一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法技术

本发明专利技术公开了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，由基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分组成。本发明专利技术在做功率和时隙分配时考虑实际的RF‑CD电路的功率灵敏度的问题，不仅提高了多用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还兼顾了多用户数据队列传输的公平性和系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数能一体化通信网络
，具体涉及一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法的设计。
技术介绍
能量收集(EnergyHarvesting，EH)技术因其能为无线传感网络等能量受限网络提供稳定的能量并延长网络生命周期而具有大好发展前景。能量收集技术的能量来源不仅包括周围环境的大多数自然能源，如太阳能、光能、风能、热能、化学能等，还可以将接收的周围无线信号转化成一种电能，如人工获取的射频(RadioFrequency，RF)信号。而基于RF信号的能量收集因其可以不受天气环境影响并提供稳定能量成为研究热点。随着无线网络技术的快速发展和移动设备的数量急剧增加，如手机和可穿戴设备等用户设备(UEs)产生了巨大的数据量。如何为这些设备无线供能成为一个具有挑战性的问题。无线能量传输(WirelessEnergyTransfer，WET)技术可以收集外在RF信号并通过电路设计将其转化为直流(DirectCurrent，DC)电路用于无线信息传输(WirelessInformationTransfer，WIT)，从而处理一些能量受限和不稳定网络的能量瓶颈问题。数能一体化通信网络(Dataandenergyintegratedcommunicationnetworks，DEINs)是一种能实现数据与能量协作传输的新型网络。在数能一体化网络中，能量和数据可以同时传输，亦可以通过传输能量信号为能量受限设备提供能量进行信息传输，延长网络寿命。在一个典型的多用户数能一体化网络中，基站通过下行WET为用户提供能量，而用户通过这些能量来进行上行WIT。目前许多研究都集中在大数据传输技术，包括框架、传输协议和算法。其中有文献研究了移动自组织网络(MANETS)的大数据传输，提出了一种新的在网络中的分发票的协议，在带宽受限的环境中表现出较高的性能。另有文献提出了一种新的方案，该方案可以通过基于属性的加密(ABE)系统的动态策略更新方法进行有效的访问控制，并且考虑到了安全性问题。但是所有这些关于DEINs的研究都集中在上行总吞吐量和下行信息速率，而总的能量利用率却被忽略了。并且当前研究忽略了一些紧急UEs的数据需要首先发送，除此之外，当前研究并未考虑RF-DC电路的功率灵敏度，这会造成对上行WIT吞吐量的过高估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中对于多用户数能一体化通信网络能量利用效率缺乏研究，并且在做功率和时隙分配时未按实际要求考虑电池的容量受限以及RF-CD电路的功率灵敏度的问题，提出了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法。本专利技术的技术方案为：一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，包括以下步骤：S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；S2、根据系统特性定义传输策略；S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率；S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束；S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。进一步地，步骤S1具体包括以下分步骤：S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电路门限值；S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下行WET阶段和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通过空分多址向基站传输信息。进一步地，步骤S2具体包括以下分步骤：S21、考虑公平性问题，定义紧急用户设备；S22、考虑系统的表现稳定性问题，定义传输策略。进一步地，步骤S4具体包括以下分步骤：S41、在基站部署迫零接收机并确定迫零接收机波束、接收信号以及信道增益；S42、根据步骤S41所得的迫零接收机波束、接收信号以及信道增益，在已知高斯噪声功率的情况下，根据香农公式确定对应的信息传输速率。进一步地，步骤S5具体包括以下分步骤：S51、得到能够保证紧急用户设备发送的基站发送功率下限；S52、得到各用户的上行链路的发送功率与基站的发送功率的关系；S53、考虑到系统的稳定性，每个时隙发送的数据量满足一定的比例，得到目标函数的约束条件；S54、得到优化目标表达式。进一步地，步骤S6具体包括以下分步骤：S61、考虑公平性得到最优波束设计的目标函数；S62、求解得到最优波束设计。进一步地，步骤S7具体包括以下分步骤：S71、对基站的传输功率范围区间[Pmin,Pmax]划分子空间；S72、对其中一个子空间求出基站功率的最优化分配；S73、求得能量效率最优解。本专利技术的有益效果是：本专利技术包括基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分，在做功率和时隙分配时考虑实际的RF-CD电路的功率灵敏度的问题，不仅提高了多用户数能一体化通信网络的能量利用效率，同时还兼顾了多用户数据队列传输的公平性和系统稳定性。附图说明图1为本专利技术提供的一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法流程图。图2为本专利技术实施例的数能一体化网络模型示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的说明。本专利技术提供了一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，由基站下行波束设计、功率分配和时隙分配三个部分组成，如图1所示，具体包括以下步骤：S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议。该步骤具体包括以下分步骤：S11、假设数能一体化网络模型中基站有M根天线，且一共有K个单天线用户，且M≥K。假设基站与用户之间的信道为瑞利信道，信道参数满足瑞利分布，且信道参数在一个时隙中保持恒定。另设基站传输的最大功率Pmax，信道间的噪声功率为σ2，用户与基站的距离分别为Di(i＝1,...,K)，每个用户含有一个待发送数据队列长度Ii(i＝1,...,K)，用户的电路门限值分别为αi(i＝1,...,K)。数能一体化网络模型如图2所示。S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，设定每个时隙有固定周期T，且划分为τ·T的下行WET阶段和(1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；S2、根据系统特性定义传输策略；S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息和天线波束分配，求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率；S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束；S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。

【技术特征摘要】
1.一种数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定网络模型，并为其分配时分双工传输协议；
S2、根据系统特性定义传输策略；
S3、当每个时隙下行WET在发射功率一定时，假设已知信道状态信息和天线波束分配，
求每个用户的接收信号，接收功率和接收能量；
S4、当每个时隙上行WIT阶段时，计算用户的信息传输速率；
S5、定义优化目标为最大化能量利用率，得到优化目标表达式以及其约束；
S6、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优波束设计；
S7、根据优化目标表达式以及其约束求解出最优化功率分配和时间分配。
2.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所
述步骤S1具体包括以下分步骤：
S11、假设数能一体化网络模型由一个基站和多个距离不同的用户组成，确定基站的天
线数量、用户数量以及用户的天线数量；同时，确定基站与用户之间的传输信道、基站传输
的最大功率、信道间的噪声功率、每个用户与基站的距离、用户的电路门限值；
S12、对数能一体化网络模型采用时分双工模式，确定每个时隙固定周期，且划分为下
行WET阶段和上行WIT阶段；在上行WIT阶段基站广播能量信号，在下行WET阶段所有用户通
过空分多址向基站传输信息。
3.根据权利要求1所述的数能一体化通信网络的资源分配最优化方法，其特征在于，所
述步骤S2具体包括以下分步骤：
S21、考虑公平性问题，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于秦，杨鲲，赵毅哲，张兰心，薛英宏，吴凡，杨建军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51