[发明专利]一种基于能量收集的工业物联网多维资源联合优化算法

说明书

本发明涉及一种应用在基于能量收集的工业物联网场景中高能效的资源分配优化算法，针对机器到机器(M2M)通信网络中能效较低、频谱资源紧缺等问题，考虑将能量收集与认知M2M通信相结合，M2M发射机(M2M‑TX)通过利用基站发射的射频能量，并复用蜂窝链路的频谱资源，将数据传输至相应的接收机(M2M‑RX)。首先建立M2M‑TX、M2M‑RX与资源块(RB)之间的三维匹配关系；其次通过交替优化(AO)、非线性分式规划以及线性规划算法解决联合功率控制与时间分配子问题，以获取相应喜好列表；最后基于所获喜好列表，通过基于定价机制的三维匹配算法解决联合信道选择与对等节点发现子问题，以获取频谱资源最佳分配方案。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种应用在基于能量收集的工业物联网场景中高能效的资源分配优化算法，针对机器到机器(M2M)通信网络中能效较低、频谱资源紧缺等问题，考虑将能量收集与认知M2M通信相结合，M2M发射机(M2M-TX)通过利用基站发射的射频能量，并复用蜂窝链路的频谱资源，将数据传输至相应的接收机(M2M-RX)。首先建立M2M-TX、M2M-RX与资源块(RB)之间的三维匹配关系；其次通过交替优化(AO)、非线性分式规划以及线性规划算法解决联合功率控制与时间分配子问题，以获取相应喜好列表；最后基于所获喜好列表，通过基于定价机制的三维匹配算法解决联合信道选择与对等节点发现子问题，以获取频谱资源最佳分配方案。

背景技术：

工业物联网(IIoT)已经成为下一代将互联网与工业设备相互连接的新工业革命的标签。它创建了一个互联互通的全球网络，可以支持诸如智慧城市，智能交通系统和智能电网等新应用之间相互交换信息并相互协作。然而，随着物联网设备数量的急剧增加，其对通信技术与协议提出了更高的要求：应适应大规模的数据交换、可提供随时随地连接、支持智能资源分配。机器对机器(M2M)通信是实现物联网愿景的一种关键技术，其无需人为干预，即可实现机器之间自主地互相通信。

尽管M2M通信网络具有上述优点，但其广泛部署仍然面临一些挑战。首先，目前频谱资源十分稀缺，大多数可用频谱资源已经被支持人对人(H2H)通信应用(例如，语音和视频)占用。为了减缓频谱使用压力，可以通过复用传统H2H通信系统(例如，3G/4G蜂窝网络)的频谱资源而无需为M2M通信重新分配频谱。然而，H2H蜂窝用户(CU)和M2M设备之间共享频谱资源会不可避免地导致它们之间产生同道干扰，除非管理良好，否则可能降低系统性能。其次，M2M设备所安装电池容量十分有限，而定期更换部署在较大区域的M2M设备的电池可能非常昂贵。因此，在保证M2M通信链路与蜂窝通信链路QoS的同时，通过智能资源分配优化M2M发射机(M2M-TX)的能效极为重要。

发明内容：

本发明在基于能量收集的M2M单蜂窝通信网络场景下，以最大化发射机M2M-TXs的能效为目标，提出了一种基于能量收集的工业物联网场景中高能效的资源分配优化算法。该算法首先建立M2M-TX、M2M-RX与资源块RB之间的三维匹配关系；其次通过交替优化(AO)、非线性分式规划以及线性规划算法解决联合功率控制与时间分配子问题，以获取相应喜好列表；最后基于所获喜好列表，通过基于定价机制的三维匹配算法解决联合信道选择与对等节点发现子问题，以获取频谱资源最佳分配方案。具体过程如下：

1)图1为基于能量收集的M2M单蜂窝通信网络系统模型图，有K个CUs、N个M2M-TXs以及M个M2M-RXs。每个M2M-TX均具有能量收集及数据传输的功能，采用具有块衰落特性的信道模型，每个时间块均被分为能量收集及数据传输两个时隙。在能量收集时隙，M2M-TXs从临近的无线射频(RF)信号中收集能量；在数据传输时隙，M2M-TXs利用存储及收集的能量向相应的M2M-RXs传输信息。考虑下行链路能量收集及频谱复用场景，发射机TX_n通过复用最多一个蜂窝用户C_k的频谱资源块RB_k向相应接收机RX_m(最多一个)传输数据，用s_n,m,k＝1表示，三者形成一对一的匹配关系。