一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法技术

本发明专利技术公开了一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法，由基站下行波束设计、多用户接收能量概率求解、功率分配和时隙分配四个部分组成。本发明专利技术考虑了多用户的RF-DC电路门限以及用户电池容量受限和动态分配，更贴近实际约束，并且在多用户多天线数能一体化通信网络中提高了不同距离用户能量接收的公平性，同时增加了用户间的上行数据传输最小吞吐量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数能一体化通信网络
，具体涉及一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法的设计。
技术介绍
能量收集(EnergyHarvesting，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(RadioFrequency，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。无线能量传输(WirelessEnergyTransfer，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(DirectCurrent，DC)电路用于无线信息传输(WirelessInformationTransfer，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(Dataandenergyintegratedcommunicationnetworks，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。目前已有研究考虑数能一体化通信网络吞吐量近最优化方案。部分研究中考虑了多用户单天线数能一体化通信网络吞吐量最优化方案，不仅考虑了上行总吞吐量，并基于公平性考虑了一种动态时间分配策略来最优化用户最小吞吐量。部分研究考虑多用户多天线数能一体化网络吞吐量最优化方案，基于公平性提出了联合优化和两个子优化两种方案。然而，现在对于多用户数能一体化网络吞吐量的研究都没有考虑RF-DC转换电路功率门限，这会造成对上行WIT吞吐量的过高估计。而且，当前研究在做功率和时隙分配时，都没有对用户所携带的电池容量做分析，未考虑电池的容量受限，这不符合实际。另外，当前研究没有考虑动态的功率分配方案，即未考虑某些时隙多用户的接收功率可能为零且上一时隙的功率可以用于下一时隙的方案，这使得上行WIT吞吐量并非最优。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中对于多用户数能一体化网络吞吐量的研究中对上行WIT吞吐量的估计过高，并非最优，并且在做功率和时隙分配时未按实际要求考虑电池的容量受限的问题，提出了一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法。本专利技术的技术方案为：一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法，由基站下行波束设计、多用户接收能量概率求解、功率分配和时隙分配四个部分组成，具体包括以下步骤：S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；S2、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；S3、定义第一优化目标为最大化最小用户接收功率，得到第一优化目标表达式以及其约束；S4、根据第一优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；S5、根据S2中所得的每个用户给定发射功率对应的在最优波束设计下的接收功率，通过无穷多次的生成随机信道迭代的方式来近似求出接收功率大于其RF-DC转换电路门限的概率，即能量收割概率pi；S6、根据能量收割概率pi为每个用户在每一个时隙分配可用电池量的pi部分作为上行WIT阶段所用的能量；S7、根据S6中分配的能量设计动态时隙分配，并定义第二优化目标为最大化用户间最小平均上行吞吐量，得到第二优化目标表达式以及其约束；S8、根据第二优化目标表达式以及其约束求解出最优时隙分配设计。进一步地，S1具体包括以下分步骤：S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电池最大容量和用户的电路门限值；S12、对一体化网络采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下行WET阶段和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通过空分多址(Space-Division-Multiple-Access，SDMA)向基站传输信息。进一步地，S4具体包括以下分步骤：S41、将非凸问题经松弛化处理转换为凸问题；S42、定义拉格朗日函数和对偶函数；S43、设计多次生成随机信道迭代的算法求解出最优波束设计。进一步地，S6具体包括以下分步骤：S61、对于每个时隙，根据上行WIT阶段用户发射功率、电池总容量、可用电池量和确定消耗的电池量大小，得到可用电池量和确定消耗的电池量需满足的约束；S62、由于存在电路门限，则用户在某个时隙有着收集不到能量的可能，根据平均优化理论，当各个周期的吞吐量趋于平均化时，系统的总性能才会达到最优。因此，我们就要使每个周期传输信息的能量趋于平均化，即每个周期提取出当前可用电池量的pi部分用来传输信息。进一步地，S7具体包括以下分步骤：S71、在基站部署迫零接收机，可以使得上行的信息传输速率与下行的接收功率以及波束设计无关，同时消除了不同用户之间的干扰；确定迫零接收机波束、接收信号以及信道增益；S72、根据S71所得的迫零接收机波束、接收信号以及信道增益，在已知高斯噪声功率的情况下，根据香农公式确定对应的信息传输速率；S73、根据能量传输的时间需满足用于能量存储不自溢原则，确定时间约束；S74、得到第二优化目标表达式以及其约束表达式。进一步地，S8具体包括以下分步骤：S81、将非凸问题经松弛化处理转换为凸问题；S82、定义拉格朗日函数和对偶函数；S83、设计迭代二分法算法求解出最优时隙分配设计。本专利技术的有益效果是：本专利技术考虑了多用户的RF-DC电路门限以及用户电池容量受限和动态分配，更贴近实际约束，并且在多用户多天线数能一体化通信网络中提高了不同距离用户能量接收的公平性，同时增加了用户间的上行数据传输最小吞吐量。附图说明图1为本专利技术提供的一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法流程图。图2为本专利技术实施例的数能一体化网络模型示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的说明。...

【技术保护点】
一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；S2、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；S3、定义第一优化目标为最大化最小用户接收功率，得到第一优化目标表达式以及其约束；S4、根据第一优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；S5、根据S2中所得的每个用户的接收功率，近似求出接收功率大于其RF‑DC转换电路门限的概率，即能量收割概率pi；S6、根据能量收割概率pi为每个用户在每一个时隙分配可用电池量的pi部分作为上行WIT阶段所用的能量；S7、根据S6中分配的能量设计动态时隙分配，并定义第二优化目标为最大化用户间最小平均上行吞吐量，得到第二优化目标表达式以及其约束；S8、根据第二优化目标表达式以及其约束求解出最优时隙分配设计。

【技术特征摘要】
1.一种多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法，其特征在于，包括以下步
骤：
S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；
S2、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息和天线波束分配，
求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；
S3、定义第一优化目标为最大化最小用户接收功率，得到第一优化目标表达式以及其
约束；
S4、根据第一优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；
S5、根据S2中所得的每个用户的接收功率，近似求出接收功率大于其RF-DC转换电路门
限的概率，即能量收割概率pi；
S6、根据能量收割概率pi为每个用户在每一个时隙分配可用电池量的pi部分作为上行
WIT阶段所用的能量；
S7、根据S6中分配的能量设计动态时隙分配，并定义第二优化目标为最大化用户间最
小平均上行吞吐量，得到第二优化目标表达式以及其约束；
S8、根据第二优化目标表达式以及其约束求解出最优时隙分配设计。
2.根据权利要求1所述的多用户多天线数能一体化通信网络吞吐量优化方法，其特征
在于，所述S1具体包括以下分步骤：
S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天
线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输
的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电池最大容量和用户的电
路门限值；
S12、对一体化网络采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下行WET阶段
和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下...

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