[发明专利]一种在动态能量获取下的OFDMA下行系统的动态资源分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，提供了一种在动态能量获取下的OFDMA下行系统的动态功率和子载波联合分配方法。该方法实现了在能量和信道状态实时变化时，对功率和子载波进行动态联合分配，进而提高网络长期的功率利用率，可以作为动态OFDMA网络的一个重要组成部分。 

背景技术

近年来，随着无线网络的迅猛发展，人们在无线环境下对资源和服务的需求日益增大。OFDMA系统因其在资源配置和多用户分集方面的灵活性，使其广泛用于高效通信系统。在下行OFDMA系统中，可以通过为每个用户选择最佳的子载波和传输功率来使系统的吞吐量达到最大。但是随着对传输速率的要求越来越高对能源的要求也随之增高。这一趋势在能源的消耗快速上升的情况下具有严峻的经济意义。同时在能量感知技术的推动下，绿色通信得到了快速的发展，人们考虑采用可再生能源(诸如光能、风能、电磁场辐射等)为无线通信节点供能，并在能量和信道状态动态变化的条件下对资源进行优化分配，以期在保证系统性能的同时提高资源的利用率。 

如图1所示，本发明研究基于动态能量获取下的OFDMA下行通信系统的功率和子载波联合分配体系。系统包含一个基站和K个用户，基站具有能量收集（Energy Harvesting）功能，安装有可充电电池，环境中的可再生能源转化为电能，存储到可充电电池中，以供系统的数据传输。系统的总带宽是B Hz，并有N_f个子载波，信道状态实时变化，且每一子载波有各自的SNR中断值，在每一时间间隙的初始时刻,基站从用户那里 获得信道状态H的反馈信息,其由基站到用户下行信道的大尺度衰落，阴影衰落和快衰落组成。每一时刻基站根据系统的现有储能和信道状态，为每个用户分配相应的功率和子载波，以最大化系统的功率利用率。 

研究无线网络中的能量管理机制,应以持续保障无线通信质量为目标，并着眼于动态能量获取与无线资源分配之间，以及能量使用在不同传输节点之间的协调。即需要从一个全新的维度探索无线资源、能量获取、传输质量三者的关联。由于可再生能源存在不稳定性,加之电池容量有限,根据当前存储能量状况、信道条件、业务量等对传输功率等进行自适应控制是一个重要且富有挑战的课题。当前将可再生能源用于无线通信主要存在以下亟需解决的问题: 

首先，如何能将无线资源与能量的到达特性进行动态适配？实际情况中，能量收集和信道状态都是随时间变化的，且无法在做出决策前预测这些变化过程的准确统计信息，同时用户的信息反馈通常是不准确的。所以需要选择合适的方法来描述动态的能量收集过程并估算信道状态的准确信息。 

其次，现有研究主要进行功率分配，没有考虑功率和子载波的联合分配，缺乏对实时变化的信道状态和动态的能量获取的综合考虑。虽然传输能耗主要体现在发射功率上，但选择合适的子载波传输，将提高传输速率和可靠性，进而直接决定能量的使用效率，特别当能量获取存在动态性时，能量的使用需要和当前储能状态进行动态匹配。 

最后，多节点网络的能量交互使用值得深入探讨。缺少对多节点的网络，特别是具有不同能量获取方式的传输节点的部署，及基于能量存储状态和到达特性的调度策略的综合考虑。另外,怎样通过节点间的协调合作，弥补部分节点能量不足的问题也值得深入探讨。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种在能量和信道状态实时变化时，对功率和子载波进行动态联合分配，进而提高网络长期的功率利用率的OFDMA下行系统的功率和子载波分配方法。 

本发明的基本思路：首先基站根据能量获取过程更新系统的能量状态，由用户对信道增益的反馈信息更新信道状态；然后根据信道增益和能量状态以及用户的QoS要求，更新可分配子载波集合；最后基站以最大化系统长期功率利用率为目的，从可用分配子载波集合中选择相应的子载波分配给每个用户，并为每个用户的每个子载波分配相应的传输功率。 

为解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：一种在动态能量获取下的OFDMA下行系统的动态资源分配方法，包括如下步骤： 

（1）建立基于系统特性的资源分配体系：在基站上安装能量收集器和资源调度器；能量收集器将环境中可再生能量转化为电能，存储到可充电电池中，以供数据传输，资源调度器接收来自用户对于信道状态的反馈信息，并结合用户的QoS要求和可充电电池的能量获取信息为每个用户分配功率和子载波；