CN111479315B - 一种混合能源供电的ofdm系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其包括以下步骤：初始化OFDM系统的发射功率矩阵；获取OFDM的时域接收信号；获取在接收端的子载波及对应的ICI功率；获取每个信道瞬时比特速率；获取当前OFDM符号长度所对应的发射功率矩阵；根据当前发射功率矩阵获取当前所需能量和蓄电池的电量；判断蓄电池电量是否大于当前所需能量，若是则完全采用蓄电池供电，否则获取能量缺口，并采用第一能源补充该能量缺口，完成混合能源供电的OFDM系统功率分配。本发明考虑高移动性下ICI的影响来调整信号发射的功率，在最大限度的节约电网能源的同时，既满足了基本的通信需求，又有助于降低不必要二氧化碳排放。

Description

一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法。

背景技术

随着科技发展和生活水平提高，人们的远距离高移动性的生活需要的增长推动了移动无线通信的信息速率的需求快速增长，同时第五代移动通信技术也成为国内外移动通信领域的研究热点。OFDM技术由于具有频谱利用率高、非对称高速数据传输和抗多径干扰能力强，已经是4G的核心技术，同样也是5G所重点关注的技术之一。高速铁路由于具有运送能力大、速度快等优点使得国家对高速铁路重视程度加大，而且中国发达的高速铁路网对中国经济社会发展有着重要促进作用。然而高移动性产生的多普勒效应使得发生载波频偏，而OFDM技术对载波频偏非常敏感，同时高移动性使信道条件变差，误码率提高从而会严重降低传输效率。

在未考虑高移动性OFDM场景的功率分配问题时，信号的频率会随着速度而改变，产生多普勒频移，其会严重影响各个子载波之间的正交性，产生严重的载波间串扰(ICI)，并进而影响信噪比，增加误码率。这造成了信道条件变差，误码率提高，从而降低了传输效率。

通信网络的快速发展在满足人们通信需求的同时，通信设备也快速增加，能耗加大。而无线能源损耗到达了该行业能耗的80％，此外随着通信用户人数的不断增加，每个网络节点的能耗也随之增加，使得通信的成本不断提高。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法解决了现有OFDM系统功率分配不合理，且耗能高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其包括以下步骤：

S1、初始化OFDM系统的发射功率矩阵；将主要能源作为第一能源，将辅助能源作为第二能源；

S2、获取OFDM的时域接收信号；获取每个OFDM符号长度的第二能源收集量；

S3、对OFDM的时域接收信号进行离散傅里叶变换，获取在接收端的每个OFDM符号的子载波；

S4、根据当前发射功率矩阵获取对应的ICI功率，进而获取每个OFDM符号长度中每个子载波所对应的信道瞬时比特速率；

S5、根据第二能源收集量、总限制功率和目标传输比特数获取当前OFDM符号长度所对应的发射功率矩阵；

S6、判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件，若是则进入步骤S7，否则返回步骤S4；

S7、根据当前发射功率矩阵获取当前所需能量，并根据第二能源收集量获取蓄电池的电量；判断蓄电池电量是否大于当前所需能量，若是则完全采用蓄电池供电，否则获取能量缺口，并采用第一能源补充该能量缺口，完成混合能源供电的OFDM系统功率分配。

进一步地，步骤S1中初始化OFDM系统的发射功率矩阵的具体方法为：

将OFDM系统中每个OFDM符号上的每个子载波的发射功率矩阵均初始化为[1,1,...,1]^T，；其中[·]^T为矩阵的转置；将迭代次数ite初始化为0。

进一步地，步骤S2中获取OFDM的时域接收信号的具体方法为：

根据公式：

-L≤k≤N-1

获取OFDM在k时刻的时域接收信号y(k)，进而得到每个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号；其中h(k,l)为第l条路径在第k时刻的信道信息；L是信道路径数；w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_n为第n子载波的频域发射信号；N为子载波总数；e为自然常数；j为虚数单位；π为圆周率。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

根据公式：

对任一个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号进行离散傅里叶变换，并获取在接收端的该OFDM符号的第n个子载波Y_n，进而得到每个OFDM符号的子载波；其中y(k)为OFDM符号在k时刻的时域接收信号；N为子载波总数；n为子载波序号；e为自然常数；j为虚数单位；d_n为第n子载波的频域发射信号；π为圆周率；

H_n(k)是第n子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换，

h(k,l)为第l条路径在第k个时刻的信道消息；L是信道路径总数；

H_i(k)是第i子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换；

w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_i为第i子载波的频域发射信号。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

根据公式：

获取当前OFDM信号的第n个子载波对应的ICI功率

进而得到每个OFDM信号的每个子载波对应的ICI功率；其中E{·}表示期望；ite表示迭代次数，ite＝0表示初始状态；P_i ^ite为第ite次迭代下的当前OFDM符号内的第i个子载波对应的发射功率；J₀为第一类零阶贝塞尔函数；f_max为OFDM系统的最大多普勒频移；T_sys为当前OFDM符号周期；

根据公式：

获取第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的信道的瞬时比特速率

进而得到每个OFDM符号长度中每个信道瞬时比特速率；其中

为第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的ICI功率。

进一步地，步骤S5的具体方法为：

对于第m个OFDM符号长度，根据公式：

获取中间参数Q，对中间参数Q求导即得到第m个OFDM符号长度所对应的子载波发射功率，通过固定当前OFDM符号长度所对应的子载波发射功率更新下一个子载波的ICI功率，进而更新中间参数Q，对更新后的中间参数Q求导即可得到所有OFDM符号长度对应的发射功率矩阵；其中λ_m,i、μ_m,i、γ_m,i、η_m,i、α_m,n和β_m,n均为拉格朗日乘子；P_m,n为当前迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的发射功率；

为第m个OFDM符号长度中第n个子载波发射时消耗的第一能源功率；E_m为第m个OFDM符号长度中第二能源收集量；E_max为蓄电池的容量；

为第m个OFDM符号周期；P_total为总限制功率；B_m,n为第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的目标传输比特数。

进一步地，步骤S6中判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件的具体方法为：

判断公式：

是否成立，若成立则当前每个信道瞬时比特速率符合阈值条件，否则当前每个信道瞬时比特速率不符合阈值条件；其中

表示第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；

表示第ite-1次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；M为OFDM符号长度总个数；N为信道总数，也为子载波总数；δ为阈值参数。

本发明的有益效果为：

本发明通过收集自然环境中第二能源(太阳能)，考虑高移动性下ICI的影响来调整信号发射的功率，在最大限度的节约电网能源的同时，既满足了基本的通信需求，又有助于降低不必要二氧化碳排放。本方法能使得通信的成本不断降低，从而达到节能减排，提高经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为不同速度和SNR下的平均速率比较示意图；

图3为不同SNR、不同数量太阳能电池板电网电能的消耗示意图；

图4为不同速率、不同方法下电网电能的消耗示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该混合能源供电的OFDM系统功率分配方法包括以下步骤：

S1、初始化OFDM系统的发射功率矩阵；将主要能源作为第一能源，将辅助能源作为第二能源；

S2、获取OFDM的时域接收信号；获取每个OFDM符号长度的第二能源收集量；

S3、对OFDM的时域接收信号进行离散傅里叶变换，获取在接收端的每个OFDM符号的子载波；

S4、根据当前发射功率矩阵获取对应的ICI功率，进而获取每个OFDM符号长度中每个子载波所对应的信道瞬时比特速率；

S5、根据第二能源收集量、总限制功率和目标传输比特数获取当前OFDM符号长度所对应的发射功率矩阵；

S6、判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件，若是则进入步骤S7，否则返回步骤S4；

S7、根据当前发射功率矩阵获取当前所需能量，并根据第二能源收集量获取蓄电池的电量；判断蓄电池电量是否大于当前所需能量，若是则完全采用蓄电池供电，否则获取能量缺口，并采用第一能源补充该能量缺口，完成混合能源供电的OFDM系统功率分配。

步骤S1中初始化OFDM系统的发射功率矩阵的具体方法为：将OFDM系统中每个OFDM符号上的每个子载波的发射功率矩阵均初始化为[1,1,...,1]^T，；其中[·]^T为矩阵的转置；将迭代次数ite初始化为0。

步骤S2中获取OFDM的时域接收信号的具体方法为：根据公式：

-L≤k≤N-1

获取OFDM在k时刻的时域接收信号y(k)，进而得到每个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号；其中h(k,l)为第l条路径在第k时刻的信道信息；L是信道路径数；w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_n为第n子载波的频域发射信号；N为子载波总数；e为自然常数；j为虚数单位；π为圆周率。

步骤S3的具体方法为：根据公式：

对任一个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号进行离散傅里叶变换，并获取在接收端的该OFDM符号的第n个子载波Y_n，进而得到每个OFDM符号的子载波；其中y(k)为OFDM符号在k时刻的时域接收信号；N为子载波总数；n为子载波序号；e为自然常数；j为虚数单位；d_n为第n子载波的频域发射信号；π为圆周率；

H_n(k)是第n子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换，

h(k,l)为第l条路径在第k个时刻的信道消息；L是信道路径总数；

H_i(k)是第i子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换；

w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_i为第i子载波的频域发射信号。

步骤S4的具体方法为：根据公式：

获取当前OFDM信号的第n个子载波对应的ICI功率

进而得到每个OFDM信号的每个子载波对应的ICI功率；其中E{·}表示期望；ite表示迭代次数，ite＝0表示初始状态；P_i ^ite为第ite次迭代下的当前OFDM符号内的第i个子载波对应的发射功率；J₀为第一类零阶贝塞尔函数；f_max为OFDM系统的最大多普勒频移；T_sys为当前OFDM符号周期；

根据公式：

获取第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的信道的瞬时比特速率

进而得到每个OFDM符号长度中每个信道瞬时比特速率；其中

为第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的ICI功率。

步骤S5的具体方法为：对于第m个OFDM符号长度，根据公式：

获取中间参数Q，对中间参数Q求导即得到第m个OFDM符号长度所对应的子载波发射功率，通过固定当前OFDM符号长度所对应的子载波发射功率更新下一个子载波的ICI功率，进而更新中间参数Q，对更新后的中间参数Q求导即可得到所有OFDM符号长度对应的发射功率矩阵；其中λ_m,i、μ_m,i、γ_m,i、η_m,i、α_m,n和β_m,n均为拉格朗日乘子；P_m,n为当前迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的发射功率；

为第m个OFDM符号长度中第n个子载波发射时消耗的第一能源功率；E_m为第m个OFDM符号长度中第二能源收集量；E_max为蓄电池的容量；

为第m个OFDM符号周期；P_total为总限制功率；B_m,n为第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的目标传输比特数。

步骤S6中判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件的具体方法为：判断公式：

是否成立，若成立则当前每个信道瞬时比特速率符合阈值条件，否则当前每个信道瞬时比特速率不符合阈值条件；其中

表示第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；

表示第ite-1次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；M为OFDM符号长度总个数；N为信道总数，也为子载波总数；δ为阈值参数。

在本发明的一个实施例中，传输的比特数满足如下关系式：

OFDM系统共经历M个

且系统每经历一个OFDM符号周期

就会从自然界中收集到蓄电池中E_m的能量，系统中蓄电池的初始能量为E₁，最大存储的电能为E_max。设定太阳能收集的能量服从平均值E_m＝θdBm的非负均匀分布，假设第m个OFDM符号的时间内太阳能量随机到达为E_m，若

则第m个OFDM符号长度内电网耗能

蓄电池存储当前剩余能量

否则

M个OFDM符号长度所消耗的电能

即为所求次优解；其中

为第m个OFDM符号长度中第n个信道工作时第一能源的发射功率。

在具体实施过程中，如图2所示，较大的发射功率SNR将提供更大的平均传输速率，因此功率作为通信系统中的资源是十分重要的，在此基础上进行太阳能利用的设计，对于减小电网电能的消耗、绿色通信的践行都具有重要意义。同时也可以看出，在高速移动的情况下，较大SNR比较小SNR的平均传输速率有所下降，功率分配优化可以提升系统传输率。如图3所示，在不同的速度下，太阳能的使用将会减小电网电能的使用；随着太阳能板的数量增加，电网功率消耗将进一步降低。如图4所示，在采用本方法时，相较于未采用迭代发射功率的方法，电网能耗实现了降低，同时加上太阳能的利用，电网电能的消耗出现了进一步的降低。

综上所述，本发明通过收集自然环境中第二能源(太阳能)，考虑高移动性下ICI的影响来调整信号发射的功率，在最大限度的节约电网能源的同时，既满足了基本的通信需求，又有助于降低不必要二氧化碳排放。本方法能使得通信的成本不断降低，从而达到节能减排，提高经济效益和社会效益。

Claims (5)

1.一种混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化OFDM系统的发射功率矩阵；将主要能源作为第一能源，将辅助能源作为第二能源；其中第二能源为来自自然环境的能源；

S2、获取OFDM的时域接收信号；获取每个OFDM符号长度的第二能源收集量；

S3、对OFDM的时域接收信号进行离散傅里叶变换，获取在接收端的每个OFDM符号的子载波；

S4、根据当前发射功率矩阵获取对应的ICI功率，进而获取每个OFDM符号长度中每个子载波所对应的信道瞬时比特速率；

S5、根据第二能源收集量、总限制功率和目标传输比特数获取当前OFDM符号长度所对应的发射功率矩阵；

S6、判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件，若是则进入步骤S7，否则返回步骤S4；

S7、根据当前发射功率矩阵获取当前所需能量，并根据第二能源收集量获取蓄电池的电量；判断蓄电池电量是否大于当前所需能量，若是则完全采用蓄电池供电，否则获取能量缺口，并采用第一能源补充该能量缺口，完成混合能源供电的OFDM系统功率分配；

步骤S4的具体方法为：

根据公式：

获取当前OFDM信号的第n个子载波对应的ICI功率

进而得到每个OFDM信号的每个子载波对应的ICI功率；其中E{·}表示期望；ite表示迭代次数，ite＝0表示初始状态；P_i ^ite为第ite次迭代下的当前OFDM符号内的第i个子载波对应的发射功率；J₀为第一类零阶贝塞尔函数；f_max为OFDM系统的最大多普勒频移；T_sys为当前OFDM符号周期；

根据公式：

获取第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的信道的瞬时比特速率

进而得到每个OFDM符号长度中每个信道瞬时比特速率；其中

为第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的ICI功率；

步骤S5的具体方法为：

对于第m个OFDM符号长度，根据公式：

获取中间参数Q，对中间参数Q求导即得到第m个OFDM符号长度所对应的子载波发射功率，通过固定当前OFDM符号长度所对应的子载波发射功率更新下一个子载波的ICI功率，进而更新中间参数Q，对更新后的中间参数Q求导即可得到所有OFDM符号长度对应的发射功率矩阵；其中λ_m,i、μ_m,i、γ_m,i、η_m,i、α_m,n和β_m,n均为拉格朗日乘子；P_m,n为当前迭代下第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的发射功率；

为第m个OFDM符号长度中第n个子载波发射时消耗的第一能源功率；E_m为第m个OFDM符号长度中第二能源收集量；E_max为蓄电池的容量；

为第m个OFDM符号周期；P_total为总限制功率；B_m,n为第m个OFDM符号长度中第n个子载波对应的目标传输比特数。

2.根据权利要求1所述的混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤S1中初始化OFDM系统的发射功率矩阵的具体方法为：

将OFDM系统中每个OFDM符号上的每个子载波的发射功率矩阵均初始化为[1,1,...,1]^T；其中[·]^T为矩阵的转置；将迭代次数ite初始化为0。

3.根据权利要求1所述的混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤S2中获取OFDM的时域接收信号的具体方法为：

根据公式：

-L≤k≤N-1

获取OFDM在k时刻的时域接收信号y(k)，进而得到每个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号；其中h(k,l)为第l条路径在第k时刻的信道信息；L是信道路径数；w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_n为第n子载波的频域发射信号；N为子载波总数；e为自然常数；j为虚数单位；π为圆周率。

4.根据权利要求1所述的混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

根据公式：

对任一个OFDM符号长度中所有时刻的时域接收信号进行离散傅里叶变换，并获取在接收端的该OFDM符号的第n个子载波Y_n，进而得到每个OFDM符号的子载波；其中y(k)为OFDM符号在k时刻的时域接收信号；N为子载波总数；n为子载波序号；e为自然常数；j为虚数单位；d_n为第n子载波的频域发射信号；π为圆周率；

H_n(k)是第n子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换，

h(k,l)为第l条路径在第k个时刻的信道消息；L是信道路径总数；

H_i(k)是第i子载波在k时刻快时变信道的离散傅里叶变换；

w(k)为第k时刻的均值为0、单位方差为1的加性高斯白噪声；d_i为第i子载波的频域发射信号。

5.根据权利要求1所述的混合能源供电的OFDM系统功率分配方法，其特征在于，所述步骤S6中判断当前每个信道瞬时比特速率是否符合阈值条件的具体方法为：

判断公式：

是否成立，若成立则当前每个信道瞬时比特速率符合阈值条件，否则当前每个信道瞬时比特速率不符合阈值条件；其中

表示第ite次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；

表示第ite-1次迭代下第m个OFDM符号长度中第n个信道瞬时比特速率；M为OFDM符号长度总个数；N为信道总数，也为子载波总数；δ为阈值参数。

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