本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種支持信息與能量同傳的高效資源分配方法。

背景技術(shù)：

隨著社會進步與科技發(fā)展,各種移動通信設(shè)備也在日新月異的變革著,越來越多地走進了人們的日常生活當中。無線通信是一種進行信息交換的通信方式，它是利用電磁波可以在無線傳輸線空間中傳播這一特性為基礎(chǔ)來實現(xiàn)的。無線能量采集與信息同傳系統(tǒng)在秉承了傳統(tǒng)通信原理基礎(chǔ)上提高了電磁能量利用效率，并且在一定程度上為用戶提供了永久和穩(wěn)定的能量供給，因此在最近幾年飛速發(fā)展成為了熱門的研究領(lǐng)域。

正交頻分復用技術(shù)(ofdm)作為當前主流的通信技術(shù)已被人們所熟知，它最早起源于上個世紀50年代中期，在60年代就已經(jīng)形成了頻分復用和使用并行傳輸?shù)母拍睢?970年1月首次公開發(fā)表了關(guān)于ofdm的專利。早在20世紀60年代ofdm技術(shù)就已經(jīng)在多種高頻軍事通信系統(tǒng)中得到應用，目前它已經(jīng)被廣泛應用于諸多其他領(lǐng)域。ofdm技術(shù)頻譜效率高,調(diào)制解調(diào)方法簡單，抗多徑衰落能力強。ofdm的基本原理是將一條串行的高速傳輸比特流轉(zhuǎn)換為多條并行的低速傳輸比特流，并將這些數(shù)據(jù)調(diào)制到不同的相互正交的子載波上。這種新型的傳輸方式能夠充分擴展符號脈沖寬度，提高發(fā)射信號抗多徑干擾及其他多種惡劣傳輸條件的性能。

隨著無線能量與信息同傳技術(shù)的發(fā)展,ofdm面臨著新的挑戰(zhàn),在較大子載波和用戶數(shù)目下為了得到較好的系統(tǒng)性能需要付出超高的時間成本,顯然這與當前高速通信的要求是相矛盾的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種低復雜度高效率的支持信息與能量同傳的高效資源分配方法，使得系統(tǒng)在每個用戶滿足最低能量采集閾值的條件下，獲得最大的總吞吐量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種支持信息與能量同傳的高效資源分配方法，包括如下步驟：

(1)基站給用戶發(fā)射導頻信號,用戶估計信道狀態(tài)信息并將信息反饋給基站；

(2)基站根據(jù)信道狀態(tài)信息計算子載波分配因子，并在子載波上平均分配功率；

(3)基站將分配方法通知用戶，用戶從分配的子載波中解碼信息，從未分配的子載波中采集能量。

進一步的，所述步驟(2)中，計算子載波分配因子(即子載波分配)的步驟如下:

1)生成信道增益矩陣，求出對應的數(shù)據(jù)傳輸與能量采集矩陣；

2)將所有子載波均分別分配給所得數(shù)據(jù)傳輸量最大的用戶，計算此時每個用戶采集到的能量；

3)將每個用戶采集到的能量與最低能量采集閾值比較，判斷每個用戶是否滿足能量采集約束：若用戶采集到的能量高于閾值的即判定為滿足能量采集約束，否則判定為不滿足能量采集約束；檢索出不滿足能量采集約束的用戶，若所有用戶均滿足能量采集約束則轉(zhuǎn)步驟7)，否則轉(zhuǎn)步驟4)；

4)從所述不滿足能量約束的用戶中按子載波對應用戶解碼出的數(shù)據(jù)量從小到大的順序進行重新分配，將當前排序后解碼數(shù)據(jù)量最小的子載波分配給能夠從該子載波解碼出最大數(shù)據(jù)量的能量滿足能量采集約束的用戶，若已滿足能量采集約束的用戶在得到此子載波后采集到的能量不再滿足能量采集約束，則放棄得到此子載波,并且將該用戶對此子載波標記為不可分配用戶,繼續(xù)對此子載波可分配用戶能夠解碼的數(shù)據(jù)量進行排序,將該子載波由從小到大的順序重復本步驟進行用戶選擇；

5)判斷得到新子載波的用戶此時是否滿足最低能量采集約束，如滿足則轉(zhuǎn)步驟6)，否則轉(zhuǎn)步驟4)；

6)判斷此時貢獻出子載波的用戶是否滿足最低能量采集約束，如滿足則轉(zhuǎn)步驟3)，否則轉(zhuǎn)步驟4)；

7)計算所有用戶此時的數(shù)據(jù)量之和得到系統(tǒng)吞吐量。

進一步的，所述用戶具備無線信息與能量同時傳輸?shù)哪芰Χ恍枰С止Ψ?ps:powersplit)能量采集模式。

本發(fā)明的有益效果為：

可以在每一個子載波上調(diào)制信息，而不用專門拿出子載波來傳輸能量，因此頻譜利用率較高；采用ofdm系統(tǒng)全體子載波機會性能量采集方式避免了時分(ts:timesplit)方式下的頻率切換產(chǎn)生的消耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖2是子載波分配示意圖；

圖3是本發(fā)明的算法實現(xiàn)流程圖；

圖4是本發(fā)明各用戶采集的能量和解碼的信息對比圖；

圖5是本發(fā)明不同能量采集閾值下的吞吐量關(guān)于總發(fā)送功率變化圖；

圖6是本發(fā)明算法與系統(tǒng)性能理論上界仿真對比圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種支持信息與能量同傳的高效資源分配方法，適用于多用戶正交頻分復用(ofdm:orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)系統(tǒng)下的實現(xiàn)滿足能量約束情況下吞吐量最大化的高效資源分配算法。所述系統(tǒng)模型包括發(fā)射基站以及多用戶接收機，其中，基站采用全向天線發(fā)射方式，能量采集模塊采用收全向能量采集方式,信息接收模塊采用收定向的接收方式(固定解碼指定子載波上的信息數(shù)據(jù))。此處模擬基站采用平均功率分配的方式發(fā)射,每個子載波上的發(fā)射功率相同,并且每一個子載波能且只能分配給一個用戶,由于用戶和基站之間的信道狀況不同所以用戶在不同子載波上的信道增益不同,我們根據(jù)子載波分到各用戶的增益差異分配子載波使得系統(tǒng)在滿足每個用戶能量約束前提下系統(tǒng)的吞吐量得到最大。這是一個廣義分配問題(gap:generalizedassignmentproblem),在實際通信模型中子載波數(shù)目比較大的情況下,想在短時間內(nèi)從嚴格數(shù)學全局優(yōu)化得到這個問題的最優(yōu)解是比較困難和不切實際的,在此我們從實際問題的應用場景出發(fā)提出了解決這一問題的啟發(fā)優(yōu)化解法。本發(fā)明算法從目標函數(shù)出發(fā)在始終滿足當前目標函數(shù)最大化的前提下逐漸向滿足能量約束的方向擬合,考慮到在既定的通信區(qū)域內(nèi)相對子載波數(shù)目而言用戶數(shù)目要少很多,所以針對每個用戶的能量約束擬合是可行也是比較高效的,當所有用戶滿足能量約束時系統(tǒng)吞吐量也是此時最大的，該分配算法即分配結(jié)束。所以,本分配算法在保證吞吐量指標的基礎(chǔ)上,同時也具備了低復雜度和高效率的特點。整個系統(tǒng)工作包括如下步驟：基站給用戶發(fā)射導頻信號,用戶估計信道狀態(tài)信息并將信息反饋給基站；基站根據(jù)信道狀態(tài)信息(csi:channelstateinformation)計算子載波分配因子，并在子載波上平均分配功率；基站將分配方法通知用戶，用戶從分配的子載波中收信息，從未分配的子載波中采集能量。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。

本發(fā)明針對多用戶ofdm系統(tǒng)，在圖1所示的系統(tǒng)模型中，包含一個基站,k個用戶,n個子載波,每個子載波能且只能分配給一個用戶用于解碼信息,每個用戶能夠從未分配給它的那些子載波中采集能量,而且為每個用戶設(shè)定最低的能量采集閾值,發(fā)射端基站采用平均功率分配的方式將功率平均分配給每個子載波。在以上假設(shè)條件下，整個發(fā)送過程分成三個階段：第一階段，基站發(fā)射導頻等待用戶反饋得到信道狀態(tài)信息；第二階段，基于信道狀態(tài)信息利用資源分配算法將子載波分配給各用戶；第三階段，基站按分配完畢的結(jié)果進行發(fā)射。

本發(fā)明的主要貢獻在于：在滿足用戶的最低能量采集閾值約束和每個子載波能且只能分配給一個用戶的條件下優(yōu)化子載波分配過程，提出一種支持信息與能量同傳的高效分配算法，即從最大吞吐量出發(fā)逐漸向滿足能量約束的方向擬合直至每個用戶均滿足能量約束，分配過程結(jié)束。該方案使得此系統(tǒng)模型下的通信系統(tǒng)具備了現(xiàn)實可行性。具體來說，我們將根據(jù)信道狀態(tài)增益(包含大尺度衰落)生成每個子載波分配給用戶用于解碼信息和采集能量的矩陣，然后從目標函數(shù)(系統(tǒng)用戶總吞吐量)出發(fā)，逐漸向滿足能量約束的方向調(diào)整子載波的分配直至最終所有用戶均滿足能量約束，分配結(jié)束。根據(jù)系統(tǒng)模型抽象出來的數(shù)學優(yōu)化表達如下：

δk,n∈{0,1}

其中n為子載波數(shù)，k為用戶數(shù)，δk,n為子載波分配因子，當子載波分配給用戶k解碼信息時δk,n＝1否則δk,n＝0。hk,n為信道增益，n0為噪聲功率，為平均分配到每個子載波上的發(fā)射功率，為用戶k的最低能量采集約束閾值，p為基站總的發(fā)射功率。表示所有用戶能夠解碼信息之和即系統(tǒng)吞吐量，表示每個用戶采集到的能量均需大于最低能量采集閾值約束，表示每個子載波能且只能分配給一個用戶，δk,n∈{0,1}表示子載波分配因子能且只能取0或1，表示發(fā)射基站采用平均功率分配的方案發(fā)射。這是組合數(shù)學中的組合優(yōu)化問題，在變量個數(shù)比較多的情況下想解出全局最優(yōu)解比較困難，難以滿足如今高速通信系統(tǒng)實際，針對這個問題本發(fā)明特提出一種高效低復雜度的啟發(fā)式算法，本算法在保持了很好通信性能情況下大大減少了資源分配時間以使其能夠滿足通信系統(tǒng)的實際需求。具體實施步驟如下：

1)生成信道增益(包含大尺度衰落)矩陣，求出對應的數(shù)據(jù)傳輸與能量采集矩陣

2)將所有子載波均分別分配給所得數(shù)據(jù)傳輸量最大的用戶，計算此時每個用戶采集到的能量

3)將每個用戶采集到的能量與最低能量采集閾值比較，判斷每個用戶是否滿足能量采集約束：若用戶采集到的能量高于閾值的即判定為滿足能量采集約束，否則判定為不滿足能量采集約束；檢索出不滿足能量采集約束的用戶，若所有用戶均滿足能量采集約束則轉(zhuǎn)步驟7)，否則轉(zhuǎn)步驟4)

4)從所述不滿足能量約束的用戶中按子載波對應用戶解碼出的數(shù)據(jù)量從小到大的順序進行重新分配，將當前排序后解碼數(shù)據(jù)量最小的子載波分配給能夠從該子載波解碼出最大數(shù)據(jù)量的能量滿足能量采集約束的用戶，若已滿足能量采集約束的用戶在得到此子載波后采集到的能量不再滿足能量采集約束，則放棄得到此子載波,并且將該用戶對此子載波標記為不可分配用戶,繼續(xù)對此子載波可分配用戶能夠解碼的數(shù)據(jù)量進行排序,將該子載波由從小到大的順序重復本步驟進行用戶選擇

5)判斷得到新子載波的用戶此時是否滿足最低能量采集約束，是則轉(zhuǎn)6)，否則轉(zhuǎn)4)

6)判斷此時貢獻出子載波的用戶是否滿足最低能量采集約束，是則轉(zhuǎn)3)，否則轉(zhuǎn)4)

7)計算所有用戶此時的數(shù)據(jù)量之和得到系統(tǒng)吞吐量

所述的用戶用于進行信息解碼的信號與干擾加噪聲比sinr(sinr：signaltointerferenceplusnoiseratio)為：

為讓上述步驟更直觀這里做一個簡單的實例演示：

假設(shè)有6個子載波，3個用戶，每個用戶最低能量采集門限閾值相同設(shè)為15(注：此假設(shè)僅為輔助說明算法實現(xiàn)用，并非實際數(shù)據(jù)故并未給出單位)，每個子載波對應的信息解碼和能量采集數(shù)據(jù)如下表(表1為子載波對應用戶信息解碼表，表2為子載波對應用戶的能量采集表)：

表1

表2

(1)將所有子載波分配給解碼信息量最大的用戶，分配完成后可知：

子載波1分配給用戶1，子載波2分配給用戶1

子載波3分配給用戶3，子載波4分配給用戶3

子載波5分配給用戶1，子載波6分配給用戶2

(2)判斷此時用戶是否均已滿足最低能量采集約束，易計算知此時：用戶1采集到的能量為12<15未滿足最低能量采集約束，用戶2采集到的能量為17≥15已滿足最低能量采集約束，用戶3采集到的能量為15≥15已滿足最低能量采集約束。

(3)對用戶1的子載波重新分配，由步驟(1)知用戶1現(xiàn)分得的子載波為1，2，5；易知子載波5對應的信息解碼量最小，所以先將此子載波分配給能量已滿足約束的用戶，即用戶2和用戶3，由于此子載波分配給用戶3解碼出的信息較大所以先將其分配給用戶3。

(4)判斷用戶3此時是否仍滿足能量約束，計算易知用戶3分得子載波5后采集到的能量為13<15未滿足能量約束，故將子載波5繼續(xù)分配給其它采集到的能量滿足約束的用戶，即用戶2。

(5)判斷用戶2此時是否仍滿足能量約束，計算易知用戶2分得子載波5后采集到的能量為16≥15已滿足能量約束，到此子載波5就分配完畢了。

(6)判斷用戶1在將子載波5分配給其它用戶后是否已滿足能量約束，計算易知用戶1貢獻出子載波5后采集到的能量為15≥15已滿足能量約束，此時所有用戶均已滿足最低能量采集閾值約束，分配結(jié)束，此時系統(tǒng)吞吐量為32。

圖2中是本發(fā)明算法子載波分配示意圖，該圖選取其中一個用戶k來說明工作原理，基站發(fā)射的所有子載波在到達用戶k時，用戶k按算法分配的結(jié)果從δk,n＝1的子載波中解碼信息，從δk,n＝0的子載波中采集能量。

圖3中是本發(fā)明算法實現(xiàn)流程圖，包括子載波分配，能量采集約束條件判斷以及循環(huán)控制模塊等比較詳細說明了本發(fā)明算法的具體實現(xiàn)流程。概括起來主要包括如下步驟:

1)生成信道增益(包含大尺度衰落)矩陣，求出對應的數(shù)據(jù)傳輸與能量采集矩陣

2)將所有子載波均分別分配給所得數(shù)據(jù)傳輸量最大的用戶，計算此時每個用戶采集到的能量

3)將每個用戶采集到的能量與最低能量采集閾值比較，判斷每個用戶是否滿足能量約束(判斷標準：用戶采集到的能量高于閾值的即判定為滿足能量采集約束，否則判定為不滿足能量采集約束)，檢索出不滿足能量約束的用戶，若所有用戶均滿足能量采集約束則轉(zhuǎn)7)，否則轉(zhuǎn)4)

4)從3)中檢索出的不滿足能量約束的用戶中按子載波對應用戶解碼出的數(shù)據(jù)量從小到大的順序進行重新分配，將當前排序后解碼數(shù)據(jù)量最小的子載波分配給能夠從該子載波解碼出最大數(shù)據(jù)量的能量滿足最低能量采集約束的用戶，若已滿足最低能量采集約束的用戶在得到此子載波后采集到的能量不滿足能量則繼續(xù)根據(jù)之前的解碼數(shù)據(jù)量從小到大的順序按照本步驟往下一個比該用戶解碼數(shù)據(jù)量稍大的滿足最低能量采集約束的用戶

5)判斷得到新子載波的用戶此時是否滿足最低能量采集約束，是則轉(zhuǎn)6)，否則轉(zhuǎn)4)

6)判斷此時貢獻出子載波的用戶是否滿足最低能量采集約束，是則轉(zhuǎn)3)，否則轉(zhuǎn)4)

7)計算所有用戶此時的數(shù)據(jù)量之和得到系統(tǒng)吞吐量。

圖4是本發(fā)明各用戶采集的能量和解碼的信息對比圖，由圖中可以看出距離基站較遠的用戶信道增益一般較低，對系統(tǒng)總吞吐量的貢獻較小，所以分配給該用戶用來傳輸信息的子載波較少，但是鑒于系統(tǒng)對于能量采集公平性的要求，我們看到各個用戶的能量采集量比較接近。

圖5是本發(fā)明不同能量采集閾值下的吞吐量關(guān)于總發(fā)送功率變化圖，從圖中顯見隨著發(fā)射功率的增大系統(tǒng)的吞吐量在呈對數(shù)上升吻合了前面的系統(tǒng)數(shù)學表達中的對數(shù)關(guān)系，另外可以看出能量采集閾值較小時系統(tǒng)的吞吐量較大，但隨著總發(fā)射功率的增大，固定的閾值對系統(tǒng)吞吐量的影響越來越小，最終當發(fā)射功率遠遠大于能量采集閾值時由閾值產(chǎn)生的對系統(tǒng)吞吐量的影響可以忽略不計。

圖6是本發(fā)明算法與系統(tǒng)性能理論上界仿真對比圖，其中吞吐量關(guān)于能量約束的理論上界通過將δk,n由{0，1}松弛到0≤δk,n≤1得出，由圖中可見使用該算法得到的系統(tǒng)吞吐量比較接近理論性能上界，保證了通信系統(tǒng)性能。