基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，首先建立一个基于NOMA的无线携能通信系统模型并提出优化问题，由于问题为一个复杂的多目标优化问题，利用香农定理将收集到的能量转化为等效数据率，并将优化目标重新定义为系统吞吐量和等效数据率的加权和，将原问题转化为单目标优化问题。由于目标函数对于功率分配和功率分割系数不是联合凹的，优化问题非凸，为此将其拆分成两个子问题并通过对两个子问题迭代求解寻求优化问题的次优解。所述方法在保证满足每个用户对最小数据率和最小收集能量要求的前提下，通过合理设置系统吞吐量和总收集能量的偏好系数，在保证两者公平性的基础上进行同时最大化，从而优化了系统的整体性能。

Multi objective optimization method of wireless energy carrying communication system based on NOMA

The invention discloses a multi-objective optimization method for wireless carrying communication system based on NOMA. Firstly, a model of wireless carrying communication system based on NOMA is established and an optimization problem is proposed. Since the problem is a complex multi-objective optimization problem, the energy collected is converted into equivalent data rate by Shannon's theorem, and the optimization problem is solved. The objective is redefined as the weighted sum of system throughput and equivalent data rate, and the original problem is transformed into a single objective optimization problem. Since the objective function is not concave for power allocation and power division coefficient, and the optimization problem is not convex, the objective function is divided into two sub-problems and the sub-optimal solution of the optimization problem is obtained by solving the two sub-problems iteratively. Under the premise of satisfying the minimum data rate and minimum collection energy requirement of each user, the proposed method optimizes the overall performance of the system by reasonably setting the preference coefficients of system throughput and total collection energy, and maximizing the fairness of both.

【技术实现步骤摘要】
基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法
本专利技术涉及无线传输领域，具体涉及一种基于NOMA的无线携能通信系统同时最大化系统吞吐量和总收集能量的多目标优化方法。
技术介绍
随着移动互联网、社交网络和物联网的蓬勃发展，网络数据流量和接入设备数量呈爆炸式增长，对无线通信网络提出了更高的服务质量要求，如何提高频谱效率(SpectralEfficiency，SE)和系统能效(EnergyEfficiency，EE)为第五代移动通信网络亟需解决的问题。非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess，NOMA)和无线携能通信(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT)技术由于在提高频谱效率和系统能效上具有强大潜力成为5G的关键候选技术，引起广大科研工作者的关注。NOMA在传输端功率域实现多址接入和多信号分离的基础上，通过采用先进的接收机设计和串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation，SIC)技术，实现了多个用户共享同一带宽资源，提高了频谱效率。无线携能通信技术利用无线电波在传输信息的同时运输能量使能源有限的系统拥有源源不断的能量来源，保障了无线通信系统的耗电需求，无线通信设备通过接收无线电波的能量为自身充电提高电池续航能力，延长了电池使用寿命，提高了无线通信供电系统的稳定性。两者的结合应用对于无线通信系统性能的改善有望满足5G物联网时代对无线通信系统的关键性能要求，具有广阔的应用前景。当前已有科研工作者专注于NOMA和SWIPT结合应用的相关研究，主要关注系统吞吐量或用户收集能量的最大化以及对系统通信可靠性的探索。系统吞吐量和总收集能量是两个相互对立的目标变量，不仅如何保证两者之间的公平性值得深入探索，在此基础上对两者进行联合优化更是一个极具实际应用意义的科研课题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对5G物联网时代对于无线通信网络高频谱效率和高系统能效的需求，提供一种基于NOMA的无线携能通信系统同时最大化系统吞吐量和总收集能量的多目标优化方法，结合功率分割技术，通过优化功率分配方案和功率分割系数，在保证公平性的基础上，寻求系统能达到的最优性能。所述方法在保证所有用户满足最低数据率和最低收集能量要求的基础上，实现了系统吞吐量和总收集能量的同时最大化，一方面通过多个用户复用频谱提高了频谱利用率，另一方面利用无线携能通信技术对基站发射能量做最大限度的利用，提高了系统能效。本专利技术的目的可以通过如下技术方案实现：一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，所述方法以同时最大化系统吞吐量和总收集能量为目标，包括以下步骤：1)建立基于NOMA的无线携能通信系统：假设系统包括一个小区基站BS和N个用户User，所有用户User都配备有信息接收机和能量接收机，具有信息解码(InformationDecoding，ID)和能量收集(EnergyHarvesting，EH)能力，另外假设基站BS与每个用户User间的信道状态信息在基站处已知，同时信道增益按升序排列：|h1|2＜|h2|2＜…|hn|2…＜|hN|2，其中|hn|2表示第n个用户的信道增益，在发送端，基站BS对要发送给各个用户User的信号在功率域上进行叠加，pn表示基站BS分配给第n个用户的功率，由于基站的总发射功率P是有限的，因此有：在接收端，用户User采用功率分割技术对从基站BS接收到的能量进行分割，ρnpn用于信息解码，(1-ρn)pn用于能量收集，其中ρn表示功率分割系数；2)利用功率分割和串行干扰消除技术，根据香农定理得出每个用户通过信息解码获得的数据率以及通过能量收集获得的能量，进而定义系统吞吐量和总收集能量；两个目标变量度量单位不同，不能直接相加，利用香农定理把用户收集到的能量转化为等效数据率以统一两个目标变量的单位，并通过设置合适的偏好系数在保证两目标变量公平性的基础上把优化目标转化为用户通过信息解码获得的系统吞吐量和通过能量收集获得的等效数据率的加权和，将原本的多目标优化问题转化单目标优化问题；3)由于系统吞吐量和总收集能量关于基站发射功率都是单调递增的，假定基站总以其最大可用总发射功率P发射信号，考虑系统对用户的服务质量要求，将用户需达到的最低数据率Rmin和最小收集能量Emin作为约束条件，提出优化问题；4)对功率分配和功率分割系数的联合优化使优化问题非凸，难以求解，鉴于穷尽搜索算法的高运算量，提出一个高效的资源分配方案：首先将原两目标变量优化问题拆分成两个单变量子问题，然后通过对两个单变量子问题迭代求解寻求优化问题的次优解。进一步地，步骤2)中，在接收端，第n个用户通过信息解码获得的数据率为：其中σ2表示信道加性高斯噪声的功率，pi表示基站BS分配给第i个用户的功率，利用香农定理把用户收集到的能量转化为等效数据率，此时第n个用户获得的等效数据率为：其中η表示能量接收效率，表示能量转化为数据率的转化效率，分别用RID、REH表示系统从信息解码和能量收集获得的数据率：将系统通过信息解码获得的数据率的权重归一化设置为1，通过能量收集获得的等效数据率的权重设置为β，此时系统等效总吞吐量定义为：R＝RID+βREH。进一步地，步骤3)中，将用户需达到的最低数据率Rmin和最小收集能量Emin作为约束条件后提出的优化问题如下；P1：p＞0，(1-4)0＜ρ＜1，(I-5)其中约束条件(1-1)、(1-2)分别对用户的最低数据率和最小收集能量做出了限制，约束条件(1-3)表明基站以其最大功率发射信号，p＝(p1，p2，…，pN)T、ρ＝(ρ1，ρ2，…，ρN)T分别表示各用户的功率分配方案和功率分割系数。进一步地，步骤4)中将原两目标变量优化问题拆分成如下两个单变量子问题：P2：0＜ρ＜1.(2-3)P3：p＞0.(3-3)其中子问题P2假设用户间功率分配方案确定，以功率分割系数为优化变量进行系统优化，P3假设用户功率分割系数确定，以功率分配方案为优化变量进行系统优化，最终原问题通过对以上两个子问题迭代求解取得次优解。进一步地，对子问题P2的具体求解步骤如下：a、证明目标函数关于ρ是凹的，P2是凸优化问题，存在最优解；b、将目标函数重新表示为：其中Rn表示用户n通过信息解码和能量收集获得的等效总数据率，基于各个用户Rn相互独立，将子问题P2拆分成N个具有相同形式的独立的子问题，表示如下：P4：0＜ρn＜1.(4-3)c、P4为一系列凹最大化问题，根据凹函数的性质，令Rn关于ρn的一阶导数等于0求出最大化Rn的ρn值，求解方程表示如下：用表示上述方程的唯一正实数根，根据约束条件(4-1)(4-2)，子问题P4的最优解最终给出如下：其中确保流向信息接收机的能量使用户达到最低数据率要求，确保流向能量接收机的能量使用户达到最小收集能量要求。进一步地，对子问题P3的具体求解步骤如下：a、证明目标函数在当且仅当ρ1|h1|2≤ρ2|h2|2≤…≤ρN|hN|2的前提条件下关于p是凹的，P3为凸优化问题，存在最优解；b、利用Lagrange函数和KKT最优性条件对子问题P3进行求解，解得最大化系统等效总吞吐量的最优功率分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，其特征在于，所述方法以同时最大化系统吞吐量和总收集能量为目标，包括以下步骤：1)建立基于NOMA的无线携能通信系统：假设系统包括一个小区基站和N个用户，所有用户都配备有信息接收机和能量接收机，具有信息解码和能量收集能力，另外假设基站与每个用户间的信道状态信息在基站处已知，同时信道增益按升序排列：|h1|

【技术特征摘要】
1.一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，其特征在于，所述方法以同时最大化系统吞吐量和总收集能量为目标，包括以下步骤：1)建立基于NOMA的无线携能通信系统：假设系统包括一个小区基站和N个用户，所有用户都配备有信息接收机和能量接收机，具有信息解码和能量收集能力，另外假设基站与每个用户间的信道状态信息在基站处已知，同时信道增益按升序排列：|h1|2<|h2|2<…|hn|2…<|hN|2，其中|hn|2表示第n个用户的信道增益，在发送端，基站对要发送给各个用户的信号在功率域上进行叠加，pn表示基站分配给第n个用户的功率，由于基站的总发射功率P是有限的，因此有：在接收端，用户采用功率分割技术对从基站接收到的能量进行分割，ρnpn用于信息解码，(1-ρn)pn用于能量收集，其中ρn表示功率分割系数；2)利用功率分割和串行干扰消除技术，根据香农定理得出每个用户通过信息解码获得的数据率以及通过能量收集获得的能量，进而定义系统吞吐量和总收集能量；两个目标变量度量单位不同，不能直接相加，利用香农定理把用户收集到的能量转化为等效数据率以统一两个目标变量的单位，并通过设置合适的偏好系数在保证两目标变量公平性的基础上把优化目标转化为用户通过信息解码获得的系统吞吐量和通过能量收集获得的等效数据率的加权和，将原本的多目标优化问题转化单目标优化问题；3)由于系统吞吐量和总收集能量关于基站发射功率都是单调递增的，假定基站总以其最大可用总发射功率P发射信号，考虑系统对用户的服务质量要求，将用户需达到的最低数据率Rmin和最小收集能量Emin作为约束条件，提出优化问题；4)对功率分配和功率分割系数的联合优化使优化问题非凸，难以求解，鉴于穷尽搜索算法的高运算量，提出一个高效的资源分配方案：首先将原两目标变量优化问题拆分成两个单变量子问题，然后通过对两个单变量子问题迭代求解寻求优化问题的次优解。2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，其特征在于，步骤2)中，在接收端，第n个用户通过信息解码获得的数据率为：其中σ2表示信道加性高斯噪声的功率，pi表示基站BS分配给第i个用户的功率，利用香农定理把用户收集到的能量转化为等效数据率，此时第n个用户获得的等效数据率为：其中η表示能量接收效率，表示能量转化为数据率的转化效率，分别用RID、REH表示系统从信息解码和能量收集获得的数据率：将系统通过信息解码获得的数据率的权重归一化设置为1，通过能量收集获得的等效数据率的权重设置为β，此时系统等效总吞吐量定义为：R＝RID+βREH。3.根据权利要求2所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，其特征在于，步骤3)中，将用户需达到的最低数据率Rmin和最小收集能量Emin作为约束条件后提出的优化问题如下；p＞0，(1-4)0＜ρ＜1，(1-5)其中约束条件(1-1)、(1-2)分别对用户的最低数据率和最小收集能量做出了限制，约束条件(1-3)表明基站以其最大功率发射信号，p＝(p1，p2，…，pN)T、ρ＝(ρ1，ρ2，…，ρN)T分别表示各用户的功率分配和功率分割系数。4.根据权利要求3所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统多目标优化方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐杰，余钰，罗静慈，戴土旺，崔曼曼，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44