一種多用戶多天線數能一體化通信網絡吞吐量優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數能一體化通信網絡技術領域，具體涉及一種多用戶多天線數能一體 化通信網絡吞吐量優化方法的設計。
【背景技術】
[0002] 能量收集(Energy Harvesting，EH)技術因其能為無線傳感網絡等能量受限網絡 提供穩定的能量并延長網絡生命周期而具有大好發展前景。能量收集技術的能量來源不僅 包括周圍環境的大多數自然能源，如太陽能、光能、風能、熱能、化學能等，還可以將接收的 周圍無線信號轉化成一種電能，如人工獲取的射頻(Radio Frequency，RF)信號。而基于RF 信號的能量收集因其可以不受天氣環境影響并提供穩定能量成為研究熱點。
[0003] 無線能量傳輸(Wireless Energy Transfer，WET)技術可以收集外在RF信號并通 過電路設計將其轉化為直流（Direct Current，DC)電路用于無線信息傳輸(Wireless Information Transfer，WIT)，從而處理一些能量受限和不穩定網絡的能量瓶頸問題。數能 一體化通信網絡（Data and energy integrated communication networks，DEINs)是一種 能實現數據與能量協作傳輸的新型網絡。在數能一體化網絡中，能量和數據可以同時傳輸， 亦可以通過傳輸能量信號為能量受限設備提供能量進行信息傳輸，延長網絡壽命。在一個 典型的多用戶數能一體化網絡中，基站通過下行WET為用戶提供能量，而用戶通過這些能量 來進行上行WIT。
[0004] 目前已有研究考慮數能一體化通信網絡吞吐量近最優化方案。部分研究中考慮了 多用戶單天線數能一體化通信網絡吞吐量最優化方案，不僅考慮了上行總吞吐量，并基于 公平性考慮了一種動態時間分配策略來最優化用戶最小吞吐量。部分研究考慮多用戶多天 線數能一體化網絡吞吐量最優化方案，基于公平性提出了聯合優化和兩個子優化兩種方 案。
[0005] 然而，現在對于多用戶數能一體化網絡吞吐量的研究都沒有考慮RF-DC轉換電路 功率門限，這會造成對上行WIT吞吐量的過高估計。而且，當前研究在做功率和時隙分配時， 都沒有對用戶所攜帶的電池容量做分析，未考慮電池的容量受限，這不符合實際。另外，當 前研究沒有考慮動態的功率分配方案，即未考慮某些時隙多用戶的接收功率可能為零且上 一時隙的功率可以用于下一時隙的方案，這使得上行WIT吞吐量并非最優。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了解決現有技術中對于多用戶數能一體化網絡吞吐量的研究 中對上行WIT吞吐量的估計過高，并非最優，并且在做功率和時隙分配時未按實際要求考慮 電池的容量受限的問題，提出了一種多用戶多天線數能一體化通信網絡吞吐量優化方法。
[0007] 本發明的技術方案為:一種多用戶多天線數能一體化通信網絡吞吐量優化方法， 由基站下行波束設計、多用戶接收能量概率求解、功率分配和時隙分配四個部分組成，具體 包括以下步驟：
[0008] SI、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議；
[0009] S2、當每個時隙下行TCT在發射功率一定時，假設已知信道狀態信息（Channel State Information，CSI)和天線波束分配，求每個用戶的接收信號，接收功率和接收能量； [0010] S3、定義第一優化目標為最大化最小用戶接收功率，得到第一優化目標表達式以 及其約束；
[0011] S4、根據第一優化目標表達式以及其約束求解出最優波束設計；
[0012] S5、根據S2中所得的每個用戶給定發射功率對應的在最優波束設計下的接收功 率，通過無窮多次的生成隨機信道迭代的方式來近似求出接收功率大于其RF-DC轉換電路 門限的概率，即能量收割概率 Pl;
[0013] S6、根據能量收割概率?1為每個用戶在每一個時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S6中分配的能量設計動態時隙分配，并定義第二優化目標為最大化用戶 間最小平均上行吞吐量，得到第二優化目標表達式以及其約束；
[0015] S8、根據第二優化目標表達式以及其約束求解出最優時隙分配設計。
[0016] 進一步地，Sl具體包括以下分步驟：
[0017] S11、假設數能一體化網絡模型由一個基站和多個距離不同的用戶組成，確定基站 的天線數量、用戶數量以及用戶的天線數量；同時，確定基站與用戶之間的傳輸信道、基站 傳輸的最大功率、信道間的噪聲功率、每個用戶與基站的距離、用戶的電池最大容量和用戶 的電路門限值；
[0018] S12、對一體化網絡采用時分雙工模式，確定每個時隙固定周期，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，在下行WET階段所有用戶通過空分 多址（Space-Di vis ion-Mult iple-Access，SDMA)向基站傳輸信息。
[0019] 進一步地，S4具體包括以下分步驟：
[0020] S41、將非凸問題經松弛化處理轉換為凸問題；
[0021] S42、定義拉格朗日函數和對偶函數；
[0022] S43、設計多次生成隨機信道迭代的算法求解出最優波束設計。
[0023]進一步地，S6具體包括以下分步驟：
[0024] S61、對于每個時隙，根據上行WIT階段用戶發射功率、電池總容量、可用電池量和 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、由于存在電路門限，則用戶在某個時隙有著收集不到能量的可能，根據平均 優化理論，當各個周期的吞吐量趨于平均化時，系統的總性能才會達到最優。因此，我們就 要使每個周期傳輸信息的能量趨于平均化，即每個周期提取出當前可用電池量的Pl部分用 來傳輸信息。
[0026]進一步地，S7具體包括以下分步驟：
[0027] S71、在基站部署迫零接收機，可以使得上行的信息傳輸速率與下行的接收功率以 及波束設計無關，同時消除了不同用戶之間的干擾;確定迫零接收機波束、接收信號以及信 道增益；
[0028] S72、根據S71所得的迫零接收機波束、接收信號以及信道增益，在已知高斯噪聲功 率的情況下，根據香農公式確定對應的信息傳輸速率；
[0029] S73、根據能量傳輸的時間需滿足用于能量存儲不自溢原則，確定時間約束；
[0030] S74、得到第二優化目標表達式以及其約束表達式。
[0031]進一步地，S8具體包括以下分步驟：
[0032] S81、將非凸問題經松弛化處理轉換為凸問題；
[0033] S82、定義拉格朗日函數和對偶函數；
[0034] S83、設計迭代二分法算法求解出最優時隙分配設計。
[0035] 本發明的有益效果是:本發明考慮了多用戶的RF-DC電路門限以及用戶電池容量 受限和動態分配，更貼近實際約束，并且在多用戶多天線數能一體化通信網絡中提高了不 同距離用戶能量接收的公平性，同時增加了用戶間的上行數據傳輸最小吞吐量。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明提供的一種多用戶多天線數能一體化通信網絡吞吐量優化方法流程 圖。
[0037] 圖2為本發明實施例的數能一體化網絡模型示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的說明。
[0039] 本發明提供了一種多用戶多天線數能一體化通信網絡吞吐量優化方法，由基站下 行波束設計、多用戶接收能量概率求解、功率分配和時隙分配四個部分組成，如圖1所示，具 體包括以下步驟：
[0040] Sl、確定網絡模型，并為其分配時分雙工傳輸協議。
[0041 ]該步驟具體包括以下分步驟：
[0042] S11、假設數能一體化網絡模型中基站有M根天線，且一共有K個單天線用戶，且M2 K。假設基站與用戶之間的信道為瑞利信道，信道參數滿足瑞利分布，且信道參數在一個時 隙中保持恒定。另設基站傳輸的最大功率Pmax，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)，每個用戶的電池最大容量為Qmax，用戶的電路門限值分別為ai(i = 1，...，K)。數能一體化網絡模型如圖2所示。
[0043] S12、對一體化網絡采用時分雙工模式，設定每個時隙有固定周期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。在開始下行WET之前，廣播控制幀用 于確定該周期基站與用戶進行信息交互的參數，包括最優波束設計、每個用戶的能量收集 概率和上行下行時隙比例分配等，因為控制幀占得時隙比例與另外兩部分相比是非常的 小，所以在時隙分配中可以忽略。為方便計算，本發明實施例中假設T = ls。
[0044] S2、當每個時隙下行WET在發射功率一定時，假設第1個時隙第i個用戶的上行信道 增益t =(% I q 。其中，是由RF信號傳播環境所確定的常數，β為路徑衰落指 數，(^表示陰影衰落，guec*1為瑞利衰落系數，Cm*1為M*1矩陣。了讓CSI已知，假設C 1=U因 此，下行信道信息可簡單表示為In/。假設在下行WET中，X1Q為發送信號。則用戶在第1時隙 的接收信號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)為接收機噪聲，τι為下行WET時間，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為能量轉換效率，為方便計算，本發 明實施例中假設^=1。
[0049] S3、定義第一優化目標為最大化最小用戶接收功率，則第一優化目標表達式為： 。其約束為：N ωιΝ2=ι以及χι〇2<ρ·χ。
[0050] S4、根據第一優化目標表達式以及其約束求解出最優波束設計。
[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射功率，因此本 發明實施例中便將基站的發射功率選取為最大值來討論。則接收功率可表示為：
[0052]
[0053] 則第一優化目標表達式為：0其約束表示為：I I ω