在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法技术

本发明专利技术公开了一种在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，具体包括：建立数能一体化网络中的上下行网络模型；确定基站发射功率、噪声功率和能量转化率；定义用户下行业务需求，得到目标表达式以及其约束；计算每个用户下行收割到的能量的表达式；进而得出用户上行数据量的表达式；通过联合优化用户的上行下行时隙和功率分割因子完成用户上行吞吐量公平性优化，得出传输策略。本发明专利技术的方法通过对一种数能一体化网络的物理场景进行建模，并根据凸优化理论对模型求解，解决了在数能一体化网络中，用户通信能量来源于基站发送的射频信号，且用户有下行数据量需求的情况下，严格保证用户上行传输公平性，最大化用户上行数据量的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信网络
，具体涉及一种在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法。
技术介绍
现有的无线通信系统的能量主要来自于电网供电和电池供电。电网供电使得系统可持续获得可靠的能量，但要求部署电力网络，从而使系统的应用范围受限；电池供电使得系统的应用更加便携，但是单电池的存储能力使得系统的功率和能量均受到严格的限制，从而制约了系统的服务性能和生命周期，且当今电池的蓄电量已经成为技术发展的瓶颈。数能一体化通信技术在现有的无线供电技术的基础上，通过多种前沿的技术手段，在无线信息传输同时实现能量收集(EnergyHarvesting，EH)，从而在实现高效可靠信息通信的同时充分利用宝贵的能量资源，为解决无线通信中信息和能量同步传输提供了可能性，已经成为了未来通信发展的一个重要方向。目前已有研究考虑数能一体化通信网络传输中的吞吐量优化，包括上行总吞吐量优化和上行数据量公平性的优化，但都是基于时隙切换(TimeSwiching，TS)技术的物理场景，实现数能同传，对上行数据量进行优化。其中也有研究是基于功率分割(PowerSplitting，PS)技术来实现上行总吞吐量的优化，但是由于数能一体化中的双倍“远—近”效应，信道质量较差或距离基站较远的用户下行收割到的能量小，而上行传输需要的功率大，因此用户上行数据量难以得到保证。
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优化吞吐量时没有考虑到用户上行数据量公平性的缺陷，提出了一种在下行数能同传的场景下用户上行吞吐量公平性达到最优的传输策略。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，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、确定基站发射功率、噪声功率和能量转化率；S3、定义用户下行业务需求，得到关于用户下行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、计算每个用户下行收割到的能量的表达式；S5、根据S4中得到的用户下行收集到的能量的表达式得出用户上行数据量的表达式；S6、通过联合优化用户的上行下行时隙和功率分割因子完成用户上行吞吐量公平性优化，并得出传输策略。进一步地，步骤S1建立上下行网络模型具体包括以下子步骤：S11、考虑单小区的基于TDMA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分时地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分时地发送信息至基站；基站以恒定的功率完成下行的通信；设基站与用户之间的信道在一个工作周期T内保持不变，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AWGN信道，且信道噪声功率为Pn；S12、在的时间段内，基站以功率PBS以广播的形式与用户j进行通信，此时，用户j通过功率分割技术以分割因子μj将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，而其他用户则将接收到的信号全部作为能量进行采集。本专利技术的有益效果：本专利技术的方法通过对一种数能一体化网络的物理场景进行数学建模，并根据凸优化理论对模型求解，解决了在数能一体化网络中，用户通信能量来源于基站发送的射频信号，且用户有下行数据量需求的情况下，严格保证用户上行传输公平性，最大化用户上行数据量的问题。附图说明图1为本专利技术的动态资源最优化方法流程图；图2为本专利技术的数能一体化通信网络的网络模型示意图；图3为本专利技术的用户接收到信号后进行功率分割能量的方法示意图；图4为本专利技术的网络模型时隙分配图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。如图1所示，一种数能一体化通信网络的动态资源最优化方法，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；具体模型如图2所示，包括以下子步骤：S11、考虑单小区的基于TDMA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分时地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分时地发送信息至基站；基站以恒定的功率完成下行的通信；设基站与用户之间的信道在一个工作周期T内保持不变，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AWGN信道；S12、在的时间段内，基站以功率PBS以广播的形式与用户j进行通信。此时，用户j通过功率分割技术以分割因子μj将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，而其他用户则将接收到的信号全部作为能量进行采集；S2、确定基站发射功率、噪声功率和能量转化率；具体包括以下子步骤：S21、根据实际硬件和基站周围环境情况确定基站发射功率PBS；S22、根据实际场景情况，确定用户j上行下行信道噪声功率用户j设备能量转换效率为βj。S3、定义用户下行业务需求，得到关于用户下行业务需求的目标表达式以及其约束；其具体实现方法为：根据实际应用场景的需求，确定用户j下行数据量的最低需求Dj(bit/Hz)；根据如图3所示的功率分割原理将收到的信号功率分割成为两部分，其中用于信息解码的功率为用户j下行接收到的数据量表达式为：Rjd=tjdlog2[1+(1-uj)hjdPBSPd,jn](bit/Hz)]]>可以得到下行数据量约束为：tjdlog2[1+(1-uj)hjdPBSPd,jn]≥Dj]]>其中，j＝1,2,3...M。S4、计算每个用户下行收割到的能量的表达式；这里具体根据功率分割技术的原理得到。具体实现方法为：根据S1中提出的模型图2、以及图4可以得到用户j采集到的能量表达式为：Erecv,j=βj(Σi≠jtid+ujtjd)hjdPBS]]>S5、根据S4中得到的用户下行收集到的能量的表达式得出用户上行数据量的表达式；具体包括以下子步骤：根据S1中提出的网络模型图2、以及图4可以得到用户j上行数据量表达式为：Rju=tjulog2[1+βj(Σi≠jtid+ujtjd)hjdhjuPBSPd,jutju](bit/Hz),]]>即，S6、通过联合优化用户的上行下行时隙和功率分割因子完成用户上行吞吐量公平性优化，并得出传输策略；具体包括以下子步骤：S61、在满足下行的业务需求消耗的同时，期望通过合理的分配每个用户的上行下行传输时隙和每个用户的功率分割因子，使得用户上行数据量公平性达到最优，则对应的数学模型可以如下：maxtju,tjd,ujminj{Rju本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，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、确定基站发射功率、噪声功率和能量转化率；S3、定义用户下行业务需求，得到关于用户下行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、计算每个用户下行收割到的能量的表达式；S5、根据S4中得到的用户下行收集到的能量的表达式得出用户上行数据量的表达式；S6、通过联合优化用户的上行下行时隙和功率分割因子完成用户上行吞吐量公平性优化，并得出传输策略。

【技术特征摘要】
1.一种在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，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、确定基站发射功率、噪声功率和能量转化率；S3、定义用户下行业务需求，得到关于用户下行业务需求的目标表达式以及其约束；S4、计算每个用户下行收割到的能量的表达式；S5、根据S4中得到的用户下行收集到的能量的表达式得出用户上行数据量的表达式；S6、通过联合优化用户的上行下行时隙和功率分割因子完成用户上行吞吐量公平性优化，并得出传输策略。2.根据权利要求1所述的在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，其特征在于，骤S1建立上下行网络模型具体包括以下子步骤：S11、考虑单小区的基于TDMA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分时地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分时地发送信息至基站；基站以恒定的功率完成下行的通信；设基站与用户之间的信道在一个工作周期T内保持不变，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AWGN信道，且信道噪声功率为Pn；S12、在的时间段内，基站以功率PBS以广播的形式与用户j进行通信，此时，用户j通过功率分割技术以分割因子μj将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，而其他用户则将接收到的信号全部作为能量进行采集。3.根据权利要求2所述的在数能一体化通信网络中上行用户吞吐量公平性优化方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下子步骤：S21、根据实际硬件和基站周围环境情况确定基站发射功率PBS；S22、根据实际场景情况，确定用户...

【专利技术属性】
技术研发人员：于秦，吕柯思，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