多载波数能同传NOMA网络能效最大化方法

多载波数能同传noma网络能效最大化方法
技术领域
1.本发明属于无线网络资源分配技术领域，具体地，涉及能量采集中继下多载波非正交多址接入系统中的能效最大化的功率控制方法。


背景技术：

2.随着下一代移动通信技术的飞速发展以及无线设备数量的迅猛增长，海量节点将会接入到通信网络中，如何在传输信息的同时延长设备的使用周期成为了现今亟待解决的问题之一。射频支持的无线能量传输已经成为一项成熟的技术，能够持续为无线通信网络进行供能，增强设备的生命周期。由于射频信号能够传递信息和能量，因此联合研究信息和能量传输以实现同步无线信息和功率传输(simultaneous wireless information and power transfer,swipt)，是一个更加新颖的绿色通信解决方案。考虑到无线中继并不总是方便配备固定电源，因此有人提出了带swipt的能量收集中继，通过不同的协议采集射频能量为无线中继供电，与此同时还可以保证信息的传输。
3.非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access,noma)是在发射机端采用叠加编码(superposition coding,sc)技术将不同用户的信号进行叠加，能够复用比正交资源时隙数量更多的用户，采用非正交资源分配来复用比正交资源时隙数量更多的用户，主动引入干扰信息。在接收机端多个设备的信号检测通过串行干扰消除(successive interference cancellation,sic)技术按照一定的顺序进行多用户检测、正确解调以及干扰消除，以便获得所需信息，比起传统的正交多址接入技术(orthogonal multiple access,oma),noma具有更高的频谱效率、能量效率、更高的小区边缘吞吐量、更低传输等待时间和更多的用户连接数等。而将多载波技术与noma相结合是一个具有挑战性的研究方向。
4.b.li等人在2020年《ieee transactions on vehicular technology》发表了题为“transceiver design for af mimo relay systems with a power splitting based energy harvesting relay node”的文章，该文章主要研究了af能量采集中继下的 mimo系统速率最大化问题，但是并未考虑将这一中继应用于多载波noma网络中，与此同时，随着未来海量通信设备的接入，如何最大化系统的能量效率也是一个值得考虑的问题。
5.因此，本专利主要针对半双工中继noma系统，在保证用户qos(qualityof service)和采集能量约束的要求下，研究基于多载波数能同传协作noma网络中的功率控制方法。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种多载波数能同传noma 网络能效最大化方法。本发明的技术方案如下：
7.一种多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其包括以下步骤：
8.初始化子载波个数和用户个数和位置，生成基站和中继的位置，并初始化参数；基
站和中继获取用户的信道状态信息csi，确定每个用户的信道增益，将用户按照信道增益进行升序排列；
9.建立优化问题，基于指数替换改写目标函数和约束并将目标函数进行分式规划处理，将约束进行放缩处理，得到等价问题；
10.内层更新参数，外层更新参数，迭代更新等价问题，得到等价问题函数值；
11.若达到收敛精度或等价问题迭代次数达到最大值，则得到分配的功率值和能量分流系数θ，并计算能效值ee，若未达到收敛精度且算法迭代次数未达到最大值，则返回对内层、外层更新参数。
12.进一步的，所述初始化子载波个数和用户个数和位置，生成基站和中继的位置，并初始化参数，基站和中继获取用户的信道状态信息csi，确定每个用户的信道增益，将用户按照信道增益进行升序排列，具体包括：
13.初始化系统参数k,n,hn,其中用户数为k，表示用户集，子载波数为n，表示子载波集，发射机和接收机的信道由两部分组成，即小尺度衰落和大尺度衰落，基站和中继之间信道增益为中继和用户信道增益表示为其中和为瑞利衰落系数，和分别为基站和中继以及中继和用户之间的直线距离，α为路径损耗指数；初始化算法参数q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
，其中q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
均为迭代参数的初始值；将信道进行升序排列|g
1n
|≤...≤|g
2n
|≤...≤|g
3n
|≤...≤|g
kn
|。
14.进一步的，所述建立优化问题具体包括：
15.在第一个时隙，基站发送广播信号，在第二个时隙中，中继处进行能量采集，采用能量分流协议，将接收到的信号分为两个部分，一部分用于放大转发，进行下一跳传输，另一部分用于能量采集，采集到的能量存入中继的电池中，为中继放大转发进行供能，该系统无需考虑中继的能量来源，中继通过基站发射的信号采集能量，能够充分利用通信资源，契合绿色通信的需求。由于在中继处需要能量开销维持其正常工作状态，因此，采集到的能量为：其中，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。因此，用户k在子载波n上的sinr为：用户k在子载波 n上可实现的和速率为：系数1/2是由于基站到用户的信号传递需要两个时隙；系统全局能量效率定义为系统的总传输速率r除以系统总能耗 e
com
，即系统的总速率为所有子载波上速率之和：而系统的总能耗为系统耗费的能量
减去电池存储的能量：其中，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗，将r和e
com
的表达式代入，建立优化问题：
[0016][0017]
s.t.
[0018][0019][0020][0021][0022][0023]
其中，是用户k在载波n的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,an为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，cn表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求， p
smax
为基站最大发射功率，hn为基站和中继之间在子载波n上的信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。
[0024]
式中，c1为基站最大传输功率约束，p
smax
表示基站的最大传输功率；c2为中继转发功率的约束，且考虑到实际采集到的能量未完全用完存储在其自带电池系统中的情况；c3为每个用户的最小速率需求约束，r
min
表示用户的最小速率需求；c4为功率和放大转发系数的非负约束；c5为能量分流系数的取值在0-1之间。
[0025]
进一步的，所述得到优化问题后，基于指数替换改写目标函数和约束，具体包括：
[0026]
通过指数替换：目标函数和约束改为：
[0027]
[0028]
s.t.
[0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036]
将约束c2用指数形式进行替换不等号右边部分在处进行一阶泰勒展开，其中ζ为当前的迭代次数，得到：
[0037][0038]
因此带入上式，可得到：
[0039][0040]
将约束c3：
[0041][0042]
改写为：
[0043][0044]
令原式可化为
[0045]
[0046]
其中，是用户k在载波n的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,an为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，cn表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求， p
smax
为基站最大发射功率，hn为基站和中继之间在子载波n上的信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。
[0047]
进一步的，所述将目标函数进行分式规划处理，将约束进行放缩处理，得到等价问题，具体包括：
[0048]
对于目标函数，首先通过分式规划改写为两式相减：
[0049][0050]
其中，λ
(ζ)
＞0，为分式规划迭代因子，其中ζ为当前的迭代次数，再通过放缩、泰勒展开改写为：
[0051][0052]
其中，q
(ζ)
，p
(ζ)
为内层更新的参数，λ
(ζ)
为外层更新的参数，其中ζ为当前的迭代次数，最后，问题等价为：
[0053][0054]
s.t.
[0055][0056]
[0057][0058][0059][0060][0061]
其中，是用户k在载波n的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,an为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，cn表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求， p
smax
为基站最大发射功率，hn为基站和中继之间在子载波n上的信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。
[0062]
进一步的，所述内层更新参数，外层更新参数，迭代更新等价问题，得到等价问题函数值，具体包括：内层参数根据：内层参数根据更新，其中ζ为当前的迭代次数，而外层参数根据来更新，同理，其中ζ为当前的迭代次数，ζ 1为下一次的迭代次数；并求解每次迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)。
[0063]
进一步的，所述若达到收敛精度或等价问题迭代次数达到最大值，则得到分配的功率值和能量分流系数θ，并计算能效值ee，若未达到收敛精度且算法迭代次数未达到最大值，则返回对内层、外层更新参数，具体包括：
[0064]
即将得到的迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)，带入进行计算；若成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee；若不成立时，则查看ζ＝ζ
max
是否成立，若ζ＝ζ
max
成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee，若ζ＝ζ
max
不成立，则返回更新内层、外层参数。
[0065]
本发明的优点及有益效果如下：
[0066]
本发明所提供的系统无需考虑中继的能量来源，中继只通过基站发射的信号采集能量，能够充分利用通信资源，契合绿色通信的需求且方法具有复杂度低，收敛次数少的特点，通过指数替换、分式规划和泰勒展开等方法将约束和函数凸化，能够充分逼近最优解，且对于相比于其他方案能在保证用户qos和中继采集能量的基础上最大化系统的能量效率，降低系统能耗，特别适合多载波协作noma网络，简化程序，便于操作，有效提升了整体的
可行性和实用性，进而提高系统整体的效率，绿色环保，经济成本低且值得推广。
附图说明
[0067]
图1是本发明提供优选实施例多载波数能同传协作noma网络链路模型；
[0068]
图2为本发明中算法迭代收敛次数；
[0069]
图3为本发明中基站发射功率与系统能效的影响；
[0070]
图4为本发明中电路恒定损耗与系统能耗的影响；
[0071]
图5为本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0072]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0073]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0074]
本发明公开多载波数能同传协作noma网络的能效最大化方法，包括：
[0075]
初始化子载波个数和用户个数和位置，生成基站和中继的位置，并初始化算法参数；基站和中继获取用户的信道状态信息csi，确定每个用户的信道增益，将用户按照信道增益进行升序排列；建立优化问题，基于指数替换改写目标函数和约束并将目标函数进行分式规划处理，将约束进行放缩处理，得到等价问题；内层更新参数，外层更新参数，迭代更新等价问题，得到等价问题优化值；若达到收敛精度或等价问题迭代次数达到最大值，则得到分配的功率值和能量分流系数θ，并计算能效值ee。本发明所提供的方法具有复杂度低，收敛次数少的特点，相比于其他方案能在保证用户速率需求的基础上最大化系统的能量效率，适合下行多载波数能同传协作noma网络，具有较好的可行性和实用性。
[0076]
本实施为多载波数能同传协作noma网络的能效最大化方法，在多载波数能同传协作noma网络中，包含一个基站和一个能量采集中继，有k个用户， n个子载波，用户随机分布在半径为5米的服务范围内，信号由基站发送给中继，中继采用放大转发协议将信号发送给用户。发射机和接收机的信道由两部分组成，即小尺度衰落和大尺度衰落，基站和中继之间信道增益为中继和用户信道增益表示为其中和为瑞利衰落系数，和分别为基站和中继以及中继和用户之间的直线距离，α为路径损耗指数，设置为 2。z
sr
和z
rk
分别为在d
sr
和d
rk
为1米时的信道增益，均为0.1。系统带宽b为5m hz，加性高斯白噪声能量谱密度为－174dbm/hz。迭代收敛门限ε为10^(-4)，最大迭代次数ζ
max
为100次。r
min
,p
smax
分别为用户最小速率需求和系统最大发射功率，分别取0.1bits/s/hz和30dbm。
[0077]
下面结合上述具体实例对本发明所述提供一种多载波数能同传协作noma 网络中的能效最大化的方法做详细说明：
[0078]
(1)初始化系统参数k,n,hn,其中用户数为k，表示用户集，子载波数为n，表示子载波集，发射机和接收机的信道由两部分组成，即小尺度衰落和大尺度衰落，基站和中继之间信道增益为中继和用户信道增益表示为
其中和为瑞利衰落系数，和分别为基站和中继以及中继和用户之间的直线距离，α为路径损耗指数。初始化算法参数q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
，其中q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
均为迭代参数的初始值。将信道进行升序排列|g
1n
|≤...≤|g
2n
|≤...≤|g
3n
|≤...≤|g
kn
|。
[0079]
(2)在第一个时隙，基站发送广播信号，在第二个时隙中，中继处进行能量采集，采用能量分流协议，将接收到的信号通过分为两个部分，一部分用于放大转发，进行下一跳传输，另一部分用于能量采集，采集到的能量存入中继的电池中，为中继放大转发进行供能。写出用户k在子载波n上的sinr为：用户k在子载波 n上可实现的和速率为：系数1/2是由于基站到用户的信号传递需要两个时隙。系统全局能量效率定义为系统的总传输速率r除以系统总能耗 e
com
，即系统的总速率为所有子载波上速率之和：而系统的总能耗为系统耗费的能量减去电池存储的能量：其中，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。将r和e
com
的表达式代入，建立优化问题：
[0080][0081]
s.t.
[0082][0083][0084][0085][0086]
[0087]
其中，是用户k在载波n的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,an为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，cn表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求， p
smax
为基站最大发射功率，hn为基站和中继之间在子载波n上的信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，pc是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。
[0088]
式中，c1为基站最大传输功率约束，p
smax
表示基站的最大传输功率；c2为中继转发功率的约束；c3为每个用户的最小速率需求约束，r
min
表示用户的最小速率需求；c4为功率和放大转发系数的非负约束；c5为能量分流系数的取值在 0-1之间。
[0089]
将约束c2用指数形式进行替换不等号右边部分在处进行一阶泰勒展开，其中ζ为当前的迭代次数，得到：
[0090][0091]
因此带入上式，可得到：
[0092][0093]
将约束c3：
[0094][0095]
改写为：
[0096][0097]
令原式可化为
[0098][0099]
对于目标函数，首先通过分式规划改写为两式相减：
[0100][0101]
其中，λ
(ζ)
＞0，为分式规划迭代因子，其中ζ为当前的迭代次数。再通过放缩、泰勒展开改写为：
[0102][0103]
其中，q
(ζ)
，p
(ζ)
为内层更新的参数，λ
(ζ)
为外层更新的参数，其中ζ为当前的迭代次数。最后，问题等价为：
[0104][0105]
s.t.
[0106][0107][0108][0109][0110][0111][0112]
(3)内层参数根据据更新，其中ζ为当前的迭代次数，
而外层参数根据来更新，同理，其中ζ为当前的迭代次数，ζ 1为下一次的迭代次数。并求解每次迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)。
[0113]
(4)即将(3)中得到的迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)，带入进行计算。若成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee；若不成立时，则查看ζ＝ζ
max
是否成立，若ζ＝ζ
max
成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee，若ζ＝ζ
max
不成立，则返回步骤 4)。
[0114]
最后，得到优化变量值：a
n*
，b
n*
，c
n*
，得到得到
[0115]
带入能效表达式
[0116][0117]
得到能效值，算法结束。
[0118]
在本实施例中，图1为本发明提供实例多载波数能同传协作noma网络链路模型。图2为本发明中算法迭代次数对系统能效的影响。图3为本发明中用户基站发射功率与系统能效的影响。图4为本发明中电路恒定损耗与系统能耗的影响。由图2可知，该算法能够在6次迭代达到较好的性能，在8次迭代之内得到收敛，所用次数较少。由图3可知，与三种对比方案相比，该算法的提出的方案所得到的系统能效随着基站的最大传输功率的增加而增加，在24dbm 处达到能效最大值，且在不同的功率区间能效均高于三种对比方案。由图4可知，与三种对比方案相比，该算法的提出的方案所得到的系统能效随着系统内电路的损耗的增加而降低，且在不同的功率区间能效均高于三种对比方案。
[0119]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0120]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变
化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。