zh) 一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法
WO2010121537A1 (zh) 一种多输入多输出下行传输控制方法及装置
CN111405596B (zh) 莱斯信道下大规模天线无线携能通信系统资源优化方法
CN111314935B (zh) 基于noma-mec系统的下行传输时延最小化的方法
US20040258026A1 (en) Method of uplink scheduling for multiple antenna systems
CN107302766B (zh) 一种分布式天线系统中能量效率和频谱效率权衡优化的方法
US20150146565A1 (en) Method and apparatus for downlink transmission in a cloud radio access network
WO2013034093A1 (zh) 一种多载波mu mimo系统中的sdma传输方法和基站
CN114867030A (zh) 双时间尺度智能无线接入网切片方法
CN114641018B (zh) 一种ris辅助的d2d通信系统及其性能优化方法
Tham et al. Deep reinforcement learning for resource allocation in 5G communications
CN111542109A (zh) 非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法
JP4216304B2 (ja) 無線通信方法、無線通信システムおよび無線局装置
Torabzadeh et al. Packet scheduling and fairness for multiuser MIMO systems
CN115622595B (zh) 一种实现自适应大规模urllc的高能效组网方法
CN111314959A (zh) 一种面向缓存辅助非正交多址网络的动态资源分配方法
CN105516636A (zh) 一种基于视频通信的异构网络多接入资源分配方法
CN102752071A (zh) 用于多点协作系统的下行链路预编码方法和中心处理节点
WO2011113233A1 (zh) 多输入多输出波束赋形系统及其数据发送方法
Kim et al. Cloud-based Wi-Fi network using immediate ACK in uplink data transmissions
WO2009026785A1 (fr) Procédé pour envoyer des données d'utilisateur de liaison descendante et système de communication mobile à antenne répartie
Zhang et al. Fairness based power allocation optimization of cooperative noma with swipt network

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200619