基于協(xié)同感知的5G通信能量有效性優(yōu)化算法

李 成

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

由于受到4G網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，各類通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用終端通信均不支持4K以上高清，并且伴隨著時(shí)延較大，存在視頻清晰度差，經(jīng)?？D等問(wèn)題產(chǎn)生，嚴(yán)重限制著通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用效果[1]。5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸具備的低時(shí)延性、廣泛的連接能力，可以有效解決行業(yè)問(wèn)題，并促進(jìn)通信業(yè)務(wù)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整體升級(jí)，使垂直行業(yè)應(yīng)用發(fā)展?jié)摿υ黾?。為逐步深?G通信技術(shù)的應(yīng)用效果，研究人員應(yīng)當(dāng)從通信能量有效性的角度出發(fā)，促進(jìn)5G通信技術(shù)滿足未來(lái)海量數(shù)據(jù)的大存儲(chǔ)容量需要，以此提升通信技術(shù)的應(yīng)用效果，并推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展?；诖耍疚拈_(kāi)展基于協(xié)同感知的5G通信能量有效性優(yōu)化算法設(shè)計(jì)研究。

1 5G通信能量有效性優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

1.1 5G通信能量傳輸模式構(gòu)建

為了方便后續(xù)對(duì)5G通信能量的有效性進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，首先構(gòu)建一個(gè)5G異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中通信能量傳輸模式。結(jié)合協(xié)同感知理論，在模式當(dāng)中存在的感知網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量感知用戶基站以及一個(gè)總基站組成[2]。假設(shè)感知用戶的數(shù)量為X個(gè)，在進(jìn)行5G通信能量傳輸過(guò)程中，將感知用戶設(shè)定為發(fā)射機(jī)，將總基站設(shè)置為感知用戶的接收機(jī)，并在傳輸時(shí)構(gòu)建一個(gè)主用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該環(huán)境當(dāng)中，包含了多個(gè)感知用戶以及總基站構(gòu)成，將主用戶的數(shù)量設(shè)置為Y，則該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中共包含了Y項(xiàng)授權(quán)信息[3]。根據(jù)上述假設(shè)得出如圖1所示的基于協(xié)同感知的5G通信能量傳輸模式。

圖1中SU-TX和PU-RX均表示為在5G通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行能量傳輸?shù)膯翁炀€用戶，其中后者是采用迫零接收裝置的方式對(duì)多個(gè)SU-TX單天線用戶在相同得到平帶當(dāng)中傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行檢查，從而獲取到顯影的感知結(jié)果[4]。假設(shè)SU-TX的數(shù)量為n，再將主用戶網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際能量傳輸模式設(shè)置為underlay模式，則SU-TX和PU-RX均無(wú)法進(jìn)行同時(shí)對(duì)傳輸信道的能量傳輸。

1.2 計(jì)算5G通信能量感知時(shí)間

在感知網(wǎng)絡(luò)中，能量傳輸時(shí)隙是由數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙和頻譜感知時(shí)隙共同組成的。因此，在5G通信網(wǎng)絡(luò)處于工作模式下，即5G通信能量傳輸模式，則由于頻譜改制階段兩種用戶所發(fā)射的頻率功率均較低，因此可將動(dòng)態(tài)時(shí)分與能量檢測(cè)中的協(xié)同感知相結(jié)合，采用一種多接收地址接入的方式，對(duì)5G通信能量感知時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中，T表示5G通信能量感知時(shí)間；t1表示能量傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度；t2表示數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度；t3表示頻譜感知時(shí)隙長(zhǎng)度；pc表示SU-TX基于中繼的協(xié)同感知概率；pn表示5G通信環(huán)境下中級(jí)用戶獨(dú)立檢測(cè)概率；pd表示SU-TX基于中繼的虛警概率。通過(guò)公式（1）計(jì)算，得出5G通信能量的感知時(shí)間。公式（1）中頻譜感知時(shí)隙長(zhǎng)度t3可以根據(jù)感知用戶的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的協(xié)同感知時(shí)間敏感性。

1.3 5G通信能量有效性優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)上述基于協(xié)同感知的5G通信能量傳輸模式構(gòu)建可知，各SU-TX單天線用戶能量消耗過(guò)程中所得的吞吐量表達(dá)式，為了簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程，本文采用單位用戶的能量有效性優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算，SU-TX單天線用戶在5G通信信道當(dāng)中的平均能量有效性EE計(jì)算公式為：

公式（2）中，η(Pk)表示5G通信信道當(dāng)中的平均能量有效性EE；ηk,ij(Pk,j)表示SU-TX單天線用戶需要消耗各自的能量獲取的吞吐量。為實(shí)現(xiàn)對(duì)5G通信能量的有效性優(yōu)化，并保證通信過(guò)程中的服務(wù)質(zhì)量，各信道之間的檢測(cè)錯(cuò)誤率不可超過(guò)最大允許錯(cuò)誤率，并且其最大的信號(hào)發(fā)射功率和最大平均干擾功率均應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)[5]。因此，需要通過(guò)下述目標(biāo)函數(shù)對(duì)5G通信能量傳輸進(jìn)行約束：

式中，gk,n表示SU-TX單天線用戶與PU-RX單天線用戶之間的信道增益系數(shù)。將5G通信能量按照上述傳輸約束條件進(jìn)行傳輸，可以保證能量的傳輸有效性達(dá)到最大，以此完成對(duì)5G通信能量有效性優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文提出的5G通信能量有效性優(yōu)化算法在實(shí)際應(yīng)用中是否具有一定的應(yīng)用價(jià)值，將優(yōu)化前的通信能量與優(yōu)化后的通信能量進(jìn)行對(duì)比，并設(shè)置如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。假設(shè)在5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各SU-TX單天線用戶均具有相同的能量發(fā)射功率，設(shè)最大發(fā)射功率的信噪比為9.5 dB，并確保主用戶的信號(hào)感知能力均相同。分別設(shè)置從0 dB增加到10 dB的不同SU-TX發(fā)射功率，利用本文提出的有效性優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性，兩種方法均采用本文上述能量有效性計(jì)算方法對(duì)兩種優(yōu)化方法的能量有效性進(jìn)行計(jì)算。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，繪制成表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表1 兩種優(yōu)化方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，本文優(yōu)化算法對(duì)能量傳輸進(jìn)行優(yōu)化后，其能量的有效性隨著發(fā)射功率的增加呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，并且有效性可達(dá)到0.800以上，而優(yōu)化前能通信能量在0～6 dB發(fā)射功率范圍時(shí)，其有效性呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但在進(jìn)行6～8 dB發(fā)生功率范圍時(shí)，其能量有效性快速下降，并逐漸降低到0.100以下。在0～6 dB發(fā)生功率階段，本文優(yōu)化算法的能量有效性也明顯高于優(yōu)化前的通信能量有效性。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的能量有效性優(yōu)化算法，在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的應(yīng)用效果，并且適用范圍更廣，可對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)中各類強(qiáng)度的發(fā)射信號(hào)能量有效性提升起到促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前5G通信能量有效性差問(wèn)題，開(kāi)展對(duì)其優(yōu)化算法研究，通過(guò)研究得出，基于協(xié)同感知的能量有效性優(yōu)化算法可以更好地促進(jìn)5G通信技術(shù)的應(yīng)用。在5G通信環(huán)境當(dāng)中，還可結(jié)合雙向協(xié)同頻譜感知的方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以此提高5G通信技術(shù)的傳輸效率，并節(jié)約大量資源。