[发明专利]一种无线供电反向散射网络能效优化方法

说明书

本发明涉及一种无线供电反向散射网络能效优化方法，属于反向散射通信技术领域，包括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资源分配模型；分析当前系统传输特性，满足基站发射功率以及收集能量约束下，构建联合优化功率分配、时间分配、反射系数、能量分配系数的能效最大化问题；基于Dinkelbach方法处理所提出的分式规划模型，分解为多个单变量求解的子问题，并分别求得闭式解；利用变量代换的方法，将多变量耦合的非凸问题转化为可以求解的凸优化问题；基于拉格朗日对偶理论和KKT条件，求得所优化变量的全局最优解。本发明在能效方面相较于现有技术有较大提升。

技术领域

本发明属于反向散射通信技术领域，涉及一种无线供电反向散射网络能效优化方法。

背景技术

随着物联网(Internet of Things,IoT)技术的发展，海量无线设备节点接入到物联网中，极大的提升了通信传输速率。但由于设备电池容量，巨大的设备维护成本与通信系统能量消耗问题变得尤为严重。随着绿色通信技术的发展，对无线通信网络的能耗也提出了更高的要求。因此，如何在提高传输速率的同时最大程度减小网络能耗是一个亟待解决的关键科学问题。

反向散射通信(Backscatter communications)技术和无线供电通信(Wirelesspowered communications)技术被认为是解决无线通信节点设备能量短缺的有效技术。具体来讲，反向散射网络是由一个射频能量源、一个接收端和一个反射节点组成；其中，反射节点具有低功耗、低成本的特点，并可以调制来自射频能量源的信号并将其反射给目的接收机。因此，通过反向散射通信可以提高网络的传输范围。从另一个层面讲，无线供电通信技术可以通过收集周围的电磁能量并储存起来从而提高设备的运行寿命，是一种有效的低功耗绿色通信技术。因此基于无线供电的反向散射通信一方面避免了网络覆盖范围不足带来的传输速率低下的问题，另一方面也避免了设备供给所带来的能量消耗。此外，考虑正交频分多址技术(orthogonal frequency-division multiple access)与无线供电反向散射网络的结合也是为进一步提升传输效率和数据速率，拓宽反向散射网络的应用范围。

资源分配是无线通信网络中的关键技术，即通过调整用户或基站的发射功率、载波分配等方法来提高用户的服务质量。与传统的蜂窝网络的资源分配问题不同，反向散射通信网络资源分配问题，不仅仅需要考虑功率控制，同时需要优化反射时间、反射系数等参数。由于这类参数与传输功率在信噪比中存在耦合关系，使得这类资源分配问题的求解变得尤为复杂，而现有基于交替迭代的算法，无法求得全局最优解。同时现有研究主要集中在系统传输速率的提升，而没有综合考虑系统的能量消耗。为了平衡传输速率与系统消耗的关系，对反向散射网络的能效问题的研究是十分有必要的。因此，关于反向散射通信网络的资源分配问题还需要进一步研究与完善。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线供电反向散射网络能效优化方法，既对反向散射通信网络内的数据传输速率、设备电路运行能量需求提供保障，同时还可以最大化提升系统的能效。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无线供电反向散射网络能效优化方法，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；

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；