一种应用于信能同传系统的资源分配优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术和无线输电技术的交叉领域，特别涉及一种信能同传系 统的子载波功率分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线信能同传（SimultaneousWirelessInformationandEnergyTransfer)，即 通过无线方式实现信息和能量的同时传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新 兴通信技术。随着科技的发展，整合能源技术和通信技术成为趋势，既能实现高速可靠的通 信，又能有效缓解能源和频谱稀缺的压力，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的 应用价值。
[0003] 无线信能同传突破传统的无线通信手段，将能量属性同时考虑，整合无线通信技 术和无线能量传输技术，实现信息和能量的并行同时传输，具有广泛的应用价值和创新意 义。
[0004] 基于信息与能量同时传输的特点，用于各类依靠有限容量电池提供电能的无线终 端或器件，通过从信号中采集能量为其馈电，极大延长待机时间，减小设备体积和成本，并 能够大幅减少电池的生产量，大大降低电池生产制造与回收过程中造成的环境污染。基于 非接触式的远距离传输的特点，可取代电池或者线缆供电，极大的提升供电的便利性。基于 稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器（EnergyHarvester)以采集环境能量 (如风能、太阳能、动能等）为主的方式。同时，无线信能同传在改善人民生活方面的应用 也是广泛的，会产生极大的社会效益：在医疗领域，植入医疗装置如心脏起搏器、心血管机 器人等均存在严重的电池能量短缺问题，无线信能同传技术的装配可避免对患者造成严重 的二次痛苦。
[0005] 本发明人在申请文件"一种多载波宽带信息能量同传发送系统及接收系 统"（【申请号】201510133784.X)、"一种信息能量同传发送方法及接收方法"（【申请号】 201510133428. 8)、"一种多载波宽带信能同传优化方法"（【申请号】201510133789. 2)中提 出了一种信能同传的方法，在系统发送的基带信号中包含信息基带信号和能量基带信号， 经相应处理后同时传送，通过能量信号为接收端提供足够的电能量；该方法可以广泛应用 于数字通信和模拟通信中。
[0006] 在上述信能同传系统中，信能同传优化方法虽然提出了优化的方向，但是并没有 一种可以实现信能同传系统子载波自动化优化配置的具体手段。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种切实可行的自动化优化配置信 息和能量载波信号载波信道的子载波功率分配优化方法。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：
[0009] -种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其应用于多载波宽带信能同传系 统中，所述信能同传系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法 包括步骤：Pl，发射端根据第一优化目标和第一约束条件集来确定最优的能量信号载波个 数N/和最优的能量信号的功率P 所述第一优化目标为：使第一约束条件集成立的情况 下，能量信号载波个数Ne最小和能量信号的功率？￡最小；所述第一约束条件集涉及：C1，接 收端所采集功率Q大于等于接收端当前工作模式所需的最低功率P_，即满足Q多P_;C2， 每个子载波信道上能量信号的能量S [>￡>4不大于限制能量P1;C3,每个子载波频段上的 平均功率谱密度小于或等于一个既定的参数值A ;所述优化方法还包括步骤Pl的求解步 骤：S11，对反馈的子载波信道参数按信道质量做降序排列；S12,计算信道质量排序在前的 一个子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件Cl， 若是，则进入步骤S14,否则进入步骤S13 ;S13,继续叠加排序在前的下一子载波信道在满 足约束条件C2和C3的前提下，传输的最大总功率是否满足约束条件Cl，若是，则进入步骤 S14,否则返回执行步骤S13 ;S14,记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个 数N/，将满足约束条件Cl的最优的能量信号的功率P/调制在信道质量排序在前的N /个 子载波信道上。
[0010] 优选的，所述优化方法还包括步骤：P2,发射端基于步骤Pl中所述最优的能量信 号载波个数N/和最优的能量信号的功率P /，得出最优的信息信号载波个数NZn和最优的信 息信号的功率P1^所述优化方法还包括步骤P2的求解步骤：S21，N N-N E% PZn= P-P /。
[0011] 优选的，所述优化方法还包括步骤：P3,利用凸优化算法，求解确定最优信息信号 功率分配集（ElS 21Oi)B和最优信息信号子载波分配集Sc^，其中，n = 1，2,…，队。
[0012] 优选的，所述优化方法还包括步骤：P4,根据最优信息信号功率分配集 (ElS21 (n)]}和最优信息信号子载波集Sc1'确定最优信息传输速率R%具体求解关系式 为：
[0014] 其中，n= 1，2，…，N1' 〇 2为平均噪声功率。
[0015] 优选的，所述第一约束条件集还涉及：C4,子载波上的能量信号功率之和小于等于 能量信号的总功率。
[0016] 优选的，约束条件Cl所述接收端的工作模式包括正常工作模式、耗能模式和储能 工作模式。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 本发明提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行、自动化配置的多 载波宽带信能同传优化方法，在向接收端发送信息信号的同时发送独立的能量信号，能够 为接收端所处工作模式提供需要的能量，另外，通过优化算法对信息信号和能量信号进行 优化，既能提高能量传输效率又能提高信息速率。
[0019] 本发明可广泛应用于各种信能同传系统。
【附图说明】
[0020] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明：
[0021] 图1是本发明一种实施例子载波信道资源分配示意图。
【具体实施方式】
[0022] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。
[0023] -种应用于信能同传系统的资源分配优化方法，其应用于多载波宽带信能同传系 统中，所述信能同传系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法 包括步骤：P1，发射端根据第一优化目标和第一约束条件集来确定最优的能量信号载波个 数N/和最优的能量信号的功率P所述第一优化目标为：使第一约束条件集成立的情况 下，能量信号载波个数Ne最小和能量信号的功率？￡最小；所述第一约束条件集涉及：C1，接 收端所采集功率Q大于等于接收端当前工作模式所需的最低功率P_，即满足Q多P_;C2， 每个子载波信道上能量信号的能量不大于限制能量P1;C3,每个子载波频段上的 平均功率谱密度小于或等于一个既定的参数值A，即满足E[S2e (n) ] /BsSA，Bs为每个子载 波上的信道带宽；所述优化方法还包括步骤Pl的求解步骤：S11，对反馈的子载波信道参 数按信道质量做降序排列；S12,计算信道质量排序在前的一个子载波信道在满足约束条件 C2和C3的前提下，传输的最大功率是否满足约束条件Cl，若是，则进入步骤S14,否则进入 步骤S13 ;S13,继续叠加排序在前的下一子载波信道在满足约束条件C2和C3的前提下，传 输的最大总功率是否满足约束条件C1，若是，则进入步骤S14,否则返回执行步骤S13 ;S14， 记录当前计算的子载波信道数为最优的能量信号载波个数N/，将满足约束条件Cl的最优 的能量信号的功率P/调制在信道质量排序在前的N/个子载波信道上。
[0024] 其中，限制能量P1满足关系式P1=BsPs，其中，匕为每个子载波信道上的最大功 率谱密度，。
[0025] 作为本发明一种优选的实施例，可以在发射端首先对功率、频谱、载波进行运算。 假设发射端基带信号总功率为P，分配于信息信号的能量和能量信号的总功率分别为PjP PE，则P^Pe=P;信号总载波集为Sc，Sc=SceUSc1，其中，SceS能量信号子载波集，Sc1S 信息信号子载波集；接收端采集到的能量为Q，即有Q=PPE，P是能量效率系数；信道参数 向量k，其中，k=Diuh2……hN]T;总载波数为N，分配于信息信号的载波数和能量信号的载 波数分别为队和NE，则N=NJNe;信息信号和能量信号的能量符号分别为S: (n)和Se (n)，
IS11-Slni分别为信息信号的第 1至第m个信息符号，Sei~SEni分别为能量信号的第1至第m个能量符号，用E[S% (n)]和E[S2E(n)]分别表示信息信号和能量信号的能量。因此，接收端采集到的功率Q可用下述关 系式表$ :
[0027] 能量信号的功率Pe可用下述关系式表示：
[0029] 可根据接收端工作所需的最少能量和信道反馈信息，对载波和频谱进行分配优 化。
[0030] 可在发射端发出信号后，监控信道反馈信息，并根据接收端工作所需的最少能量 和信道反馈信息（该实施例中，信道数量等于载波数量），对载波和频谱进行分配优化。
[0031] 优选的，步骤Pl中所述第一优化目标包括：使第一约束条件集成立的情况下，能 量信号载波个数Ne最小和能量信号的总功率PE最小。
[0032] 需要说明的是，约束条件Cl所述的接收端工作所需的最低功率应当理解为所述 接收端多种工作模式所需的最低功率。该实施例中，约束条件Cl所述接收端的工作模式包 括正常工作模式和充电工作模式。例如：当接收端处于正常工作模式（非充电模式）时，接 收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率；当接收端处于充电工作模式 时，接收端工作所需最低功率可以是接收端电路运行所需最低功率和充电所需功率之和。
[0033] 步骤P2,发射端基于步骤Pl中所述最优的能量信号载波个数N/和最优的能量信 号的功率P/，得出最优的信息信号载波个数PC和最优的信息信号的功率P&
[0034] 即步骤P2第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输