一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法与流程

本发明涉及一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，属于无线能量传输领域。

背景技术：

随着物联网的迅速发展，快速增长的通信需求导致能量的迅速消耗，这严重制约着以能量受限传感器为基础的物联网的传输性能和使用寿命。然而，传统的电网充电和电池更换在一些特定传感器网络场景难以实现，如大规模传感器网络、嵌入式器件和偏远地区网络等。因此，急需一种有效的供能机制为能量受限的传输网络提供持续的能量补给。近年来，绿色通信的概念引起了广泛专家学者们的关注，其主要包括提高无线通信资源的利用率，以及将可再生能源作为无线通信网络的主要供能手段。将可再生能源引入无线通信网络，使得节点可以自发地从环境中获取能量的研究方兴未艾。

由于无线通信技术的飞速发展使得射频能量资源变得越来越丰富，基于射频信号的能量采集技术能够延长能量受限设备的使用寿命。基于此，无线供电通信网络正日益引起学者们的关注。近年来，无线供电通信网络得到了广泛的研究。无线供电通信网络运行的主要基础是收集再传输协议，该协议包含能量收集和数据传输两个阶段，在能量收集阶段，用户收集基站在下行链路辐射的能量信号；在数据传输阶段，用户利用先前收集的能量以时分多址的方式向基站发送数据。

现有技术中每个用户从用户到中继的信息传输和中继到混合接入点的信息传输时间是相同的，缺少了资源分配的灵活性，且能量收集对用户个体的传输速率有一定的负面影响，信息传输阶段的频谱利用率也有待进一步的提升。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，提高了整个网络的信息吞吐量。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种非正交多址接入的无线供电中继网络优化方法，包括能量收集阶段和信息传输阶段，所述信息传输阶段包括以下步骤：

1)对传输时间划分时隙，用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，中继以非正交多址的方式将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站；

2)计算信息传输阶段整个网络的系统总吞吐量；

3)根据上一步所得的系统总吞吐量，列出系统总吞吐量最大化的优化问题并求解。

所述步骤1)中定义一个传输块时间为t，令t＝1。一个传输块共分为k+2个时隙，其分别表示为τi,i＝0,1,…,k+1。

所述步骤1)中能量收集阶段τ0时间内，基站在下行链路中广播射频能量信号，各个中继收集基站发出的能量；

在信息传输阶段，从用户至基站的信息传输共分为两跳。第一跳用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，即在τi,i＝1,…,k时间内，用户ui传输信息给中继ri；第二跳所有中继以非正交多址的方式在τk+1时间内将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站。

所述步骤1)中整个系统的时间约束条件如下：

在能量收集阶段τ0内，第i中继ri采集到的能量er,i为：

er,i＝ηr,iph|hi|²τ0

其中，ηr.i是中继ri的能量收集效率，ph为基站发射功率，hi为基站到中继节点ri的信道增益，中继收集到的能量用于信息传输阶段第二跳τk+1时间内中继同时向基站传输信息，因此，第i中继ri在该阶段下的平均发送功率pr,i为：

所述步骤2)中系统总吞吐量ri为：

其中ri,1为第i用户ui到第i中继ri的吞吐量，ri,2为第i中继ri到基站的吞吐量。

所述步骤3)中系统总吞吐量最大化优化问题的表达式如下：

其中τ＝[τ0,τ1,…,τk+1]。

有益效果：本发明在现有的无线供电通信网络的中继到基站信息传输中使用非正交多址接入技术同时传输信息，提升了频谱利用率的同时，也提高了整个网络的总传输速率。

附图说明

图1为本发明无线供电中继网络的结构示意图；

图2为本发明帧传输块的时隙分配图；

图3为本发明与参照方案总吞吐量随基站发射功率变化图；

图4为本发明与参照方案的总吞吐量随用户数量变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实施例的无线供电中继网络包括一个基站，第一至第k中继与基站之间进行无线能量传输和无线信息传输，相对应地第一至第k用户又分别与相应的中继进行无线信息传输，用户和基站之间没有直接的链路，用户和中继分别用符号ui和ri，i＝1,…,k表示。中继与用户之间一一对应。例如，第二中继r2与基站之间存在无线能量传输和无线信息传输，第二用户u2与第二中继r2之间进行无线信息传输。

基站以及第一至第k个用户均分别配备内置的能量源，而第一至第k个中继则不具有能量源。由于中继没有能量源，所有的中继都是通过无线能量传输从基站发射的射频信号中获取能量。所有用户都采用单天线半双工通信方式。中继采用解码转发的方式工作。在本实施例的网络中所有信道均为平坦衰落信道，且所有信道在每个传输时间块内保持稳定。基站到中继节点ri的信道增益为hi，中继ri到用户ui之间的信道增益为gi。

本实施例无线供电中继网络具有能量收集和信息传输两个工作阶段。在能量收集阶段，用户获取基站下行链路中辐射的能量信号。而在信息传输阶段，用户先以时分多址的方式向其相应的中继进行无线信息传输。每个中继由于与基站之间均存在无线能量传输，能够利用其收集的来自基站的能量，采用非正交多址接入模式与基站进行无线信息传输。基站采用串行干扰消除技术解码出各个用户的信息。具体的包括以下步骤：

1)计算各个中继在能量收集阶段获取的能量并划分时隙。时隙分配如图2所示，首先定义一个传输块时间为t，令t＝1。一个传输块共分为k+2个时隙，其分别表示为τi,i＝0,1,…,k+1。

在第一阶段即能量收集阶段τ0时间内，基站在下行链路中广播射频能量信号，各个中继收集基站发出的能量。

在第二阶段即信息传输阶段，从用户至基站的信息传输共分为两跳。第一跳用户采用时分多址的方式无线传输信息给其相应的中继，即在τi,i＝1,…,k时间内，用户ui传输信息给中继ri；第二跳所有中继以非正交多址的方式在τk+1时间内将来自其相应用户的已解码信息同时传输给基站。对于系统的时间约束条件如下：

在能量收集阶段τ0内，基站通过恒定的基站发射功率ph向所有中继广播能量信号,所有中继采集的能量存储在能量存储器(例如电池)中。这里中继的能量仅来自于基站发送的能量信号，也就是中继不从其他中继和用户的信号中采集能量。在给定时隙内，第i中继ri采集到的能量er,i为：

er,i＝ηr,iph|hi|²τ0(2)

其中，ηr.i是中继ri的能量收集效率。中继收集到的能量用于信息传输阶段第二跳τk+1时间内中继同时向基站传输信息，因此，第i中继ri在该阶段下的平均发送功率pr,i为：

2)计算在信息传输阶段每个用户传输信息的吞吐量。在系统的第一跳从用户向基站的信息传输中，第i中继ri的接收信号yr,i为：

其中，pu,i表示第i用户ui的传输功率，xu,i～cn(0,1)是第i用户ui传输的信号，是第i中继ri处的加性高斯白噪声，其中cn(μ,σ²)表示均值为μ，方差为σ²的复高斯随机过程。因此，可以得出第一跳中第i用户ui到第i中继ri的吞吐量ri,1表示为：

在本实施例系统中，中继均采用解码转发的方式，即第i中继ri的接收信号yr,i可以在中继ri处被完全解码出来，第i中继ri将解码出的第i用户ui解码信号xr,i利用非正交多址的方式传输给基站，其中xr,i～cn(0,1)。基站处的接收信号yh,i表达式为

其中，是基站处的加性高斯白噪声。由于在中继节点与基站之间的信息传输中使用了非正交多址的方式传输数据，故需要利用串行干扰消除技术来求得接收信号在基站的信干噪比。串行干扰消除在基站处将信道条件较弱的信号视为干扰信号，从总叠加信号中解出信道条件最强的信号，再将已解出的最强信号从总叠加信号中减去，并将结果输出至下一级电路进行处理。在下一级电路中，也同样地先解出输入信号中最强的信号，接着从输入的总叠加信号中减去最强信号，并将最强信号与相减之后的总叠加信号隔离。相减后的总叠加信号再继续输入下一级按照同样的步骤处理。直至基站处所有的信号都被解码出来。

利用能量收集阶段中收集到的能量，第i中继ri到基站的信干噪比γi,2和第k中继的信干噪比γk,2分别为：

因此，可以得出第二跳中，第i中继ri到基站的吞吐量ri,2为：

ri,2＝τk+1log2(1+γi,2)(9)

故该网络中系统总吞吐量ri为：

3)根据已经求得的系统总吞吐量ri，以及时间分配的约束问题，列出系统总吞吐量最大化的优化问题，并对优化问题进行推导求解。该系统关于吞吐量优化问题的表达式如下：

其中τ＝[τ0,τ1,…,τk+1]。针对所述的优化问题，需要进行优化变量的调整来证明所述目标函数为凸问题。因为引入新的变量可以得到下述的约束条件：

所以，上述优化问题可以改写为如下的优化问题：

其中在该问题中，目标函数是凸函数，所有的约束条件都是仿射函数，故问题(15)为一个凸优化问题。针对吞吐量的凸优化问题，通过建立拉格朗日函数和应用kkt条件，求出在给定拉格朗日乘子情况下的最优时间分配的表达式。优化问题(15)的拉格朗日表达式如下：

为了保证该对偶函数的有界性，条件1-βi-μi＝0需要被保证。为此，拉格朗日函数可以化简为：

通过对拉格朗日函数应用kkt条件，可知，

上式中λ^*,β^*为满足系统吞吐量最大化的最优时间分配方案的最优拉格朗日乘子，τ^*为分别为满足系统吞吐量最大化的最优时间分配方案。

定义为使l(τ,λ,β)最大化的变量。由此，在λ和β给定的前提下，可以求出在给定拉格朗日乘子情况下的最优时间分配的表达式，如下：

其中表示最优时间分配下的一个时间比值，由以下的等式得到：

其中由以下的表达式得到：

最后利用次梯度算法来更新拉格朗日因子，利用迭代算法求出在总传输速率最大化情况下的最优时间分配，具体如下：

i)初始化拉格朗日乘子λ和β；

ii)根据公式(22)计算ξ0；

iii)利用次梯度算法更新拉格朗日乘子λ和β；

iv)重复执行步骤(2)和(3)，直至λ和β收敛；

v)根据公式(23)和公式(24)计算

vi)令

最后进行仿真实验加以验证。仿真环境的参数设定如下所示。从基站到第i中继ri之间的信道功率增益与从第i中继ri到第i用户ui间的信道功率增益分别定义为和其中d1,i和d2,i分别表示基站到第i中继ri、第i中继ri到第i用户ui之间的距离，θ1,i和θ2,i表示基站到第i中继ri以及第i中继ri到第i用户ui小尺度衰落且是满足方差为一的独立指数分布的随机变量，α1和α2分别是上述两个距离的路径损耗指数。除非有特别说明，令α1＝α2＝3.5，第i中继ri的能量采集效率ηr,i＝0.6，σr,i＝σh＝-70dbm，第i用户的发送功率pu,i＝25dbm。为了比较系统的性能，使用解码转发中继和时分多址方式的无线供电中继网络方案作为参照方案。

图3是本实施例在两个用户场景下的系统性能与传统正交多址模型的参照方案性能的比较曲线。根据用户位置的不同，考虑如下两种场景。场景一：基站与中继之间的信道功率增益明显不同，令h1>h2，g1＝g2，d1,1＝10m，d1,2＝15m，d2,1＝d2,2＝10m；场景二：基站与中继之间的信道功率增益略有不同，令h1≈h2，g1＝g2，d1,1＝12m，d1,2＝13m，d2,1＝d2,2＝10m。通过两个场景的系统性能比较，研究信道功率差异对系统吞吐量的影响。从图3中可以看出，随着基站发射功率的增加，所有模型的系统吞吐量均呈上升趋势。同时也可以很明显看出，本发明的两个场景下的优化方案明显优于同场景下的参照方案。这是因为在参照方案中，系统中同一用户下第一跳和第二跳的传输时间是相同的，因此限制了吞吐量的传输，在本实施例优化方案中由于使用了非正交多址方案，系统在第二跳中可以传输更多的能量，因此增加了系统的吞吐量。从图中还可以看出，场景一的系统吞吐量明显优于场景二的吞吐量且场景一中优化方案与参照方案的系统吞吐量差异也较场景二来说相对较大。这是因为当基站与不同中继之间的信道功率增益较大时，较多的时间分配给信道条件好的用户来传输信息，以此来增加系统的总吞吐量，这一优势在第二跳使用非正交多址方式进行传输时更为明显。故优化方案在两个用户模型下相比于参照方案都具有较大的系统吞吐量。

图4描述了本实施例在用户数量不同情况下的系统吞吐量变化曲线。根据用户与中继的位置不同，同样考虑两种场景。场景一：d1,i＝5+5im，d2,i＝10m；场景二：d1,i＝5+5im，d2,i＝15m。如图4所示，系统吞吐量是关于用户数量的增函数。这是因为随着用户数量的增加，中继在能量收集阶段收集的总能量增加，而分配给每个用户信息传输的时间减少了，导致了中继可以以更大的功率转发信息，从而系统吞吐量增加。从图4中看出，随着用户数量的增加，在两种场景下优化方案与参照方案的系统吞吐量均有所增加，且所提优化方案的系统吞吐量始终大于参照方案，这里也证实了所提出的非正交多址方案的优越性。