基于分段线性EH模型的WPC系统功率和时间的分配方法

摘要

本发明根据实际的能量获取电路的输入输出关系，提出了一个改进的非线性能量转换模型——分段线性EH模型，通过与实验数据比较，证实该分段线性EH模型比传统的线性EH模型和已有的非线性EH模型更加精确，能够更加准确的模拟实际EH电路，因此，基于该分段线性EH模型设计的功率和时间的分配方法能够避免由于模型不正确所带来的资源错配问题，从而进一步提高系统的性能；此外，与已有的非线性EH模型相比，本发明提出的分段线性EH模型复杂度更低，因此，将该分段线性EH模型应用到现有的资源分配算法中能够大大降低算法的复杂度。

说明书

技术领域

本发明涉及无线供能通信(Wireless Powered Communication，WPC)系统功率和时间的分配方法，具体涉及基于分段线性EH模型的WPC系统功率和时间的分配方法，属于通信技术领域。

背景技术

目前，射频无线能量传输(Radio Frequency Wireless Energy Transfer，RFWET)已成为解决能量受限网络的能量和生命瓶颈的前景技术。在一个无线能量传输(Wireless Energy Transfer，WET)系统中，能量接收端通过捕获周围环境中的来自能量发射端的射频(Radio Frequency，RF)辐射来获取能量。其中，RF WET的一个重要的应用就是无线供能通信(Wireless Powered Communication，WPC)。与传统的电池供电的通信相比，WPC能够提供更高更持续的信息速率，并且使得充电过程更加便利。未来，WPC或将成为许多流行的商业和工业系统的一个重要组成模块，例如即将来临的物联网系统等。

在一个WPC系统中，整个WPC系统在一个传输时段上的操作可分为两个阶段：下行能量传输和上行无线信息传输。

在下行能量传输阶段，由电网供电的基站(能量发射端)向多个无线设备(能量接收端)传送能量，无线设备通过能量采集和RF/DC转换，将获取到的能量存储到电池中。

在上行无线信息传输阶段，这些无线设备利用所获取的能量向基站发送信息。

通常上，能量传输时间越长，无线设备接收到的能量就越多，但会使信息传输时间减少。

因此，需要根据信道状态及具体需求，动态的调整WPC系统的时间分配，从而提高WPC系统的性能。

“Energy-Efficient Transmission for Wireless Powered MultiuserCommunication Networks”的作者研究了在无线供电多用户通信网络中的时间与功率分配方法以实现高能效的传输。其中，为了简便，假设RF/DC电路的输入输出关系是线性的，即RF/DC转换效率是一个常数且与电路的输入功率无关。然而，实际上，RF/DC电路的转换效率是非线性的。具体来说，该转换效率首先随着输入功率的增加而增加，然后又随之降低。因此，线性EH模型不能正确地反映实际EH电路。而基于线性EH模型的资源分配方法不一定能得到最佳的系统性能。

“Practical Non-linear Energy Harvesting Model and Resource Allocationfor SWIPT Systems”中的作者研究了实际EH电路的非线性特性，提出了一个基于S形函数的非线性EH模型，并讨论了基于该非线性EH模型的资源分配方法。将该模型的结果与实验数据比较，结果表明该非线性EH模型能很好地模拟出实际EH电路的非线性特性，比传统线性EH模型更加准确。然而，该非线性EH模型比传统的线性EH模型复杂，尤其反映在最佳资源分配设计时。比如，非线性EH模型往往会导致优化问题的非凸，从而增加算法上的复杂度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出了一个分段线性EH模型，并在此基础上提出了一种基于该分段线性EH模型的WPC系统功率和时间的分配方法，该方法将进一步提高WPC系统的性能，避免因线性EH模型的不准确而导致的资源错配问题，同时，比起基于已有的非线性EH模型的资源分配方法，本发明所提出的方法复杂度更低。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于分段线性EH模型的WPC系统功率和时间的分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：获得用户端的RF/DC模块的详细信息；

Step2：分析用户端的RF/DC模块的电路，得到该电路输入输出功率的实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}；

Step3：基站向每一个用户端分别发送训练序列；

Step4：用户端根据接收到的训练序列得到该用户端与基站之间的信道状态；

Step5：用户端将信道状态信息、RF/DC电路输入输出功率的实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}和用户需求通过反馈的方式发送给基站；

Step6：基站利用已有的非线性模型对RF/DC电路输入输出功率的实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}进行模拟，该非线性模型表示如下：

其中，Φ_r表示的是RF/DC电路的输出功率，P_r表示的是RF/DC电路的输入功率，Ψ_r是关于输入功率P_r的逻辑函数，是一个用于确保该非线性模型有一个0输入和0输出的常数，E_max为实际电路饱和时的输出功率，a和b都是与具体电路有关的常数；

Step7：计算上述非线性模型的均方误差：

Step8：用分段线性模型来模拟实际电路，假设该分段线性模型的分段数为K，如果K＝2，则执行Step9a，否则，执行Step9b；

Step9a：

首先，计算实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}中相邻两个数据之间的斜率根据这些斜率将实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}分成两段，分别为：{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_L,y_L)}和{(x_L+1,y_L+1),(x_L+2,y_L+2),...,(x_N,y_N)},1<L<N；

然后，对每一段实验数据都采用线性函数进行模拟；

最后，计算分段线性模型与实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}之间的均方误差ε₂，此后跳至Step10；

Step9b：

首先，计算实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}中相邻两个数据之间的斜率根据这些斜率将实验数据分成K段，分别记为：

然后，对每一段数据都采用线性函数进行模拟；

最后，计算分段线性模型与实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}之间的均方误差ε₂，此后跳至Step10；

Step10：比较均方误差ε₁和均方误差ε₂的大小，当ε₁≤ε₂时，执行Step11a，当ε₁>ε₂时，执行Step11b；

Step11a：增加分段线性模型的分段数，并重新执行Step8；

Step11b：根据得到的分段线性模型、信道状态、用户需求及所要达到的系统性能，制定优化问题，然后采用现有的优化算法解决上述优化问题，得到最佳的功率P_t和时间τ_e分配。

前述的分配方法，其特征在于，在Step8中，初始的时候令K＝2。

前述的分配方法，其特征在于，在Step9a中，均方误差ε₂的计算公式如下：

前述的分配方法，其特征在于，在Step9b中，均方误差ε₂的计算公式如下：

本发明的有益之处在于：

(1)本发明根据实际的能量获取(Energy Harvesting，EH)电路的输入输出关系，提出了一个改进的非线性能量转换模型——分段线性EH模型，通过与实验数据比较，证实该分段线性EH模型比传统的线性EH模型和已有的非线性EH模型更加精确，能够更加准确的模拟实际EH电路，因此，基于该分段线性EH模型设计的功率和时间的分配方法能够避免由于模型不正确所带来的资源错配问题，从而进一步提高系统的性能。

(2)与已有的非线性EH模型相比，本发明提出的分段线性EH模型复杂度更低，因此，将该分段线性EH模型应用到现有的资源分配算法中能够大大降低算法的复杂度，如将原有非凸的问题凸化，从而可用凸优化的方法进行解决。

附图说明

图1是本发明的方法可应用的一个场景图；

图2是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

图1是本发明的方法可应用的一个场景图。整个WPC系统包含有一个装配有多天线的基站BS及U个单天线的用户设备UE，{UE₁,UE₂,...,UE_U}。首先，在τ_eT时间段(T表示一个传输时段)，基站BS在下行链路上向所有的用户设备UE进行无线能量传输，然后，所有的用户设备UE在上行链路上轮流向基站BS进行信息传输，时间段为本场景中的系统性能用上行信息速率来衡量。本发明的方法将得到基站BS的发射功率P_t和下行能量传输时间τ_e分配，从而达到系统性能的最优。

参照图2，本发明的基于分段线性EH模型的WPC系统功率和时间的分配方法包括以下步骤：

Step1：获得用户端的RF/DC模块的详细信息，即获知该模块使用的是何种RF/DC电路。

Step2：分析用户端的RF/DC模块的电路，得到该电路输入输出功率的实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}。

Step3：基站向每一个用户端分别发送训练序列。

Step4：用户端根据接收到的训练序列得到该用户端与基站之间的信道状态。

Step5：用户端将信道状态、实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}和用户需求(具体为要求的最小信噪比或速率等)通过反馈的方式发送给基站。

Step6：基站利用已有的非线性模型对实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}进行模拟，该非线性模型表示如下：

其中，Φ_r表示的是RF/DC电路的输出功率，P_r表示的是RF/DC电路的输入功率，Ψ_r是关于输入功率P_r的逻辑函数，是一个用于确保该非线性模型有一个0输入和0输出的常数，E_max为实际电路饱和时的输出功率(又称为最大可获取的功率)，a和b都是与具体电路(如电流、电阻等)有关的常数。

Step7：计算上述非线性模型的均方误差：

Step8：用分段线性模型来模拟实际电路，假设该分段线性模型的分段数为K(初始的时候令K＝2)，如果K＝2，则执行Step9a，否则，执行Step9b。

Step9a：

首先，计算实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}中相邻两个数据之间的斜率根据这些斜率将实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}分成两段，分别记为：{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_L,y_L)}和{(x_L+1,y_L+1),(x_L+2,y_L+2),...,(x_N,y_N)},1<L<N；

然后，对每一段实验数据都采用线性函数进行模拟，例如：

第一段线性函数的参数可由线性回归得到：

其中，和

第二段线性函数也可通过类似的方法得到；

最后，计算分段线性模型与实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}之间的均方误差ε₂：

此后跳至Step10。

Step9b：

首先，计算实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}中相邻两个数据之间的斜率根据这些斜率将实验数据分成K段，在本实施例中假设K＝4，即假设将实验数据分成了4段，分别记为：

然后，对每一段数据都采用线性函数进行模拟，例如：

第一段线性函数的参数可由线性回归得到：

其中，和

第二段线性函数、第三段线性函数和第四段线性函数也可通过类似的方法得到；

最后，计算分段线性模型与实验数据{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_N,y_N)}之间的均方误差ε₂：

此后跳至Step10。

Step10：比较均方误差ε₁和均方误差ε₂的大小，当ε₁≤ε₂时，执行Step11a，当ε₁>ε₂时，执行Step11b。

Step11a：增加分段线性模型的分段数，即K＝K+1，重新执行Step8。

Step11b：根据得到的分段线性模型、信道状态、用户需求及所要达到的系统性能，制定优化问题，并采用现有的优化算法解决上述优化问题，得到最佳的功率P_t和时间τ_e分配，然后执行Step12。

Step12：基站BS根据所得到的最佳的功率P_t和时间τ_e分配来进行下行的能量传输，用户接收完能量后，在上行信息传输阶段按照给定时间依次传输信息。

Step13：结束。

本发明提出的分段线性EH模型比传统的线性EH模型和已有的非线性EH模型更加精确，能够更加准确的模拟实际EH电路，因此，基于该分段线性EH模型设计的功率和时间的分配方法能够避免由于模型不正确所带来的资源错配问题，从而进一步提高系统的性能。

此外，本发明提出的分段线性EH模型与已有的非线性EH模型相比，复杂度更低，因此，将该分段线性EH模型应用到现有的资源分配算法中能够大大降低算法的复杂度。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。