一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法，该方法通过SCMA多址接入技术和WPCN无线供能技术，可同时实现无线终端的免调度过载接入和无线能量补充(充电)。本发明专利技术以最大化系统能效为目标，将优化问题拆分为两个子优化问题，即对子载波分配方案和能量收集时间分配系数进行联合优化，可显著提升系统能效；首先，固定能量收集时间系数，设计一个基于能效增益的子载波分配方案；其次，利用得到的最优子载波分配方案，将能量收集时间系数由非凸优化转化为凸优化问题求解；最后得到最优子载波分配方案和最优能量收集时间系数，实现系统能效最大化。系统能效最大化。系统能效最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种适用于基于稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)的无线供电通信网络能效优化方法。

技术介绍

[0002]大规模物联网中的终端设备数量庞大，更换电池或者充电非常困难。无线供电通信网络(Wireless Powered Communication Network,WPCN)采用基于射频(Radio Frequency,RF)信号的能量采集技术，能够给无线终端设备提供远程无线充电。WPCN可以解决物联网中低功耗设备充电问题，但是收集的能量却十分有限，所以对它进行能效优化来实现可持续的物联网网络显得尤为重要。SCMA技术通过适当的码本设计把一个子载波分配给不同用户共享，多用户叠加传输，从而提升系统的吞吐量以及实现系统的过载接入，是极具前景的大规模物联网设备接入解决方案。基于SCMA的无线供电通信技术应用于物联网，可以很好地解决物联网中存在的大规模接入和供电问题。
[0003]目前，已有相关研究分别就SCMA系统和无线供电通信网络进行基于能量效率的资源分配优化。Samira Jaber发表在IEEE 20th International Conference on Communication Technology的论文“Subcarrier Assignment and Power Allocation for SCMA Energy Efficiency”提出一种以能量效率最大化为目标、基于上行SCMA网络的资源分配方法，但该方法没有考虑无线能量采集，不能解决终端设备能量有限的问题。公开号为CN110167171A，公开日为2019年8月23日的专利技术专利“一种无线供电通信网络资源分配的方法及系统”，提出了一种以最大化系统吞吐量为目标、基于TDMA与非正交多址接入(Non
‑
orthogonal Multiple Access,NOMA)技术相结合的资源分配算法，但该专利技术基于TDMA与NOMA技术、调度困难，不具备SCMA的上行免调度接入优点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法，对子载波分配和能量收集时间进行联合优化，从而实现系统能效最大化，为未来绿色通信中海量信息传输奠定基础。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法，该无线供电通信网络能效优化方法应用的通信系统模型包含M个终端U
m
、一个混合接入点H
‑
AP，1≤m≤M，以下通信系统模型简称系统，每个终端和接入点均具有单根天线，子载波数为K，M个终端复用在K个子载波上，在一个传输时隙内优化系统能效，定义一个传输时隙的时间为T，T分为两个阶段，在第一阶段的τ0T时间内，混合接入点给所有终端发送射频信号进行无线充电，在第二阶段(1
‑
τ0)T时间内，所有终端节点利用收集到的全部能量通过SCMA技术向接入点发送信息，能量收集时间系数τ0的取值范围为0≤τ0≤1，所述无线供电通信网络能效优化方法包括下列步骤：
[0007]S1、定义最大化系统能效的优化问题如下：
[0008][0009]s.t.C1:τ0(1
‑
τ0)≥0
[0010]C2：
[0011]C3:f
m,k
∈{0,1},1≤m≤M,1≤k≤K
[0012]C4：
[0013]其中，η是系统能效，P
a
表示混合接入点H
‑
AP的发射功率，是系统总吞吐量，其中表示终端U
m
的吞吐量，其中f
m
＝[f
m,1
,f
m,2
,...,f
m,K
]T
表示终端U
m
的子载波分配方式，f
m,k
＝1时表示子载波k分配给终端U
m
，f
m,k
＝0表示子载波k没有分配给终端U
m
；表示信噪比，其中ξ
m
表示终端U
m
的能量转换效率，h
m
表示下行能量传输过程中混合接入点H
‑
AP与终端U
m
之间的信道状态信息，L表示每个终端占用的子载波数，σ2表示混合接入点H
‑
AP作为接收机的噪声方差，g
m
＝[g
m,1
,g
m,2
,
…
,g
m,k
,
…
，,g
m,K
]T
表示上行信息传输过程中终端U
m
与混合接入点H
‑
AP之间的信道状态信息，其中g
m,k
表示上行信息传输终端U
m
在子载波k上的信道状态信息；f
m
′
表示终端U
m
′
的子载波分配方式；约束条件C1为能量传输时间和信息传输时间的约束；约束条件C2表示每个终端占用的子载波数；约束条件C3表示f
m,k
可能的取值；约束条件C4表示任意两个终端的子载波分配不同；
[0014]S2、对子载波分配方案和能量收集时间系数τ0进行联合优化，首先，固定能量收集时间系数τ0，对子载波分配方案进行优化，获取使得能效增益最大的子载波分配方案然后，将最大化系统能效的优化问题转换为凸问题并代入得到的最优子载波分配方案然后利用凸优化工具包CVX求解出能量收集时间的最优解
[0015]进一步地，所述步骤S2过程如下：
[0016]S2.1、固定能量收集时间系数τ0，对子载波分配方案进行优化，获取使得能效增益最大的子载波最优分配方案
[0017]S2.2、将最大化系统能效的优化问题转换为凸问题并代入步骤2.1得到的最优子
载波分配方案然后利用凸优化工具包CVX求出能量收集时间的最优解
[0018]进一步地，所述步骤S2.1过程如下：
[0019]S2.1.1、设置τ0初始值，m＝1，随机生成满足约束条件C2、C3和C4的一个因子图矩阵S＝(c1,c2,
…
,c
j
,
…
,c
M
)，其中因子图矩阵S的第j列c
j
＝(c
j,1
,c
j,2
,
…
,c
j,k
,
…
,c
j,K
)
T
代表一种子载波分配方式，其中的值为随机生成的0或1；
[0020]S2.1.2、针对终端节点U<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SCMA的无线供电通信网络能效优化方法，该无线供电通信网络能效优化方法应用的通信系统模型包含M个终端U
m
、一个混合接入点H
‑
AP，1≤m≤M，以下通信系统模型简称系统，每个终端和接入点均具有单根天线，子载波数为K，M个终端复用在K个子载波上，在一个传输时隙内优化系统能效，定义一个传输时隙的时间为T，T分为两个阶段，在第一阶段的τ0T时间内，混合接入点给所有终端发送射频信号进行无线充电，在第二阶段(1
‑
τ0)T时间内，所有终端节点利用收集到的全部能量通过SCMA技术向接入点发送信息，能量收集时间系数τ0的取值范围为0≤τ0≤1，其特征在于，所述无线供电通信网络能效优化方法包括下列步骤：S1、定义最大化系统能效的优化问题如下：s.t.C1:τ0(1
‑
τ0)≥0C2:C3:f
m,k
∈{0,1},1≤m≤M,1≤k≤KC4:其中，η是系统能效，P
a
表示混合接入点H
‑
AP的发射功率，是系统总吞吐量，其中表示终端U
m
的吞吐量，其中f
m
＝[f
m,1
,f
m,2
,...,f
m,K
]
T
表示终端U
m
的子载波分配方式，f
m,k
＝1时表示子载波k分配给终端U
m
，f
m,k
＝0表示子载波k没有分配给终端U
m
；表示信噪比，其中ξ
m
表示终端U
m
的能量转换效率，h
m
表示下行能量传输过程中混合接入点H
‑
AP与终端U
m
之间的信道状态信息，L表示每个终端占用的子载波数，σ2表示混合接入点H
‑
AP作为接收机的噪声方差，g
m
＝[g
m,1
,g
m,2
,...,g
m,k
,...,g
m,K
]
T
表示上行信息传输过程中终端U
m
与混合接入点H
‑
AP之间的信道状态信息，其中g
m,k
表示上行信息传输终端U
m
在子载波k上的信道状态信息；f
m
′
表示终端U
m
′
的子载波分配方式；约束条件C1为能量传输时间和信息传输时间的约束；约束条件C2表示每个终端占用的子载波数；约束条件C3表示f
m,k
可能的取值；约束条件C4表示任意两个终端的子载波分配不同；S2、对子载波分配方案和能量收集时间系数τ0进行联合优化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯义志，张青青，宁更新，张军，季飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：