基于協(xié)同感知的5G通信能量有效性優(yōu)化算法

李 成

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

由于受到4G網絡帶寬的限制，各類通信業(yè)務中的應用終端通信均不支持4K以上高清，并且伴隨著時延較大，存在視頻清晰度差，經常卡頓等問題產生，嚴重限制著通信業(yè)務的應用效果[1]。5G通信網絡傳輸具備的低時延性、廣泛的連接能力，可以有效解決行業(yè)問題，并促進通信業(yè)務上下游產業(yè)鏈的整體升級，使垂直行業(yè)應用發(fā)展?jié)摿υ黾印橹鸩缴罨?G通信技術的應用效果，研究人員應當從通信能量有效性的角度出發(fā)，促進5G通信技術滿足未來海量數(shù)據(jù)的大存儲容量需要，以此提升通信技術的應用效果，并推動社會的發(fā)展。基于此，本文開展基于協(xié)同感知的5G通信能量有效性優(yōu)化算法設計研究。

1 5G通信能量有效性優(yōu)化算法設計

1.1 5G通信能量傳輸模式構建

為了方便后續(xù)對5G通信能量的有效性進行優(yōu)化計算，首先構建一個5G異構認知網絡中通信能量傳輸模式。結合協(xié)同感知理論，在模式當中存在的感知網絡是一個由大量感知用戶基站以及一個總基站組成[2]。假設感知用戶的數(shù)量為X個，在進行5G通信能量傳輸過程中，將感知用戶設定為發(fā)射機，將總基站設置為感知用戶的接收機，并在傳輸時構建一個主用戶網絡環(huán)境。該環(huán)境當中，包含了多個感知用戶以及總基站構成，將主用戶的數(shù)量設置為Y，則該網絡當中共包含了Y項授權信息[3]。根據(jù)上述假設得出如圖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通信網絡中進行能量傳輸?shù)膯翁炀€用戶，其中后者是采用迫零接收裝置的方式對多個SU-TX單天線用戶在相同得到平帶當中傳輸?shù)哪芰窟M行檢查，從而獲取到顯影的感知結果[4]。假設SU-TX的數(shù)量為n，再將主用戶網絡與認知網絡的實際能量傳輸模式設置為underlay模式，則SU-TX和PU-RX均無法進行同時對傳輸信道的能量傳輸。

1.2 計算5G通信能量感知時間

在感知網絡中，能量傳輸時隙是由數(shù)據(jù)傳輸時隙和頻譜感知時隙共同組成的。因此，在5G通信網絡處于工作模式下，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，因此可將動態(tài)時分與能量檢測中的協(xié)同感知相結合，采用一種多接收地址接入的方式，對5G通信能量感知時間進行計算，其計算公式為：

式中，T表示5G通信能量感知時間；t1表示能量傳輸時隙長度；t2表示數(shù)據(jù)傳輸時隙長度；t3表示頻譜感知時隙長度；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)境下中級用戶獨立檢測概率；pd表示SU-TX基于中繼的虛警概率。通過公式（1）計算，得出5G通信能量的感知時間。公式（1）中頻譜感知時隙長度t3可以根據(jù)感知用戶的數(shù)量進行調節(jié)，以此實現(xiàn)最優(yōu)的協(xié)同感知時間敏感性。

1.3 5G通信能量有效性優(yōu)化計算

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

公式（2）中，η(Pk)表示5G通信信道當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。為實現(xiàn)對5G通信能量的有效性優(yōu)化，并保證通信過程中的服務質量，各信道之間的檢測錯誤率不可超過最大允許錯誤率，并且其最大的信號發(fā)射功率和最大平均干擾功率均應當在允許的范圍內[5]。因此，需要通過下述目標函數(shù)對5G通信能量傳輸進行約束：

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行傳輸，可以保證能量的傳輸有效性達到最大，以此完成對5G通信能量有效性優(yōu)化。

2 實驗論證分析

為驗證本文提出的5G通信能量有效性優(yōu)化算法在實際應用中是否具有一定的應用價值，將優(yōu)化前的通信能量與優(yōu)化后的通信能量進行對比，并設置如下對比實驗。假設在5G通信網絡環(huán)境下，各SU-TX單天線用戶均具有相同的能量發(fā)射功率，設最大發(fā)射功率的信噪比為9.5 dB，并確保主用戶的信號感知能力均相同。分別設置從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)化算法對其進行優(yōu)化，并與優(yōu)化前進行對比，為保證實驗結果的客觀性，兩種方法均采用本文上述能量有效性計算方法對兩種優(yōu)化方法的能量有效性進行計算。將實驗結果進行記錄，繪制成表1所示的實驗結果對比表。

表1 兩種優(yōu)化方法實驗結果對比表

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，本文優(yōu)化算法對能量傳輸進行優(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，并且有效性可達到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，其有效性呈現(xiàn)出增長的趨勢，但在進行6～8 dB發(fā)生功率范圍時，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，通過實驗證明，本文提出的能量有效性優(yōu)化算法，在實際應用中具有更好的應用效果，并且適用范圍更廣，可對5G通信網絡中各類強度的發(fā)射信號能量有效性提升起到促進作用。

3 結 論

本文針對當前5G通信能量有效性差問題，開展對其優(yōu)化算法研究，通過研究得出，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5G通信技術的應用。在5G通信環(huán)境當中，還可結合雙向協(xié)同頻譜感知的方法對其進行進一步優(yōu)化，以此提高5G通信技術的傳輸效率，并節(jié)約大量資源。