[發(fā)明專利]一種無(wú)線供電反向散射網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010213691.9
• 申請(qǐng)日: 2020-03-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111447662B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐勇軍;谷博文;陳前斌;劉期烈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W52/02
• 分類號(hào): H04W52/02;H04W72/04
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種無(wú)線供電反向散射網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1：構(gòu)建基于正交頻分多址接入技術(shù)的無(wú)線供電反向散射網(wǎng)絡(luò)；

S2：分析系統(tǒng)傳輸特性，構(gòu)建聯(lián)合優(yōu)化傳輸功率、傳輸時(shí)間、反射系數(shù)、能量分配系數(shù)的能效最大化模型；

步驟S2中所述分析系統(tǒng)傳輸特性，其內(nèi)容包括：

數(shù)據(jù)反向散射階段，首先基站通過(guò)子載波k向反向散射設(shè)備發(fā)送信號(hào)s_k(t)，滿足于E[|s_k(t)|²]＝1，則反向散射設(shè)備接收到信號(hào)y(t)表示為：

其中，p_k表示子載波k上從基站到反向散射設(shè)備的發(fā)射功率；表示子載波k上從基站到反向散射設(shè)備的信道增益；n(t)表示反向散射設(shè)備接收端的噪音，即

由于基站的發(fā)射功率受到供電設(shè)備硬件系統(tǒng)的限制，不可能提供無(wú)限大的傳輸功率，因此基站的發(fā)射功率滿足如下形式的最大發(fā)射功率條件，

其中，P_max表示基站最大發(fā)射功率；

根據(jù)反向散射網(wǎng)絡(luò)的反射特性，通過(guò)反射系數(shù)θ(0＜θ≤1)將反向散射設(shè)備接收信號(hào)分為兩部分，則表示用于調(diào)制和反射來(lái)自基站的信號(hào)，剩余部分用于無(wú)線能量收集；

因此，在數(shù)據(jù)反向散射階段，收集到的能量E_eh表示為：

E_eh＝τηP₀(1-θ)

其中，τ表示能量收集的時(shí)間；η表示能量收集的效率；

設(shè)備收集的能量由能量分配系數(shù)ρ分為兩部分，一部分用于供應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸階段的傳輸能量，表示為ρE_eh；另一部分用于維持設(shè)備運(yùn)行的電路消耗，表示為E_eh(1-ρ)；由于數(shù)據(jù)傳輸階段的傳輸功率受限于數(shù)據(jù)反向散射階段內(nèi)所分配收集的能量，因此數(shù)據(jù)傳輸階段的傳輸功率需要滿足，

其中，T_dt表示數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間；P_k表示子載波k上反向散射設(shè)備到接收器的數(shù)據(jù)傳輸功率；

為了延長(zhǎng)反向散射設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期，需要分配足夠的能量來(lái)維持設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電路消耗，因此分配的能量需要滿足：

(1-ρ)E_eh≥p_c

其中，p_c為設(shè)備運(yùn)行的電路功耗，p_c＝p_eT_bc+p_dT；p_e表示反向散射設(shè)備調(diào)制和接收信號(hào)的電路消耗功率；p_d表示反向散射設(shè)備反射和傳輸信號(hào)的電路消耗功率；

數(shù)據(jù)反向散射階段，根據(jù)香農(nóng)定理，從反向散射設(shè)備到接收器的反向散射數(shù)據(jù)速率R_bc表示為：

其中，T_bc表示反向散射時(shí)間；表示子載波k上從反向散射設(shè)備到接收器的信道增益；σ_k表示子載波k上的干擾噪聲功率，滿足于σ_k＝σ²/K；

數(shù)據(jù)傳輸階段，從反向散射設(shè)備到接收器的傳輸數(shù)據(jù)速率R_dt表示為：

其中，κ表示能量轉(zhuǎn)化效率；

因此，總傳輸速率表示為：

R_total＝R_bc+R_dt

考慮系統(tǒng)功率傳輸消耗和設(shè)備電路消耗，系統(tǒng)的實(shí)際功率消耗表示為：

因此，系統(tǒng)的能效表示為：

步驟S2中所述構(gòu)建能效最大化模型表示為：

s.t.C₁:τηP₀(1-ρ)(1-θ)≥p_c

C2：

C₃:T_bc+T_dt＝T

C4：

C₅:τ≤T_bc

C₆:0＜θ≤1

C₇:0≤ρ≤1

C₈:p_k≥0,P_k≥0,T_bc≥0,T_dt≥0,τ≥0

其中，表示優(yōu)化的變量為T(mén)_A，P_A，ρ，τ，θ，目標(biāo)為最大化問(wèn)題；T_A＝[T_bc,T_dt]和P_A＝[p_k,P_k]分別為時(shí)間分配和功率分配的變量集；T表示系統(tǒng)傳輸時(shí)隙；約束條件C₁和C₂是關(guān)于最小能量收集的約束，C₁用于限制所分配電路消耗能量的下限，C₂用于限制數(shù)據(jù)傳輸功率的上限；約束條件C₃用于表示系統(tǒng)傳輸?shù)臅r(shí)間；約束條件C₄用于限制最大基站最大傳輸功率；約束條件C₅用于限制能量收集的時(shí)間；約束條件C₆和C₇分別用于表示反射系數(shù)和能量分配系數(shù)；約束條件C₈表示所優(yōu)化的變量均為非負(fù)數(shù)；

S3：采用Dinkelbach方法將分式形式的能效模型轉(zhuǎn)化為分子與分母相減的形式，利用分離變量的方法，將優(yōu)化問(wèn)題分解為關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸功率和能量分配系數(shù)兩個(gè)單變量求解的子問(wèn)題，分別求得閉式解后代入原優(yōu)化問(wèn)題；

S4：基于變量替換的方法，將多變量耦合的問(wèn)題進(jìn)行解耦，將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題；

S5：基于拉格朗日對(duì)偶原理以及KKT條件，求得所需參數(shù)解析解；利用迭代原理，依次獲得滿足算法精度的優(yōu)化變量全局最優(yōu)解，此時(shí)所得到的分配方案即為最優(yōu)分配方案。