本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種在數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)中上行用戶吞吐量公平性優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的能量主要來自于電網(wǎng)供電和電池供電。電網(wǎng)供電使得系統(tǒng)可持續(xù)獲得可靠的能量，但要求部署電力網(wǎng)絡(luò)，從而使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍受限；電池供電使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加便攜，但是單電池的存儲能力使得系統(tǒng)的功率和能量均受到嚴(yán)格的限制，從而制約了系統(tǒng)的服務(wù)性能和生命周期，且當(dāng)今電池的蓄電量已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。數(shù)能一體化通信技術(shù)在現(xiàn)有的無線供電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過多種前沿的技術(shù)手段，在無線信息傳輸同時實現(xiàn)能量收集(EnergyHarvesting，EH)，從而在實現(xiàn)高效可靠信息通信的同時充分利用寶貴的能量資源，為解決無線通信中信息和能量同步傳輸提供了可能性，已經(jīng)成為了未來通信發(fā)展的一個重要方向。目前已有研究考慮數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中的吞吐量優(yōu)化，包括上行總吞吐量優(yōu)化和上行數(shù)據(jù)量公平性的優(yōu)化，但都是基于時隙切換(TimeSwiching，TS)技術(shù)的物理場景，實現(xiàn)數(shù)能同傳，對上行數(shù)據(jù)量進行優(yōu)化。其中也有研究是基于功率分割(PowerSplitting，PS)技術(shù)來實現(xiàn)上行總吞吐量的優(yōu)化，但是由于數(shù)能一體化中的雙倍“遠—近”效應(yīng)，信道質(zhì)量較差或距離基站較遠的用戶下行收割到的能量小，而上行傳輸需要的功率大，因此用戶上行數(shù)據(jù)量難以得到保證。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中對于多用戶數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化吞吐量時沒有考慮到用戶上行數(shù)據(jù)量公平性的缺陷，提出了一種在下行數(shù)能同傳的場景下用戶上行吞吐量公平性達到最優(yōu)的傳輸策略。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種在數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)中上行用戶吞吐量公平性優(yōu)化方法，包括以下步驟：S1、確定網(wǎng)絡(luò)模型，建立數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中的上下行網(wǎng)絡(luò)模型；S2、確定基站發(fā)射功率、噪聲功率和能量轉(zhuǎn)化率；S3、定義用戶下行業(yè)務(wù)需求，得到關(guān)于用戶下行業(yè)務(wù)需求的目標(biāo)表達式以及其約束；S4、計算每個用戶下行收割到的能量的表達式；S5、根據(jù)S4中得到的用戶下行收集到的能量的表達式得出用戶上行數(shù)據(jù)量的表達式；S6、通過聯(lián)合優(yōu)化用戶的上行下行時隙和功率分割因子完成用戶上行吞吐量公平性優(yōu)化，并得出傳輸策略。進一步地，步驟S1建立上下行網(wǎng)絡(luò)模型具體包括以下子步驟：S11、考慮單小區(qū)的基于TDMA的數(shù)能一體化蜂窩網(wǎng)絡(luò)，基站和用戶均為單天線，基站BS以廣播形式通過下行信道分時地發(fā)送數(shù)能一體信號給M個用戶(U1,U2,U3,...,UM)，用戶則通過上行信道分時地發(fā)送信息至基站；基站以恒定的功率完成下行的通信；設(shè)基站與用戶之間的信道在一個工作周期T內(nèi)保持不變，和分別表示為用戶j的下行信道和上行信道的信道功率衰落，設(shè)信道均為AWGN信道，且信道噪聲功率為Pn；S12、在的時間段內(nèi)，基站以功率PBS以廣播的形式與用戶j進行通信，此時，用戶j通過功率分割技術(shù)以分割因子μj將下行接收到的信號能量劃分成兩部分，一部分作為能量收集，另一部分接收的信號能量進行解碼獲得相應(yīng)信息，而其他用戶則將接收到的信號全部作為能量進行采集。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的方法通過對一種數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的物理場景進行數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)凸優(yōu)化理論對模型求解，解決了在數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中，用戶通信能量來源于基站發(fā)送的射頻信號，且用戶有下行數(shù)據(jù)量需求的情況下，嚴(yán)格保證用戶上行傳輸公平性，最大化用戶上行數(shù)據(jù)量的問題。附圖說明圖1為本發(fā)明的動態(tài)資源最優(yōu)化方法流程圖；圖2為本發(fā)明的數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；圖3為本發(fā)明的用戶接收到信號后進行功率分割能量的方法示意圖；圖4為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)模型時隙分配圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1所示，一種數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源最優(yōu)化方法，包括以下步驟：S1、確定網(wǎng)絡(luò)模型，建立數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中的上下行網(wǎng)絡(luò)模型；具體模型如圖2所示，包括以下子步驟：S11、考慮單小區(qū)的基于TDMA的數(shù)能一體化蜂窩網(wǎng)絡(luò)，基站和用戶均為單天線，基站BS以廣播形式通過下行信道分時地發(fā)送數(shù)能一體信號給M個用戶(U1,U2,U3,...,UM)，用戶則通過上行信道分時地發(fā)送信息至基站；基站以恒定的功率完成下行的通信；設(shè)基站與用戶之間的信道在一個工作周期T內(nèi)保持不變，和分別表示為用戶j的下行信道和上行信道的信道功率衰落，設(shè)信道均為AWGN信道；S12、在的時間段內(nèi)，基站以功率PBS以廣播的形式與用戶j進行通信。此時，用戶j通過功率分割技術(shù)以分割因子μj將下行接收到的信號能量劃分成兩部分，一部分作為能量收集，另一部分接收的信號能量進行解碼獲得相應(yīng)信息，而其他用戶則將接收到的信號全部作為能量進行采集；S2、確定基站發(fā)射功率、噪聲功率和能量轉(zhuǎn)化率；具體包括以下子步驟：S21、根據(jù)實際硬件和基站周圍環(huán)境情況確定基站發(fā)射功率PBS；S22、根據(jù)實際場景情況，確定用戶j上行下行信道噪聲功率用戶j設(shè)備能量轉(zhuǎn)換效率為βj。S3、定義用戶下行業(yè)務(wù)需求，得到關(guān)于用戶下行業(yè)務(wù)需求的目標(biāo)表達式以及其約束；其具體實現(xiàn)方法為：根據(jù)實際應(yīng)用場景的需求，確定用戶j下行數(shù)據(jù)量的最低需求Dj(bit/Hz)；根據(jù)如圖3所示的功率分割原理將收到的信號功率分割成為兩部分，其中用于信息解碼的功率為用戶j下行接收到的數(shù)據(jù)量表達式為：Rjd=tjdlog2[1+(1-uj)hjdPBSPd,jn](bit/Hz)]]>可以得到下行數(shù)據(jù)量約束為：tjdlog2[1+(1-uj)hjdPBSPd,jn]≥Dj]]>其中，j＝1,2,3...M。S4、計算每個用戶下行收割到的能量的表達式；這里具體根據(jù)功率分割技術(shù)的原理得到。具體實現(xiàn)方法為：根據(jù)S1中提出的模型圖2、以及圖4可以得到用戶j采集到的能量表達式為：Erecv,j=βj(Σi≠jtid+ujtjd)hjdPBS]]>S5、根據(jù)S4中得到的用戶下行收集到的能量的表達式得出用戶上行數(shù)據(jù)量的表達式；具體包括以下子步驟：根據(jù)S1中提出的網(wǎng)絡(luò)模型圖2、以及圖4可以得到用戶j上行數(shù)據(jù)量表達式為：Rju=tjulog2[1+βj(Σi≠jtid+ujtjd)hjdhjuPBSPd,jutju](bit/Hz),]]>即，S6、通過聯(lián)合優(yōu)化用戶的上行下行時隙和功率分割因子完成用戶上行吞吐量公平性優(yōu)化，并得出傳輸策略；具體包括以下子步驟：S61、在滿足下行的業(yè)務(wù)需求消耗的同時，期望通過合理的分配每個用戶的上行下行傳輸時隙和每個用戶的功率分割因子，使得用戶上行數(shù)據(jù)量公平性達到最優(yōu)，則對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可以如下：maxtju,tjd,ujminj{Rju}]]>s.t.tjdlog2[1+(1-uj)hjdPBSPjd]≥Dj]]>Σj=1Mtju+tjd≤T]]>0≤uj≤1j＝1,2,...,MS62、該問題并不是一個凸優(yōu)化問題，需要對其進行變量替換，令則得到新的優(yōu)化問題如下：maxtju,tjd,xjminj{tjulog2[1+βj(Σi≠jtid+xj)hjdhjuPBSPd,jutju]}]]>s.t.tjdlog2(1+hjdPBSPjd-xjhjdPBSPjdtjd)≥Dj]]>Σj=1Mtju+tjd≤T]]>0≤xj≤tjd]]>j＝1,2,...,M新的優(yōu)化問題為凸問題的證明如下：目標(biāo)函數(shù)是函數(shù)的透視函數(shù)，由凸優(yōu)化理論(仿射函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和min函數(shù))的基本概念，不難證明是一個嚴(yán)格的凹函數(shù)。由于透視函數(shù)和原函數(shù)保持相同凸性，所以目標(biāo)函數(shù)是一個嚴(yán)格的凹函數(shù)。而剩余的約束條件都可以通過求海森矩陣來證明凸性，故變量替換后的問題是一個凸問題。S63、由于S62已經(jīng)證明了求解問題是一個凸優(yōu)化問題，所以可以通過拉格朗日對偶法得到最優(yōu)解。由于求解問題的特殊性，如果對問題直接迭代求解，復(fù)雜度太高，再對S62中的問題進行變換得到新問題如下：mintju,tjd,xjΣj=1Mtju+tjd]]>s.t.tjdlog2(1+hjdPBSPjd-xjhjdPBSPjdtjd)≥Dj]]>tjulog2[1+βj(Σi≠jtid+xj)hjdhjuPBSPd,jutju]≥R]]>0≤xj≤tjd]]>j＝1,2,...,M其中R為新引入的一個變量。S64、設(shè)置Rmax為一個較大的值，設(shè)置Rmin為0；取通過拉格朗日對偶法對S63中的問題求解；若優(yōu)化結(jié)果大于T，則取Rmax＝R，反之取Rmin＝R，再帶入到S63中求解，直到Rmax-Rmin＜ε(ε為預(yù)設(shè)的誤差容限)，最后得到最優(yōu)解。S65、根據(jù)S64得到的求解結(jié)果，確定傳輸策略。本發(fā)明的方法通過對一種數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的物理場景進行數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)凸優(yōu)化理論對模型求解，解決了在數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中，用戶通信能量來源于基站發(fā)送的射頻信號，且用戶有下行數(shù)據(jù)量需求的情況下，嚴(yán)格保證用戶上行傳輸公平性，最大化用戶上行數(shù)據(jù)量的問題。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3