基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法。各用户在下行链路中采用功率分割接收机结构对接收信号进行信息解码与能量收集，而后将收集到的能量用于上行链路信息传输。通过对上下行链路GFDM子载波与子符号分配、功率分配与功率分割因子的分配，在满足收集能量与发射总功率约束下最大化上下行链路的加权可达和速率。为解决此非凸优化问题，分别采用拉格朗日对偶法、次梯度法与贪婪算法进行求解上下行功率分配和功率分割因子的联合优化。本发明专利技术均优于固定子载波分配算法。本发明专利技术有效实现基于GFDM的无线携能网络上下行链路子载波、子符号、功率与功率分割因子的多资源优化分配。因子的多资源优化分配。因子的多资源优化分配。

【技术实现步骤摘要】
基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法


[0001]本专利技术属于信息与通信工程
，提出了基于广义频分复用(GFDM)的无线携能通信(SWIPT)网络中上下行链路的资源联合分配优化算法。首先，针对下行链路，各SWIPT用户接收基站的信息后采用功率分割(PS)接收机结构完成信息解码(ID)和能量收集(EH)，而后将收集到的能量用于上行链路信息传输。通过对上下行链路GFDM子载波与子符号分配、功率分配与功率分割因子的分配，在满足收集能量与发射总功率约束下最大化上下行链路的加权可达和速率。为了解决此非凸优化问题，分别采用拉格朗日对偶法、次梯度法与贪婪算法进行求解。仿真结果表明，无论加权系数如何，所提方案均优于固定子载波分配算法。在加权系数较大的情况下，它优于传统启发式算法。

技术介绍

[0002]由于通信网络中许多节点都是能量受限的，节点的生命周期取决于电池的生命周期，这就使得设备需要频繁的充电或者更换电池。然而，在某些情况下的节点(例如人体内部使用的传感器、放置在墙壁内的设备或放置在有毒环境中的节点)，充电和更换电池的操作代价非常昂贵。对此，一些研究者考虑节点设备能够从自然环境中获得能量，比如传统的可再生能源(太阳能/风能)，但是这些传统的可再生能源受到环境的限制，随机性较大且不易稳定获得。利用电磁波传输信息较为稳定，同时无线电波能量是一种潜在的绿色能源，然而利用电磁波传输信息的过程中存在能量收集效率低下的问题，导致电磁波传输信息没有快速发展。近年来，研究人员注意到，电磁波本身具备一定的能量，能被一些设备收集加以利用，同时无线射频信号(Radio Frequency,RF)借助电磁波可以传递信息，因此作为电磁波之一的无线射频信号具备了信息和能量同时传输的特点。随着能量收集技术的发展，能量转换效率和利用率已经得到了巨大的提升，人们看到了无线信息传输(Wireless Information Transmission,WIT)和无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)同时进行传输的可能性。无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)为能量受限的网络节点提供了能量收集的新方法，实现了信息和能量的同时传输，但是，存在着信息传输和能量收集的折衷问题。在不同的目标(如保障网络能效、最大化网络吞吐量等)下如何合理分配SWIPT网络的资源，已经成为了SWIPT网络的一个研究热点。
[0003]正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是广泛采用的一种多载波调制技术，它具有良好的抗多径信道干扰能力，同时能允许多用户接入。作为其的扩展，广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing,GFDM)具有较小的带外(Out of Band,OOB)辐射、较低的时延、较高的频谱效率和非严格时间同步等优点，非常适用于物联网、触觉互联网和工业自动化等应用场景。相比于OFDM，GFDM具有带外辐射低、频谱利用率高、时间同步不严格等优点。同时在GFDM中，由子载波和子符号组成了二维的块结构用来传输信息数据。GFDM可以根据不同的场景进行子载波和子符号的分配，以实现更灵活的参数调整，这种灵活性启发了基于GFDM模型的统一多载波框架的设计与实
现。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对无线携能通信网络，在满足一定能量约束的情况下最大化SWIPT网络上下行链路信息速率，提出了一种基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法。
[0005]本专利技术的技术方案包括以下步骤：
[0006]步骤1、场景假设与建模。
[0007]假设SWIPT网络的频带被分为K个子载波，每个子载波包含M个子符号。用集合表示子载波集合，用集合表示子符号集合，同时第k个子载波和第m个子符号组成第(k,m)个资源块，每个资源块只能分配给一个用户，一个用户可以有多个资源块。假设p
D,k,m
和p
U,k,m
分别代表在下行链路和上行链路第(k,m)个资源块的分配功率，同时0≤p
D,k,m
≤P
D,max
,0≤p
U,k,m
≤P
U,max
,其中P
D,max
,P
U,max
分别代表上下行链路中每个资源块的最大分配功率。设第n个用户在第(k,m)个资源块上下行的信道系数分别为h
D,n,k,m
,h
U,n,k,m
。
[0008]在下行链路中，第k个子载波和第m个子符号组成第(k,m)个资源块。因此下行链路中，第(k,m)个资源块的可达信息速率为：
[0009][0010]其中，分配函数该函数表示将第(k,m)资源块分配给具有最佳信道状态信息的SWIPT用户。h
D,Γ(k,m),k,m
为第n个用户在第(k,m)个资源块下行的信道系数,p
D,k,m
代表在下行链路第(k,m)个资源块的分配功率,为下行链路中第(k,m)个资源块的噪声功率，α
Γ(k,m)
为第Γ(k,m)个资源块的功率分割因子。
[0011]下行链路的总可达信息速率为：
[0012][0013]同样的第n个用户收集的能量可以表示为：
[0014][0015]其中ξ表示能量转换效率。
[0016]与下行链路相似的在上行链路中：第(k,m)个资源块的可达信息速率为：
[0017][0018]同样地，上行链路的总可达信息速率为：
[0019][0020]联合资源分配的目的是在受到EH和发射功率约束的情况下，最大化下行链路和上行链路信道中的加权总和ID率。优化问题可以表述如下：
[0021][0022]其中，P
tot
表示BS的总发射功率，E
min
表示所要求的最小收集能量，并且w∈(0,1)表示上行链路和下行链路可达速率之间的归一化加权系数。显然，当w＝0,w＝1分别代表两个仅考虑上行链路或下行链路速率的特殊情况。
[0023]步骤2、GFDM资源块分配策略。
[0024]在分配功率和功率分割因子给定的情况下，上下行的可达速率只与信道增益有关，因此要使信息速率最大，只需要将第(k,m)资源块分配给具有最佳信道状态信息的SWIPT用户。因此可以考虑使用贪婪算法对每个用户进行分配，即针对下行链路或上行链路中的每个资源块将其分配给最佳信道状态信息的SWIPT用户，因此上下行的分配函数可以表示为：
[0025][0026]步骤3、优化节点功率分割因子。
[0027]在给定分配功率{p
D,k,m
},{p
U,k',m'
},分配函数{Γ(k,m)}，{Γ(k',本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、场景假设与建模；步骤2、GFDM资源块分配策略；步骤3、节点功率分割因子优化；步骤4、功率优化分配。2.如权利要求1所述一种基于GFDM的无线携能网络上下行链路资源联合分配方法，其特征在于步骤1具体如下：假设SWIPT网络的频带被分为K个子载波，每个子载波包含M个子符号；用集合K＝{1,2,3,...,K}表示子载波集合，用集合M＝{1,2,3,...,M}表示子符号集合，同时第k个子载波和第m个子符号组成第(k,m)个资源块
[61]
，每个资源块只能分配给一个用户，用户可以有多个资源块；假设p
D,k,m
和p
U,k,m
分别代表在下行链路和上行链路第(k,m)个资源块的分配功率，同时0≤p
D,k,m
≤P
D,max
,0≤p
U,k,m
≤P
U,max
,k∈K,m∈M其中P
D,max
,P
U,max
分别代表上下行链路中每个资源块的最大分配功率；假设第n个用户在第.(k,m).个资源块上下行的信道系数分别为h
D,n,k,m
,h
U,n,k,m
；在下行链路中，第k个子载波和第m个子符号组成第(k,m)个资源块；因此下行链路中，第(k,m)个资源块的可达信息速率为：其中，分配函数该函数表示将第(k,m)资源块分配给具有最佳信道状态信息的SWIPT用户；h
D,Γ(k,m),k,m
为第n个用户在第(k,m)个资源块下行的信道系数,p
D,k,m
代表在下行链路第(k,m)个资源块的分配功率,为下行链路中第(k,m)个资源块的噪声功率，α
Γ(k,m)
为第Γ(k,m)个资源块的功率分割因子；下行链路的总可达信息速率为：同样的第n个用户的收集的能量可以表示为：其中ξ表示能量转换效率；与下行链路相似的在上行链路中：第(k,m)个资源块的可达信息速率为：
同样地，上行链路的总可达信息速率为：联合资源分配的目的是在受到EH和发射功率约束的情况下，最大化下行链路和上行链路信道中的加权总和ID率；优化问题可以表述如下：其中P
tot
表示BS的总发射功率，E
min
表示所要求的最小收集能量，并且w∈(0,1)表示上行链路和下行链路可达速率之间的归一化加权系数；显然，当w＝0,w＝1分别代表两个仅考虑上行链路或下行链路速率的特殊情况。3.如权利要求1所述的基于GFDM的无线携能网...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓荣，孙明杭，赵彬，王玉军，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：