吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多天線無線通信網(wǎng)絡(luò)下的信息傳輸與能量采集方法，尤其涉及一 種吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，屬于無線供電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線能量采集技術(shù)可以從周圍環(huán)境中收集或采集微小電磁能源，并把它們轉(zhuǎn)換 為電能的過程。在無線通信網(wǎng)絡(luò)以及一些其它潛在的應(yīng)用中，所采集到的能源在每個通 信節(jié)點上都可作為電源使用。同時實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的信息傳輸與能量采集是當(dāng)前通 信學(xué)科中的重要研究領(lǐng)域，這一技術(shù)可以有效提高無線通信系統(tǒng)的能耗效率。Varshney Lav R.于2008年在IEEE International Symposium on Information Theory發(fā)表論文 《Transporting information and energy simultaneously》表明可以折中實現(xiàn)無線通信與 功率傳輸。隨后，人們針對同時實現(xiàn)無線通信與供電傳輸?shù)姆椒ㄕ归_了研究，Ju Hyungsik 于2014年在IEEE Transactions on Wireless Communications發(fā)表論文〈〈Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks》，該文南犬給出 了最優(yōu)時間 分配方案，實現(xiàn)了該無線供電通信網(wǎng)絡(luò)上行鏈路吞吐量最大化。然而，該方法僅考慮了各用 戶節(jié)點從綜合接入點采集能量的傳輸方案，并未對用戶節(jié)點間能量采集的情況進(jìn)行研究。 專利申請?zhí)枮镃N201410798696. 7的中國專利申請公開了一種基于多中繼的SWIPT中繼網(wǎng) 絡(luò)中ARQ協(xié)議的實現(xiàn)方法，其特點是基于反饋信息選擇有效中繼節(jié)點并實施能量采集，但 是并未涉及吞吐量性能與能量采集的優(yōu)化。
[0003] 考慮到相鄰用戶節(jié)點間實施能量采集可以優(yōu)于從距離較遠(yuǎn)的接入點實施能量采 集的情況，本發(fā)明以用戶節(jié)點上行鏈路吞吐量最大化為準(zhǔn)則，設(shè)計了一種基于粒子群優(yōu)化 的循環(huán)能量采集方法，有效優(yōu)化了用戶節(jié)點間信息傳輸與能量采集的時間分配方案，提高 網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié)點能量采集效率，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法， 通過對多天線通信系統(tǒng)的無線信息傳輸與能量采集的時間進(jìn)行優(yōu)化分配，有效提高網(wǎng)絡(luò)能 量采集效率，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上行鏈路吞吐量最大化。
[0005] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0006] 一種吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 1)網(wǎng)絡(luò)初始化，部署K+1(K》1)個節(jié)點，第k個節(jié)點配置天線數(shù)為Mk(k= 〇, 1，…，K);編號0為綜合接入點，編號1-K為用戶節(jié)點；綜合接入點具有恒定功率為P。瓦， 用戶節(jié)點初始功率為0瓦；綜合接入點0與所有K個用戶節(jié)點總通信時長為T秒，隨機(jī)為 0~κ個節(jié)點分配初始工作時間tj，tj，"·，?κΤ ;其中，ti為時間分配權(quán)重（i = 0,i，…，κ)， 且 1:0+1^+...+1^= 1，令t=[t0ν..1:κ];
[0008] 2)網(wǎng)絡(luò)初始傳輸
[0009] (1)下行鏈路能量采集：綜合接入點在時間tQT內(nèi)以功率P。發(fā)送下行鏈路信號x。； 各用戶節(jié)點在時間WT內(nèi)接收從綜合接入點發(fā)送的下行鏈路信號X。，采集并存儲此信號能 量；第k個用戶節(jié)點接收信號Syk=Hk^+Zk，HkiAMkXM。信道矩陣，z#加性高斯白噪 聲，且假定各節(jié)點所接收噪聲信號功率可忽略；
[0010] (2)上行鏈路能量采集與信息傳輸：第k個用戶節(jié)點在時間? 內(nèi)對其它各用 戶節(jié)點的上行鏈路信號均實施能量采集并存儲，在時間tkT內(nèi)按照時分多址方式發(fā)送自身 上行鏈路信息xk(k= 1，…，K);
[0011] 3)網(wǎng)絡(luò)時間優(yōu)化分配：
[0012] (1)計算各用戶節(jié)點采集能量，即第k個粒子采集的能量為：
[0013]
[0014] 式中，為矩陣的共輒轉(zhuǎn)置操作，（·）M為在第η次通信中對前k-Ι個用戶節(jié)點 完成采集的能量，（·）[n1]為在第n-1次通信中對后k+Ι~K個用戶節(jié)點完成采集的能量，Pi為第i個用戶節(jié)點的發(fā)送功率，Dtl，akil分別為第i個用戶節(jié)點到第k個用戶節(jié)點的距 離和路徑傳輸損耗系數(shù)，為第k個用戶節(jié)點的能量轉(zhuǎn)換效率，0 <ζk< 1 ;
[0015] ⑵計算各用戶節(jié)點采集功率，即第k個粒子發(fā)送功率為：Pk=IIkVajO,式中 nk為采集能量利用率；
[0016] (3)計算各用戶節(jié)點可獲得上行鏈路吞吐量Ck(t)?丨= ，式中 Ik為M(jXM。維單位矩陣，H(Jik為第k個用戶節(jié)點到綜合接入點0的信道狀態(tài)信息，δ2為噪聲方差；
[0017] (4)計算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前上行鏈路吞吐量C(i) = (小 k=，\
[0018] (5)求解并更新節(jié)點分配時間t，計算網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前上行鏈路吞吐量C(t);以上行鏈路 吞吐量最大化為準(zhǔn)則，選取不同分配時間t所對應(yīng)的最大C(t)值：
[0019]
[0020]
[0021] 式中，{C(t)}表示不同分配時間t對應(yīng)的C(t)所構(gòu)成的集合；mpjC(i)}表示選 取不同分配時間t對應(yīng)的C(t)所構(gòu)成集合中的最大C(t)值；s.t.Pk<P。表示計算C(t)過 程中的應(yīng)滿足的采集能量約束條件，即各節(jié)點可采集能量Pk應(yīng)小于綜合接入點0能量P
[0022] (6)保存對應(yīng)最大C(t)值的節(jié)點分配時間t為優(yōu)化后的時間分配值；
[0023] 4)網(wǎng)絡(luò)傳輸階段
[0024]在同一衰落信道塊中，按照各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值t，采用時分多址傳輸方式 進(jìn)行信息傳輸與能量采集；即綜合接入點〇在時隙tj內(nèi)以功率P。持續(xù)發(fā)送下行鏈路信號 Xc，各用戶節(jié)點在時隙wr內(nèi)持續(xù)接收下行鏈路信號X。，采集并存儲此信號能量；tiT時隙， 用戶節(jié)點1以功率Pi向綜合接入點〇發(fā)送上行鏈路信息，同時用戶節(jié)點2,…，K在此時隙 內(nèi)實施能量采集；t2T時隙，用戶節(jié)點2以功率P2向綜合接入點0發(fā)送上行鏈路信息，同時 用戶節(jié)點1，3,…，K在此時隙內(nèi)實施能量采集；以此類推，tkT時隙，用戶節(jié)點k以功率匕向 綜合接入點〇發(fā)送上行鏈路信息，用戶節(jié)點1，2,…，k-1，k+Ι，…，K在此時隙內(nèi)實施能量采 集；在下一信道衰落信道塊中，若信道狀態(tài)信息發(fā)生改變，則對網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點分配時間重新進(jìn) 行優(yōu)化，重復(fù)執(zhí)行步驟3);否則，仍按當(dāng)前各節(jié)點優(yōu)化后的時間分配值，采用時分多址傳輸 方式進(jìn)行信息傳輸與能量采集。
[0025] 本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施來進(jìn)一步實現(xiàn)：
[0026] 前述吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，所述用戶節(jié)點具備同時 信息傳輸與能量采集的雙重射頻鏈路，則在步驟2)中同時實現(xiàn)下行鏈路信號的信息傳輸 功能。
[0027] 前述吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，所述ζk小于0. 7。
[0028] 前述吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，所述步驟3)網(wǎng)絡(luò)時間 優(yōu)化分配階段，基于凸優(yōu)化算法對節(jié)點分配時間t進(jìn)行求解。
[0029] 前述吞吐量最大化的多天線通信系統(tǒng)循環(huán)能量采集方法，所述步驟3)網(wǎng)絡(luò)時間 優(yōu)化分配階段，基于啟發(fā)式優(yōu)化算法對節(jié)點分配時間t進(jìn)行求解，基于啟發(fā)式優(yōu)化算法中 的標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化方法對各節(jié)點分配時間tk進(jìn)行求解的方法如下：
[0030] (1)映射K+1個節(jié)點到η個粒子；
[0031] (2)初