吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多天线无线通信网络下的信息传输与能量采集方法，尤其涉及一 种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，属于无线供电通信网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 无线能量采集技术可以从周围环境中收集或采集微小电磁能源，并把它们转换 为电能的过程。在无线通信网络以及一些其它潜在的应用中，所采集到的能源在每个通 信节点上都可作为电源使用。同时实现无线通信系统的信息传输与能量采集是当前通 信学科中的重要研究领域，这一技术可以有效提高无线通信系统的能耗效率。Varshney Lav R.于2008年在IEEE International Symposium on Information Theory发表论文 《Transporting information and energy simultaneously》表明可以折中实现无线通信与 功率传输。随后，人们针对同时实现无线通信与供电传输的方法展开了研究，Ju Hyungsik 于2014年在IEEE Transactions on Wireless Communications发表论文〈〈Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks》，该文南犬给出 了最优时间 分配方案，实现了该无线供电通信网络上行链路吞吐量最大化。然而，该方法仅考虑了各用 户节点从综合接入点采集能量的传输方案，并未对用户节点间能量采集的情况进行研究。 专利申请号为CN201410798696. 7的中国专利申请公开了一种基于多中继的SWIPT中继网 络中ARQ协议的实现方法，其特点是基于反馈信息选择有效中继节点并实施能量采集，但 是并未涉及吞吐量性能与能量采集的优化。
[0003] 考虑到相邻用户节点间实施能量采集可以优于从距离较远的接入点实施能量采 集的情况，本发明以用户节点上行链路吞吐量最大化为准则，设计了一种基于粒子群优化 的循环能量采集方法，有效优化了用户节点间信息传输与能量采集的时间分配方案，提高 网络用户节点能量采集效率，达到网络吞吐量最大化的目的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法， 通过对多天线通信系统的无线信息传输与能量采集的时间进行优化分配，有效提高网络能 量采集效率，实现网络上行链路吞吐量最大化。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0006] 一种吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 1)网络初始化，部署K+1(K》1)个节点，第k个节点配置天线数为Mk(k= 〇, 1，…，K);编号0为综合接入点，编号1-K为用户节点；综合接入点具有恒定功率为P。瓦， 用户节点初始功率为0瓦；综合接入点0与所有K个用户节点总通信时长为T秒，随机为 0~κ个节点分配初始工作时间tj，tj，"·，?κΤ ;其中，ti为时间分配权重（i = 0,i，…，κ)， 且 1:0+1^+...+1^= 1，令t=[t0ν..1:κ];
[0008] 2)网络初始传输
[0009] (1)下行链路能量采集：综合接入点在时间tQT内以功率P。发送下行链路信号x。； 各用户节点在时间WT内接收从综合接入点发送的下行链路信号X。，采集并存储此信号能 量；第k个用户节点接收信号Syk=Hk^+Zk，HkiAMkXM。信道矩阵，z#加性高斯白噪 声，且假定各节点所接收噪声信号功率可忽略；
[0010] (2)上行链路能量采集与信息传输：第k个用户节点在时间? 内对其它各用 户节点的上行链路信号均实施能量采集并存储，在时间tkT内按照时分多址方式发送自身 上行链路信息xk(k= 1，…，K);
[0011] 3)网络时间优化分配：
[0012] (1)计算各用户节点采集能量，即第k个粒子采集的能量为：
[0013]
[0014] 式中，为矩阵的共辄转置操作，（·）M为在第η次通信中对前k-Ι个用户节点 完成采集的能量，（·）[n1]为在第n-1次通信中对后k+Ι~K个用户节点完成采集的能量，Pi为第i个用户节点的发送功率，Dtl，akil分别为第i个用户节点到第k个用户节点的距 离和路径传输损耗系数，为第k个用户节点的能量转换效率，0 <ζk< 1 ;
[0015] ⑵计算各用户节点采集功率，即第k个粒子发送功率为：Pk=IIkVajO,式中 nk为采集能量利用率；
[0016] (3)计算各用户节点可获得上行链路吞吐量Ck(t)?丨= ，式中 Ik为M(jXM。维单位矩阵，H(Jik为第k个用户节点到综合接入点0的信道状态信息，δ2为噪声方差；
[0017] (4)计算网络当前上行链路吞吐量C(i) = (小 k=，\
[0018] (5)求解并更新节点分配时间t，计算网络当前上行链路吞吐量C(t);以上行链路 吞吐量最大化为准则，选取不同分配时间t所对应的最大C(t)值：
[0019]
[0020]
[0021] 式中，{C(t)}表示不同分配时间t对应的C(t)所构成的集合；mpjC(i)}表示选 取不同分配时间t对应的C(t)所构成集合中的最大C(t)值；s.t.Pk<P。表示计算C(t)过 程中的应满足的采集能量约束条件，即各节点可采集能量Pk应小于综合接入点0能量P
[0022] (6)保存对应最大C(t)值的节点分配时间t为优化后的时间分配值；
[0023] 4)网络传输阶段
[0024]在同一衰落信道块中，按照各节点优化后的时间分配值t，采用时分多址传输方式 进行信息传输与能量采集；即综合接入点〇在时隙tj内以功率P。持续发送下行链路信号 Xc，各用户节点在时隙wr内持续接收下行链路信号X。，采集并存储此信号能量；tiT时隙， 用户节点1以功率Pi向综合接入点〇发送上行链路信息，同时用户节点2,…，K在此时隙 内实施能量采集；t2T时隙，用户节点2以功率P2向综合接入点0发送上行链路信息，同时 用户节点1，3,…，K在此时隙内实施能量采集；以此类推，tkT时隙，用户节点k以功率匕向 综合接入点〇发送上行链路信息，用户节点1，2,…，k-1，k+Ι，…，K在此时隙内实施能量采 集；在下一信道衰落信道块中，若信道状态信息发生改变，则对网络各节点分配时间重新进 行优化，重复执行步骤3);否则，仍按当前各节点优化后的时间分配值，采用时分多址传输 方式进行信息传输与能量采集。
[0025] 本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
[0026] 前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述用户节点具备同时 信息传输与能量采集的双重射频链路，则在步骤2)中同时实现下行链路信号的信息传输 功能。
[0027] 前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述ζk小于0. 7。
[0028] 前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述步骤3)网络时间 优化分配阶段，基于凸优化算法对节点分配时间t进行求解。
[0029] 前述吞吐量最大化的多天线通信系统循环能量采集方法，所述步骤3)网络时间 优化分配阶段，基于启发式优化算法对节点分配时间t进行求解，基于启发式优化算法中 的标准粒子群优化方法对各节点分配时间tk进行求解的方法如下：
[0030] (1)映射K+1个节点到η个粒子；
[0031] (2)初