一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户只能通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户可以通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。本发明专利技术相比传统单频网络，不仅可以提高小区边缘用户的吞吐量，还可以改进小区中心用户的能量收集效率，在能量收集效率和用户公平性方面具有巨大的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，可用于5G无线通信系统中。
技术介绍
随着通信技术的发展，第五代移动通信(5G，thefifthgenerationofmobilecommunications)有望在2020年及以后实现商业化应用。与前几代移动通信系统相比，5G可以为用户提供Gbps用户体验数据速率和几乎为零的端到端传输延迟，这促使一些新的应用(如超高清视频、移动云、虚拟现实等)可以在移动状态下被支持。除了提高用户的服务质量(QoS，quality-of-service)之外，提高用户的体验质量(QoE，qualityof-experience)也是5G需要解决的一个主要问题。然而，更高的数据传输速率带来了更多的能耗，进而降低了用户的QoE，尤其是对于使用电池供电设备的用户。此外，诸如可穿戴设备和传感器节点之类的物联网(IoT)设备对能量的匮乏更为敏感，因为对这些设备进行充电很不方便，且有时是不可行的(如危险地区或野外的传感器节点)。因此，如何处理设备节能与速率提升之间的矛盾已成为5G无线网络设计中的一个突出问题。为了解决上述问题，同时无线信息和能量传输技术(SWIPT，simultaneouswirelessinformationandpowertransfer)被业界所提出。虽然现有的研究工作促进了SWIPT技术的发展和应用，但这些研究仅关注于单频段的移动通信系统，没有充分考虑混频组网的问题，而全频率接入技术(高频和低频)是未来5G的关键技术之一。因此，面向5G低频段(LF，low-frequencyband，如3.5GHz)和高频段(HF，high-frequencyband，如28GHz)混频网络设计高效的同时无线信息和能量传输技术对于提升用户的QoS和QoE具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，在保证用户基本传输速率需求的前提下，提升用户的能量收集效率。本专利技术采用以下技术方案：一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。具体的，基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络的设置步骤如下：S101、设热点区域中的用户广域覆盖区域中的用户S102、中的用户采用时间切换方案实现信息解码和能量收集，设置固定的时间切换比率α(0≤α≤1)，时间αT用于能量收集，剩余时间(1-α)T用于信息译码，T表示一个操作周期，不失一般性的情况下，T归一化为1；S103、低频段有N1个信道，高频段有N2个信道，B1Hz和B2Hz分别是低频信道和高频信道的带宽，信道分配指标定义如下：其中，或表示信道n1或n2被分配给用户k1或k2，或表示与此相反；对热点区域和广域覆盖区域中的用户进行功率分配策略分别定义如下：其中或表示在信道n1或n2上为用户k1或k2分配的发射功率；用户k1和k2可获得的数据传输速率分别为其中，表示在信道n1、n2上从基站到用户k1、k2的信道功率增益，σ2表示噪声功率；S104、根据能量收集方法，用户k1在每个操作周期收集的能量由下式给出基站的总发射功率为具体的，建立高低混频网络中资源分配问题模型具体为：采用最大-最小效用函数作为目标函数，联合优化广域覆盖区域中的用户和热点区域中的用户中所有用户的功率和信道分配方案，在满足约束C1～C9的情况下最大化中的用户的最小能量收集速率。进一步的，联合功率与信道分配问题建模如下：其中，C1限制基站的最大发射功率；C2和C3分别规定每个用户的最低速率要求；C4～C8是信道分配变量的约束条件，C4和C5表示每个用户只能占用一个信道，C6～C8表示每个信道最多只分配给一个用户。具体的，设计联合功率和信道分配的优化算法步骤如下：S301、初始化：设置初始迭代次数t＝0，对偶变量λ0,和最大容限误差ε；S302、构造重转化为最优匹配问题对应的二部图；S303、解决最优匹配问题，并得到和Θ；S304、根据最优功率分配策略得到S305、解决信道分配的对偶问题对应的最大匹配问题得到S306、根据Δ的优化问题得到最优解Δ*；S307、采用次梯度方法来以迭代方式获得最优对偶变量，更新得到λt+1,和t表示迭代此时，和表示第t次迭代的步长；S308、计算其中，θ为误差；S309、更新t＝t+1；S310、如果θ≤ε，进入S311，否则，返回S304；S311、输出最优功率和信道分配方案和在高频段和低频段下为不同的用户分配对应的信道和功率，完成基于5G高低频的同时无线信息与能量传输方法。进一步的，步骤S302中，将联合功率与信道分配问题模型转化为如下两个问题：其中，Θ代表问题(6)的最优值；被重转化为最优匹配问题中每个边的权重(k1,n1)被设置为：进一步的，步骤S304中，最优功率分配策略计算如下：进一步的，步骤S305中，信道分配的对偶问题可以转化为：权重表示为：进一步的，步骤S306中，最优解Δ*，其值为进一步的，步骤S307中，迭代公式由下式给出：其中，t表示迭代此时，和表示第t次迭代的步长。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法(优化算法设计完之后要如何进行传输)，高频段用来短距离信息传输，低频段通过时分复用模式用来实现短距离能量传输和远距离信息传输，设计高低混频网络既以提高小区边缘用户的吞吐量，又可以改进小区中心用户的能量收集效率，双频网络在能量收集效率和用户公平性方面优于传统单频网络；设计的联合功率和信道分配算法具有复杂度低、速度快的优点收敛，可大大提升网络的性能，双频网络既可以提高单频网络的能量捕获效率，又可以通过优化资源分配进一步提高网络的性能。进一步的，基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络可以在未来5G通信发展中以更高的速率传输信息，同时部分解决了未来通信中的能量短缺问题，达到在大覆盖范围下的能量传输与高速率高效通信的融合协作。进一步的，建立高低混频网络中资源分配问题模型有助于精准化分析高低混频网络中资源分配问题，提供可靠的模型和参考依据，深入处理并提高高低混频网络中资源分配效率。进一步的，联合功率与信道分配问题建模能够有效的统一协调功率和信道分配问题，以单一的功率分配标准会造成信道资源的浪费，以单一的信道分配标准会造成功率的浪费，通过联合功率与信道分配问题建模，能够在当前的功率和信道资源下达到联合最优的资源调度。进一步的，设计联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，其特征在于，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，其特征在于，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。2.根据权利要求1所述的一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，其特征在于，基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络的设置步骤如下：S101、设热点区域中的用户广域覆盖区域中的用户S102、中的用户采用时间切换方案实现信息解码和能量收集，设置固定的时间切换比率α(0≤α≤1)，时间αT用于能量收集，剩余时间(1-α)T用于信息译码，T表示一个操作周期，不失一般性的情况下，T归一化为1；S103、低频段有N1个信道，高频段有N2个信道，B1Hz和B2Hz分别是低频信道和高频信道的带宽，信道分配指标定义如下：其中，或表示信道n1或n2被分配给用户k1或k2，或表示与此相反；对热点区域和广域覆盖区域中的用户进行功率分配策略分别定义如下：其中或表示在信道n1或n2上为用户k1或k2分配的发射功率；用户k1和k2可获得的数据传输速率分别为其中，表示在信道n1、n2上从基站到用户k1、k2的信道功率增益，σ2表示噪声功率；S104、根据能量收集方法，用户k1在每个操作周期收集的能量由下式给出基站的总发射功率为3.根据权利要求1所述的一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，其特征在于，建立高低混频网络中资源分配问题模型具体为：采用最大-最小效用函数作为目标函数，联合优化广域覆盖区域中的用户和热点区域中的用户中所有用户的功率和信道分配方案，在满足约束C1～C9的情况下最大化中的用户的最小能量收集速率。4.根据权利要求3所述的一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，其特征在于，联合功率与信道分配问题建模如下：s.t.C1...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟道森，张若南，郭旗，李彬，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61