CN113507716A - 一种基于swipt的cr-noma网络中断与能效的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于SWIPT的CR‑NOMA网络中断与能效的优化方法，首先建立一个配备单天线的基站接入点、一个主网络用户、一个辅助中继和两个移动终端用户，所有用户均配备单天线用于信号的发送和接收；根据下行NOMA的传输特点和CR网络的特性，推导出终端用户的信噪比、传输速率约束、功率限制以及最小捕获能量约束，然后构建以最大化次级传输系统能效与最小化系统中断概率为目的的数学模型，最后设计优化算法，得出以最大化次级传输系统能效的最优资源分配方案，另外提出了当通信质量的需求较高时候如何改善系统性能的方案。解决了现有CR‑NOMA系统下的移动设备能量受限问题，且能在最小捕获能量和传输速率的约束下最大化系统能效。

Description

一种基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地说是一种基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，尤其分析了功率分配因子对系统性能的影响以及中断概率对系统能效的影响，得出了当通信质量的需求较高时候如何改善系统性能的方案。

背景技术

随着移动网络和物联网技术的不断发展，大量移动设备接入互联网，全球移动数据流量成倍增长。随着现代软硬件技术的不断发展，网络中的终端设备将越来越轻巧便捷，如智能手机、智能手表、可穿戴机器人等，这就导致了终端设备的电池容量只能是很小且有限的，而出于节能和网络干扰的限制，基站发射功率应尽可能小。对于续航能力及计算资源有限的终端设备而言，已难以满足计算密集型应用对通信的高要求。为了解决上述问题，本发明通过在用户端引入SWIPT(simultaneous wireless information and powertransfer)技术，通过在用户侧部署能量收集装置，使资源受限的设备可以通过无线信道实现能量收集，满足移动应用高带宽需求并降低移动应用业务响应时延，提升传输速率，有效解决CR-NOMA网络次级系统能效问题，提升了用户体验质量。

在本发明的实现过程中，发现现有技术存在以下不足：在已有的CR-NOMA网络场景中，大部分研究工作未考虑主网络对次级网络的干扰与主网络的干扰温度约束,以及各个功率分配之间的协调优化问题，另外对于绿色通信的实现追求方面的研究比较少。然而，相对移动终端来说，尤其越来越轻巧便捷的现代化设备，其能量受限严重，考虑新的解决移动设备功能不足和有效利用新兴技术提升能源利用率的途径至关重要，此外关于系统能效与中断的联合优化是目前研究的一个短板。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法。

本发明是一种基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其步骤为：

步骤(1)建立系统模型，所述系统包括一个主网络用户、一个基站接入点和一个辅助中继以及两个移动用户，其中基站和用户均配备单天线用于信号的发送和接收，并且遵循半双工工作模式；无线信道采用准静态瑞利衰落信道模型进行构建；所有传输过程均采用NOMA 方式进行传输；

步骤(2)根据下行NOMA的原则和CR系统的特性，基于SWIPT技术推导出基站和用户的接收信噪比、传输速率约束、功率约束、能量捕获及最小能耗等约束；

步骤(3)根据步骤(2)中的约束条件，建立在最小化中断概率的基础上最大化系统传输能效为目的的数学模型；

步骤(4)根据步骤(3)所建立的数学模型，设计功率分配和能量分割因子的分配算法，分出在保证次级系统的传输不中断的前提下得出以最大化系统能效的最优资源分配方案；所述算法为：首先设置算法迭代的初始值，即发送功率、功率和能耗等的限制值、误差容忍度以及迭代的总次数，其次，依次计算出各个用户得到最佳传输速率的最优发送功率系数、能量分割系数的分配，判断算法是否收敛，若收敛则输出最优分配策略，否则重复迭代，直到算法收敛为止；

步骤(5)根据步骤(3)和步骤(4)的模型及优化方案，通过仿真分析次级网络的传输能效随着系统中断的变化规律，并总结出当通信质量的需求较高时候如何改善系统性能的方案。

本发明的有益之处是：针对现有的CR-NOMA系统场景下的移动设备能量受限问题已经中断与能效的变化规律问题，推导出了次级网络各个接收端的中断概率的表达式并计算了次级网络的传输能效，通过功率分配优化算法，优化了系统的中断概率和能效。本发明还分析了功率分配因子对系统性能的影响以及中断概率对系统能效的影响，得出了当通信质量的需求较高时候如何改善系统性能的方案。

附图说明

图1为基于SWIPT的CR-NOMA系统结构示意图，图2为CR-NOMA系统中的一种两用户整体架构图，图3为本发明实施的流程示意图；元件标号说明：CN101信息生成单元， CN102网络接入单元，CN103中继转发单元，CN104控制单元，CN105能量收集单元，CN106 能量分割调整单元，CN107检测单元，CN108用户接收单元，CN201目标信息发射基站， CN202用户端本地。

具体实施方式

本发明采用如下技术方案：本发明的整体系统包括信息生成单元、中继转发单元、网络接入单元、用户接收单元、控制单元、能量收集单元、能量分割调整单元、检测单元。各个单元的具体内容如下：

信息生成单元：用于产生发送给终端用的目标信息；

中继转发单元：用于接收和转发信息生成单元发出的目标信息；

网络接入单元：用于基站和用户设备通过网络接入系统；

控制单元：用于控制发射功率的分配调控、中继转发功率的分配；

能量收集单元:用于捕获能量；

能量分割调整单元：用于调整能量收集装置捕获的能量，以合理利用收集到的能量，减少系统能耗开销；

检测单元：用于将终端用户接收到的信息进行检测和消除干扰，以达到精准解码所需的目标信息；

用户接收单元：用于终端用户接收目的信息。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

步骤1：建立系统模型。本发明所针对的通信系统，包括一个主网络用户、一个基站接入点和一个辅助中继以及两个移动用户，其中基站和用户均配备单天线用于信号的发送和接收，并且遵循半双工工作模式，所有无线信道均采用准静态瑞利衰落信道模型进行构建，所有传输过程均采用NOMA方式进行传输。在该系统的下行传输中，需要经历两个阶段的传输才能完成整个信息传输过程。即第一阶段基站节点将目标信号进行混合叠加编码，发送到辅助中继节点上，第二阶段为辅助中继节点将接收的信号进行解码、再编码，最后将重新叠加的混合信号广播给终端用户。两阶段接收端收到的信号分别为：

其中，x_i是基站发送给目标终端的信息，a_i是分配给两个用户的无线信道的基站的发射功率，为了保证公平性，这里设置a₁＞a₂。接收端在接收到信号后会对混合信号采用SIC技术进行解码，优先解码信道条件好的用户信号。h_k为信道增益，P_S和P_R分别是基站和辅助中继的发送功率，P_I是来自主网络的干扰，n_R和

均为均值为0方差为σ²的高斯白噪声。

步骤2：根据下行NOMA的原则和CR系统的特性，基于SWIPT技术推导出基站和用户的接收信噪比、传输速率约束、功率约束、能量捕获及最小能耗等约束。

所有用户均采用串行干扰消除技术(SIC)，并优先解码信道增益小的用户信号再解码信道增益大的信息。即用户i在解码自己的信息前首先对y1进行解码，再将y1从接收到的信息中删去。接下来对y2,…,yi-1依次执行上述操作，直到解码出自己的信息为止。用户i就以这种连续解码的方式消除了来自用户i到用户i-1的干扰，则用户i在解码属于自己的信息时，只有yi+1,…，yi会影响其解码过程。辅助中继解码的原理跟用户端是一样的，则中继解码x_i信号的信干噪比为：

其中，ρ_S＝P_S/σ²，η是P_I的权重系数。用户终端解码自身所需的信息的信干噪比是：

其中，μ是次用户功率分配因子，ρ_R＝P_R/σ²。次级终端用户采用功率分割接收机来对所接收的信号进行译码和能量捕获，其中接收信号功率的

部分用于信息解码，

部分用于能量捕获。用户终端捕获的能量可以用下式表示：

E_i＝μδ|h₁|²P_R (5)

要保证最低的能量捕获，所以我们对终端用户捕获的能量最小值进行了一个限制，

其中E_min是最低能量捕获阈值。对于底层CR网络，为了保证主网络的可靠通信，次级网络源节点的发送功率要受到限制，如下式所示：

P_S＝min{Q/|h_SP|²,P_max} (7)

其中，P_max是基站的最高平均发射功率。终端用户的接收信号速率决定了次级网络的中断情况，两个目标用户的接收信号速率分别为：

终端用户要成功解码自身的信息，必须得先消除其他信号的干扰，因此对传输速率有一个限制：

其中，r_th代表近用户可以成功解码远用户的最小传输速率。

步骤3：建立在最小化中断概率的基础上最大化系统传输能效为目的的数学模型：

该能效最大化问题是一个非凸优化问题，为此进行了分式规划，将目标函数转化为等式最优解问题，即:

其中，

步骤4：提出优化算法来解决该优化问题。将目标问题分解为三个子问题去分别优化求得最优解，最后再采用多目标联合优化算法进行了优化。分别求得了接收端功率分配因子、中继功率分配、和能量分割因子的最优解。我们用

表示经过算法n次迭代以后的最大系统传输能效。对初始化输入变量P_S、P_R等，E_EE(0)＝t，t为收敛精度，再根据对应的求解表达式计算出各自的解，最后进行联合优化。

步骤5：经过仿真出图分析，我们发现系统能量效率随着中断概率Poutage的增大而增加。根据理论分析可知这一点很容易理解，中断概率越低，表示通信需求越严格，在同等条件下满足更严格的约束条件系统的性能也越差。另外随着中继功率分配的增大，中继传输方式下的次用户和速率均逐渐增大，而中继发射功率根据实际应用场景是受到限制的，即和速率不能随着中继功率的无限增加而增大，所以系统的中断概率不能无限降低。从次级网络的传输能效和通信质量两方面来考虑，当通信质量的需求较高时候，可以放宽干扰阈值以此来改善系统性能。

通过本发明的方法构建的系统，充分利用了下行NOMA的传输特性，在保证了 CR-NOMA系统的最低通信要求下，大大提升了系统的频谱利用率，同时又显著提高了整个系统的资源利用效率。该方案具有低延时、资源利用率高和拓展性高等优势，使得未来网络低功耗下的高质量用户体验成为可能。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，其步骤为：

步骤(1)建立系统模型，所述系统包括一个主网络用户、一个基站接入点和一个辅助中继以及两个移动用户，其中基站和用户均配备单天线用于信号的发送和接收，并且遵循半双工工作模式；无线信道采用准静态瑞利衰落信道模型进行构建；所有传输过程均采用NOMA方式进行传输；

步骤(2)根据下行NOMA的原则和CR系统的特性，基于SWIPT技术推导出基站和用户的接收信噪比、传输速率约束、功率约束、能量捕获及最小能耗等约束；

步骤(3)根据步骤(2)中的约束条件，建立在最小化中断概率的基础上最大化系统传输能效为目的的数学模型；

步骤(4)根据步骤(3)所建立的数学模型，设计功率分配和能量分割因子的分配算法，分出在保证次级系统的传输不中断的前提下得出以最大化系统能效的最优资源分配方案；所述算法为：首先设置算法迭代的初始值，即发送功率、功率和能耗等的限制值、误差容忍度以及迭代的总次数，其次，依次计算出各个用户得到最佳传输速率的最优发送功率系数、能量分割系数的分配，判断算法是否收敛，若收敛则输出最优分配策略，否则重复迭代，直到算法收敛为止；

步骤(5)根据步骤(3)和步骤(4)的模型及优化方案，通过仿真分析次级网络的传输能效随着系统中断的变化规律，并总结出当通信质量的需求较高时候如何改善系统性能的方案。

2.根据权利要求1所述的基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，所述步骤(1)建立的系统模型，具体按以下步骤实施：

在本发明中，完整的传输过程包括两部分，其中在第一阶段，辅助中继接收到信号为：

在本发明中，第二阶段用户K接收到信号为：

其中，h_k为信道增益，x_k为发送给第k个用户的目的信号，P_S和P_R分别是基站和辅助中继的发送功率，P_I是来自主网络的干扰，w_R和

均为均值为0方差为σ²的高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述的基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，步骤(2)所述的基站和用户的接收信噪比、传输速率约束、功率约束、能量捕获及最小能耗等约束分别为：

P_S＝min{Q/|h_SP|²,P_max} (5)

E_sum≥E_min (6)

其中，a_k是功率系数，

表示用户k的信息传输速率，P_max为最高发射功率，E_min表示最低能量捕获阈值，r_th为近用户可以成功解码远用户的最小传输速率。

4.根据权利要求1所述的基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，步骤(3)所述的模型为：

其中，

5.根据权利要求1所述的基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，步骤(4)所述的各个用户的最优发射功率和能量分割因子通过以下公式获得：

θ＝E_min/δP_R[(|h₁|²+|h₂|²)] (10)。

6.根据权利要求1所述的基于SWIPT的CR-NOMA网络中断与能效的优化方法，其特征在于，本发明仿真分析发现系统能量效率随着中断概率P_outage的增大而增加。从次级网络的传输能效和通信质量两方面来考虑，当通信质量的需求较高时候，可以放宽干扰阈值以此来改善系统性能。

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