基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法技术方案

本发明专利技术公开基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，属于计算、推算或计数的技术领域。针对以系统能效为优化目标的资源分配问题，采用椭球法对拉格朗日乘子进行更新，可以有效加快算法收敛速度，提升算法性能。仿真实验结果表明，所提出基于椭球法的能效优化算法能有效解决以系统能效为优化目标的资源分配问题，与次梯度法相比，椭球法的收敛速度更快，能够显著地降低算法复杂度。能够显著地降低算法复杂度。能够显著地降低算法复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法


[0001]本专利技术涉及无线信息和能量同传技术，具体涉及发射机接收机采用OFDM下行链路进行功率传输和信息传输的相关问题，公开基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，属于计算、推算或计数的


技术介绍

[0002]近年来，随着通信技术的蓬勃发展，无线接入设备日益增多。如何提高通信设备能量效率、延长通信设备的使用寿命，对于实现绿色通信和无线通信的可持续发展具有重要意义。射频能量收集技术能够将接收到的射频信号转换为电能，已经成为解决能量受限无线网络的一种有效方案。与此同时，利用射频信号既能携带能量又能传递信息的特性，无线信息和能量同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术被提出。基于SWIPT技术的特点，将其应用于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统，可以有效地优化资源分配，进一步提高系统能效，这对于实现绿色通信和无线通信的可持续发展具有重要意义。
[0003]目前，针对具备无线携能通信能力的OFDM系统的能效研究，大多采用次梯度法对拉格朗日乘子进行更新。然而，次梯度法的收敛速度较慢，且十分依赖于步长策略的选取，步长选择不当时甚至无法收敛。
[0004]综上，本专利技术旨在提出一种基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，通过椭球法更新资源分配问题中的拉格朗日乘子，降低算法复杂度，提升算法性能，实现有效优化OFDM资源分配问题的专利技术目的，解决次梯度法收敛速度慢、算法复杂度高的技术问题。
[0006]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0007]基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法。
[0008]以OFDM能效最大化为OFDM系统能效优化问题的目标函数，并将目标函数转换为减式形式的能效目标函数，OFDM系统能效优化问题为利用拉格朗日对偶方法将OFDM系统能效优化问题转换为对偶优化问题，对偶优化问题为
[0009]初始化拉格朗日乘子，利用KKT条件求解当前拉格朗日乘子对应的发射功率分配方案，利用椭球法更新拉格朗日乘子直至对偶优化问题收敛，对偶优化问题收敛时的发射功率分配方案为最优功率分配策略，在根据最优功率分配策略求解的OFDM系统能效优化问题收敛时，根据当前最优功率分配策略计算OFDM能效最优值，在根据最优功率分配策略求解的OFDM系统能效优化问题不收敛时，根据当前的拉格朗日乘子重新求解当前拉格朗日乘子对应的发射功率分配方案，重复拉格朗日乘子更新以及获得最优功率分配策略的过程，直至OFDM系统能效优化问题收敛。
[0010]根据计算求得的次梯度向量归一化值更新椭球体的中心和形状的具体方法为：
[0011]根据当前最优功率分配策略计算OFDM能效最优值为
[0012]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：本专利技术将OFDM能效优化问题转换为对偶优化问题后，利用椭球法更新拉格朗日乘子以实现对偶优化问题外层优化问题的求解，再结合更新后的拉格朗日乘子实现对偶优化问题内层优化问题的求解，以降低的算法复杂度得到最优功率分配策略，克服现有次梯度法更新朗格朗日乘子的OFDM能效优化方案速度慢的缺陷。
附图说明
[0013]图1为基于椭球法与次梯度法的能效优化算法能效收敛对比图。
[0014]图2为基于椭球法的能效优化算法中干噪比对能效影响的仿真图。
[0015]图3为基于椭球法的能效优化算法的流程图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。
[0017]面向无线接入设备日益增多且与此同时系统能耗也在不断增长的无线网络系统，具备无线携能通信能力的OFDM下行链路系统是一种常见的OFDM系统应用场景。本专利技术以具备无线携能通信能力的OFDM下行链路系统为对象，以系统能效最大化为优化目标，同时考虑接收机最小信息速率要求、接收机最小收集能量要求以及电路损耗等约束条件建立资源分配问题的数学模型，首先通过非线性分式规划转换目标函数形式使其容易求解，并提出了基于迭代算法和拉格朗日对偶分解求解系统的最优功率分配策略，在对拉格朗日乘子求解时，采用椭球法对拉格朗日乘子进行更新，可以有效加快算法收敛速度，提升算法性能。
仿真实验结果表明，所提出基于椭球法的能效优化算法能有效解决以系统能效为优化目标的资源分配问题，与次梯度法相比，椭球法的收敛速度更快，能够显著地降低算法复杂度。
[0018]本专利技术的基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法如图3所示，包括步骤一和步骤二。
[0019]步骤一：以OFDM能效最大化为OFDM系统能效优化问题的目标函数，并将所述目标函数转换为减式形式的能效目标函数，利用拉格朗日对偶方法将所述OFDM系统能效优化问题转换为对偶优化问题
[0020]在基于下行链路的OFDM
‑
SWIPT点对点系统中，发射机与接收机均配备单天线。接收机在接收到从发射机发送的信号的同时，还会接收到均值为0、方差为加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)的影响，此外，接收机还会接收到同频段的干扰信号，其方差为接收机采用PS架构，包括了能量收集器、信息解调器和功率分配器。功率分配器按ρ，1
‑
ρ的功率分割比将信号分为两个功率流后分别送往能量收集端以及信息解调端进行处理，ρ(0＜ρ＜1)表示功率分割比例。在信号产生处理的过程中，信号解调端产生均值为0、方差为的噪声，定义干扰信号与此信号处理噪声的比值为干噪比(Interference
‑
to
‑
signal processing noise Ratio，INR)。此外，OFDM系统的总带宽为B赫兹，子载波个数为n，子载波带宽为W。我们假设下行链路的信道增益可由反馈获得。
[0021]根据香农信道容量公式，接收机获得发射机发送信息的速率为：
[0022][0023]其中，P
i
代表第i个子载波上分配的功率，P
i
Υ
i
表示第i个子载波接收端的信干噪比(Signal
‑
to
‑
Interference
‑
Plus
‑
Noise Ratio,SINR)。其中，
[0024][0025]θ表示发射机与接收机间的路径损耗因素，h
i
为第i个子载波的信道增益。同时，接收机收集的能量表示为：
[0026][0027]式(3)表示接收机可以从发射机信号、同频干扰信号以及噪声中收集能量，其中η(0＜η＜1)表示接收端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，其特征在于，以OFDM能效最大化为OFDM系统能效优化问题的目标函数，并将所述目标函数转换为减式形式的能效目标函数，利用拉格朗日对偶方法将所述OFDM系统能效优化问题转换为对偶优化问题；初始化拉格朗日乘子，利用KKT条件求解当前拉格朗日乘子对应的发射功率分配方案，利用椭球法更新拉格朗日乘子直至对偶优化问题收敛，对偶优化问题收敛时的发射功率分配方案为最优功率分配策略，在根据最优功率分配策略求解的OFDM系统能效优化问题收敛时，根据当前最优功率分配策略计算OFDM能效最优值，在根据最优功率分配策略求解的OFDM系统能效优化问题不收敛时，根据当前的拉格朗日乘子重新求解当前拉格朗日乘子对应的发射功率分配方案，重复拉格朗日乘子更新以及获得最优功率分配策略的过程，直至OFDM系统能效优化问题收敛。2.根据权利要求1所述基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，其特征在于，所述OFDM系统能效优化问题为其中，R(Ρ,ρ)为接收机信息速率，R
min
为接收机最小信息速率，Ρ为接收功率,ρ为功率分割比，q为OFDM系统能效，U
total
(Ρ,ρ)为OFDM系统能耗，U
r
(Ρ,ρ)为接收机收集的能量，P
min
为接收机最小接收功率，P
C
为电路固定功率损耗，P
i
为第i个子载波上分配的功率，P
sup
为OFDM系统的总功率限制。3.根据权利要求2所述基于椭球法的携能通信OFDM系统能效优化方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋锐，项家璇，徐友云，李大鹏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：