一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法技术

本发明专利技术公开了一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，包括以下步骤：S1、确定网络模型；S2、对用户上行的业务需求进行分析；S3、定义用户上行业务需求；S4、解出用户上行的最优功率控制策略；S5、对用户下行的数能同传和功率分割能量进行收集分析；S6、求解关于用户下行数能同传的目标表达式以及其约束；S7、求解出基站下行功率分配和用户最优功率分割；S8、上下行联合求解，得到用户上行功率控制的下行功率分配的最优方法。本发明专利技术的用户功率分割和基站下行功率分配需要考虑用户上行的功率控制策略，而用户上行的功率控制需要考虑用户的实际需求和用户通过功率分割基站下行数能同传信号所获取的能量限制，更加符合通信网络的实际需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数能一体化通信网络
，具体涉及一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法。
技术介绍
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。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。在数能一体化通信网络的一种常见场景中，基站通过下行数能一体传输为用户提供能量和信息，而用户通过这些能量来进行上行数据传输。目前已有研究考虑数能一体化通信网络传输中的功率控制方案，包括框架、传输协议和算法。其中有文献考虑了基于满足多用户中最小能量需求的传输策略，通过分析用户能量和信息的折中关系，期望得到最佳功率分割点和功率分配方法，另外有一些文献考虑采用时分复用的方法分不同时隙传输能量和信息，通过分配功率和时间在满足最小能量需求的前提下，达到下行吞吐量的最大化。但是存在一种下行数能真正同时传输的场景，用户通过数能同传分别得到能量和信息，其中从数能信号中提取能量的方法一般是功率分割(power splitting,PS)，但是当前大多数研究并未同时考虑数能一体化网络中的上下行联合优化。而在数能一体化网络中，真正考虑数能同传收集能量和能量使用相结合，才更加贴近实际。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中对于多用户数能一体化通信网络传输功率控制的研究中缺乏对上行业务需求的考虑，导致下行数能同传中模型的优化缺乏能量实际需求为向导的不足，提供一种用户功率分割和基站下行功率分配需要考虑用户上行的功率控制策略，而用户上行的功率控制需要考虑用户的实际需求和用户通过功率分割基站下行数能同传信号所获取的能量限制，更加符合实际通信场景的数能一体化通信网络的功率控制最优化方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，包括以下步骤：S1、确定网络模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对用户上行的业务需求进行分析；S3、定义用户上行业务需求，得到关于用户上行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、根据S3中用户上行业务需求的目标表达式以及其约束求解出用户上行的最优功率控制策略；S5、对用户下行的数能同传和功率分割能量进行收集分析；S6、根据S5中对用户下行数能同传的分析，得到关于用户下行数能同传的目标表达式以及其约束；S7、根据用户下行数能同传的目标表达式以及其约束求解出基站下行功率分配和用户最优功率分割；S8、上下行联合求解，对于不同的用户设置不同的上行待发送业务量，然后得到关于用户上行的功率控制；针对用户上行的业务需求，用户接收到信号后进行功率分割能量，得到数能一体化网络中用户上行功率控制的下行功率分配的最优方法。进一步地，步骤S1包括以下子步骤：S11、考虑单小区的基于OFDM的数能一体化蜂窝网络，基站和用户均为单天线，基站BS以广播形式通过下行信道发送数能一体信号给M个用户(U1,U2,U3,...,UM)，用户则通过上行信道发送信息至基站；基站t时刻的发送功率pBS(t)最大为ppeak，发送功率pBS(t)的平均值最大为pavg，基站的工作条件需要满足峰值和峰均值的限制；设基站与用户之间的信道为时变的衰落模型，和分别表示为用户j的下行信道和上行信道的信道功率衰落，设信道均为瑞丽衰落信道，用户j与基站的距离为Dj(j＝1,...,M)；S12、在(0，T)的时间周期内，基站以功率pBS(t)发送信号，用户j接收广播信号，并通过功率分割以分割因子μj(t)将用户下行接收到的信号能量划分成两部分，一部分作为能量收集，另一部分接收的信号能量进行解码获得相应信息；考虑用户下行收集的能量需满足用户的工作能量需求，分别针对下行的能量收集和上行的业务需求耗能建模分析。进一步地，步骤S2包括以下子步骤：S21、用户上行发送数据所需的能量来源于下行能量的接收，下行能量的接收量会影响到下行通信的性能，故期望用户上行使用较少的能量完成上行业务需求，于是定义用户j的上行业务需求为：对于一定量待发送的数据Dj，期望用户j使用最少的能量在周期T内发送完；S22、用户上行数据发送速率r(t)(bps/hz)和发送功率p(t)之间的关系表示为： R ( t ) = 1 2 l o g ( 1 + h ( t ) p ( t ) ) ]]>其中，h(t)为用户上行信道增益，p(t)为用户发送功率；对于用户j，其t时刻上行信道增益为在(0，T)内发送数据量为于是用户j的上行发送数据需满足另外，考虑用户的能量来源主要是下行能量收集，由于基站发送功率0≤pBS(t)≤ppeak,0≤E(pBS(t))≤pavg，因此t时刻用户上行信道的数据发送功率需满足：进一步地，步骤S3具体实现方法为：期望用户上行使用最少的能量完成上行业务需求，用户j在(0，T)的发送周期内的最小能量消耗为： m i n E j u = ∫ 0 T p j u ( t ) d t ]]>其约束为：其中j＝1,2,3...M。进一步地，步骤S4具体实现方法为：将(0，T)的时间分为N个时隙，在每个时间很短的时隙τi内，使用一种慢衰落信道模型，在一个时隙(τ1，τ2)内，用户j上行信道增益和下行信道增益不变，上行发送功率和基站分配给用户的功率不变，但各个不同时隙的信道增益和功率均不同，其中t∈(τ1，τ2)，即将第二个部分所述连续时间的系统模型时间离散化，以上连续时间的各个指标分别对应于第i个时隙用户j的指标，由此体现(0，T)的时间周期内时变的信道特征，并求解各个时隙各个用户的上行发送功率基站分配给用户的功率具体包括以下子步骤：S41、假设各个用户之间是独立的，即对于M个用户分别存在M个用户业务需求的模型，其中用户j的上行业务需求模型通过时间离散化可得上行业务需求模型为： min E j u = Σ i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对用户上行的业务需求进行分析；S3、定义用户上行业务需求，得到关于用户上行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、根据S3中用户上行业务需求的目标表达式以及其约束求解出用户上行的最优功率控制策略；S5、对用户下行的数能同传和功率分割能量进行收集分析；S6、根据S5中对用户下行数能同传的分析，得到关于用户下行数能同传的目标表达式以及其约束；S7、根据用户下行数能同传的目标表达式以及其约束求解出基站下行功率分配和用户最优功率分割；S8、上下行联合求解，对于不同的用户设置不同的上行待发送业务量，然后得到关于用户上行的功率控制；针对用户上行的业务需求，用户接收到信号后进行功率分割能量，得到数能一体化网络中用户上行功率控制的下行功率分配的最优方法。

【技术特征摘要】
1.一种数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络模型，建立数能一体化网络中的上下行网络模型；S2、对用户上行的业务需求进行分析；S3、定义用户上行业务需求，得到关于用户上行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、根据S3中用户上行业务需求的目标表达式以及其约束求解出用户上行的最优功率控制策略；S5、对用户下行的数能同传和功率分割能量进行收集分析；S6、根据S5中对用户下行数能同传的分析，得到关于用户下行数能同传的目标表达式以及其约束；S7、根据用户下行数能同传的目标表达式以及其约束求解出基站下行功率分配和用户最优功率分割；S8、上下行联合求解，对于不同的用户设置不同的上行待发送业务量，然后得到关于用户上行的功率控制；针对用户上行的业务需求，用户接收到信号后进行功率分割能量，得到数能一体化网络中用户上行功率控制的下行功率分配的最优方法。2.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：S11、考虑单小区的基于OFDM的数能一体化蜂窝网络，基站和用户均为单天线，基站BS以广播形式通过下行信道发送数能一体信号给M个用户(U1,U2,U3,...,UM)，用户则通过上行信道发送信息至基站；基站t时刻的发送功率pBS(t)最大为ppeak，发送功率pBS(t)的平均值最大为pavg，基站的工作条件需要满足峰值和峰均值的限制；设基站与用户之间的信道为时变的衰落模型，和分别表示为用户j的下行信道和上行信道的信道功率衰落，设信道均为瑞丽衰落信道，用户j与基站的距离为Dj(j＝1,...,M)；S12、在(0，T)的时间周期内，基站以功率pBS(t)发送信号，用户j接收广播信号，并通过功率分割以分割因子μj(t)将用户下行接收到的信号能量划分成两部分，一部分作为能量收集，另一部分接收的信号能量进行解码获得相应信息；考虑用户下行收集的能量需满足用户的工作能量需求，分别针对下行的能量收集和上行的业务需求耗能建模分析。3.根据权利要求2所述的数能一体化通信网络的功率控制最优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：S21、用户上...

【专利技术属性】
技术研发人员：于秦，王晓东，胡杰，杨鲲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51