[发明专利]一种无线供电反向散射网络能效优化方法

权利要求书

1.一种无线供电反向散射网络能效优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：构建基于正交频分多址接入技术的无线供电反向散射网络；

S2：分析系统传输特性，构建联合优化传输功率、传输时间、反射系数、能量分配系数的能效最大化模型；

步骤S2中所述分析系统传输特性，其内容包括：

数据反向散射阶段，首先基站通过子载波k向反向散射设备发送信号s_k(t)，满足于E[|s_k(t)|²]＝1，则反向散射设备接收到信号y(t)表示为：

其中，p_k表示子载波k上从基站到反向散射设备的发射功率；表示子载波k上从基站到反向散射设备的信道增益；n(t)表示反向散射设备接收端的噪音，即

由于基站的发射功率受到供电设备硬件系统的限制，不可能提供无限大的传输功率，因此基站的发射功率满足如下形式的最大发射功率条件，

其中，P_max表示基站最大发射功率；

根据反向散射网络的反射特性，通过反射系数θ(0＜θ≤1)将反向散射设备接收信号分为两部分，则表示用于调制和反射来自基站的信号，剩余部分用于无线能量收集；

因此，在数据反向散射阶段，收集到的能量E_eh表示为：

E_eh＝τηP₀(1-θ)

其中，τ表示能量收集的时间；η表示能量收集的效率；

设备收集的能量由能量分配系数ρ分为两部分，一部分用于供应数据传输阶段的传输能量，表示为ρE_eh；另一部分用于维持设备运行的电路消耗，表示为E_eh(1-ρ)；由于数据传输阶段的传输功率受限于数据反向散射阶段内所分配收集的能量，因此数据传输阶段的传输功率需要满足，

其中，T_dt表示数据传输时间；P_k表示子载波k上反向散射设备到接收器的数据传输功率；

为了延长反向散射设备运转周期，需要分配足够的能量来维持设备运行时的电路消耗，因此分配的能量需要满足：

(1-ρ)E_eh≥p_c

其中，p_c为设备运行的电路功耗，p_c＝p_eT_bc+p_dT；p_e表示反向散射设备调制和接收信号的电路消耗功率；p_d表示反向散射设备反射和传输信号的电路消耗功率；

数据反向散射阶段，根据香农定理，从反向散射设备到接收器的反向散射数据速率R_bc表示为：

其中，T_bc表示反向散射时间；表示子载波k上从反向散射设备到接收器的信道增益；σ_k表示子载波k上的干扰噪声功率，满足于σ_k＝σ²/K；

数据传输阶段，从反向散射设备到接收器的传输数据速率R_dt表示为：

其中，κ表示能量转化效率；

因此，总传输速率表示为：

R_total＝R_bc+R_dt

考虑系统功率传输消耗和设备电路消耗，系统的实际功率消耗表示为：

因此，系统的能效表示为：

步骤S2中所述构建能效最大化模型表示为：

s.t.C₁:τηP₀(1-ρ)(1-θ)≥p_c

C2：

C₃:T_bc+T_dt＝T

C4：

C₅:τ≤T_bc

C₆:0＜θ≤1

C₇:0≤ρ≤1

C₈:p_k≥0,P_k≥0,T_bc≥0,T_dt≥0,τ≥0

其中，表示优化的变量为T_A，P_A，ρ，τ，θ，目标为最大化问题；T_A＝[T_bc,T_dt]和P_A＝[p_k,P_k]分别为时间分配和功率分配的变量集；T表示系统传输时隙；约束条件C₁和C₂是关于最小能量收集的约束，C₁用于限制所分配电路消耗能量的下限，C₂用于限制数据传输功率的上限；约束条件C₃用于表示系统传输的时间；约束条件C₄用于限制最大基站最大传输功率；约束条件C₅用于限制能量收集的时间；约束条件C₆和C₇分别用于表示反射系数和能量分配系数；约束条件C₈表示所优化的变量均为非负数；

S3：采用Dinkelbach方法将分式形式的能效模型转化为分子与分母相减的形式，利用分离变量的方法，将优化问题分解为关于数据传输功率和能量分配系数两个单变量求解的子问题，分别求得闭式解后代入原优化问题；

S4：基于变量替换的方法，将多变量耦合的问题进行解耦，将优化问题转化为一个凸优化问题；

S5：基于拉格朗日对偶原理以及KKT条件，求得所需参数解析解；利用迭代原理，依次获得满足算法精度的优化变量全局最优解，此时所得到的分配方案即为最优分配方案。