无线供能通信网络中eMBB和URLLC的复用方法

本发明属于通信领域，具体涉及无线供能通信网络中embb和urllc的复用方法。

背景技术：

1、为了进一步改善我们的城市、生活环境和工业，下一代无线网络需要支持各种不同需求的服务和应用程序。为了实现这一目标，第五代无线网络(5g)预计将支持三大主要使用场景，分别为embb(enhanced mobile broadband，增强型移动宽带)、urllc(ultra-reliable low-latency communications，超可靠低延迟通信)和mmtc(massive machine-type communications，大规模机器型通信)。其中，embb业务需要更高的数据速率，以进一步提高当前的移动业务，如高清视频和虚拟现实；urllc服务专注于支持高可靠性的小数据包的低延迟传输，它涵盖了自动驾驶汽车、工业自动化和车辆通信等应用；mmtc支持连接大量设备的业务，每个设备间歇传输小数据包，涵盖了智能城市等应用。在上述三个服务中，5g无线网络将支持的两个主要服务是embb和urllc。但是如何在同一个网络中容纳这些不同需求的无线服务，使得它们可以共享相同的资源已成为一个挑战性的问题，而动态复用技术成为解决这个问题的关键。

2、目前，在共享信道上高效复用embb和urllc已成为5g无线网络的主要目标之一。在现有研究中，提前为不同业务分配资源的静态和半静态资源划分被证明频谱效率低下。根据urllc通信按需分配资源的概念，3gpp标准建议在5g网络中使用叠加/抢占技术对urllc和embb服务进行多路复用。由于时间被划分为时隙slot，并且每个slot由几个微时隙minislot组成，所以叠加/穿孔框架的主要思想是在urllc包到达时，在正在进行的服务类型传输所占用的资源上以微时隙为基础传输它们。具体来说，embb通信共享每个微时隙内的时频资源，这些资源可以在每个时隙开始时基于每个用户的信道状态信息进行分配。为了适应严格延迟约束下的urllc流量，到达的urllc包会通过抢占正在进行的embb传输的资源并调度到下一个minislot中进行传输。如果bs(base station，基站)同时为embb和urllc流量分配传输功率，则称为叠加。如果bs为embb流量选择零传输功率，那么这被称为刺穿。在此基础上，现有部分研究通过采用抢占式穿刺的方法，研究了embb和urllc的流量调度联合优化，在urllc严格时延的需求下最大化embb速率，其中urllc抢占分配给embb传输的无线资源。

3、此外，随着通信技术的发展，越来越多的设备被部署在获取能量受限的地方，为了在恶劣环境和难以到达的地点使得大量智能物联网设备能够长期运行，wpcn(wirelesspowered communication networks，无线供能通信网络)技术是一种有吸引力的方案。wpcn用于解决无线网络中的能量稀缺问题，在这些网络中，无线节点通常由电池供电，这些电池要么无法更换，要么需要非常高的更换成本，这限制了节点的寿命。而wpcn可以使无线节点通过消耗从专用射频源获得的能量来执行主动传输。

4、在wpcn的研究中，现有的大多数研究都假设用户的电池容量是无限的，并且忽略了用户处的能量收集电路的接收功率阈值，即rf/dc(射频转直流，radio frequency todirect current)的灵敏度。此外，现有大部分工作是分配所有电池中的能量用于上行信息传输，但是由于信道变化，无法保证在每个时隙中都能收集到足够的能量，因此可能会导致上行信息传输的能量不足。并且，目前wpcn中缺乏同时考虑embb和urllc业务动态复用的方案。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供了一种无线供能通信网络中embb和urllc的复用方法。具体技术方案如下：

2、一种无线供能通信网络中embb和urllc的复用方法，应用于预设场景条件的wpcn中；所述预设场景条件的wpcn包括一个混合接入点hap和多个用户；每个用户配有一个可充电电池，且均有embb和urllc业务需求；时域被划分为多个时长相等的时隙，且每个时隙被划分为多个时长相等的微时隙；子载波在每个时隙开始时收回并重新向用户分配以用于embb传输；每一个到达用户的urllc包抢占下一个微时隙已分配给该用户的子载波进行urllc传输；用户在每个时隙上采用先收集后传输协议；所述方法包括：

3、在考量urllc延迟、rf/dc电路的灵敏度、用户电池容量和子载波可用性的约束下，以最大化wpcn中上行链路的embb总速率为优化目标，构建用于求解所有用户的子载波、时间和能量资源最优分配方案的优化问题；

4、利用预设的混合深度确定性策略梯度方法求解所述优化问题得到最优解。

5、在本发明的一个实施例中，所述优化问题的构建过程，包括：

6、确定用户进行传输的时隙t内，用户针对hap发送的能量信号的接收功率的表达式；

7、根据所述接收功率的表达式、所述接收功率与rf/dc电路的灵敏度的比较关系、时隙t中下行wet阶段的时间分配比例和时隙t的时长，得到时隙t内用户的接收能量的表达式；其中，时隙t被划分为下行wet阶段和上行wit阶段，所述上行wit阶段对应wpcn上行链路；

8、根据所述时隙t内用户的接收能量的表达式、电池最大容量、时隙t-1内用户在所述下行wet阶段结束时的电池容量以及时隙t-1内为上行wit阶段预留的能量比例，得到时隙t内用户更新后的电池容量的表达式；

9、根据所述时隙t内用户更新后的电池容量的表达式、用户在时隙t内为所述上行wit阶段预留的能量比例、时隙t中上行wit阶段的时间分配比例和时隙t的时长，得到时隙t内上行wit阶段中用户的上行传输功率的表达式；

10、基于所述时隙t内上行wit阶段中用户的上行传输功率的表达式、子载波的带宽，得到时隙t内用户在任一子载波b上的上行接收信噪比的表达式；

11、根据给embb传输分配的子载波和被urllc包抢占的子载波的二进制指示、各子载波b的带宽，以及所述时隙t内用户在任一子载波b上的上行接收信噪比的表达式，得到时隙t内微时隙m上用户的embb传输速率的表达式；

12、根据被urllc包抢占的子载波的二进制指示、各子载波b的带宽、所述时隙t内用户在任一子载波b上的上行接收信噪比的表达式、用户的码字块长、解码错误概率、高斯累积分布函数和信道弥散，得到时隙t内微时隙m上用户的urllc传输速率的表达式；

13、根据已获得的所有表达式，设置优化目标为最大化wpcn中所有用户的上行链路的embb总速率，设置求解项为所有用户的子载波、时间和能量资源，并设置相应的约束条件，构建得到优化问题。

14、在本发明的一个实施例中，所述时隙t内用户的接收能量的表达式为：

15、

16、其中，eu,t表示时隙t内用户u的接收能量；表示用户u在时隙t内针对hap发送的能量信号的接收功率；τu,t表示时隙t中下行wet阶段的时间分配比例；t0表示一个时隙的时长；φ表示用户u的rf/dc电路的灵敏度；1(·)表示二进制指示函数，表征所述接收功率与rf/dc电路的灵敏度的比较关系，当(·)中的内容为真，1(·)＝1，反之，1(·)＝0。

17、在本发明的一个实施例中，所述时隙t内用户更新后的电池容量的表达式为：

18、qu,t＝min{ρu,t-1qu,t-1+eu,t,qmax}

19、其中，qu,t表示时隙t内用户u更新后的电池容量；qu,t-1表示时隙t-1内用户u在所述下行wet阶段结束时的电池容量；qmax表示电池最大容量；ρu,t-1∈[0,1]，表示用户u在时隙t-1内为上行wit阶段预留的能量比例；min表示求最小值。

20、在本发明的一个实施例中，所述时隙t内上行wit阶段中用户的上行传输功率的表达式为：

21、

22、其中，表示时隙t内上行wit阶段中用户u的上行传输功率；ρu,t∈[0,1]，表示用户u在时隙t内为上行wit阶段预留的能量比例，qu,t表示用户u在时隙t内wet结束时的电池能量队列。

23、在本发明的一个实施例中，所述时隙t内微时隙m上用户的embb传输速率的表达式为：

24、

25、其中，表示时隙t内微时隙m上用户u的embb传输速率；b表示所有可用的子载波集合；fb表示子载波b的带宽；γu,b,t表示时隙t内用户u在任一子载波b上的上行接收信噪比；xu,b,t,m,yu,b,t,m∈{0,1}，分别表示给embb传输分配的子载波和被urllc包抢占的子载波的二进制指示。

26、在本发明的一个实施例中，所述时隙t内微时隙m上用户的urllc传输速率的表达式为：

27、

28、其中，表示时隙t内微时隙m上用户u的urllc传输速率；b表示子载波集合；cu,b,t表示信道弥散；nu表示用户u的码字块长；ε为解码错误概率；q-1(ε)表示高斯累积分布函数的逆函数。

29、在本发明的一个实施例中，所述优化问题的表达式为：

30、

31、s.t.

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、

39、

40、其中，(p)表示所述优化问题；s.t.之后的内容表示所述优化问题的约束条件；x＝{xu,b,t,m}u∈u,b∈b,t∈t,m∈m；y＝{yu,b,t,m}u∈u,b∈b,t∈t,m∈m，x和y表示求解项中所有用户的子载波分配；u表示用户，u∈用户集合u＝{1,2,l,u}，u表示用户数；b表示子载波，b∈子载波集合b＝{1，2，l，b}，b表示子载波数；t表示一个时隙,t∈t＝{1,2，l，t}，t表示时域划分出的时隙数，t表示时域划分出的时隙集合，每个时隙的时长为t0；m表示一个微时隙，m∈m＝{1,2，l，m}，m表示一个时域划分出的微时隙数，μ表示一个时隙划分出的微时隙集合；xu,b,t,m,yu,b,t,m∈{0,1}，分别表示给embb传输分配的子载波和被urllc包抢占的子载波的二进制指示；xu,b,t,m＝1表示时隙t内微时隙m上子载波b被分配给用户u用于embb传输，否则xu,b,t,m＝0；yu,b,t,m＝1表示时隙t内微时隙m上子载波b被用户u抢占用于urllc传输，否则yu,b,t,m＝0；τu,t表示时隙t中下行wet阶段的时间分配比例，表示求解项中时间分配，0≤τu,t≤1；ρu,t∈[0,1]，表示用户u在时隙t内为上行wit阶段预留的能量比例，表示求解项中能量资源分配；γt∈(0,1)，表示时隙t的折扣因子；表示时隙t内微时隙m上用户u的embb传输速率；eu,t表示时隙t内用户u的接收能量；qmax表示电池最大容量；qu,t-1表示时隙t-1内用户u在所述下行wet阶段结束时的电池容量；ωu表示用户u的embb传输的最小数据速率需求；fu表示用户u的urllc包长；表示时隙t内微时隙m上用户u的urllc传输速率；ψ表示urllc包的最大容许时延；约束条件中第一项和第二项是为了保证一个子载波在同一时间只能分配给一个用户；第三项是保证urllc流量只能抢占已经分配给embb的子载波，即抢占合理性约束；第四项是为了避免能量溢出的用户电池容量约束；第五项和第六项分别为系统embb最小数据速率需求约束和urllc传输的时延需求约束。

41、在本发明的一个实施例中，所述利用预设的混合深度确定性策略梯度方法求解所述优化问题得到最优解，包括：

42、利用预设的混合深度确定性策略梯度方法将所述优化问题解耦为具有子载波分配优化的离散子问题和具有时间和能量资源分配优化的连续子问题，并交替求解两个子问题得到最优解。

43、在本发明的一个实施例中，所述具有子载波分配优化的离散子问题的求解过程，包括：

44、在给定时隙t-1内下行wet阶段的时间分配比例和为上行wit阶段预留的能量比例{τu,t-1,ρu,t-1}后，将所述优化问题改写为第一优化子问题：

45、(p1)

46、s.t.

47、

48、

49、

50、

51、

52、利用优化工具对所述第一优化子问题进行求解，得到离散子载波分配和抢占结果{x*,y*}；其中，xt和yt分别为时隙t对应的x和y；x*为xt的最优解；y*为xt的最优解；

53、相应的，所述具有时间和能量资源分配优化的连续子问题的求解过程，包括：

54、在给定由所述第一优化子问题得到的离散子载波分配和抢占结果{x*,y*}后，将所述优化问题改写为第二优化子问题：

55、(p2)

56、s.t.

57、

58、

59、

60、

61、

62、利用ddpg算法对所述第二优化子问题进行求解，得到最优的连续的时隙t内下行wet阶段的时间分配比例τu,t和为上行wit阶段预留的能量比例ρu,t。

63、本发明的有益效果：

64、本发明实施例所提供的方案中，首先在考量urllc延迟、rf/dc电路的灵敏度、用户电池容量和子载波可用性的约束下，以最大化wpcn中上行链路的embb总速率为优化目标，构建用于求解所有用户的子载波、时间和能量资源最优分配方案的优化问题；然后利用预设的混合深度确定性策略梯度方法求解所述优化问题得到最优解。本发明实施例研究了wpcn中共享信道上embb和urllc传输的多路复用，其中hap通过wet为多个用户供电，并借助抢占式穿孔方法将其流量复用到embb传输上，实现了wpcn中embb和urllc的服务复用，相比静态或半静态频谱资源分配具有更高的预期实现率，实现了更高的embb总速率。

65、进一步的，在构建优化问题时，本发明实施例考虑每个用户电池中的能量预留，以避免由于在随后的时隙中没有接收到能量而中断上行链路信息传输的情况，能够保障上行链路传输的稳定性。在求解这种具有离散子载波分配和连续时间和能量资源分配的混合优化变量的非凸优化问题，本发明实施例提出的混合深度确定性策略梯度方法，将其解耦为与原始问题具有相同目标的离散子问题和连续子问题，并通过交替优化来解决，能够简便快速地获得求解结果。