一种基于能量捕获的能效公平性优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，包括：获取初始数据，包括基站发射功率、路径损耗因子、网络接收阈值、用户与单层网络的基站之间的距离、网络总带宽和其它层网络的基站对用户的干扰；在频谱正交分割的情形下，根据路径损耗因子和网络接收阈值，得到覆盖概率的平均对数；根据覆盖概率的平均对数、网络总带宽和网络接收阈值，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值的隐函数，得到最优网络接收阈值和最优网络能效值。本发明专利技术在保证用户服务质量的同时，有效提升整个网络的能量公平性。

An energy efficiency fairness optimization method based on energy capture

The invention discloses an energy efficiency fairness optimization method based on energy capture includes: acquiring the initial data, including the interference to the user base station between the base station base station transmission power, path loss factor, network receiving threshold, users and single-layer network distance, the total bandwidth of the network and other network layer; in orthogonal segmentation under the circumstances, according to the path loss factor and network receiving threshold, average logarithmic coverage probability; according to the coverage probability, the total average log network bandwidth and network receiving threshold, to the maximum value of the network energy efficiency as the goal to establish a network model of energy efficiency, energy efficiency network model of implicit function network receiving threshold based on the initial data input; the implicit function network receiving threshold, the optimal network receiving threshold and the optimal network energy efficiency value. The invention can effectively improve the energy fairness of the whole network while guaranteeing the quality of the service of the user.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量捕获的能效公平性优化方法
本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种基于能量捕获的能效公平性优化方法。
技术介绍
随着物联网传感器节点数量的指数式增长和流量需求的不断提升，无线功率通信网络(WPCN)成为了给物联网节点提供无线通信服务的解决方案。由于无线功率通信网络能够同时进行无线功率传输和无线信息传输，因此它能够很方便的为没有电网供电的物联网传感器补充能量，延长节点工作寿命。然而在网络运营成本和通信行业碳排放总量急剧上升的背景下，现有技术存在无法在保证用户服务质量(QoS)的同时，提升网络系统的总能效的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，由此解决现有技术存在无法在保证用户服务质量的同时，提升网络系统的总能效的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，包括：(1)获取初始数据，包括基站发射功率Pt、路径损耗因子α、网络接收阈值θ、用户与单层网络的基站之间的距离l、网络总带宽W和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ；(2)根据基站发射功率Pt、用户与单层网络的基站之间的距离l和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ，得到用户信干比SIR，对于SIR≥θ的用户，在频谱正交分割的情形下，根据路径损耗因子α和网络接收阈值θ，得到覆盖概率的平均对数E[log(C)]；(3)根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络接收阈值θ*；对于SIR≥θ*的用户进行无线信息传输，对于SIR＜θ*的用户进行能量捕获，得到最优网络能效值。进一步的，步骤(3)的具体实现方式为：根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络接收阈值θ*；当单层网络的基站向用户传输无线信息时，SIR≥θ*的用户为信道质量较好的用户，信道质量较好的用户连接到基站上去进行无线信息传输，而SIR＜θ*的用户为信道质量较差的用户，信道质量较差的用户进行能量捕获，并将捕获的能量用于之后上行链路的信息传输中，得到最优网络能效值。进一步的，用户信干比为SIR为：其中，h是信道功率的衰减系数。进一步的，覆盖概率的平均对数E[log(C)]为：进一步的，网络能效模型为：其中，UEE为网络能效值，N为下行链路中接入用户总数，和β均和θ无关，为其中Ps为基站的静态功耗，η为用户进行能量捕获的效率，λ表示基站的分布密度。进一步的，网络接收阈值θ的隐函数为：总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术考虑的是在频谱正交分割的情形，此时每一层网络用户之间已经分割好了，每层网络之间由于频谱正交分割，因此互不干扰，所以我们只考虑其中的单层网络。这时就不用考虑蜂窝选择概率，只用优化网络接收阈值来寻求最大的网络能效值。由于是频谱正交分割，因此覆盖概率就十分简单，就可以直接解出关于网络接收阈值的隐函数，也就可以直接解出最优网络接收阈值。然后最优网络接收阈值对用户进行无线信息传输和能量捕获进行分配，在保证用户服务质量的同时，既可以较好地提升了网络系统的总能效，同时还能兼顾系统的公平性。适用于面向WPCN下行链路正交频谱分割的单层网络系统。(2)本专利技术考虑了现实情况中移动节点的流量需求在时间和空间上都呈现出波动性这一特点，与一般的蜂窝网络下行链路相比能够在保证用户QoS的同时，有效地提升网络整体的能效公平性。一般的蜂窝网络下行链路中，当用户流量需求较低时，基站仍旧在消耗大量的能量。尽管通过基站睡眠模式可以减少能耗，显著地提升网络能效，但是移动节点的流量需求在时间和空间上都呈现出波动性这一特点使得该方法中中关断操作极大地受限，甚至会严重影响用户的体验。而本专利技术提供的利用最优网络接收阈值θ*；对SIR≥θ*的用户进行无线信息传输，而SIR＜θ*的用户进行能量捕获，并将捕获的能量用于之后上行链路的信息传输中，得到最优网络能效值。正好可以克服上述基站睡眠模式中流量波动性限制，还可以在保证用户QoS的同时，显著地提升网络整体的能效公平性。本专利技术提出的以上技术方案与现有技术中不考虑能量捕获的方法相比，在保证用户QoS的基础上，还可有效地提升整个网络的能量公平性，既能满足未来急剧的流量需求，又符合绿色通信的趋势。附图说明图1是本专利技术实施例提供的单层基于能量捕获的网络下行链路模型示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于能量捕获的能效公平性优化方法的流程图；图3为本专利技术实施例提供的方法与不考虑能量捕获的网络能效仿真对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的基于能量捕获的能效公平性优化方法，根据网络节点的流量需求协调信息传输和能量捕获的比例，从而降低网络能耗，在保证用户QoS的同时，有效地提升网络的能量效率。图1所示，是实施例中单层网络的无线功率通信网络中的用户既可以进行信息传输，也可以进行能量捕获。其中，圆形区域的用户称之为信道质量较好的用户，它们将进行无线信息传输，而圆形区域之外椭圆形区域之内的用户则称之为信道质量较差的用户，它们将进行能量捕获，并将捕获的能量用于随后的信息传输过程。通过数值模拟来研究对比所提出的基于能量捕获的方法以及未考虑能量捕获的方法，除非另有说明，否则初始数据为：路径损耗因子α＝4，网络总带宽W＝10MHz，基站的静态功率损耗Ps＝0dBm，基站发射功率Pt＝41dBm，基站的的分布密度分别为λ＝4×10-5m2，偏置因子B＝0dB，用户的分布密度为λu＝20λ，用户捕获能量的转换效率为η＝0.7。如图2所示，一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，具体包括如下步骤：(1)获取初始数据，包括基站发射功率Pt、路径损耗因子α、网络接收阈值θ、用户与单层网络的基站之间的距离l、网络总带宽W和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ；(2)根据基站发射功率Pt、用户与单层网络的基站之间的距离l和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ，得到用户信干比SIR，其中，h是信道功率的衰减系数。同时，我们还得考虑到公平性，而用户之间的公平体现在数学公式上便是对所探讨的目标函数取对数。对于对于SIR≥θ的用户，在频谱正交分割的情形下，我们不考虑来自其它层网络的基站对用户的干扰，只考虑单层网络。根据路径损耗因子α和网络接收阈值θ，得到覆盖概率的平均对数E[log(C)]，(3)根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，其特征在于，包括：(1)获取初始数据，包括基站发射功率Pt、路径损耗因子α、网络接收阈值θ、用户与单层网络的基站之间的距离l、网络总带宽W和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ；(2)根据基站发射功率Pt、用户与单层网络的基站之间的距离l和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ，得到用户信干比SIR，对于SIR≥θ的用户，在频谱正交分割的情形下，根据路径损耗因子α和网络接收阈值θ，得到覆盖概率的平均对数E[log(C)]；(3)根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络接收阈值θ

【技术特征摘要】
1.一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，其特征在于，包括：(1)获取初始数据，包括基站发射功率Pt、路径损耗因子α、网络接收阈值θ、用户与单层网络的基站之间的距离l、网络总带宽W和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ；(2)根据基站发射功率Pt、用户与单层网络的基站之间的距离l和其它层网络的基站对用户的干扰Iφ，得到用户信干比SIR，对于SIR≥θ的用户，在频谱正交分割的情形下，根据路径损耗因子α和网络接收阈值θ，得到覆盖概率的平均对数E[log(C)]；(3)根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络接收阈值θ*；对于SIR≥θ*的用户进行无线信息传输，对于SIR＜θ*的用户进行能量捕获，得到最优网络能效值。2.如权利要求1所述的一种基于能量捕获的能效公平性优化方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体实现方式为：根据覆盖概率的平均对数E[log(C)]、网络总带宽W和网络接收阈值θ，以网络能效值最大为目标建立网络能效模型，基于网络能效模型得到网络接收阈值θ的隐函数；将初始数据输入到网络接收阈值θ的隐函数，得到最优网络接收阈值θ*；当单层网络的基站向用户传输无线信息时，SIR≥θ*的用户为信道质量较好的用户，信道质量较好的用户连接到基站上去进行无线信息传输，而SIR＜θ*的用户为信道质量较差的用户，信道质量较差的用户进行能量捕获，并将捕获的能量用于之后上行链路的信息传输中，得到最优网络能效值。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张靖，周清洁，刘国亨，韩竞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42