CN106788641A - 一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，系统包括一个发射机、一个信息接收机和一个能量接收机，发射机发送数据，信息与能量接收机同时收到数据。在本发明的设计准则是：根据系统的能量要求和信道统计信息，在满足能量要求的条件下，设计预编码使得系统信息传输速率最大。发送机首先通过测量分别获取发送端到两个接收机的信道协方差、信噪比等信息；通过引入辅助参数，构造一个对偶函数，将预编码求解问题转化为一个等价的对偶问题；对该对偶问题，设计循环迭代算法求出最优预编码。与各向同性传输方案相比，在给定的系统能量要求时，本方法取得的系统传输速率更高；本方法的信息、能量可达域也较前者更宽阔。

Description

一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法。

背景技术

能量收集技术可以为无线传感网络或者蜂窝移动网络提供能量，延长设备节点的生存期，因而近年来受到了广泛关注。另一方面，信息传输问题一直是通信系统的关键和研究热点。因此，两种技术相结合，产生了无线信息与能量联合传输的新技术。

《国际电气与电子工程师协会无线通信学报》(“MIMO broadcasting forsimultaneous wireless information and power transfer，”IEEE Transactions onWireless Communications,2013,11(5):1989-2001)研究了一个典型多发多收的信息—能量通信系统，系统中一个节点发送信息，另外两个节点分别接收能量和信息。在发送端功率一定的条件下，发送信号协方差矩阵的设计将会对信息和能量接收机同时产生影响。该文求出了在满足系统最低能量需求时，达到最大传输速率时发送端协方差矩阵应满足的形式。另外，还系统的分析了时分复用、功率拆分等复用方案对可达功率－速率域的影响。《国际电气与电子工程师协会无线通信快报》(“Energy-efficient optimization forwireless information and power transfer in large-scale MIMO systems employingenergy beamforming，”IEEE Wireless Communications Letters,2013,2(6):667-670)研究了大规模多天线系统的联合传输系统，接收机从较远的发送端获取能量而后返回观测数据给发送端。该文以能量效率为优先优化目标，在保证了所需最低信息通信质量的条件下，研究了无线资源优化问题，包括最优发送功率和能量、信息传输时间分配比等。

目前现有研究大多需要即时的信道状态信息，无论是理想还是非理想信息。可是如果信道是快衰落变化，则频繁测量和反馈信道信息将不可避免地给系统回程链路带来很大负担，链路开销大。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，该方法仅使用信道统计信息—信道收发协方差矩阵和信噪比，可以显著的降低系统测量和反馈开销。在满足系统能量需求的条件下，该方法将实现系统信息传输速率的最大化。

为实现上述目的，本发明提供了一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：

S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；

S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；

S3:更新两个辅助参数；

S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；

S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束。若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。

优选的，所述步骤S2的初始化操作，其特征在于：

迭代指数k初始设置为零，辅助参数有两个，记为λ和u,这两个参数初始设置均大于或等于零，搜索步长t满足0<t<1。

优选的，所述步骤S2的子算法一，其特征在于：

S21:根据子算法二，获得功率分配矩阵N_T是发送天线数，diag(.)是矩阵的对角化操作，p_i是功率值；

S22:计算最优发送协方差矩阵，

其中，矩阵V是矩阵奇异值分解中的右奇异矩阵，是维度是N_T的单位矩阵，N_T是发送天线数，Tr(.)是矩阵的迹函数，(.)^1/2表示矩阵开方，(.)^-1/2表示矩阵开方并求逆，(.)^H是矩阵的Hermitian操作，θ_RE、θ_TE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵，θ_TD是发送端到信息接收机的信道发送协方差矩阵；

S23:将Q代入下式，求出对偶函数g(λ,u)。

其中，H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复N_D×N_T的矩阵，定义为：

上式中，θ_RD、θ_TD是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_ω,D是一个维度为N_D×N_T的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布；此外，P_T为发送功率,ε_ng是功率最低要求，是信息信道的噪声功率。

优选的，所述步骤S3的辅助参数更新，其特征在于：

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

其中，t是搜索步长，上标k代表迭代次数。

优选的，步骤S4的对偶函数，其特征在于：

对偶函数定义为：

这里函数L(Q,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

是维度是N_D的单位矩阵，N_D是信息接收机的天线数。

优选的，所述步骤S5的判定准则，其特征在于：

判断两次迭代取得的对偶函数数值之差，即g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|，是否小于某个预设门限，来决定是否结束算法。

优选的，所述步骤S21的子算法二，特征如下：

S211：初始化迭代指数k＝0,

S212：更新 l∈Φ，这里 是一个列向量，是的第i列； U_B和Λ_B分别是矩阵B的奇异值分解对应的左奇异矩阵和对角阵，和分别是矩阵θ_RD的特征分解中的对角阵和特征向量组成的矩阵；

S213:增加迭代指数k:＝k+1，重复步骤S212-S213若干次；

S214：如果存在l，使得但是p_l不收敛为零，则找到最小的功率值设置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{l_min}，回到步骤S212，否则，结束程序。

本发明的有益效果是：

本发明基于信道协方差及系统信噪比反馈，为信息与能量联合传输系统提供了一种预编码方法。该方法能够在满足系统能量需要的同时，有效的提升系统信息传输速率。相比非预编码方法，在满足相同的能量需求时，该方法取得的信息传输速率更高，其信息-能量可达域也更宽阔。本发明还具有反馈量小、系统开销小的优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的预编码方法的实施流程图；

图2是本发明预编码方法涉及的子算法一流程图；

图3是本发明预编码方法涉及的子算法二流程图；

图4是图1中方法在三节点2×2MIMO系统情况下与各向同性传输方法性能对比图。

具体实施方式

本发明适用的通信系统包括三个节点：一个发送节点，一个信息接收节点和一个能量接收节点，三个节点均配备多根天线，分别是N_T、N_RD和N_RE。用户数据x在发送之前需要乘以一个预编码矩阵W，而后广播出去。这样，信息和能量接收机的接收信号表示式写成：

y_D＝H_DWx+N_D

y_E＝H_EWx+N_E

其中，H_D是N_RD×N_T维的复矩阵，表示发送端到信息接收机的信道，不妨称之为信息信道；H_E是N_RE×N_T维的复矩阵，表示发送端到能量接收机的信道，不妨称之为能量信道；N_D是N_RD维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布；N_E是N_RE维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布。

由信息接收信号表达式可推得，系统的信息传输速率为

其中，符号E(.)代表求期望，(.)^H代表复共轭。由能量接收信号表达式可推得，系统在单位时间取得的能量为

ε_ng＝ηTr(W^HWθ_TE)Tr(θ_RE)

其中，常数η为能量转化效率，Tr(.)表示对矩阵求迹，θ_TE和θ_RE分别是能量信道的发送和接收协方差矩阵。

本发明即设计预编码W，在满足能量需求ε_ng的条件下，最大化信息传输速率R.发送端的操作可以分成两个阶段：训练阶段和数据发送阶段。在训练阶段，发送端发射导频信号，能量和信息接收机测量各自的信道矩阵，计算收发协方差矩阵，反馈给发送端；另外，信息接收机还要反馈信息信道的信噪比。发送端根据收到的信息和能量信道的收发协方差矩阵、信息信道的信噪比，计算最优的预编码矩阵W。然后系统进入发送数据阶段：发送端将用户数据乘以预编码矩阵W发送出去。

具体地，本发明的一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：

S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；

S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；

S3:更新两个辅助参数；

S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；

S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束。若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。

本实施例中，所述步骤S2的初始化操作，其特征在于：

迭代指数k初始设置为零，辅助参数有两个，记为λ和u,这两个参数初始设置均大于或等于零，搜索步长t满足0<t<1。

本实施例中，所述步骤S2的子算法一，其特征在于：

S21:根据子算法二，获得功率分配矩阵N_T是发送天线数，diag(.)是矩阵的对角化操作，p_i是功率值；

S22:计算最优发送协方差矩阵，

其中，矩阵V是矩阵奇异值分解中的右奇异矩阵，是维度是N_T的单位矩阵，N_T是发送天线数，Tr(.)是矩阵的迹函数，(.)^1/2表示矩阵开方，(.)^-1/2表示矩阵开方并求逆，(.)^H是矩阵的Hermitian操作，θ_RE、θ_TE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵，θ_TD是发送端到信息接收机的信道发送协方差矩阵；

S23:将Q代入下式，求出对偶函数g(λ,u)。

其中，H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复N_D×N_T的矩阵，定义为：

上式中，θ_RD、θ_TD是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_ω,D是一个维度为N_D×N_T的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布；此外，PT为发送功率,ε_ng是功率最低要求，是信息信道的噪声功率。

本实施例中，所述步骤S3的辅助参数更新，其特征在于：

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

其中，t是搜索步长，上标k代表迭代次数。

本实施例中，步骤S4的对偶函数，其特征在于：

对偶函数定义为：

这里函数L(Q,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

是维度是N_D的单位矩阵，N_D是信息接收机的天线数。

本实施例中，所述步骤S5的判定准则，其特征在于：

判断两次迭代取得的对偶函数数值之差，即|g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|，是否小于某个预设门限，来决定是否结束算法，这里上标(k)表示第k次循环。若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵W＝Q^1/2。

本实施例中，所述步骤S21的子算法二，特征如下：

S211：初始化迭代指数k＝0,

S212：更新 l∈Φ，这里 是一个列向量，是的第i列； U_B和Λ_B分别是矩阵B的奇异值分解对应的左奇异矩阵和对角阵，和分别是矩阵θ_RD的特征分解中的对角阵和特征向量组成的矩阵；

S213:增加迭代指数k:＝k+1，重复步骤S212-S213若干次；

S214：如果存在l，使得但是p_l不收敛为零，则找到最小的功率值设置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{l_min}，回到步骤S212，否则，结束程序。

当上述步骤执行完毕之后，在给定的能量要求ε_ng和系统信噪比下，最优的发送协方差矩阵Q和预编码W＝Q^1/2都得到了。将W代入表达式可以求得此时的系统信息传输速率。

由图4可见，在给定的能量要求下，本发明方法取得的信息传输速率较各向同性传输方案更高；另外，本方法的可达信息—速率域也更宽阔些。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：

S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；

S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；

S3:更新两个辅助参数；

S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；

S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束，若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。

2.如权利要求1中所述步骤S2的初始化操作，其特征在于：

迭代指数k初始设置为零，辅助参数有两个，记为λ和u,这两个参数初始设置均大于或等于零，搜索步长t满足0<t<1。

3.如权利要求1中所述步骤S2的子算法一，其特征在于：

S21:根据子算法二，获得功率分配矩阵N_T是发送天线数，diag(.)是矩阵的对角化操作，p_i是功率值；

S22:计算最优发送协方差矩阵，

$Q=A^{-1/2}{V}_B{\mathrm{\&Lambda;V}}_B^H{A}^{-1/2}$

其中，矩阵V是矩阵奇异值分解中的右奇异矩阵，是维度是N_T的单位矩阵，N_T是发送天线数，Tr(.)是矩阵的迹函数，(.)^1/2表示矩阵开方，(.)^-1/2表示矩阵开方并求逆，(.)^H是矩阵的Hermitian操作，θ_RE、θ_TE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵，θ_TD是发送端到信息接收机的信道发送协方差矩阵；

S23:将Q代入下式，求出对偶函数g(λ,u)。

$g(\mathrm{\&lambda;},u)=\underset{Q\&GreaterEqual;0}{max}{T}_1-Tr\{\&lsqb;{\mathrm{uI}}_{N_T}-\mathrm{\&lambda;}Tr\left({\mathrm{\&theta;}}_{RE}\right){\mathrm{\&theta;}}_{TE}\&rsqb;Q\}+T_2$

其中，H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复N_D×N_T的矩阵，定义为：

$H_D={\mathrm{\&theta;}}_{RD}^{1/2}{H}_{\mathrm{\&omega;},D}{\mathrm{\&theta;}}_{TD}^{1/2}$

上式中，θ_RD、θ_TD是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_ω,D是一个维度为N_D×N_T的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布；此外，P_T为发送功率,ε_ng是功率最低要求，是信息信道的噪声功率。

4.如权利要求1中所述步骤S3的辅助参数更新，其特征在于：

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

其中，t是搜索步长，上标k代表迭代次数。

5.如权利要求1中所述步骤S4的对偶函数，其特征在于：

对偶函数定义为：

$g(\mathrm{\&lambda;},u)=\underset{Q}{max}L(Q,\mathrm{\&lambda;},u),$

这里函数L(Q,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

$\begin{array}{c}L(Q,\mathrm{\&lambda;},u)=E\{log\det \&lsqb;I_{N_D}+H_D{\mathrm{QH}}_D^H\&rsqb;\}\\ +\mathrm{\&lambda;}\&lsqb;Tr\left({\mathrm{Q\&theta;}}_{TE}\right)Tr\left({\mathrm{\&theta;}}_{RE}\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_{ng}\&rsqb;-u\&lsqb;Tr\left(Q\right)-P_T\&rsqb;\end{array},$

是维度是N_D的单位矩阵，N_D是信息接收机的天线数。

6.如权利要求1中所述步骤S5的判定准则，其特征在于：

判断两次迭代取得的对偶函数数值之差，即是否小于某个预设门限，来决定是否结束算法。

7.如权利要求3所述步骤S21的子算法二，特征如下：

S211：初始化迭代指数k＝0,

S212：更新 l∈Φ，这里 是一个列向量，是的第i列；U_B和Λ_B分别是矩阵B的奇异值分解对应的左奇异矩阵和对角阵，和分别是矩阵θ_RD的特征分解中的对角阵和特征向量组成的矩阵；

S213:增加迭代指数k:＝k+1，重复步骤S212-S213若干次；

S214：如果存在l，使得但是p_l不收敛为零，则找到最小的功率值设置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{l_min}，回到步骤S212，否则，结束程序。