一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法技术

本发明专利技术属于无线物理层领域，公开了一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法，主要解决现有的NOMA协作的认知无线电网络中次用户结点能量供应不足的问题。其实现方案是：首先，构建了基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型，在次用户接收机处采用功率分割架构实现信号和射频能量的同时接收；设计一种改进的遗传算法对所述模型进行功率分配因子和时隙分配因子的优化，以此来最大化次用户系统的吞吐量。本发明专利技术得出了最优的功率分配因子和时隙分配因子，实现了系统频谱效率的提升和次用户系统能量效率的改善，延长次用户结点寿命，提高了整个系统传输性能。

A Power Optimizing Method for Wireless Capacitive NOMA Collaborative Network

【技术实现步骤摘要】
一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法
本专利技术属于无线通信领域，尤其涉及一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法。
技术介绍
认知无线电技术可以感知动态感知外界环境的变化，实时的改变发送功率、载波频率等参数，从而达到很高的频谱利用率，被应用到很多典型场景中，如：AdHoc网络、Mesh网等。因此，提出认知无线电场景下的NOMA方案，对更高效的利用频谱资源的5G系统有重要的研究意义。另外，绿色通信作为5G通信技术的目标之一，在节点能量受限的网络中，在不增加系统能耗的同时，显著的提升系统性能，也是亟待解决的问题。NOMA的概念最早由日本NTTDoCoMo公司于2010提出并展开研究，其详细介绍了NOMA技术的基本原理及其关键技术，包括发送端的叠加编码和接收端的串行干扰消除技术。之后，国内外的许多学者以此为基础对NOMA技术展开研究。Y.Liu,ZDing,M.Elkashlan.Non-orthogonalmultipleaccessinlarge-scaleunderlaycognitiveradionetworks[J].IEEETransactionsVehicularTechnology，2016，65(12)：10152-10157，在下垫式认知无线电网络中结合了NOMA技术，采用随机几何工具分析了系统的中断概率，结果表明，中断性能要由于之前的认知无线电网络系统。LvL,ChenJ,NiQ.CooperativeNon-OrthogonalMultipleAccessinCognitiveRadio[J].IEEECommunicationsLetters,2016,20(10):2059-2062，在Nakagami-m衰落信道下，提出了一种“双赢”策略，主次用户采用NOMA技术进行协作，在此场景下分析中断概率验证认知无线电网络下引入NOMA后中断性能的优越性。同时传输无线信息和无线能量技术(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，SWIPT)最早是由Varshney提出，随后，无线射频能量传输技术被论证，认为是SWIPT技术中一种可以提供恒定电源供应的可行性方案。但实际上，能量接收和信息接收的敏感度不同，不能同时进行接收，因此，NasirAA,ZhouX,DurraniS,etal.RelayingProtocolsforWirelessEnergyHarvestingandInformationProcessing[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2012,12(7):3622-3636.提出了在能量受限的中继网络中采用时间切换(Time-switching，TS)和基于功率切换(Power-switching,PS)的接收机工作方案。目前NOMA协作的认知无线电网络中的研究更多的是在实现系统吞吐量、提高频谱利用率方面，对于能量受限节点的问题还未考虑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法，在满足主用户传输速率的要求下，最大化次用户系统的吞吐量，实现系统频谱效率和次用户能量效率方面的性能提升。本专利技术的技术思路是将射频能量收集技术引入NOMA协作网络模型，构建了基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型，模型中涉及到能量收集过程和协作过程，能量收集过程在第一时隙发生，第一时隙发生时间的长短决定了能量收集的多少；第二时隙是协作过程，能量收集的多少决定了协作过程的质量，直接影响到系统的吞吐量。因此，在本模型中能量收集时间与协作时间的分配是一个显著的问题，需要联合考虑能量收集过程和协作过程，优化能量收集时隙和协作时隙的问题。根据以上思路，本专利技术的实现步骤包括如下：(1)基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型具体为：模型为有一对主用户节点和一对认知用户节点组成的认知无线电网络中的下行链路。两对用户工作在主用户节点的授权频段上，主用户发射端PT为主用户接收端SR发送信息，次用户发射端ST作为中继协助PT传输信息以便争取更多的时间为次用户接收端SR发送信息。次用户发射端ST采用解码转发协议进行转发信息。每个节点配备一根天线并且工作在半双工状态下。所有的信道均假设为独立同分布的瑞利衰落信道。由于距离或障碍物的影响，不考虑PT到SR的链路。(2)传输分为两个阶段，第一阶段，t时间内(0<t<1)，PT给PR发送信号，PR处进行解码信息，ST处将接收到的信号送入功率分割器中进行功率分离。第二阶段发生在1-t时间内，是基于ST可以成功解码x0的条件下，若ST可以成功解码，则可以发送x0和x1叠加信号进行协作。因此，优化问题表述为：进一步，采用改进的遗传算法求出最优值。本专利技术与现有技术对比，具有如下有益效果：1.本专利技术构建的基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型解决了现有的NOMA协作网络中节点能量受限问题，在提升系统频谱效率的同时，改善了次用户节点的能量受限问题，通过收集能量对次用户进行了补偿，延长了次用户节点的电池寿命，提高了系统能效；2.本专利技术提供的联合功率分配因子和时隙因子优化的方法，联合考虑了能量收集过程和协作过程，最大可能的提高了吞吐量。3.本专利技术提供的改进的遗传次优算法求解优化问题，与直接穷搜法相比，迭代次数更少，复杂度更低，其性能与穷搜法得到的性能相同。附图说明图1是本专利技术设计的通信系统模型图；图2是本专利技术的通信过程图；图3是本专利技术采用的算法流程图。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，以下结合附图和实施例，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。本专利技术实例基于射频能量收集技术的NOMA协作网络下行链路进行说明，旨在提出一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法。下面结合附图及具体实施例对本专利技术的应用原理作进一步描述。参照图1，本专利技术构建了基于射频能量收集技术的NOMA协作网络，研究有一对主用户节点和一对认知用户节点组成的认知无线电网络中的下行链路。两对用户工作在主用户节点的授权频段上，主用户发射端PT为主用户接收端SR发送信息，次用户发射端ST作为中继协助PT传输信息以便争取更多的时间为次用户接收端SR发送信息。次用户发射端ST采用解码转发协议进行转发信息。次用户发射端ST为能量受限节点，从ST发送的射频信号中收集能量，ST的接收机端采用射频能量收集技术中的功率切换架构进行信息和能量的切割。每个节点配备一根天线并且工作在半双工状态下。所有的信道均假设为独立同分布的瑞利衰落信道。由于距离或障碍物的影响，不考虑PT到SR的链路。从PT到PR、ST的信道增益分别记为|f0|2、|f1|2，ST到PR、SR的信道增益分别记为|f2|2、|hs|2，ωn表示节点n处的高斯白噪声，假设所有节点的噪声服从均值为0、方差为σ2的分布，令x0、x1分别代表主、次用户系统需要发送的信号，在PT和ST处的传输功率分别为Pp和Ps，单位传输时间为T＝1，在一个单位传输时间T内信道状态保持不变，其他时候可能会改变。主用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型；对所述模型进行功率分配因子和时隙分配因子的优化，获得最优的功率因子和时隙因子，最大化系统吞吐量。

【技术特征摘要】
1.一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型；对所述模型进行功率分配因子和时隙分配因子的优化，获得最优的功率因子和时隙因子，最大化系统吞吐量。2.根据权利要求1所述的一种无线携能的NOMA协作网络功率优化方法，其特征在于，所述的基于射频能量收集技术的NOMA协作网络模型具体为：有一对主用户节点和一对认知用户节点组成的认知无线电网络中的下行链路。两对用户工作在主用户节点的授权频段上，主用户发射端PT为主用户接收端SR发送信息，次用户发射端ST作为中继协助PT传输信息。次用户发射端ST采用解码转发协议进行转发信息。次用户发射端ST为能量受限节点，从ST发送的射频信号中收集能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永虹，阔永红，陈健，杨龙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61