[发明专利]基于无线能量收集的协作无线网络功率分配方法

摘要

本发明公开了一种基于无线能量收集的协作无线网络功率分配方法，其不断地迭代确定能量收集用户所需的最小能量；不断地迭代确定为协作用户发射机在第1个子时隙中在所选的子信道上分配的发射功率，进而计算能量收集用户发射机收集到的能量；在得到的能量不小于所需要的最小能量时，不断地迭代确定为能量收集用户发射机在第2个子时隙中在所选的子信道上分配的发射功率，进而计算能量收集用户的实际吞吐量；在实际吞吐量不小于最低吞吐量时，不断地迭代确定为协作用户发射机在第2个子时隙中在所选的子信道上分配的发射功率；优点是能解决没有可持续能源的无线网络的能量有限问题和对信道及能量进行高效的资源分配，且计算复杂度低。

主权项

1.一种基于无线能量收集的协作无线网络功率分配方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、在协作无线网络中，存在一个协作用户和一个能量收集用户，协作用户由协作用户发射机和协作用户接收机组成，能量收集用户由能量收集用户发射机和能量收集用户接收机组成；将协作无线网络的总信道的带宽记为B，将协作无线网络的一个时隙的时间长度记为τ；然后将总信道平均地划分为N个子信道，每个子信道的带宽为将总信道和子信道的噪声功率谱密度记为n₀；并将时隙划分为两个子时隙，将第1个子时隙的时间长度记为τ₁，将第2个子时隙的时间长度记为τ₂，满足τ＝τ₁+τ₂；在第1个子时隙中，协作用户发射机与协作用户接收机之间通过子信道进行通信，能量收集用户发射机从协作用户发射机发射出的射频信号中收集能量；在第2个子时隙中，协作用户发射机与协作用户接收机之间通过子信道进行通信，同时能量收集用户发射机与能量收集用户接收机之间通过子信道进行通信，且协作用户用于通信的子信道与能量收集用户用于通信的子信道不相同；其中，B的单位为Hz，τ的单位为秒，N为正整数，N＝2^k，k为大于或等于1的正整数，的单位为Hz，n₀的单位为dBm/Hz，τ₁∈[0.3τ,0.5τ]，τ₁和τ₂的单位为秒；步骤2、令表示在第2个子时隙中分配给能量收集用户用于通信的子信道的序号的集合；然后初始化使的初始值为{1,2,…,N}；步骤3、在满足能量收集用户的最低吞吐量的条件下，计算能量收集用户发射机使用最小能量时在序号属于中的每个子信道上分配的发射功率，设定第i个子信道的序号属于则将能量收集用户发射机使用最小能量时在第i个子信道上分配的发射功率记为其中，i为正整数，e为自然对数，M_E表示中包含的元素的总个数，符号“||”为取绝对值符号，表示能量收集用户发射机和能量收集用户接收机之间通信时在第i个子信道上的信道系数；步骤4、在步骤3的基础上，判断能量收集用户发射机使用最小能量时在序号属于中的各个子信道上分配的发射功率是否全不小于零，如果是，则执行步骤5；否则，找出小于零的发射功率对应的子信道，然后将找出的子信道的序号从中删除，再返回步骤3继续执行；步骤5、在满足能量收集用户的最低吞吐量的条件下，计算能量收集用户所需要的最小能量，记为E_min，步骤6、令表示在第1个子时隙中分配给协作用户用于通信的子信道的序号的集合；然后初始化使的初始值为{1,2,…,N}；步骤7、计算为协作用户发射机在第1个子时隙中在每个子信道上分配的发射功率，将为协作用户发射机在第1个子时隙中在第i'个子信道上分配的发射功率记为若第i'个子信道的序号属于则若第i'个子信道的序号不属于则其中，i'为正整数，i'∈{1,2,…,N}，p_C,max表示协作用户发射机的最大允许发射功率，M_C1表示中包含的元素的总个数，表示在第1个子时隙中协作用户发射机和协作用户接收机之间通信时在第i'个子信道上的信道系数；步骤8、在步骤7的基础上，判断为协作用户发射机在第1个子时隙中在序号属于中的各个子信道上分配的发射功率是否全不小于零，如果是，则执行步骤9；否则，找出小于零的发射功率对应的子信道，然后将找出的子信道的序号从中删除，再返回步骤7继续执行；步骤9、计算能量收集用户发射机收集到的能量，记为E_h，其中，ζ表示能量收集用户发射机的能量收集效率，表示协作用户发射机和能量收集用户发射机之间在第i'个子信道上的信道系数；步骤10、判断E_h是否不小于E_min，如果是，则执行步骤12；否则，执行步骤11；步骤11、从为协作用户发射机在第1个子时隙中在序号属于中的各个子信道上分配的发射功率中找出最小发射功率；然后从中找出绝对值最大的信道系数；接着将最小发射功率重新分配给绝对值最大的信道系数对应的子信道，使得为协作用户发射机在第1个子时隙中在最小发射功率对应的子信道上分配的发射功率为0，而使得为协作用户发射机在第1个子时隙中在绝对值最大的信道系数对应的子信道上分配的发射功率为原分配的发射功率加上最小发射功率，且当绝对值最大的信道系数对应的子信道的序号不属于时将该序号加入到中；再返回步骤9继续执行；其中，j为正整数，1≤j≤N，表示协作用户发射机和能量收集用户发射机之间在第1个子信道上的信道系数，表示协作用户发射机和能量收集用户发射机之间在第j个子信道上的信道系数，表示协作用户发射机和能量收集用户发射机之间在第N个子信道上的信道系数；步骤12、计算能量收集用户发射机的发射功率，记为p_EH，步骤13、令从Ω中找出绝对值最大的信道系数；然后将Ω中的绝对值最大的信道系数对应的子信道的序号记为j'；再重新初始化使的初始值为{j'}；并令Ω_cw＝{j'}；其中，j为正整数，1≤j≤N，表示能量收集用户发射机和能量收集用户接收机之间在第1个子信道上的信道系数，表示能量收集用户发射机和能量收集用户接收机之间在第j个子信道上的信道系数，表示能量收集用户发射机和能量收集用户接收机之间在第N个子信道上的信道系数，j'∈[1,N]；步骤14、计算为能量收集用户发射机在第2个子时隙中在序号属于中的每个子信道上分配的发射功率，设定第i^*个子信道的序号属于则将为能量收集用户发射机在第2个子时隙中在第i^*个子信道上分配的发射功率记为其中，i^*为正整数，M_E表示中包含的元素的总个数，表示能量收集用户发射机和能量收集用户接收机之间通信时在第i^*个子信道上的信道系数；步骤15、在步骤14的基础上，判断为能量收集用户发射机在第2个子时隙中在序号属于中的各个子信道上分配的发射功率是否全不小于零，如果是，则执行步骤16；否则，找出小于零的发射功率对应的子信道，然后将找出的子信道的序号从中删除，再返回步骤14继续执行；步骤16、在步骤15的基础上，计算能量收集用户的实际吞吐量，记为R_EHU，步骤17、判断R_EHU是否大于或等于如果是，则执行步骤19；否则，执行步骤18；步骤18、令Ω'为Ω中除去Ω_cw中的所有元素后剩下的元素组成的集合；然后从Ω'中找出绝对值最大的信道系数；接着将Ω'中的绝对值最大的信道系数对应的子信道的序号分别加入到和Ω_cw；再返回步骤14继续执行；步骤19、令表示在第2个子时隙中分配给协作用户用于通信的子信道的序号的集合；然后初始化使的初始值为在{1,2,…,N}中除去所有属于中的元素后剩下的元素组成的集合；步骤20、计算为协作用户发射机在第2个子时隙中在序号属于中的每个子信道上分配的发射功率，设定第i”个子信道的序号属于则将为协作用户发射机在第2个子时隙中在第i”个子信道上分配的发射功率记为其中，i”为正整数，M_C2表示中包含的元素的总个数，表示在第2个子时隙中协作用户发射机和协作用户接收机之间通信时在第i”个子信道上的信道系数；步骤21、在步骤20的基础上，判断为协作用户发射机在第2个子时隙中在序号属于中的各个子信道上分配的发射功率是否全不小于零，如果是，完成在第1个子时隙中在协作用户用于通信的子信道上协作用户发射机的发射功率分配、在第2个子时隙中在协作用户用于通信的子信道上协作用户发射机的发射功率分配、在第2个子时隙中在能量收集用户用于通信的子信道上能量收集用户发射机的发射功率分配，并结束；否则，找出小于零的发射功率对应的子信道，然后将找出的子信道的序号从中删除，再返回步骤20继续执行。