一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法技术

本发明专利技术公开了一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，分为能量收集阶段和信息传输阶段，在传统的双跳无线供电中继网络系统基础上，用户通过时分多址方式向中继传输信息，经中继解码转发后，所有中继再通过非正交多址的方式同时向基站发送信息，提升了频谱利用率的同时，也提高了整个网络的总传输速率。

An Optimal Method for Wireless Power Supply Relay Network with Non-Orthogonal Multiple Access

【技术实现步骤摘要】
一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法
本专利技术涉及一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，属于无线能量传输领域。
技术介绍
随着物联网的迅速发展，快速增长的通信需求导致能量的迅速消耗，这严重制约着以能量受限传感器为基础的物联网的传输性能和使用寿命。然而，传统的电网充电和电池更换在一些特定传感器网络场景难以实现，如大规模传感器网络、嵌入式器件和偏远地区网络等。因此，急需一种有效的供能机制为能量受限的传输网络提供持续的能量补给。近年来，绿色通信的概念引起了广泛专家学者们的关注，其主要包括提高无线通信资源的利用率，以及将可再生能源作为无线通信网络的主要供能手段。将可再生能源引入无线通信网络，使得节点可以自发地从环境中获取能量的研究方兴未艾。由于无线通信技术的飞速发展使得射频能量资源变得越来越丰富，基于射频信号的能量采集技术能够延长能量受限设备的使用寿命。基于此，无线供电通信网络正日益引起学者们的关注。近年来，无线供电通信网络得到了广泛的研究。无线供电通信网络运行的主要基础是收集再传输协议，该协议包含能量收集和数据传输两个阶段，在能量收集阶段，用户收集基站在下行链路辐射的能量信号；在数据传输阶段，用户利用先前收集的能量以时分多址的方式向基站发送数据。现有技术中每个用户从用户到中继的信息传输和中继到混合接入点的信息传输时间是相同的，缺少了资源分配的灵活性，且能量收集对用户个体的传输速率有一定的负面影响，信息传输阶段的频谱利用率也有待进一步的提升。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，提高了整个网络的信息吞吐量。技术方案：本专利技术采用的技术方案为一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，包括能量收集阶段和信息传输阶段，所述信息传输阶段包括以下步骤：1)对传输时间划分时隙，用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，中继以非正交多址的方式将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站；2)计算信息传输阶段整个网络的系统总吞吐量；3)根据上一步所得的系统总吞吐量，列出系统总吞吐量最大化的优化问题并求解。所述步骤1)中定义一个传输块时间为T，令T＝1。一个传输块共分为K+2个时隙，其分别表示为τi,i＝0,1,…,K+1。所述步骤1)中能量收集阶段τ0时间内，基站在下行链路中广播射频能量信号，各个中继收集基站发出的能量；在信息传输阶段，从用户至基站的信息传输共分为两跳。第一跳用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，即在τi,i＝1,…,K时间内，用户Ui传输信息给中继Ri；第二跳所有中继以非正交多址的方式在τK+1时间内将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站。所述步骤1)中整个系统的时间约束条件如下：在能量收集阶段τ0内，第i中继Ri采集到的能量Er,i为：Er,i＝ηr,iPh|hi|2τ0其中，ηr.i是中继Ri的能量收集效率，Ph为基站发射功率，hi为基站到中继节点Ri的信道增益，中继收集到的能量用于信息传输阶段第二跳τK+1时间内中继同时向基站传输信息，因此，第i中继Ri在该阶段下的平均发送功率Pr,i为：所述步骤2)中系统总吞吐量Ri为：其中Ri,1为第i用户Ui到第i中继Ri的吞吐量，Ri,2为第i中继Ri到基站的吞吐量。所述步骤3)中系统总吞吐量最大化优化问题的表达式如下：其中τ＝[τ0,τ1,…,τK+1]。有益效果：本专利技术在现有的无线供电通信网络的中继到基站信息传输中使用非正交多址接入技术同时传输信息，提升了频谱利用率的同时，也提高了整个网络的总传输速率。附图说明图1为本专利技术无线供电中继网络的结构示意图；图2为本专利技术帧传输块的时隙分配图；图3为本专利技术与参照方案总吞吐量随基站发射功率变化图；图4为本专利技术与参照方案的总吞吐量随用户数量变化图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图1所示，本实施例的无线供电中继网络包括一个基站，第一至第K中继与基站之间进行无线能量传输和无线信息传输，相对应地第一至第K用户又分别与相应的中继进行无线信息传输，用户和基站之间没有直接的链路，用户和中继分别用符号Ui和Ri，i＝1,…,K表示。中继与用户之间一一对应。例如，第二中继R2与基站之间存在无线能量传输和无线信息传输，第二用户U2与第二中继R2之间进行无线信息传输。基站以及第一至第K个用户均分别配备内置的能量源，而第一至第K个中继则不具有能量源。由于中继没有能量源，所有的中继都是通过无线能量传输从基站发射的射频信号中获取能量。所有用户都采用单天线半双工通信方式。中继采用解码转发的方式工作。在本实施例的网络中所有信道均为平坦衰落信道，且所有信道在每个传输时间块内保持稳定。基站到中继节点Ri的信道增益为hi，中继Ri到用户Ui之间的信道增益为gi。本实施例无线供电中继网络具有能量收集和信息传输两个工作阶段。在能量收集阶段，用户获取基站下行链路中辐射的能量信号。而在信息传输阶段，用户先以时分多址的方式向其相应的中继进行无线信息传输。每个中继由于与基站之间均存在无线能量传输，能够利用其收集的来自基站的能量，采用非正交多址接入模式与基站进行无线信息传输。基站采用串行干扰消除技术解码出各个用户的信息。具体的包括以下步骤：1)计算各个中继在能量收集阶段获取的能量并划分时隙。时隙分配如图2所示，首先定义一个传输块时间为T，令T＝1。一个传输块共分为K+2个时隙，其分别表示为τi,i＝0,1,…,K+1。在第一阶段即能量收集阶段τ0时间内，基站在下行链路中广播射频能量信号，各个中继收集基站发出的能量。在第二阶段即信息传输阶段，从用户至基站的信息传输共分为两跳。第一跳用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，即在τi,i＝1,…,K时间内，用户Ui传输信息给中继Ri；第二跳所有中继以非正交多址的方式在τK+1时间内将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站。对于系统的时间约束条件如下：在能量收集阶段τ0内，基站通过恒定的基站发射功率Ph向所有中继广播能量信号,所有中继采集的能量存储在能量存储器(例如电池)中。这里中继的能量仅来自于基站发送的能量信号，也就是中继不从其他中继和用户的信号中采集能量。在给定时隙内，第i中继Ri采集到的能量Er,i为：Er,i＝ηr,iPh|hi|2τ0(2)其中，ηr.i是中继Ri的能量收集效率。中继收集到的能量用于信息传输阶段第二跳τK+1时间内中继同时向基站传输信息，因此，第i中继Ri在该阶段下的平均发送功率Pr,i为：2)计算在信息传输阶段每个用户传输信息的吞吐量。在系统的第一跳从用户向基站的信息传输中，第i中继Ri的接收信号yr,i为：其中，Pu,i表示第i用户Ui的传输功率，xu,i～CN(0,1)是第i用户Ui传输的信号，是第i中继Ri处的加性高斯白噪声，其中CN(μ,σ2)表示均值为μ，方差为σ2的复高斯随机过程。因此，可以得出第一跳中第i用户Ui到第i中继Ri的吞吐量Ri,1表示为：在本实施例系统中，中继均采用解码转发的方式，即第i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，包括能量收集阶段和信息传输阶段，其特征在于，所述信息传输阶段包括以下步骤：1)对传输时间划分时隙，用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，中继以非正交多址的方式将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站；2)计算信息传输阶段整个网络的系统总吞吐量；3)根据上一步所得的系统总吞吐量，列出系统总吞吐量最大化的优化问题并求解。

【技术特征摘要】
1.一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，包括能量收集阶段和信息传输阶段，其特征在于，所述信息传输阶段包括以下步骤：1)对传输时间划分时隙，用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，中继以非正交多址的方式将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站；2)计算信息传输阶段整个网络的系统总吞吐量；3)根据上一步所得的系统总吞吐量，列出系统总吞吐量最大化的优化问题并求解。2.根据权利要求1所述的非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，其特征在于，所述步骤1)中定义一个传输块时间为T，令T＝1。一个传输块共分为K+2个时隙，其分别表示为τi,i＝0,1,…,K+1。3.根据权利要求2所述的非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，其特征在于，所述步骤1)中能量收集阶段τ0时间内，基站在下行链路中广播射频能量信号，各个中继收集基站发出的能量；在信息传输阶段，从用户至基站的信息传输共分为两跳。第一跳用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，即在τi,i＝1,…,K时间内，用户Ui传输信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢天怡，杨震，吕斌，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32