基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。

Resource allocation method for wireless power supply communication network based on hybrid multiple access

The invention discloses a resource allocation method for wireless power supply communication network based on hybrid multiple access, which solves the problem that only the downlink energy transmission time of base station and the upstream information transmission time of each user are considered in the existing resource allocation scheme of wireless power supply communication network, and the maximization system can not be completely realized. The technical problems of throughput.

【技术实现步骤摘要】
基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法
本专利技术涉及无线通信网络
，尤其涉及一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法。
技术介绍
随着智能终端用户数量的增长以及物联网、车联网等移动新业务的飞速发展，无线网络各个应用领域的需求呈现爆炸性增长，于是新一代移动通信系统5G对系统容量和频谱利用率等方面提出更高的要求。面对新一代无线网络的需求，传统的多址方式已经难以满足，于是业内提出了非正交多址技术。非正交多址接入技术的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过干扰消除检测接收机实现正确解调。虽然，采用干扰消除检测技术的接收机复杂度有一定的提高，但是频谱效率和系统吞吐量等可以获得很大的提升。非正交多址技术可以很好地提高频谱利用率和系统容量，而且还可以成倍地提升系统设备接入量，在一些5G场景，比如上行密集和广覆盖多节点接入的场景中，采用功率复用的非正交多址技术比传统的正交多址接入技术有更明显的性能优势。在传统无线网络中，节点的电池是由固定的能源供电的，这必然导致其网络运行时间有限。虽然可以通过更换或者充电来延长网络运行的时间，但这是是非常不方便、高成本的。电池寿命也是影响网络性能的一项重要指标。特别是在传感器节点设备数量庞大的网络中，电池的充电或者更换是必须关注的问题。使用无线能量传输技术可以有效避免有线能量传输和电池供电带来的诸多问题。因为能量基站可以从周围环境中收集能量，其中包括太阳能、风能、潮汐能等绿色能源来为无线网络节点设备提供可靠的电力供应。无线供电通信网络作为无线能量传输的重要应用之一，已经被业内认是延长无网络节点寿命的有效方案。无线供电通信网络是一种新型的无线网络模式，它通过微波无线电力传输技术来远程补充无线网络节点设备的电池电量。无线供电通信网络无需频繁的手动更换电池更换或者充电，与传统的电池供电通信网络相比，具有诸多优点，如更高的吞吐量，更长的设备寿命和更低的网络运营成本等。在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，解决了在现有的无线供电通信网络的资源分配方案中，均只考虑优化基站下行能量传输时间和每个用户的上行信息传输时间，无法彻底地实现最大化系统吞吐量的技术问题。本专利技术提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，包括：S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。优选地，步骤S1具体包括：S11、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M；S12、将K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，得到K个用户簇，每个用户簇中包括M个用户节点Uk,m；S13、将用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式。优选地，步骤S3中用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式为：Ek,m＝ητ0P0|hk,m|2，其中，τ0为基站的下行传输时间，P0为基站的发射功率，η(0≤η≤1)为能量转换效率。优选地，步骤S3包括：S31、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；S32、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式S33、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率优选地，步骤S3还包括：S34、结合第二约束条件通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数其中，λ≥0为第二约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，S35、通过分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到无线供能通信网络的吞吐量达到最大时，基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间优选地，步骤S3还包括：S36、根据基站的最优下行传输时间和基站的最优发射功率计算得到用户节点Uk,m收集的能量S37、根据用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式和用户节点Uk,m的最优上行传输时间结合用户节点Uk,m收集的能量计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率优选地，步骤S35具体包括：S351、分别对无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数中基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk求偏导数，得到其中，S352、联立与得到S353、通过二分法求解Ψk(xk)＝0，得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间优选地，步骤S353中通过二分法求解Ψk(xk)＝0具体包括：a、将变换为其中b、设y的上下界分别为yu和yl；c、计算y0＝(yl+yu)/2；d、设xk的上下界分别为和e、计算f、设并定义函数求得方程g(xk)＝0的解g、判断是否小于0，若是，则令若否，则令h、判断|xku-xkl|是否不大于预置精度阈值ε，若是，则执行步骤i，若否，则返回步骤e进入迭代；i、判断是否小于y0，若是，则令yu＝y0，若否，则令yl＝y0；j、判断是否不大于预置精度阈值ε，若是，则得到的最优解若否，则返回步骤c进入迭代。本专利技术提供了一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，包括：S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，包括：S1、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M，并确定无线供能通信网络中用户节点Uk,m的组网方式；S2、确定无线供能通信网络模型中基站到用户节点Uk,m的下行传输信道hk,m、基站的最大发射功率Pmax、用户节点Uk,m到基站的上行传输信道gk,m及用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck；S3、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，并假设基站的下行传输时间为τ0，用户节点Uk,m的上行传输时间为τk，将基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk之和不超过最大传输时间Tmax作为第一约束条件，基站的发射功率P0不超过基站的最大发射功率Pmax作为第二约束条件，基于用户节点Uk,m的预置消耗功率Pck和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m，用户节点Uk,m传输的能量Pk,mτk+Pckτk不超过用户节点Uk,m收集的能量Ek,m作为第三约束条件，基站的下行传输时间τ0、用户节点Uk,m的上行传输时间τk、基站的发射功率和用户节点Uk,m的发射功率Pk,m均为非负数作为第四约束条件，确定基站的最优发射功率，并利用拉格朗日乘数法和二分法计算得到基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间，再根据基站的最优下行传输时间与用户节点Uk,m的最优上行传输时间计算得到用户节点Uk,m的最优发射功率。2.根据权利要求1所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S1具体包括：S11、构建无线供能通信网络模型，包括一个基站和K*M个用户节点Uk,m，其中，k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,M；S12、将K*M个用户节点Uk,m进行分簇处理，得到K个用户簇，每个用户簇中包括M个用户节点Uk,m；S13、将用户簇内的用户节点Uk,m之间采用非正交多址接入方式，用户簇与基站之间采用正交的时分多址接入方式。3.根据权利要求1所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S3中用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式为：Ek,m＝ητ0P0|hk,m|2，其中，τ0为基站的下行传输时间，P0为基站的发射功率，η(0≤η≤1)为能量转换效率。4.根据权利要求3所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S3包括：S31、以最大化无线供能通信网络的吞吐量为优化目标，无线供能通信网络的吞吐量的表达式中为用户节点Uk,m的上行传输信道增益与噪声功率σ2的比值；S32、根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与用户节点Uk,m的发射功率Pk,m的正相关关系，确定用户节点Uk,m的最优发射功率的表达式S33、结合无线供能通信网络的吞吐量的表达式和用户节点Uk,m收集的能量Ek,m的表达式，得到基于基站的发射功率P0的无线供能通信网络的吞吐量的表达式根据无线供能通信网络的吞吐量的表达式中吞吐量Rsum与基站的发射功率P0的正相关关系，得到基站的最优发射功率5.根据权利要求4所述的基于混合多址接入的无线供能通信网络的资源分配方法，其特征在于，步骤S3还包括：S34、结合第二约束条件通过拉格朗日函数得到基于基站的下行传输时间τ0与用户节点Uk,m的上行传输时间τk的无线供能通信网络的吞吐量的拉朗格朗日函数其中，λ≥0为第二约束条件对应的拉格朗日对偶乘子，S35、通过分别对无线供能通信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，曾志超，崔苗，林凡，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44