CN104812078B - 一种多载波宽带信能同传优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多载波宽带信能同传优化方法，其应用于无线收发系统中，所述无线收发系统发射端发射的基带信号包含信息信号和能量信号，所述优化方法包括用于确定系统预分配参数集的步骤P1和P2。本发明通过提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行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。

Description

一种多载波宽带信能同传优化方法

技术领域

本发明涉及无线信号传输系统领域，尤其涉及一种无线信号能量传输的优化方法。

背景技术

无线信能同传(Simultaneous Wireless Information and Energy Transfer)，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。

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。

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(Energy Harvester)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。

现有的技术中，信能同传技术只是局限于理论分析，并没有涉及到实际的信号调制和载波等技术。主要存在无线能量难以稳定供给，信息速率会大打折扣，能量利用率不高，并且信号在功率密度上会大大超出安全标准等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种兼顾无线能量供给和信息传输速率、切实可行的多载波宽带信能同传优化方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种多载波宽带信能同传优化方法，其应用于无线收发系统中，所述无线收发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，发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中其中一种信号的第一预分配参数集；P2，发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中另一种信号的第二预分配参数集。

优选的，所述步骤P1具体为：发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号的第一预分配参数集；所述步骤P2具体为：发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中信息信号第二预分配参数集。

优选的，步骤P1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，能量信号载波个数最小和能量信号的功率最小。

优选的，所述第一约束条件集涉及：C1，接收端所采集功率大于等于接收端工作所需的最低功率；C2，发射端子载波上的能量信号功率之和小于等于基带信号中能量信号的总功率；C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值。需要说明的是，约束条件C1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，例如：当接收端处于非充电模式时，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。

优选的，步骤P2中所述第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率最大化。

优选的，所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于信息信号的总功率。

优选的，步骤P1中所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：接收端工作所需最低功率、每个子载波上的信道带宽、每个子载波上的平均功率谱密度PSD和信道参数向量。

优选的，步骤P2中所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号子载波集、信息信号子载波数和信道参数向量。

优选的，所述第一预分配参数包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率。

优选的，所述第二预分配参数包括以下参数中的一个或多个：信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集。

本发明的有益效果是：

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。

具体实施方式

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。

一种多载波宽带信能同传优化方法，其应用于无线收发系统中，无线收发系统包括发射端和接收端，所述无线收发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，发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中其中一种信号的第一预分配参数集；P2，发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中另一种信号的第二预分配参数集。

所述步骤P1具体为：发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号的第一预分配参数集；所述步骤P2具体为：发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中信息信号第二预分配参数集。

Q＝<h,E[S² _E(n)]>，i＝1…N_E，即

Q＝h₁*E[S² _E(1)]+h₂*E[S² _E(2)]+……+h_NE*E[S² _E(h_NE)]；

能量信号的功率P_E可用下述关系式表示

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。

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。

优选的，步骤P1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N_E最小和能量信号的总功率P_E最小。

该实施例中，所述第一约束条件集涉及：C1，接收端所采集功率Q大于等于接收端工作所需的最低功率P_min，即Q≥P_min；C2，发射端子载波上的能量信号功率之和小于等于基带信号中能量信号的总功率；C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值A,即满足E[S² _E(n)]/B≤A，其中，B为每个子载波上的信道带宽。需要说明的是，约束条件C1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，例如：当接收端处于非充电模式时，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。

步骤P2中所述第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率R最大化。

所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于基带信号中的信息信号的总功率。

步骤P1中所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波集Sc_E、接收端工作所需最低功率P_min、每个子载波上的信道带宽B、每个子载波上的平均功率谱密度A和信道参数向量h。

步骤P2中所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号子载波集Sc_I、信息信号子载波数N_I和信道参数向量h，其中，h＝[h₁,h₂……h_N]^T。

所述第一预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率P_E。

所述第二预分配参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集。

综上所述，对下列优化问题求解可得出系统预分配参数集。

根据下列第一优化目标和第一约束条件集即可得出第一预分配参数集。

P1:

min_{h,Sc_E,P_min,B,A}P_E,N_E；其中，{}中的元素所表示为第一优化参数；

s.t.(下述为第一约束条件)

Q＝<h,E[S² _E(n)]>,Q≥P_min；

E[S² _E(n)]/B≤A,n＝1,2,...,N_E；

根据下列第二优化目标和第二约束条件集即可得出第二预分配参数集。

P2：

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R；其中，Sc_E ^*为最优能量信号子载波分配集；

s.t.(下述为第二约束条件)

上述优化问题求解步骤举例如下：

S1.初始化N_E＝1，子载波集合Sc_E＝Ф(Ф为空集)；

S2.先找到一个能量信号子载波分配集Sc_E＝{Sc_i},i＝1,2,…,N_E，对应的能量信道参数向量为h _E＝{h_i},i＝1,2,…,N_E，并可通过优化算法(例如注水算法)使得在第一约束条件集成立的情况下，接收端所采集到的功率最大化。具体的，算法如下：

子步骤S21：

Find Sc_E＝{Sc_i}，i＝1…N_E；

s.t.

max Q，Q≥P_min；

E[S² _E(n)]/B≤A,n＝1,2,...,N_E。

子步骤S22：通过S21可以找到多个集合，选择最优能量信号子载波集Sc_E ^*＝argminP_E，其中，argmin P_E表示使P_E取得最小值时的能量信号子载波集Sc_E；同时确定最优能量信号功率分配集{E^*[S² _E(n)]}和接收端最优采集功率Q^*＝<h,E ^*[S² _E(n)]>，n＝1,2，…，N_E。

S3.若步骤S2没有解，则令N_E＝N_E+1，并令Sc_E＝Ф，重新循环步骤S2和S3。

S4.若步骤S2有解，则Sc_E ^*确定，子载波数N_E确定,P_E确定。

S5.当最优能量信号子载波集Sc_E ^*确定，那么相应的信息信号子载波集Sc_I也得到了，Sc_I＝{Sc_i}；信息信号子载波数N_I＝N-N_E；对应信息信道参数向量h _I＝{h_i}；其中，i＝1,2，…，N_I。

优化系统信息传输速率问题，求解过程如下：

max_{h,Sc_E ^*,Sc_I}R

s.t.

可求解确定最优信息信号功率分配集{E^*[S² _I(n)]}和最优信息信号子载波集Sc_I ^*,最终得到最优信息传输速率R^*＝argmax R，其中，n＝1,2，…，N_I。

其中，R^*＝argmax R具体表达式为：

其中，n＝1,2，…，N_I，N₀为噪声功率密度参数。

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。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种多载波宽带信能同传优化方法，其应用于无线收发系统中，其特征在于，所述无线收发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，发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中其中一种信号的第一预分配参数集；

P2，发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中能量信号和信息信号中另一种信号的第二预分配参数集；

所述步骤P1具体为：发射端基于第一优化参数集，根据第一优化目标和第一约束条件集来确定基带信号中能量信号的第一预分配参数集；

所述步骤P2具体为：发射端基于步骤P1中所述第一预分配参数集和第二优化参数集，根据第二优化目标和第二约束条件集来确定基带信号中信息信号第二预分配参数集；

步骤P1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，接收端所采集功率大于等于接收端工作所需的最低功率；

C2，发射端子载波上的能量信号功率之和小于等于基带信号中能量信号的总功率；

C3，每个子载波频段上的平均功率谱密度小于等于一个既定的参数值。

2.根据权利要求1所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，步骤P2中所述第二优化目标涉及：使第二约束条件集成立的情况下，信息传输速率最大化。

3.根据权利要求2所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，所述第二约束条件集涉及：子载波上的信息信号功率之和小于等于信息信号的总功率。

4.根据权利要求1所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，步骤P1中所述第一优化参数集包括以下参数中的一个或多个：接收端工作所需最低功率、每个子载波上的信道带宽、每个子载波上的平均功率谱密度PSD和信道参数向量。

5.根据权利要求1所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，步骤P2中所述第二优化参数集包括以下参数中的一个或多个：信息信号子载波集、信息信号子载波数和信道参数向量。

6.根据权利要求1所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，所述第一预分配参数包括以下参数中的一个或多个：能量信号子载波分配集、能量信号功率分配集和能量信号总功率。

7.根据权利要求1所述一种多载波宽带信能同传优化方法，其特征在于，所述第二预分配参数包括以下参数中的一个或多个：信息信号功率分配集和信息信号子载波分配集。