CN106549698A - 基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，包括：能量站获取信道状态信息，计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ；能量站在前τT时间内向用户节点传输能量；用户节点利用收集到的能量向双向中继节点发送信息，在第一个(1‑τ)T/2时间内，两个用户节点利用收集到的能量同时向双向中继节点发送信息；在第二个(1‑τ)T/2时间内，双向中继节点将收到的用户信息，采用放大转发协议协助广播给两个用户节点；两个用户节点在收到信息后，各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息。该方法通过实时的调整时间分配参数和波束赋形器，使得系统最小用户速率渐近达到理论最大最小用户速率，大幅提高了系统的能效。

Description

基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率 方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法。

背景技术

随着各种无线智能终端的大规模普及，如何解决通信系统中设备续航时间瓶颈约束已成为了一个亟待解决的关键问题。近年来，随着无线能量传输技术的不断成熟，利用射频无线能量捕获技术(RF-EH)为通信设备供能已经成为可能。

将无线能量传输和无线信息传输有机结合起来，构建一个高效的能量和信息传输一体化网络引起了广泛地关注。能量站是通信领域目前的热点研究方向之一，在通信系统中布置能量站并且配备能够接收无线能量的终端，能够有效解决通信系统中终端续航时间短的问题。特别需要指出的是，能量站技术为在物联网快速发展环境下大量传感器设备更换电池难的问题提供了一个行之有效的解决方案。然而，由于无线能量传输面临的路径损耗，无线能量传输的效率成为实际系统设计的一个瓶颈。鉴于此，研究人员提出了利用多天线技术和中继技术提升无线能量传输效率的基本思路。

目前，相关研究工作尚处于起步阶段，而且现有技术中也没有基于能量站的最大化双向中继系统最小用户速率的技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：

一种基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，所述的双向中继系统包括两个用户节点，双向中继节点和设有波束赋形器的能量站；所述的能量站配置M根天线，M≥1，用户节点和双向中继节点配置单根天线；具体包括如下步骤：

1)能量站获取信道状态信息；

2)能量站在获取信道状态信息后基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ，0＜τ＜1；

3)能量站基于最佳波束赋形器w在前τT时间内向用户节点传输能量，其中T为信道相干时间；

4)能量传输阶段结束后，在第一个(1-τ)T/2时间内，两个用户节点利用收集到的能量同时向双向中继节点发送信息；在第二个(1-τ)T/2时间内，双向中继节点将收到的用户信息，采用放大转发协议协助广播给两个用户节点；

5)两个用户节点在收到双向中继节点广播出的信息后，各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息。

所述的步骤1)中的信道状态信息包括：

1a)能量站通过侦听两个用户节点的导频，估计出能量站与相应的用户节点之间的信道状态信息；

1b)能量站通过两个用户节点反馈获得两个用户节点与双向中继节点之间的信道状态信息。

所述的步骤2)中基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ是指：

建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为：

s.t 0＜τ＜1,||w||²≤1；

其中，

ρ表示能量站发射功率与噪声功率之比；ε表示双向中继发射功率与能量站发射功率之比；η表示能量利用效率；w表示波束赋形器；h₁、h₂、g₁和g₂分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的信道状态信息；d₁、d₂、d_u1和d_u2分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的距离；β表示路径衰落指数；||表示对向量取模；T表示转置。

所述的建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题近似为两个单变量的优化问题相互迭代至收敛，包括：在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题和在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题。

所述的在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题表示为：

s.t||w||²≤1；

所得的最佳波束赋形器w为：

其中，||表示对向量取模；||||表示对向量取2-范数；表示向量在向量上的投影；表示向量g₂在向量g₁上的投影；表示向量在向量的垂直空间上的投影；表示向量g₂在向量g₁的垂直空间上的投影；表示共轭转置；

而x通过如下所述方法求得：

Ⅰ)初始化设置：

Ⅱ)令

Ⅲ)求解问题P得到和x^*；

Ⅳ)使用二分法更新即：若令若令

Ⅴ)重复步骤Ⅱ)～步骤Ⅳ)，直至收敛；

其中

问题P为：

s.t.0≤x≤1

问题P的解x^*通过以下方法得到：

其中，

所述的在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题表示为：

s.t 0＜τ＜1，

最佳时间分配参数τ通过对上述凸问题进行凸优化的方法得到。

所述两个单变量的优化问题相互迭代至收敛是指：

步骤1、给定初始任意时间分配参数τ；

步骤2、对波束赋形器w单独进行优化求解最佳波束赋形器w；

步骤3、利用解得的最佳波束赋形器w对时间分配参数τ单独进行优化求解最佳间分配参数τ；

步骤4、重复步骤2～步骤3，直至收敛。

所述的步骤5)中各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息是指：由于每个用户收到的信息中包含自身原本发送出的作为干扰的信息，并且用户知道自身原本发送出的信息的具体内容，用户可以将接收到的信息中包含的自身原本发送出的信息消去，并检测出另一用户所发出的信息。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明考虑了双向中继的通信模型，在原有的经典模型中引入了无线能量传输技术，该模型可以广泛适用于移动电话行动通信标准、物联网等应用场景中，为无线设备终端持续供能。

(2)本发明根据实时的信道状态信息，通过巧妙的优化算法，在基于系统最小用户速率最大化的条件下，得到了近似的最佳的时间分配参数τ、最佳波束赋形器w这两个重要参数，保证了系统用户之间的公平性，相比通过遍历搜索得到这两个参数的方式大大缩短了处理时间。参数调整频率也经由更短的处理时间得到有效提升，通过实时的调整时间分配参数和波束赋形器，使得系统最小用户速率渐近达到理论最大系统最小用户速率，大幅提高了系统的能效，符合绿色通信的理念。

附图说明

图1为基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率的方法流程图；

图2为实施例中双向中继系统的示意图；

图3为实施例与对比例中在给定不同能量站天线数目的情况下，系统最小用户速率随信噪比变化的对比曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1所示，基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，具体包括如下步骤：

1)能量站获取信道状态信息；

2)能量站在获取信道状态信息后基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ，0＜τ＜1；

3)能量站基于最佳波束赋形器w在前τT时间内向用户节点传输能量，其中T为信道相干时间；

4)能量传输阶段结束后，在第一个(1-τ)T/2时间内，两个用户节点利用收集到的能量同时向双向中继节点发送信息；在第二个(1-τ)T/2时间内，双向中继节点将收到的用户信息，采用放大转发协议协助广播给两个用户节点；

5)两个用户节点在收到双向中继节点广播出的信息后，各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息。

所述的步骤1)中的信道状态信息包括：

1a)能量站通过侦听两个用户节点的导频，估计出能量站与相应的用户节点之间的信道状态信息；

1b)能量站通过两个用户节点反馈获得两个用户节点与双向中继节点之间的信道状态信息。

所述的步骤2)中基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ是指：

建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为：

s.t 0＜τ＜1,||w||²≤1；

其中，

ρ表示能量站发射功率与噪声功率之比；ε表示双向中继发射功率与能量站发射功率之比；η表示能量利用效率；w表示波束赋形器；h₁、h₂、g₁和g₂分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的信道状态信息；d₁、d₂、d_u1和d_u2分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的距离；β表示路径衰落指数；||表示对向量取模；T表示转置。

所述的建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题近似为两个单变量的优化问题相互迭代至收敛，包括：在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题和在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题。

所述的在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题表示为：

s.t||w||²≤1；

所得的最佳波束赋形器w为：

其中，||表示对向量取模；||||表示对向量取2-范数；表示向量在向量上的投影；表示向量g₂在向量g₁上的投影；表示向量在向量的垂直空间上的投影；表示向量g₂在向量g1的垂直空间上的投影；表示共轭转置；

而x通过如下所述方法求得：

Ⅰ)初始化设置：

Ⅱ)令

Ⅲ)求解问题P得到和x^*；

Ⅳ)使用二分法更新即：若令若令

Ⅴ)重复步骤Ⅱ)～步骤Ⅳ)，直至收敛；

其中

问题P为：

s.t.0≤x≤1

问题P的解x^*通过以下方法得到：

其中，

所述的在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题表示为：

s.t 0＜τ＜1，

最佳时间分配参数τ通过对上述凸问题进行凸优化的方法得到。

所述两个单变量的优化问题相互迭代至收敛是指：

步骤1、给定初始任意时间分配参数τ；

步骤2、对波束赋形器w单独进行优化求解最佳波束赋形器w；

步骤3、利用解得的最佳波束赋形器w对时间分配参数τ单独进行优化求解最佳间分配参数τ；

步骤4、重复步骤2～步骤3，直至收敛。

所述的步骤5)中各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息是指：由于每个用户收到的信息中包含自身原本发送出的作为干扰的信息，并且用户知道自身原本发送出的信息的具体内容，用户可以将接收到的信息中包含的自身原本发送出的信息消去，并检测出另一用户所发出的信息。

如图2所示，双向中继系统包括两个用户节点，用户A和用户B，一个双向中继节点和设有波束赋形器的能量站；所述的能量站配置多根天线，用户节点和双向中继节点配置单根天线。其中，虚线箭头表示能量传输，实线箭头表示信息传输。

在运行过程中，系统按照信道状态信息的变化实时调整波束赋形器w和时间分配参数τ，假设信道相干时间为T，在前τT时间内，能量站对用户节点传输能量，在后(1-τ)T时间内，用户节点同时通过双向中继节点互相交换信息。在本实施例中，用户节点和双向中继节点将电磁波转换为存贮的电能的能量利用效率为80％，路径损耗指数为2.5，能量站与用户A，能量站与用户B之间的距离分别为3米和5米，双向中继节点与用户A，双向中继节点与用户B之间的距离分别3米和3米。

对比例

为证明本发明中的最佳波束赋形器以及最佳时间分配参数性能确实近似于理论最优值并且优于普通设计，对比了如下：通过效率低且复杂度高的遍历的方式得到理论最优值，以及高信噪比大规模天线条件下的一般波束赋形器w和时间分配参数τ的设计方法，即波束赋形器w为：

其中||表示对向量取模；||||表示对向量取2-范数；表示向量在向量上的投影；表示向量g₂在向量g₁上的投影；表示向量在向量的垂直空间上的投影；表示向量g₂在向量g₁的垂直空间上的投影；表示共轭转置；

最佳时间分配参数τ为在上述波束赋形器w基础上通过对如下凸问题解凸优化得到：

s.t 0＜τ＜1.

性能比较

图3为实施例与对比例中采用最佳波束赋形器和最佳时间分配参数与理论最优值以及一般的波束赋形器和时间分配参数下系统的最小用户速率随信噪比对比曲线图。

本实施例与对比例中一共选取了天线数分别为10,100的两种场景，如图所示，采用两种不同策略的系统最小用户速率随着天线数目的增加而增加。通过对比发现采用最佳波束赋形器和最佳时间分配参数的系统的最小用户速率基本与理论最优值基本相同并且明显优于采用一般波束赋形器和时间分配参数的系统最小用户速率，并且当信噪比较高，天线数目较多时，这种差距变得更加明显。由此可以得出，采用本发明所提出的最佳波束赋形器和最佳时间分配参数的方案在性能上近似于理论最优值要明显优于采用一般波束赋形器和时间分配参数的方案。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的双向中继系统包括两个用户节点，双向中继节点和设有波束赋形器的能量站；所述的能量站配置M根天线，M≥1，用户节点和双向中继节点配置单根天线；具体包括如下步骤：

1)能量站获取信道状态信息；

2)能量站在获取信道状态信息后基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ，0＜τ＜1；

3)能量站基于最佳波束赋形器w在前τT时间内向用户节点传输能量，其中T为信道相干时间；

4)能量传输阶段结束后，在第一个(1-τ)T/2时间内，两个用户节点利用收集到的能量同时向双向中继节点发送信息；在第二个(1-τ)T/2时间内，双向中继节点将收到的用户信息，采用放大转发协议协助广播给两个用户节点；

5)两个用户节点在收到双向中继节点广播出的信息后，各自通过处理消去原干扰信号并检测另一方发送来的信息。

2.根据权利要求1所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的步骤1)中的信道状态信息包括：

1a)能量站通过侦听两个用户节点的导频，估计出能量站与相应的用户节点之间的信道状态信息；

1b)能量站通过两个用户节点反馈获得两个用户节点与双向中继节点之间的信道状态信息。

3.根据权利要求2所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的步骤2)中基于系统最小用户速率最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ是指：

建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\τ},w}{max}& min& \[\frac{1-\mathrm{\τ}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\γ}}_{u1}\},\frac{1-\mathrm{\τ}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\γ}}_{u2}\}\]\end{array}$

s.t 0＜τ＜1,||w||²≤1；

其中，

ρ表示能量站发射功率与噪声功率之比；ε表示双向中继发射功率与能量站发射功率之比；η表示能量利用效率；w表示波束赋形器；h₁、h₂、g₁和g₂分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的信道状态信息；d₁、d₂、d_u1和d_u2分别表示用户A与双向中继节点、用户B与双向中继节点、能量站与用户A以及能量站与用户B之间的距离；β表示路径衰落指数；||表示对向量取模；T表示转置。

4.根据权利要求3所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题近似为两个单变量的优化问题相互迭代至收敛，包括：在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题和在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题。

5.根据权利要求4所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的在给定时间分配参数τ的情况下对波束赋形器w单独进行优化的问题表示为：

$\begin{array}{ccc}\underset{w}{max}& min& \[\frac{1-\mathrm{\τ}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\γ}}_{u1}\},\frac{1-\mathrm{\τ}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\γ}}_{u2}\}\]\end{array},$

s.t||w||²≤1；

所得的最佳波束赋形器w为：

其中，||表示对向量取模；||||表示对向量取2-范数；表示向量在向量上的投影；表示向量g₂在向量g₁上的投影；表示向量在向量的垂直空间上的投影；表示向量g₂在向量g₁的垂直空间上的投影；表示共轭转置；

而x通过如下所述方法求得：

Ⅰ)初始化设置：

Ⅱ)令

Ⅲ)求解问题P得到和x*；

Ⅳ)使用二分法更新即：若令若令

Ⅴ)重复步骤Ⅱ)～步骤Ⅳ)，直至收敛；

其中

问题P为：

$\begin{array}{cc}\underset{x}{min}& f_m:=max\[f_1\left(x\right),f_2\left(x\right)\]\end{array}$

s.t.0≤x≤1

问题P的解x*通过以下方法得到：

其中， $\begin{array}{cc}{f}_2\left(x\right)=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_2{(bx+c\sqrt{1-x^2})}^2+(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{C}_2-A_2){\left(ax\right)}^2+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{D}_2,& {\stackrel{\&OverBar;}{x}}_1=\left\{\begin{array}{cc}{(\frac{1}{2}+\frac{{{\hat{A}}_1}^2}{2\sqrt{{{\hat{A}}_1}^2+{{\hat{A}}_1}^4}})}^{\frac{1}{2}}& {\hat{A}}_1\&GreaterEqual;0\\ {(\frac{1}{2}-\frac{{{\hat{A}}_1}^2}{2\sqrt{{{\hat{A}}_1}^2+{{\hat{A}}_1}^4}})}^{\frac{1}{2}}& {\hat{A}}_1<0\end{array}\right.\end{array},$ $\begin{array}{cc}{\hat{x}}_1=\sqrt{\frac{1-2{\mathrm{\&chi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2+\sqrt{1-4{{\mathrm{\&chi;}}_2}^2-4{\mathrm{\&chi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}}{2+2{{\mathrm{\&chi;}}_1}^2}},& {\hat{x}}_2=\sqrt{\frac{1-2{\mathrm{\&chi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2-\sqrt{1-4{{\mathrm{\&chi;}}_2}^2-4{\mathrm{\&chi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}}{2+2{{\mathrm{\&chi;}}_1}^2}}\end{array},$ $\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&chi;}}_1=\frac{A_1(b^2-c^2)-A_2{a}^2}{A_{1}2bc},& {\mathrm{\&chi;}}_2=\frac{A_1{c}^2-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}(D_1-D_2)}{A_{1}2bc},& {\hat{A}}_1=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{C}_1{a}^2+(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_1-A_1)(b^2-c^2)}{(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_1-A_1)2bc},\end{array}$ $\begin{array}{ccc}{\hat{C}}_1=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{D}_1+(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_1-A_1)c^2}{(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_1-A_1)2bc},& {\hat{A}}_2=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_2(b^2-c^2)+(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{C}_2-A_2)a^2}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_{2}2bc},& {\hat{C}}_2=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_2{c}^2+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{D}_2}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&gamma;}}{B}_{2}2bc}\end{array},$ $\begin{array}{cccc}{A}_1=\frac{{\mathrm{\&tau;\&epsiv;\&eta;\&rho;}}^2\left|h_1{|}^2\right|h_2{|}^2}{(1-\mathrm{\&tau;})d_1^{\mathrm{\&beta;}}{d}_2^{\mathrm{\&beta;}}{d}_{u2}^{\mathrm{\&beta;}}},& A_2=\frac{{\mathrm{\&tau;\&epsiv;\&eta;\&rho;}}^2\left|h_1{|}^2\right|h_2{|}^2}{(1-\mathrm{\&tau;})d_1^{\mathrm{\&beta;}}{d}_2^{\mathrm{\&beta;}}{d}_{u1}^{\mathrm{\&beta;}}},& B_1=B_2=\frac{\mathrm{\&tau;}\mathrm{\&eta;}\mathrm{\&rho;}|h_2{|}^2}{(1-\mathrm{\&tau;})d_2^{\mathrm{\&beta;}}{d}_{u2}^{\mathrm{\&beta;}}},& C_1=C_2=\frac{\mathrm{\&tau;}\mathrm{\&eta;}\mathrm{\&rho;}|h_1{|}^2}{(1-\mathrm{\&tau;})d_1^{\mathrm{\&beta;}}{d}_{u1}^{\mathrm{\&beta;}}},\end{array}$

6.根据权利要求4所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述的在给定波束赋形器w的情况下对时间分配参数τ单独进行优化的问题表示为：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\&tau;}}{max}& min& \&lsqb;\frac{1-\mathrm{\&tau;}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{u1}\},\frac{1-\mathrm{\&tau;}}{2}{\log }_2\{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{u2}\}\&rsqb;\end{array},$

s.t 0＜τ＜1，

最佳时间分配参数τ通过对上述凸问题进行凸优化的方法得到。

7.根据权利要求4所述的基于无线能量传输的双向中继系统的最大化最小用户速率方法，其特征在于，所述两个单变量的优化问题相互迭代至收敛是指：

步骤1、给定初始任意时间分配参数τ；

步骤2、对波束赋形器w单独进行优化求解最佳波束赋形器w；

步骤3、利用解得的最佳波束赋形器w对时间分配参数τ单独进行优化求解最佳时间分配参数τ；

步骤4、重复步骤2～步骤3，直至收敛。