[发明专利]一种基于SWIPT的NB-IoT系统上行链路资源分配法

权利要求书

1.一种基于SWIPT的NB-IoT系统上行链路资源分配法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在PS能量接收模型下，建立NB-IoT的单用户上行SC-FDMA系统优化模型；

所述步骤S1的具体过程是：

S11：在功率分割模型中，接收到的电路信号通过功率分配分割器分为两个流，其中一个流用于能量收集，另一个流用于信息解码，功率占用比分别为β和1-β，这两个过程是同步执行的，在单用户NB-IoT上行链路系统中，子载波k上的接收信号Y_k表示为以下公式：

其中，P_k和X_k分别表示发射端发送信号功率和发送信号，N_k是加性高斯白噪声，其方差为由于NB-IoT系统通过带内部署模式部署在LTE系统带宽中，因此是来自同信道LTE系统的干扰，接收端收集的信号功率表示为：

其中是的平均干扰功率，和都是相对于天线噪声的；

S12：优化的目标函数是PS模型中NB-IoT上行链路系统的信道总速率，针对NB-IoT系统上行链路中采用的SC-FDMA技术单载波的特点，信道总速率为：

其中Bw是NBI-oT系统的信道带宽，表示平均信噪比；

最小均方误差和SINR之间存在以下关系：

MMSE_k＝(1+SINR_k)^-1   (4)

因此，公式(3)表示为：

其中，是等效频域信道增益，功率分割因子β并不会对PS模型的信号处理过程带来影响，故由以下公式给出：

S13：由于对数函数的单调性，得到优化问题的数学模型为：

s.t.C1：0≤P_k≤P_peak，k    (8-a)

C2：

C3：

C4：

其中，约束C1表示分配给每个子载波的可实现的最大功率；约束C2表示系统总功率不能超过发射机预先设置的门限值P_tot；约束C3表示收集的总能量最低必须达到E_min以实现终端的正常通信，其中κ是能量转换效率；约束C4表示对LTE系统的总干扰受指定阈值I_max的限制；

S14：将传输速率设置为2bps/Hz，最终得到的最佳总信道速率为：

Ω₁＝min{max(R_tot)，2} (9)

其中Ω₁是将优化问题的最优解P_k代入公式(6)中得到的结果；

S2：求解步骤S1建立的SC-FDMA系统优化模型的最优的分配策略和能量收集因子，包括：应用拉格朗日对偶分解法和KKT条件求解SC-FDMA系统优化模型的内层优化问题；在SC-FDMA系统优化模型的外层优化问题中，使用黄金分割搜索方法和次优搜索方法来获取能量收集因子；

S3：在TS能量接收模型下，建立NB-IoT的单用户上行SC-FDMA系统优化模型；

S4：按照步骤S1-S2中的PS模型的求解方法，求解TS模型下的优化问题。

2.根据权利要求1所述的基于SWIPT的NB-IoT系统上行链路资源分配法，其特征在于，所述步骤S2中，优化问题是一个同时关于P_k和β的耦合问题，它既不是线性的也不是凸的，在给定一个固定已知的β值的情况下，将看作是一个凸优化问题，其包含多个凸约束且目标函数为凸函数，为了联合求解，提出一种双层优化方案将功率分配问题和能量收集因子的搜索问题分开：首先，使用一个固定已知的β值带入中来求解优化模型以获得最佳的P_k，这个过程称为内层优化过程；然后，再通过一维搜索算法找到合适的β值使得内层优化性能最佳，这个过程称为外层优化过程。