CN113473625B - 一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，包括步骤：确定系统模型，分配传输协议；根据系统特性定义传输策略；求每个用户的接收信号、接收能量和下行信息传输速率；求基站的接收信号和上行信息传输速率；定义优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，得到优化目标表达式以及其约束；根据优化目标表达式以及其约束求解出最优子载波传输功率；根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化子载波分配。本发明采用了基于拉格朗日对偶法以及椭球法的功率和子载波联合优化算法获取上下行最大的信息传输速率和，功率和子载波联合优化算法较传统的子载波固定算法的上下行传输效率有较大提升。

Description

一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，尤其涉及一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法。

背景技术

能量收集(Energy Harvesting，EH)技术因其能为无线传感网络等能量受限网络提供稳定的能量并延长网络生命周期而具有大好发展前景。能量收集技术的能量来源不仅包括周围环境的大多数自然能源，如太阳能、光能、风能、热能、化学能等，还可以将接收的周围无线信号转化成一种电能，如人工获取的射频(Radio Frequency，RF)信号，而基于RF信号的能量收集因其可以不受天气环境影响并提供稳定能量成为研究热点。

随着无线网络技术的快速发展和移动设备的数量急剧增加，如手机和可穿戴设备等用户设备(UEs)产生了巨大的数据量，如何为这些设备无线供能成为一个具有挑战性的问题。无线能量传输(Wireless Energy Transfer，WET)技术可以收集外在RF信号并通过电路设计将其转化为直流(Direct Current，DC)电路用于无线信息传输(WirelessInformation Transfer，WIT)，从而处理一些能量受限和不稳定网络的能量瓶颈问题。数能一体化通信网络(Data and energy integrated communication networks，DEINs)是一种能实现数据与能量协作传输的新型网络。在数能一体化网络中，能量和数据可以同时传输，亦可以通过传输能量信号为能量受限设备提供能量进行信息传输，延长网络寿命。在一个典型的多用户数能一体化网络中，基站通过下行WET为用户提供能量，而用户通过这些能量来进行上行WIT。

数能一体化网络在信息传输的基础上增加能量传输意味着在原有资源固定不变的条件下，信息传输需要让渡部分资源给能量传输，传统无线通信网络的资源分配方法已经无法应用于数能一体化网络，需要探寻全新网络形式下的资源分配策略。

数能一体化网络的正常运行必须考虑上行传输信息利用下行传输的能量，也即必须对数能一体化网络继续上下行联合分析才能兼顾数能一体化网络的现实意义，而不仅仅是只分析上行传输数据、下行传输能量的情况，数能一体化网络的上下行通信都有实际需求，下行能量稳定供应以使上行传输更多数据是实际需求，下行传输通信数据信号也是实际需求，有效合理的资源分配才能使数能一体化网络上下行数据传输的有效平衡具有现实意义，而这也是当前的研究没有做到的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决现有技术中对于多用户数能一体化通信网络能量利用效率缺乏研究，并且在资源分配时没有综合考虑上下行数据传输的有效平衡，而提供一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，包括以下步骤：

S1：确定系统模型，并为其分配传输协议；

S2：根据系统特性定义传输策略；

S3：假设通信过程中的子载波带宽一致，假设已知信道状态信息且不改变，求每个用户的接收信号、接收能量和下行信息传输速率；

S4：求基站的接收信号和上行信息传输速率；

S5：定义优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，得到优化目标表达式以及其约束；

S6：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优子载波传输功率；

S7：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化子载波分配。

优选的，所述步骤S3具体包括以下分步骤：

S31：假设在整个通信的两个阶段，基站和用户设备已知信道状态信息并且不发生改变，求子载波的接收信号；

S32：求子载波的接收能量和下行信息传输速率。

优选的，所述步骤S5具体包括以下分步骤：

S51：定义优化目标，设定上下行数据传输速度关系；

S52：约束条件包含在无线通信系统中下行传输过程中的数据传输子载波集合与能量传输子载波集合的约束；

S53：得到优化问题表达式。

优选的，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61：将原非凸问题通过固定子载波分配的集合，使用拉格朗日对偶法求解；

S62：通过KKT条件求解出最优子载波传输功率。

优选的，所述步骤S7具体包括以下分步骤：

S71：带入最优子载波传输功率求解子载波分配；

S72：不断重复步骤S6、S71、S72,使用椭球法不断更新，直至轴长小于设定精度，此时求得的最佳子载波传输功率和最优化子载波分配。

本发明的有益效果在于：本发明包括子载波分配和子载波传输功率设计两个部分，采用了基于拉格朗日对偶法以及椭球法的功率和子载波联合优化算法获取上下行最大的信息传输速率和，功率和子载波联合优化算法较传统的子载波固定算法的上下行传输效率有较大提升。

附图说明

图1为本发明提供的一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法流程图；

图2为本发明实施例的数能一体化系统模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，由子载波分配和子载波传输功率设计两个部分组成，如附图1所示，具体包括以下步骤：

S1：确定系统模型，并为其分配传输协议。假设数能一体化系统模型中包括单个单天线基站和K个单天线用户设备。基站和用户设备之间的通信过程可以分成两步，第一步的时候单天线基站给用户设备发发送数据，并且能量也从基站发送给了用户设备；第二步时候，收集完从基站发送的能量之后，这部分能量被用户设备用来支撑上行的数据传输过程。数能一体化系统模型如图2所示。

S2、根据系统特性定义传输策略。假设系统上下行通信的过程中子载波都是用系统带宽平均分成N份从而得到的，同时假设每个子载波只与某一个用户设备配对进行数据的传输，这样就不会多个用户设备之间传输数据的时候发生干扰。我们定义子载波集合为

下行传输的过程中，基站传输数据和能量给用户设备，且传输数据的子载波集合M_DI和发送能量的子载波集合M_DE不相同，它们合起来正好是整个通信系统的子载波集合Φ。上行传输数据的通信过程中，第k个用户的子载波集合可以表示为M_UI,k，同理可得，下行通信过程中，M_DI,k可以表示为第k个用户用来传输数据的子载波集合，由此可以得到：

S3：假设通信过程中的子载波带宽一致，假设已知信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)且不改变，求每个用户的接收信号，接收能量和下行信息传输速率。

该步骤具体包括以下分步骤：

S31：假设在整个通信的两个阶段，基站和用户设备已知信道状态信息并且不发生改变。用S_DI,n和S_DE,n表示子载波集合的数据信号和能量信号，n表示第n个子载波，第k个用户的信道状态信息为h_D,k＝[h_D,k,1,...,h_D,k,N]^T和h_U,k＝[h_U,k,1,...,h_U,k,N]^T。用p_DI,n和p_DE,n表示第n个子载波的数据信号的传输功率以及能量信号的传输功率，即p_DI,n＝E(|S_DI,n|²)，p_DE,n＝E(|S_DE,n|²)。设定p_D,max为子载波的下行最大传输功率，基站的总发射功率为P_s，由此可以得到：

用户设备k在第n个子载波上的接收信号为：

y_DI,k[n]＝h_DI,k[n]S_DI[n]+n_DI,k[n]；

是用户设备的能量转换效率，由此可以得到下行通信过程的信息传输速率为：

S4：求基站的接收信号和上行信息传输速率。对上行传输过程进行分析，用户设备可以只全部子载波进行数据传输，用S_UI,n表示传输数据的信号，在第n个子载波上进行传输时的功率是p_UI,n，即p_UI,n＝E(|S_UI,n|²)。因为上行数据传输的能量都由用户设备从基站收集到的能量来支持，设定p_U,max为上行传输的最大功率。由此可以得到：

计算处基站的接收信号为：

y_UI,k[n]＝h_UI,k[n]S_UI[n]+n_UI,k[n]；

由此可以得到上行通信过程的信息传输速率为：

S5：定义优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，得到优化目标表达式以及其约束，该步骤具体包括以下分步骤：

S51：根据优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，通信系统的不同优化重点，即上下行最大信息传输速率和的不同优化重点通过添加ε加权因子来实现。ε＝∞的时候表示为了能够让下行数据通信的传输速度得到最大化，ε＝1表示上下行数据通信的传输速度需要一起进行优化，ε＝0表示为了能够让上行数据通信的传输速度得到最大化，优化目标用如下式子表示：

S52：考虑到实际模型的特点，约束条件要包含在无线通信系统中下行传输过程中的数据传输子载波集合与能量传输子载波集合的约束，无线通信系统中上行传输过程中的数据传输子载波集合的约束，系统下行传输信息和能量的功率和要小于基站总发射功率的约束,系统下行数据传输时各个子载波的传输功率要小于子载波的最大下行传输功率的约束，系统上行数据传输时所使用的总的发射功率必须小于系统在下行传输时收割到的总能量的约束，系统上行数据传输时各个子载波的传输功率要小于子载波最大上行传输功率的约束。以上约束可以表示为以下式子：

P_DI＝[p_DI,1,...,p_DI,n,...,p_DI,N]^T,n∈M_DI；

P_DI＝[p_DI,1,...,p_DI,n,...,p_DI,N]^T,n∈M_DI；

P_UI＝[p_UI,1,...,p_UI,n,...,p_UI,N]^T,n∈Φ；

S53：得到优化目标表达式为：

S6：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优子载波传输功率，该步骤具体包括以下分步骤：

S61：考虑原优化问题非凸优化问题,无法直接使用凸优化的方法进行求解。可以先将子载波分配的集合固定，然后再用拉格朗日对偶法进行求解。求出原优化问题的拉格朗日函数是：

拉格朗日乘子分别是α和{β_k}。由此得到其对偶优化问题minf(α,{β_k})，所以求解对偶优化问题之前，需要得到下式的解：

S62：将子载波的分配集合进行固定，然后对子载波的上、下行分别的传输功率P_UI、P_DI、P_DE进行求解。针对子载波的分配固定之后的优化问题，依据KKT条件来对P_UI、P_DI、P_DE进行求解：

得到上式的解为：

S7：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化子载波分配，该步骤具体包括以下分步骤：

S71：将

带入拉格朗日函数，求得：

在下行传输的子载波分配集合中，若在所有L(k)和M的值中，最大的是L(k)，那么子载波n将分配给第k个用户设备。同样的，对于上行传输的子载波分配集合中，对所有的G(k)值中，最大值对应的k也是子载波n将分配到的用户设备，得到子载波分配和子载波传输功率之后，优化问题只要拉格朗日乘子α和{β_k}进行计算求解就完成，因为优化问题已经成为一个线性约束的问题。

S72：优化问题可以使用椭球法来解，椭球法的求解过程中需要拉格朗日乘子的梯度。

不断重复步骤S61、S62、S71、S72,不断更新α、{β_k}，直至轴长小于设定精度。此时求得的

为最佳子载波传输功率，L(k)和G(k)为最优化子载波分配。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定系统模型，并为其分配传输协议；

S2：根据系统特性定义传输策略；

S3：假设通信过程中的子载波带宽一致，假设已知信道状态信息且不改变，求每个用户的接收信号、接收能量和下行信息传输速率；

S4：求基站的接收信号和上行信息传输速率；

S5：定义优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，得到优化目标表达式以及其约束；

S51：定义优化目标，设定上下行数据传输速度关系；根据优化目标为综合优化上下行最大信息传输速率，通信系统的不同优化重点，即上下行最大信息传输速率和的不同优化重点通过添加ε加权因子来实现；ε＝∞的时候表示为了能够让下行数据通信的传输速度得到最大化，ε＝1表示上下行数据通信的传输速度需要一起进行优化，ε＝0表示为了能够让上行数据通信的传输速度得到最大化，优化目标用如下式子表示：

S52：约束条件包含在无线通信系统中下行传输过程中的数据传输子载波集合与能量传输子载波集合的约束、无线通信系统中上行传输过程中的数据传输子载波集合的约束、系统下行传输信息和能量的功率和要小于基站总发射功率的约束、系统下行数据传输时各个子载波的传输功率要小于子载波的最大下行传输功率的约束、系统上行数据传输时所使用的总的发射功率必须小于系统在下行传输时收割到的总能量的约束、系统上行数据传输时各个子载波的传输功率要小于子载波最大上行传输功率的约束；以上约束可以表示为以下式子：

P_DI＝[p_DI,1,...,p_DI,n,...,p_DI,N]^T,n∈M_DI；

P_DI＝[p_DI,1,...,p_DI,n,...,p_DI,N]^T,n∈M_DI；

P_UI＝[p_UI,1,...,p_UI,n,...,p_UI,N]^T,n∈Φ；

S53：得到优化问题表达式；

S6：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优子载波传输功率；

S7：根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化子载波分配。

2.根据权利要求1所述一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下分步骤：

S31：假设在整个通信的两个阶段，基站和用户设备已知信道状态信息并且不发生改变，求子载波的接收信号；

S32：求子载波的接收能量和下行信息传输速率。

3.根据权利要求1所述一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下分步骤：

S61：将原非凸问题通过固定子载波分配的集合，使用拉格朗日对偶法求解；

S62：通过KKT条件求解出最优子载波传输功率。

4.根据权利要求1所述一种数能一体化网络中的频分复用资源分配方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下分步骤：

S71：带入最优子载波传输功率求解子载波分配；

S72：不断重复步骤S6、S71、S72,使用椭球法不断更新，直至轴长小于设定精度，此时求得的最佳子载波传输功率和最优化子载波分配。

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