一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法技術

本發明專利技術公開了一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，由基站下行波束設計、功率分配和時隙分配三個部分組成。本發明專利技術在做功率和時隙分配時考慮實際的RF?CD電路的功率靈敏度的問題，不僅提高了多用戶數能一體化通信網絡的能量利用效率，同時還兼顧了多用戶數據隊列傳輸的公平性和系統穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數能一體化通信網絡
，具體涉及一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法的設計。
技術介紹
能量收集(EnergyHarvesting，EH)技術因其能為無線傳感網絡等能量受限網絡提供穩定的能量并延長網絡生命周期而具有大好發展前景。能量收集技術的能量來源不僅包括周圍環境的大多數自然能源，如太陽能、光能、風能、熱能、化學能等，還可以將接收的周圍無線信號轉化成一種電能，如人工獲取的射頻(RadioFrequency，RF)信號。而基于RF信號的能量收集因其可以不受天氣環境影響并提供穩定能量成為研究熱點。隨著無線網絡技術的快速發展和移動設備的數量急劇增加，如手機和可穿戴設備等用戶設備(UEs)產生了巨大的數據量。如何為這些設備無線供能成為一個具有挑戰性的問題。無線能量傳輸(WirelessEnergyTransfer，WET)技術可以收集外在RF信號并通過電路設計將其轉化為直流(DirectCurrent，DC)電路用于無線信息傳輸(WirelessInformationTransfer，WIT)，從而處理一些能量受限和不穩定網絡的能量瓶頸問題。數能一體化通信網絡(Dataandenergyintegratedcommunicationnetworks，DEINs)是一種能實現數據與能量協作傳輸的新型網絡。在數能一體化網絡中，能量和數據可以同時傳輸，亦可以通過傳輸能量信號為能量受限設備提供能量進行信息傳輸，延長網絡壽命。在一個典型的多用戶數能一體化網絡中，基站通過下行WET為用戶提供能量，而用戶通過這些能量來進行上行WIT。目前許多研究都集中在大數據傳輸技術，包括框架、傳輸協議和算法。其中有文獻研究了移動自組織網絡(MANETS)的大數據傳輸，提出了一種新的在網絡中的分發票的協議，在帶寬受限的環境中表現出較高的性能。另有文獻提出了一種新的方案，該方案可以通過基于屬性的加密(ABE)系統的動態策略更新方法進行有效的訪問控制，并且考慮到了安全性問題。但是所有這些關于DEINs的研究都集中在上行總吞吐量和下行信息速率，而總的能量利用率卻被忽略了。并且當前研究忽略了一些緊急UEs的數據需要首先發送，除此之外，當前研究并未考慮RF-DC電路的功率靈敏度，這會造成對上行WIT吞吐量的過高估計。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術中對于多用戶數能一體化通信網絡能量利用效率缺乏研究，并且在做功率和時隙分配時未按實際要求考慮電池的容量受限以及RF-CD電路的功率靈敏度的問題，提出了一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法。本專利技術的技術方案為：一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，包括以下步驟：S1、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議；S2、根據系統特性定義傳輸策略；S3、當每個時隙下行WET在發射功率一定時，假設已知信道狀態信息(ChannelStateInformation，CSI)和天線波束分配，求每個用戶的接收信號，接收功率和接收能量；S4、當每個時隙上行WIT階段時，計算用戶的信息傳輸速率；S5、定義優化目標為最大化能量利用率，得到優化目標表達式以及其約束；S6、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優波束設計；S7、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優化功率分配和時間分配。進一步地，步驟S1具體包括以下分步驟：S11、假設數能一體化網絡模型由一個基站和多個距離不同的用戶組成，確定基站的天線數量、用戶數量以及用戶的天線數量；同時，確定基站與用戶之間的傳輸信道、基站傳輸的最大功率、信道間的噪聲功率、每個用戶與基站的距離、用戶的電路門限值；S12、對數能一體化網絡模型采用時分雙工模式，確定每個時隙固定周期，且劃分為下行WET階段和上行WIT階段；在上行WIT階段基站廣播能量信號，在下行WET階段所有用戶通過空分多址向基站傳輸信息。進一步地，步驟S2具體包括以下分步驟：S21、考慮公平性問題，定義緊急用戶設備；S22、考慮系統的表現穩定性問題，定義傳輸策略。進一步地，步驟S4具體包括以下分步驟：S41、在基站部署迫零接收機并確定迫零接收機波束、接收信號以及信道增益；S42、根據步驟S41所得的迫零接收機波束、接收信號以及信道增益，在已知高斯噪聲功率的情況下，根據香農公式確定對應的信息傳輸速率。進一步地，步驟S5具體包括以下分步驟：S51、得到能夠保證緊急用戶設備發送的基站發送功率下限；S52、得到各用戶的上行鏈路的發送功率與基站的發送功率的關系；S53、考慮到系統的穩定性，每個時隙發送的數據量滿足一定的比例，得到目標函數的約束條件；S54、得到優化目標表達式。進一步地，步驟S6具體包括以下分步驟：S61、考慮公平性得到最優波束設計的目標函數；S62、求解得到最優波束設計。進一步地，步驟S7具體包括以下分步驟：S71、對基站的傳輸功率范圍區間[Pmin,Pmax]劃分子空間；S72、對其中一個子空間求出基站功率的最優化分配；S73、求得能量效率最優解。本專利技術的有益效果是：本專利技術包括基站下行波束設計、功率分配和時隙分配三個部分，在做功率和時隙分配時考慮實際的RF-CD電路的功率靈敏度的問題，不僅提高了多用戶數能一體化通信網絡的能量利用效率，同時還兼顧了多用戶數據隊列傳輸的公平性和系統穩定性。附圖說明圖1為本專利技術提供的一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法流程圖。圖2為本專利技術實施例的數能一體化網絡模型示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的實施例作進一步的說明。本專利技術提供了一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，由基站下行波束設計、功率分配和時隙分配三個部分組成，如圖1所示，具體包括以下步驟：S1、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議。該步驟具體包括以下分步驟：S11、假設數能一體化網絡模型中基站有M根天線，且一共有K個單天線用戶，且M≥K。假設基站與用戶之間的信道為瑞利信道，信道參數滿足瑞利分布，且信道參數在一個時隙中保持恒定。另設基站傳輸的最大功率Pmax，信道間的噪聲功率為σ2，用戶與基站的距離分別為Di(i＝1,...,K)，每個用戶含有一個待發送數據隊列長度Ii(i＝1,...,K)，用戶的電路門限值分別為αi(i＝1,...,K)。數能一體化網絡模型如圖2所示。S12、對數能一體化網絡模型采用時分雙工模式，設定每個時隙有固定周期T，且劃分為τ·T的下行WET階段和(1-本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議；S2、根據系統特性定義傳輸策略；S3、當每個時隙下行WET在發射功率一定時，假設已知信道狀態信息和天線波束分配，求每個用戶的接收信號，接收功率和接收能量；S4、當每個時隙上行WIT階段時，計算用戶的信息傳輸速率；S5、定義優化目標為最大化能量利用率，得到優化目標表達式以及其約束；S6、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優波束設計；S7、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優化功率分配和時間分配。

【技術特征摘要】
1.一種數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
S1、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議；
S2、根據系統特性定義傳輸策略；
S3、當每個時隙下行WET在發射功率一定時，假設已知信道狀態信息和天線波束分配，
求每個用戶的接收信號，接收功率和接收能量；
S4、當每個時隙上行WIT階段時，計算用戶的信息傳輸速率；
S5、定義優化目標為最大化能量利用率，得到優化目標表達式以及其約束；
S6、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優波束設計；
S7、根據優化目標表達式以及其約束求解出最優化功率分配和時間分配。
2.根據權利要求1所述的數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，其特征在于，所
述步驟S1具體包括以下分步驟：
S11、假設數能一體化網絡模型由一個基站和多個距離不同的用戶組成，確定基站的天
線數量、用戶數量以及用戶的天線數量；同時，確定基站與用戶之間的傳輸信道、基站傳輸
的最大功率、信道間的噪聲功率、每個用戶與基站的距離、用戶的電路門限值；
S12、對數能一體化網絡模型采用時分雙工模式，確定每個時隙固定周期，且劃分為下
行WET階段和上行WIT階段；在上行WIT階段基站廣播能量信號，在下行WET階段所有用戶通
過空分多址向基站傳輸信息。
3.根據權利要求1所述的數能一體化通信網絡的資源分配最優化方法，其特征在于，所
述步驟S2具體包括以下分步驟：
S21、考慮公平性問題，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：于秦，楊鯤，趙毅哲，張蘭心，薛英宏，吳凡，楊建軍，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51