一種多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多用戶多天線數(shù)能一體 化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 能量收集(Energy Harvesting，EH)技術(shù)因其能為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等能量受限網(wǎng)絡(luò) 提供穩(wěn)定的能量并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期而具有大好發(fā)展前景。能量收集技術(shù)的能量來(lái)源不僅 包括周?chē)h(huán)境的大多數(shù)自然能源，如太陽(yáng)能、光能、風(fēng)能、熱能、化學(xué)能等，還可以將接收的 周?chē)鸁o(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)化成一種電能，如人工獲取的射頻(Radio Frequency，RF)信號(hào)。而基于RF 信號(hào)的能量收集因其可以不受天氣環(huán)境影響并提供穩(wěn)定能量成為研究熱點(diǎn)。
[0003] 無(wú)線能量傳輸(Wireless Energy Transfer，WET)技術(shù)可以收集外在RF信號(hào)并通 過(guò)電路設(shè)計(jì)將其轉(zhuǎn)化為直流（Direct Current，DC)電路用于無(wú)線信息傳輸(Wireless Information Transfer，WIT)，從而處理一些能量受限和不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的能量瓶頸問(wèn)題。數(shù)能 一體化通信網(wǎng)絡(luò)（Data and energy integrated communication networks，DEINs)是一種 能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與能量協(xié)作傳輸?shù)男滦途W(wǎng)絡(luò)。在數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中，能量和數(shù)據(jù)可以同時(shí)傳輸， 亦可以通過(guò)傳輸能量信號(hào)為能量受限設(shè)備提供能量進(jìn)行信息傳輸，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在一個(gè) 典型的多用戶數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)中，基站通過(guò)下行WET為用戶提供能量，而用戶通過(guò)這些能量 來(lái)進(jìn)行上行WIT。
[0004] 目前已有研究考慮數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量近最優(yōu)化方案。部分研究中考慮了 多用戶單天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量最優(yōu)化方案，不僅考慮了上行總吞吐量，并基于 公平性考慮了一種動(dòng)態(tài)時(shí)間分配策略來(lái)最優(yōu)化用戶最小吞吐量。部分研究考慮多用戶多天 線數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)吞吐量最優(yōu)化方案，基于公平性提出了聯(lián)合優(yōu)化和兩個(gè)子優(yōu)化兩種方 案。
[0005] 然而，現(xiàn)在對(duì)于多用戶數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)吞吐量的研究都沒(méi)有考慮RF-DC轉(zhuǎn)換電路 功率門(mén)限，這會(huì)造成對(duì)上行WIT吞吐量的過(guò)高估計(jì)。而且，當(dāng)前研究在做功率和時(shí)隙分配時(shí)， 都沒(méi)有對(duì)用戶所攜帶的電池容量做分析，未考慮電池的容量受限，這不符合實(shí)際。另外，當(dāng) 前研究沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)的功率分配方案，即未考慮某些時(shí)隙多用戶的接收功率可能為零且上 一時(shí)隙的功率可以用于下一時(shí)隙的方案，這使得上行WIT吞吐量并非最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于多用戶數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)吞吐量的研究 中對(duì)上行WIT吞吐量的估計(jì)過(guò)高，并非最優(yōu)，并且在做功率和時(shí)隙分配時(shí)未按實(shí)際要求考慮 電池的容量受限的問(wèn)題，提出了一種多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法， 由基站下行波束設(shè)計(jì)、多用戶接收能量概率求解、功率分配和時(shí)隙分配四個(gè)部分組成，具體 包括以下步驟：
[0008] SI、確定網(wǎng)絡(luò)模型，并為其分配時(shí)分雙工傳輸協(xié)議；
[0009] S2、當(dāng)每個(gè)時(shí)隙下行TCT在發(fā)射功率一定時(shí)，假設(shè)已知信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI)和天線波束分配，求每個(gè)用戶的接收信號(hào)，接收功率和接收能量； [0010] S3、定義第一優(yōu)化目標(biāo)為最大化最小用戶接收功率，得到第一優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以 及其約束；
[0011] S4、根據(jù)第一優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以及其約束求解出最優(yōu)波束設(shè)計(jì)；
[0012] S5、根據(jù)S2中所得的每個(gè)用戶給定發(fā)射功率對(duì)應(yīng)的在最優(yōu)波束設(shè)計(jì)下的接收功 率，通過(guò)無(wú)窮多次的生成隨機(jī)信道迭代的方式來(lái)近似求出接收功率大于其RF-DC轉(zhuǎn)換電路 門(mén)限的概率，即能量收割概率 Pl;
[0013] S6、根據(jù)能量收割概率?1為每個(gè)用戶在每一個(gè)時(shí)隙分配可用電池量的？1部分作為 上行WIT階段所用的能量；
[0014] S7、根據(jù)S6中分配的能量設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，并定義第二優(yōu)化目標(biāo)為最大化用戶 間最小平均上行吞吐量，得到第二優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以及其約束；
[0015] S8、根據(jù)第二優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以及其約束求解出最優(yōu)時(shí)隙分配設(shè)計(jì)。
[0016] 進(jìn)一步地，Sl具體包括以下分步驟：
[0017] S11、假設(shè)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)模型由一個(gè)基站和多個(gè)距離不同的用戶組成，確定基站 的天線數(shù)量、用戶數(shù)量以及用戶的天線數(shù)量；同時(shí)，確定基站與用戶之間的傳輸信道、基站 傳輸?shù)淖畲蠊β?、信道間的噪聲功率、每個(gè)用戶與基站的距離、用戶的電池最大容量和用戶 的電路門(mén)限值；
[0018] S12、對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)分雙工模式，確定每個(gè)時(shí)隙固定周期，且劃分為下行WET 階段和上行WIT階段;在上行WIT階段基站廣播能量信號(hào)，在下行WET階段所有用戶通過(guò)空分 多址（Space-Di vis ion-Mult iple-Access，SDMA)向基站傳輸信息。
[0019] 進(jìn)一步地，S4具體包括以下分步驟：
[0020] S41、將非凸問(wèn)題經(jīng)松弛化處理轉(zhuǎn)換為凸問(wèn)題；
[0021] S42、定義拉格朗日函數(shù)和對(duì)偶函數(shù)；
[0022] S43、設(shè)計(jì)多次生成隨機(jī)信道迭代的算法求解出最優(yōu)波束設(shè)計(jì)。
[0023]進(jìn)一步地，S6具體包括以下分步驟：
[0024] S61、對(duì)于每個(gè)時(shí)隙，根據(jù)上行WIT階段用戶發(fā)射功率、電池總?cè)萘?、可用電池量?確定消耗的電池量大小，得到可用電池量和確定消耗的電池量需滿足的約束；
[0025] S62、由于存在電路門(mén)限，則用戶在某個(gè)時(shí)隙有著收集不到能量的可能，根據(jù)平均 優(yōu)化理論，當(dāng)各個(gè)周期的吞吐量趨于平均化時(shí)，系統(tǒng)的總性能才會(huì)達(dá)到最優(yōu)。因此，我們就 要使每個(gè)周期傳輸信息的能量趨于平均化，即每個(gè)周期提取出當(dāng)前可用電池量的Pl部分用 來(lái)傳輸信息。
[0026]進(jìn)一步地，S7具體包括以下分步驟：
[0027] S71、在基站部署迫零接收機(jī)，可以使得上行的信息傳輸速率與下行的接收功率以 及波束設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，同時(shí)消除了不同用戶之間的干擾;確定迫零接收機(jī)波束、接收信號(hào)以及信 道增益；
[0028] S72、根據(jù)S71所得的迫零接收機(jī)波束、接收信號(hào)以及信道增益，在已知高斯噪聲功 率的情況下，根據(jù)香農(nóng)公式確定對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率；
[0029] S73、根據(jù)能量傳輸?shù)臅r(shí)間需滿足用于能量存儲(chǔ)不自溢原則，確定時(shí)間約束；
[0030] S74、得到第二優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以及其約束表達(dá)式。
[0031]進(jìn)一步地，S8具體包括以下分步驟：
[0032] S81、將非凸問(wèn)題經(jīng)松弛化處理轉(zhuǎn)換為凸問(wèn)題；
[0033] S82、定義拉格朗日函數(shù)和對(duì)偶函數(shù)；
[0034] S83、設(shè)計(jì)迭代二分法算法求解出最優(yōu)時(shí)隙分配設(shè)計(jì)。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明考慮了多用戶的RF-DC電路門(mén)限以及用戶電池容量 受限和動(dòng)態(tài)分配，更貼近實(shí)際約束，并且在多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)中提高了不 同距離用戶能量接收的公平性，同時(shí)增加了用戶間的上行數(shù)據(jù)傳輸最小吞吐量。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為本發(fā)明提供的一種多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法流程 圖。
[0037] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0039] 本發(fā)明提供了一種多用戶多天線數(shù)能一體化通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量?jī)?yōu)化方法，由基站下 行波束設(shè)計(jì)、多用戶接收能量概率求解、功率分配和時(shí)隙分配四個(gè)部分組成，如圖1所示，具 體包括以下步驟：
[0040] Sl、確定網(wǎng)絡(luò)模型，并為其分配時(shí)分雙工傳輸協(xié)議。
[0041 ]該步驟具體包括以下分步驟：
[0042] S11、假設(shè)數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)模型中基站有M根天線，且一共有K個(gè)單天線用戶，且M2 K。假設(shè)基站與用戶之間的信道為瑞利信道，信道參數(shù)滿足瑞利分布，且信道參數(shù)在一個(gè)時(shí) 隙中保持恒定。另設(shè)基站傳輸?shù)淖畲蠊β蔖max，信道間的噪聲功率為σ2,用戶與基站的距離 分別為D 1Q = I, ...，Κ)，每個(gè)用戶的電池最大容量為Qmax，用戶的電路門(mén)限值分別為ai(i = 1，...，K)。數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。
[0043] S12、對(duì)一體化網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)分雙工模式，設(shè)定每個(gè)時(shí)隙有固定周期Τ，且劃分為τ · T 的下行WET階段和（1-τ) · T上行WIT階段，其中0 < τ < 1。在開(kāi)始下行WET之前，廣播控制幀用 于確定該周期基站與用戶進(jìn)行信息交互的參數(shù)，包括最優(yōu)波束設(shè)計(jì)、每個(gè)用戶的能量收集 概率和上行下行時(shí)隙比例分配等，因?yàn)榭刂茙嫉脮r(shí)隙比例與另外兩部分相比是非常的 小，所以在時(shí)隙分配中可以忽略。為方便計(jì)算，本發(fā)明實(shí)施例中假設(shè)T = ls。
[0044] S2、當(dāng)每個(gè)時(shí)隙下行WET在發(fā)射功率一定時(shí)，假設(shè)第1個(gè)時(shí)隙第i個(gè)用戶的上行信道 增益t =(% I q 。其中，是由RF信號(hào)傳播環(huán)境所確定的常數(shù)，β為路徑衰落指 數(shù)，(^表示陰影衰落，guec*1為瑞利衰落系數(shù)，Cm*1為M*1矩陣。了讓CSI已知，假設(shè)C 1=U因 此，下行信道信息可簡(jiǎn)單表示為In/。假設(shè)在下行WET中，X1Q為發(fā)送信號(hào)。則用戶在第1時(shí)隙 的接收信號(hào)yi,i，接收功率Pi, i和接收能量Ei, i可以分別表不為：
[0045] yi,i = hi,iH〇ixi〇+ni,i,i = l, . . . ,K；
[0046]
[0047]
[0048] 其中，m,i~CN(0,〇i2)為接收機(jī)噪聲，τι為下行WET時(shí)間，ω^ΜΧΙ的波束向量，且 滿足I I ωι| |2=1，CO1H為〇^的赫米特矩陣，X1O2^P maxJi為能量轉(zhuǎn)換效率，為方便計(jì)算，本發(fā) 明實(shí)施例中假設(shè)^=1。
[0049] S3、定義第一優(yōu)化目標(biāo)為最大化最小用戶接收功率，則第一優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式為： 。其約束為：N ωιΝ2=ι以及χι〇2<ρ·χ。
[0050] S4、根據(jù)第一優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式以及其約束求解出最優(yōu)波束設(shè)計(jì)。
[0051] 為了使用戶收到的功率最大化，我們要盡可能的最大化基站的發(fā)射功率，因此本 發(fā)明實(shí)施例中便將基站的發(fā)射功率選取為最大值來(lái)討論。則接收功率可表示為：
[0052]
[0053] 則第一優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式為：0其約束表示為：I I ω