[發明專利]基于GFDM的無線攜能網絡上下行鏈路資源聯合分配方法

有效

• 申請號: 202011526491.5
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112702792B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 許曉榮;孫明杭;趙彬;王玉軍
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04W72/044
• 分類號: H04W72/044;H04W72/53;H04W72/0453;H04W72/21;H04W72/23
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種基于GFDM的無線攜能網絡上下行鏈路資源聯合分配方法。各用戶在下行鏈路中采用功率分割接收機結構對接收信號進行信息解碼與能量收集，而后將收集到的能量用于上行鏈路信息傳輸。通過對上下行鏈路GFDM子載波與子符號分配、功率分配與功率分割因子的分配，在滿足收集能量與發射總功率約束下最大化上下行鏈路的加權可達和速率。為解決此非凸優化問題，分別采用拉格朗日對偶法、次梯度法與貪婪算法進行求解上下行功率分配和功率分割因子的聯合優化。本發明均優于固定子載波分配算法。本發明有效實現基于GFDM的無線攜能網絡上下行鏈路子載波、子符號、功率與功率分割因子的多資源優化分配。

技術領域

本發明屬于信息與通信工程技術領域，提出了基于廣義頻分復用(GFDM)的無線攜能通信(SWIPT)網絡中上下行鏈路的資源聯合分配優化算法。首先，針對下行鏈路，各SWIPT用戶接收基站的信息后采用功率分割(PS)接收機結構完成信息解碼(ID)和能量收集(EH)，而后將收集到的能量用于上行鏈路信息傳輸。通過對上下行鏈路GFDM子載波與子符號分配、功率分配與功率分割因子的分配，在滿足收集能量與發射總功率約束下最大化上下行鏈路的加權可達和速率。為了解決此非凸優化問題，分別采用拉格朗日對偶法、次梯度法與貪婪算法進行求解。仿真結果表明，無論加權系數如何，所提方案均優于固定子載波分配算法。在加權系數較大的情況下，它優于傳統啟發式算法。

背景技術

由于通信網絡中許多節點都是能量受限的，節點的生命周期取決于電池的生命周期，這就使得設備需要頻繁的充電或者更換電池。然而，在某些情況下的節點(例如人體內部使用的傳感器、放置在墻壁內的設備或放置在有毒環境中的節點)，充電和更換電池的操作代價非常昂貴。對此，一些研究者考慮節點設備能夠從自然環境中獲得能量，比如傳統的可再生能源(太陽能/風能)，但是這些傳統的可再生能源受到環境的限制，隨機性較大且不易穩定獲得。利用電磁波傳輸信息較為穩定，同時無線電波能量是一種潛在的綠色能源，然而利用電磁波傳輸信息的過程中存在能量收集效率低下的問題，導致電磁波傳輸信息沒有快速發展。近年來，研究人員注意到，電磁波本身具備一定的能量，能被一些設備收集加以利用，同時無線射頻信號(Radio?Frequency,RF)借助電磁波可以傳遞信息，因此作為電磁波之一的無線射頻信號具備了信息和能量同時傳輸的特點。隨著能量收集技術的發展，能量轉換效率和利用率已經得到了巨大的提升，人們看到了無線信息傳輸(WirelessInformation?Transmission,WIT)和無線能量傳輸(Wireless?Power?Transmission,WPT)同時進行傳輸的可能性。無線攜能通信(Simultaneous?Wireless?Information?and?PowerTransfer,SWIPT)為能量受限的網絡節點提供了能量收集的新方法，實現了信息和能量的同時傳輸，但是，存在著信息傳輸和能量收集的折衷問題。在不同的目標(如保障網絡能效、最大化網絡吞吐量等)下如何合理分配SWIPT網絡的資源，已經成為了SWIPT網絡的一個研究熱點。

正交頻分復用(Orthogonal?Frequency?Division?Multiplexing，OFDM)是廣泛采用的一種多載波調制技術，它具有良好的抗多徑信道干擾能力，同時能允許多用戶接入。作為其的擴展，廣義頻分復用(Generalized?Frequency?Division?Multiplexing,GFDM)具有較小的帶外(Out?of?Band,OOB)輻射、較低的時延、較高的頻譜效率和非嚴格時間同步等優點，非常適用于物聯網、觸覺互聯網和工業自動化等應用場景。相比于OFDM，GFDM具有帶外輻射低、頻譜利用率高、時間同步不嚴格等優點。同時在GFDM中，由子載波和子符號組成了二維的塊結構用來傳輸信息數據。GFDM可以根據不同的場景進行子載波和子符號的分配，以實現更靈活的參數調整，這種靈活性啟發了基于GFDM模型的統一多載波框架的設計與實現。

發明內容

本發明針對無線攜能通信網絡，在滿足一定能量約束的情況下最大化SWIPT網絡上下行鏈路信息速率，提出了一種基于GFDM的無線攜能網絡上下行鏈路資源聯合分配方法。

本發明的技術方案包括以下步驟：