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多用户多载波无线携能通信系统的上下行联合资源分配

崔苗;喻鑫;李学易;张广驰;刘怡俊

【摘要】无线携能通信(SWIPT)技术是解决无线网络能量受限问题的有效方法，该文研究一个由基站(BS)和多用户组成的多载波SWIPT系统，其上行和下行链路均采用正交频分复用(OFDM)技术.在下行链路中，基站向用户同时进行信息与能量传输;在上行链路中，用户利用从基站接收的能量向基站回传信息.该文以最大化上下行加权和速率为目标，联合优化上行和下行的子载波分配和功率分配，提出基于拉格朗日对偶法和椭球法的最优联合资源分配算法.计算机仿真结果证实了该算法的有效性.

【期刊名称】《电子与信息学报》

【年(卷)，期】2019(041)006

【总页数】6页(P1359-1364)【关键词】无线携能通信;多用户;资源分配;正交频分复用【作者】崔苗;喻鑫;李学易涨广驰浏怡俊

【作者单位】广东工业大学信息工程学院广州510006;广东工业大学信息工程学院广州510006;广东工业大学信息工程学院广州I510006;广东工业大学信息工程学院广州I510006;广东工业大学信息工程学院广州510006

【正文语种】中文

【中图分类】TN915

1引言在目前信息化时代，无线通信技术快速发展，衍生了一系列如近场通信、车间通信、设备间通信、无线传感器网络等网络系统，这些网络系统的运用给人们的生活带来便利，但与此同时，网络系统中设备的能量供应问题同样制约着系统的发展。能量成为了这些无线通信系统运行的瓶颈。为了解决网络能量受限问题，研究者们做了大量的工作。在众多的能量收集系统中，无线携能通信(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)技术备受关注［1-13］。

无线携能通信技术是无线信息传输技术与无线能量传输技术相结合的一个前沿研究方向。利用电磁波既能承载信息又能承载能量的特性，实现信息与能量的同时传输，即在信息传输的同时完成能量的传输与收集，从而提高频谱的利用率。文献［1］最先对无线携能通信技术进行了研究。文献［2］对时分和能分两种策略下的通信性能进行了研究。文献［3］研究了一个较为经典的方案，特别之处在于，接收信号被分成两个部分，一部分用于信息解码，另一部分则用于能量收集。文献［4］研究了基于无线携能的保密通信系统，采用无线供电协同干扰技术来干扰窃听者以提高系统的保密性。文献［5］研究了基于无线携能的中继通信系统，系统模型由一个源端、中继、信息和能量接收器以及窃听者组成，通过设计源端到中继的波束成形向量来最大化系统的安全速率。

正交频分复用(OFDM)多载波技术是无线通信中提高频谱利用率和抗多径干扰能力的关键技术。文献［6］研究了基于解码与转发的多中继OFDM通信系统，提出了载波配对的功率策略来最大化信息传输速率。文献［7］研究了基于放大与转发的多中继OFDM通信系统，通过设计源端与中继之间的预编码矩阵来最大化系统容量。文献［8］研究了单用户OFDM系统的下行链路资源分配问题，文中将下行子载波分成两个部分，在最小信息传输速率的约束下，通过优化子载波分配集合和功率来最大化用户的收集能量。文献［9］研究了多用户OFDM系统的下行链路资源分配问题，文中将下行子载波分成两个部分，在每个用户最小接收能量的约束下，通过优化子载波分配集合和功率来最大化用户的信息传输速率。文献［10］研究了大规模MIMO技术和毫米波技术，提出了射频通信系统中计算和通信的联合优化算法。文献［11］研究了在动态服务质量(QoS)约束下，MIMO-OFDM系统中的能量效率提升问题。文献［12］提出了一种能量效率评估方法，用于计算泊松分布网络小区中业务负载和功率消耗问题。文献［13］研究了无线供电混合多址接入网络的资源分配问题。

本文研究多用户多载波无线携能通信系统，将所有子载波分成两个集合，分别用于传输信息和传输能量，这种策略可以有效减小系统应用的复杂度。与只考虑下行链路的文献［8,9］不同，本文同时考虑无线携能通信系统的上行和下行链路，此系统模型可适用于能量受限的无线传感网络。本文通过研究联合优化上下行链路的子载波分配和功率分配，最大化系统的上下行加权和速率。采用上下行加权和速率作为优化目标的原因是，它更具有通用性。解决了最大化上下行加权和速率问题，就相当于解决了最大化上下行和速率、最大化上行速率、最大化下行速率等多个问题，因为这几个问题等价于加权因子取值不同的最大化上下行加权和速率问题。由于子载波集合是离散的，本文所研究的资源分配问题是非凸优化问题。本文采用拉格朗日对偶方法，并结合子载波分配和功率分配的交替更新，提出了求解