CN106452546A - 电力线mimo通信中基于能效的波束成形方法 - Google Patents

Abstract

一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，包括以下步骤：a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道然后将反馈信道的编号反馈给发送端；c.发送端根据反馈信道以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；e.接收端根据均衡矩阵G，得到本发明在充分考虑信道量化误差的基础上，应用迭代方法计算波束成形矩阵及所对应的接收端均衡矩阵，不仅消除了系统的干扰，保证了信息的传输速率，而且提高了系统的能量利用效率。

Description

电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)电力线通信系统的波束成形方法，属于电力技术领域。

背景技术

能源互联网中，由于能源接入设备众多，通信方式多种多样，需要传输的信息量较大，故宽带电力线载波通信技术成为研究的热点。多输入多输出(MIMO)技术的引入，使得宽带电力线MIMO系统成为能源互联网通信的重要支撑系统。在宽带电力线MIMO系统中，需要解决电力线中的同频干扰问题，根据脏纸编码理论，同频干扰可以全部消除，从而提高系统的传输速率；但是由于全部消除同频干扰的脏纸编码为非线性运算，计算复杂度高，不能在实际中应用，故线性波束成形算法成为研究的重点。

随着全球能源供应的日益紧张，节能减排已成为当今世界的发展潮流；然而随着信息和通信技术的快速发展，相应的能量消耗也以惊人的速度增加；根据调查，超过50％的电能用在了频谱接入方面。故绿色高能源利用效率的宽带电力线通信成为了研究趋势。然而，现有的研究成果往往只是片面地追求高能源利用效率，而不能兼顾用户对信息传输速率的需求，显然是不实用的，因此有必要进一步进行研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，在保证信息传输速率的同时，提高能源利用效率。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述方法包括以下步骤：

a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；(导频序列可以采用m序列或者golden序列等正交序列)

b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道然后将反馈信道的编号反馈给发送端；

c.发送端根据反馈信道以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；

d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；

e.接收端根据均衡矩阵G，得到(为最终得到的信息，用来区别发送的信息x，根据波束成形矩阵T和均衡矩阵G联合信号处理，就能够得到)。

上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步骤b具体包括：

b1.接收端将估计出的信道矩阵H，与接收端和发送端约定好的码本矩阵W进行对比，计算出二者之间的choral距离，其表达式为：

其中，D_k为第k个用户信道与码子之间的choral距离，k为第k个用户，θ_j为第j个信道方向向量与码子的夹角，N是指共N个向量；

b2，对步骤b1得到的choral距离进行比较，将最小的choral距离所对应的信道作为反馈信道

b3，接收端将反馈信道的编号发送给发送端。

上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步骤c具体包括：

C1，发送端根据接收端发送的信道编号计算出反馈信道

C2，发送端根据反馈信道计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：

C3，根据吞吐量C计算系统的能源效率μ_EE：其中，C_m是第m个用户的吞吐量，B代表用户所占用的带宽，SINR_m代表第m个用户接收的信干噪比，E(g)代表均值运算；

其中P_total为总的能量消耗，由下式计算：

其中p_M和分别是发送端发送功率和接收端的功率，而η_M和η_P分别是发送端和接收端的功率放大系数，p_C代表整个异构网络的电路能量消耗；

C4，根据优化函数

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}≥C_min

利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵T：

式中,T_m为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，P_max为基站发送的最大功率，C_min为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，D_m为信道与码子的距离，λ_m为拉格朗日系数，I为单位矩阵，T＝[T₁，L，T_m，L，T_K]。

上述电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述均衡矩阵G的计算公式为：

式中,G_m为第m个用户的均衡矩阵，P_m为分配给第m个用户的发送功率，为P_max/K，G＝[G₁，L，G_m，L，G_K]。

本发明在充分考虑信道量化误差的基础上，应用迭代方法计算波束成形矩阵及所对应的接收端均衡矩阵，不仅消除了系统的多用户干扰和共信道干扰，保证了信息的传输速率，而且提高了系统的能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)和图2(b)分别为已有技术与本发明方法的能效曲线和中断概率曲线。

文中各符号为：H为信道矩阵，为反馈信道，T为波束成形矩阵，G为均衡矩阵，为为最终得到的信息，用来区别发送的信息x，根据波束成形矩阵T和均衡矩阵G联合信号处理，就能够得到)，D_k为第k个用户信道与码子之间的choral距离，θ_j为第j个信道方向向量与码子的夹角，C为吞吐量，C_m是第m个用户的吞吐量，B为用户所占用的带宽，SINR_m为第m个用户接收的信干噪比，E为，μ_EE为能源效率，P_total为总的能量消耗，p_M和分别是发送端发送功率和接收端的功率，η_M和η_P分别是发送端和接收端的功率放大系数，p_C为整个异构网络的电路能量消耗，T_m为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，P_max为基站发送的最大功率，C_min为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，D_m为信道与码子的距离，λ_m为拉格朗日系数，I为单位矩阵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

电力线MIMO收发端的信号处理步骤如下：

步骤A，本发明考虑的是多输入多输出系统，发送端发送导频序列；接收端根据导频序列，估计信道矩阵H；

步骤B1，接收端根据估计出的信道矩阵H，与接收端发送端约定好的码本矩阵进行对比，计算二者之间的choral距离，其表达式为

步骤B2，对步骤B1得到的choral距离进行比较，找到最小的choral距离；

步骤B3，将最小的choral距离所对应的信道编号发送给发送端；

步骤C1，发送端根据接收端得到的信道编号，计算出反馈信道

步骤C2，发送端根据计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}

其中，B代表用户所占用的带宽，SINR_m代表第m个用户接收的信干噪比。

步骤C3，根据吞吐量C计算出系统的能源效率，其计算表达式为：

其中总的能量消耗P_total为：

其中p_M和分别是发送端发送功率和接收端的功率，而η_M和η_P分别是发送端和接收端的功率放大系数，p_C代表整个异构网络的电路能量消耗。

步骤C4，根据优化函数

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}≥C_min

利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵

步骤D，根据发送端波束成形矩阵，计算均衡矩阵G，其表达式为

图2(a)仿真了没有考虑量化误差和能效的波束成形方法(即传统波束成形方法)、没有考虑量化误差的能效方法(即传统能效优化方法)和本发明方法的能效性能，图2(b)仿真了没有考虑量化误差和能效的波束成形方法、没有考虑量化误差的能效方法和本发明方法的中断概率，其中调制方式采用QPSK，快速傅里叶变换采用128位，信道编码采用码率为3/4的Turbo码，数据位为72位，非数据位为64位，由图2(a)可以看出，本发明的能效性能相对于以上两个方法至少获得5bps/Hz的增益，由此可以看出，本发明显著提高了系统的能源利用效率。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明实施方式的限制，本领域技术人员在不脱离本发明的核心技术下，所做出的各种等效变化和变型，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a.MIMO电力线通信系统的发送端向接收端发送导频序列；接收端根据接收到的导频序列估计信道矩阵H；

b.接收端对估计出的信道矩阵H进行量化，得到反馈信道然后将反馈信道的编号反馈给发送端；

c.发送端根据反馈信道以最大化能源利用效率为优化目标，计算波束成形矩阵T；

d.接收端根据发送端计算出的波束成形矩阵T计算均衡矩阵G；

e.接收端根据均衡矩阵G，得到

2.根据权利要求1所述的一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，其中的步骤b具体包括：

b1.接收端将估计出的信道矩阵H，与接收端和发送端约定好的码本矩阵W进行对比，计算出二者之间的choral距离，其表达式为：

$D_k=d(H_k,W)=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_j}$

其中，D_k为第k个用户信道与码子之间的choral距离，k为第k个用户，θ_j为第j个信道方向向量与码子的夹角，N指共N个向量；

b2，对步骤b1得到的choral距离进行比较，将最小的choral距离所对应的信道作为反馈信道

b3，接收端将反馈信道的编号发送给发送端。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，其中的步骤c具体包括：

C1，发送端根据接收端发送的信道编号计算出反馈信道

C2，发送端根据反馈信道计算出系统的吞吐量C，计算公式如下：

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}

其中，C_m是第m个用户的吞吐量，B代表用户所占用的带宽，SINR_m代表第m个用户接收的信干噪比，E(g)代表均值运算；

C3，根据吞吐量C计算系统的能源效率μ_EE：

${\mathrm{\μ}}_{EE}=\frac{C}{P_{total}}$

其中P_total为总的能量消耗，由下式计算：

$P_{total}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_M}{p}_M+\frac{1}{{\mathrm{\η}}_P}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{p}_l^P+p_C,$

其中p_M和分别是发送端发送功率和接收端的功率，而η_M和η_P分别是发送端和接收端的功率放大系数，p_C代表整个异构网络的电路能量消耗；

C4，根据优化函数

$\begin{array}{cc}\underset{\left\{T\right\}}{\max }& {\mathrm{\μ}}_{EE}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}Tr\left({\mathrm{TT}}^H\right)\≤P_{\max }\end{array}$

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}≥C_min

利用拉格朗日算子法计算出发送端的波束成形矩阵T：

$T_m={\left[\begin{array}{c}(M^2{N}^3-M^2{N}^{2}D){\hat{H}}_m^H{G}_m^H{G}_m{\hat{H}}_m\\ +M^{2}D(1-N)G_m^H{G}_m+{\mathrm{\λ}}_m(MN-N^2)I\end{array}\right]}^{-1}{\hat{H}}_m{G}_m$

式中,T_m为第m个用户的预编码矩阵，Tr为求迹运算，P_max为基站发送的最大功率，C_min为保证用户通信质量的最小吞吐量，M为发送天线数，N为接收天线数，D_m为信道与码子的距离，λ_m为拉格朗日系数，I为单位矩阵，T＝[T₁，L，T_m，L，T_K]。

4.根据权利要求3所述的一种电力线MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其特征是，所述均衡矩阵G的计算公式为：

$G_m=T_m{\hat{H}}_m{\left[\begin{array}{c}{\hat{H}}_m{T}_m{T}_m^H{\hat{H}}_m^H+M^{2}D(1-N)T_m{T}_m^H+M^2{N}^2\\ {\hat{H}}_m{\hat{H}}_m^H+\left({\mathrm{DMP}}_k{N}^2\right)I\end{array}\right]}^{-1}$

式中,G_m为第m个用户的均衡矩阵，P_m为分配给第m个用户的发送功率，为P_max/K，G＝[G₁，L，G_m，L，G_K]。