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针对反向散射辅助的无线供能通信网络中由于信道质量差异导致的用户能效不公平问题,提出了一种基于最大最小准则的资源分配方法。首先,考虑用户服务质量与能量因果约束,并以最大最小化用户能效为目标,将优化问题建模为混合整数非凸分式规划问题。其次,利用广义分式规划理论将其转化为一个混合整数非凸减式优化问题,并通过引入松弛变量、反证法和辅助变量将非凸减式问题进一步转化为一个等价的凸问题。最后,提出一种迭代算法来获取原优化问题的最优解。实验仿真验证了所提迭代算法的快速收敛性,并证明了所提资源分配方法能够有效地保障用户能效公平性。
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2020 年 7 月 Journal on Communications July 2020
第 41 卷第 7 期 通 信 学 报 Vol.41
No.7
反向散射辅助的无线供能通信网络中用户能效公平性研究
叶迎晖,施丽琴,卢光跃
(西安邮电大学陕西省信息通信网络及安全重点实验室,陕西 西安 710121)
摘 要:针对反向散射辅助的无线供能通信网络中由于信道质量差异导致的用户能效不公平问题,提出了一种基
于最大最小准则的资源分配方法。首先,考虑用户服务质量与能量因果约束,并以最大最小化用户能效为目标,
将优化问题建模为混合整数非凸分式规划问题。其次,利用广义分式规划理论将其转化为一个混合整数非凸减式
优化问题,并通过引入松弛变量、反证法和辅助变量将非凸减式问题进一步转化为一个等价的凸问题。最后,提
出一种迭代算法来获取原优化问题的最优解。实验仿真验证了所提迭代算法的快速收敛性,并证明了所提资源分
配方法能够有效地保障用户能效公平性。
关键词:反向散射;无线供能通信网络;用户能效;公平性
中图分类号:TN92
文献标识码:A
Doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2020133
User-centric energy efficiency fairness in backscatter-assisted
wireless powered communication network
YE Yinghui, SHI Liqin, LU Guangyue
Shaanxi Key Laboratory of Information Communication Network and Security,
Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China
Abstract: In order to address the unfair user-centric energy efficiency (EE) problem caused by channel difference in the
backscatter-assisted wireless powered communication network, a resource allocation scheme was proposed. Firstly, a
mixed integer nonconvex fractional programming problem was formulated to maximize the minimum user-centric EE,
subject to the quality of service and energy-causality constraints. Based on the generalized fractional programming theory,
the original problem was transformed into a mixed integer nonconvex subtraction problem. With the aid of the slack var-
iable, the proof by contradiction, the auxiliary variable and the mixed integer nonconvex subtraction problem were further
transformed into an equivalent convex problem. Finally, an iterative algorithm was proposed to obtain the optimal solu-
tions. Computer simulations validated the quick convergence of the proposed iterative algorithm, and that the developed
resource allocation scheme efficiently guarantees the fairness among users in terms of EE.
Key words: backscatter, wireless powered communication network, user-centric energy efficiency, fairness
1 引言
泛在物联网是发展 6G 的关键驱动力之一
[1-2]
。
实现泛在物联需要部署数以亿计的低功耗传感节
点,频繁的数据交互会大幅消耗传感节点自身的电
能。然而传感节点的部署环境与密度并不可能实现
频繁地更换电池及接入电网,因此频繁数据交互产
生的能量短缺问题是制约泛在物联发展的重要因
素之一
[2]
。
为解决数据交互产生的能量短缺问题,学者们
收稿日期:2020−03−24;修回日期:2020−05−27
通信作者:卢光跃,tonylugy@163.com
基金项目:陕西省重点科技创新团队计划基金资助项目(No.2017KCT-30-02);国家自然科学基金资助项目(No.61901370)
Foundation Items: The Science and Technology Innovation Team of Shaanxi Province (No.2017KCT-30-02), The National Natural
Science Foundation of China (No.61901370)
第 7 期 叶迎晖等:反向散射辅助的无线供能通信网络中用户能效公平性研究 ·85·
提出了 3 种可行的技术方案。1) 将无线能量传输技
术融入传感网络中,构建同时具有通信服务质量
(QoS, quality of service)的无线供能通信网络。这
种方案的本质是通过部署专用的能量站或混合接
入点为传感节点提供能量,传感节点利用收集到的
能量以传统信息传输模式来实现数据通信
[3-4]
,本文
将这种通信模式称为收集–传输(HTT, harvest then
transmit)模式。2) 将反向散射通信技术应用于传
感网络节点,实现超低功耗甚至无源的通信网络。
这种方案的本质是让传感节点通过比较简单的调
制方法将自身信息加载到外在射频信号来实现数
据通信。反向散射通信又可分为单站反向散射通
信、双站反向散射通信和环境反向散射通信,如图
1 所示。相比于无线供能通信技术,采用反向散射
通信技术的节点不需要产生射频信号以及进行模
数转换,因此该技术的能量消耗远低于无线供能通
信技术
[5-6]
。3)将反向散射通信和无线供能通信相结
合,构建反向散射辅助的无线供能通信网络
[7-8]
。
图 1 3 种反向散射通信网络
在以上 3 种方案中,反向散射辅助的无线供能
技术可以同时具有无线供能网络和反向散射技术
的优点,因此更加适用于能量受限的传感网络。文
献[8]首次提出了反向散射辅助的无线供能通信技
术,将其与认知无线电网络相结合,并在交织式认
知网络和衬底式认知网络对单对的次用户链路吞
吐量最大化的时隙资源分配方法进行了研究。随后
文献[9-10]将文献[8]分别拓展到两对和任意多对的
次用户的场景,并设计了最大化次用户吞吐量之和
的时隙资源分配方法。文献[8-10]的方案均假设了
次用户发射机工作在环境反向散射通信模式或者
HTT 模式。文献[11]考虑了一个多模反向散射通信
与 HTT 结合的网络。在该网络下,次用户能够在
环境反向散射通信、双站反向散射通信及 HTT 这 3
种模式下灵活切换,并提出了次用户链路容量最大
化的时隙资源分配方法。除了将反向散射辅助的无
线供能通信技术应用于认知无线网络之外,也有学
者将其与蜂窝网
[12]
、终端直通技术
[13]
和中继技术
[14]
结合,研究网络吞吐量最大化的资源分配方法或评
估网络所能完成的中断容量。考虑到能量效率也是
无线通信网络的重要指标之一,文献[15]针对反向
散射辅助的无线供能通信网络研究了最大化用户
能量效率的资源分配方法。
通过上述工作的回顾可知,现有关于反向散射
辅助的无线供能通信网络的研究大多是从频谱效
率或者评估网络中断容量的角度出发。截至目前,
从能效角度出发研究反向散射辅助的无线供能通
信网络
[15]
并不多,且相关的研究工作存在许多不
足,具体如下。1)仅考虑了单个反向散射通信节点。
为了满足大规模传感节点的信息接入,有必要从能
量效率角度去研究多个反向散射通信节点构成的
无线供能通信网络。在多用户网络中,保障用户公
平获取通信资源是实际网络应用的客观要求
[16]
。因
此,面向多个反向散射通信节点构成的无线供能通
信网络,研究用户能效公平性保障资源分配方法至
关重要。2)仅从时间维度设计资源分配方法。在反
向散射辅助的无线供能通信网络中,时间资源和功
率资源均会对能量效率产生较大的影响,因此有必
要联合优化时–功两维资源来提高网络性能。3)采用
了线性能量收集模型。已有的研究表明,实际的能
量收集电路由于含有非线性器件(如电感、电容等)
而呈现非线性特征
[17-18]
,因此使用线性能量收集模
型将会导致资源错配,降低网络性能。
受以上因素的启发,本文针对反向散射辅助的
无线供能通信网络,研究了保障用户能效公平性的
时–功两维资源分配方法。所考虑的网络由一个专
用能量站、多个传感节点(下文也称为“用户”)
及一个信息接收机组成。传感节点均配置了能量收
集电路、传统通信模块以及反向散射通信模块,因
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