CN106972880B - 一种基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法 - Google Patents

一种基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发涉及一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，属于SWIPT系统下的预编码方法领域，本发明为了解决现有的中继技术无法同时满足较高的传输效率以及较多的能量的缺点，而提出一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，包括：基站将经过预编码的信号发送到中继；中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定进行能量收集或信息转发；计算中继在时隙内获得的能量；将接收到的信号经过预编码后发送给用户；用户在接收端得到检测信号及误差协方差矩阵；构建目标函数；计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略。本发明适用于无线通信网络的能耗降低方案设计。

Description

一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码 方法
技术领域
本发涉及一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，属于SWIPT系统下的预编码方法领域。
背景技术
随着近年来无线通信业务的爆炸式增长，网络规模逐渐增大，如传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的许多种网络都存在着由于大多数节点无源所导致的可持续性差的问题。虽然单个节点耗电量低、数据交换量较小，但因其网络规模庞大，计算复杂度仍较高，网络寿命较短。
中继技术可以通过设计有效的通信协议来合理分配通信网络中的有限资源以降低系统的能耗，通过提高网络能效来帮助降低整个通信网络的能耗，从而延长网络寿命。无线信息和能量的同时传输技术(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer,SWIPT)可以利用信号中携带的能量以及周围环境中的电磁破能量为设备供电。该技术包含无线信号传输与无线能量传输，由于传输信号的总能量是有限的，更高得传输速率与收集更多的能量是互相矛盾的目标，无法同时满足。
鉴于上述两种技术，本发明将对信息收集与能量收集进行有效的折中保证各节点正常工作并延长网络寿命，同时通过设计发送端与中继的低复杂度联合预编码方案降低网络计算复杂度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的中继技术无法同时满足较高的传输效率以及较多的能量的缺点，而提出一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，所述方法用于将预编码信号由基站发送至中继，再由中继发送至用户；设由基站到用户的一个周期分为2T0个时隙；所述方法包括如下步骤：
在前T0个时隙内：
步骤一：基站将经过预编码的信号发送到中继；
步骤二：中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定对该子资源块进行能量收集或信息转发；
步骤三：计算中继在前T0个时隙内获得的能量，即所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量之和；
在后T0个时隙内：
步骤四：中继将接收到的信号经过预编码后发送给K个用户；
步骤五：在第k个用户的接收端，用户使用全向接收矩阵Rk对数据进行检测，得到检测信号
Figure GDA0002521323280000021
并根据检测信号
Figure GDA0002521323280000022
计算K个用户总的误差协方差矩阵；
步骤六：根据最小均误差准则，构建目标函数；所述目标函数为：在满足基站预编码矩阵的功率限制条件以及中继转发所需能量条件时，计算所述误差协方差矩阵的迹的最小值；
步骤七：根据所述目标函数，计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略。
本发明的有益效果为：当系统模型固定时，本发明为速率与能量的需求矛盾提供了可靠地解决办法，为能量储存与信息转发的资源分配提供了有效途径。针对不同中继放大转发与供电需求，通过计算可以得到相应的低复杂度的基站与中继联合预编码策略。
附图说明
图1为本发明的基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法的流程图；
图2为本发明的下行SWIPT多用户MIMO中继示意图；
图3为本发明的基于门限切换的中继结构示意图。
变量含义说明：
Figure GDA0002521323280000023
Figure GDA0002521323280000031
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，所述方法用于将预编码信号由基站发送至中继，再由中继发送至用户；设由基站到用户的一个周期分为2T0个时隙；
其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在前T0个时隙内：
步骤一：基站将经过预编码的信号发送到中继；
步骤二：中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定对该子资源块进行能量收集或信息转发；
步骤三：计算中继在前T0个时隙内获得的能量，即所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量之和；
在后T0个时隙内：
步骤四：中继将接收到的信号经过预编码后发送给K个用户；
步骤五：在第k个用户的接收端，用户使用全向接收矩阵Rk对数据进行检测，得到检测信号
Figure GDA0002521323280000049
并根据检测信号
Figure GDA00025213232800000410
计算K个用户总的误差协方差矩阵；
步骤六：根据最小均误差准则，构建目标函数；所述目标函数为：在满足基站预编码矩阵的功率限制条件以及中继转发所需能量条件时，计算所述误差协方差矩阵的迹的最小值；
步骤七：根据所述目标函数，计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：
步骤一中，中继接收到的来自基站的信号为：
Figure GDA0002521323280000041
其中，yr为中继接收到的信号矢量，x为发送信号矢量，T＝(T1,···,TK)为基站的预编码矩阵，其中
Figure GDA0002521323280000042
为基站对向第k个用户发送的向量的预编码。
Figure GDA0002521323280000043
为基站到中继之间的信道矩阵，其中的元素为独立同分布的复随机变量，均值为0，的方差为1。
Figure GDA0002521323280000045
为零均值加性高斯白噪声，且满足
Figure GDA0002521323280000046
为噪声功率；基站预编码矩阵需满足功率限制tr(TTH)≤Ps，其中Ps表示基站发射最大功率。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：
步骤二具体为：
假设T0时间内中继接收M个资源块，门限切换模式可以对每一子资源块进行判断，根据判断的结果决定对该资源块进行能量收集或是信息转发。将第m个资源块传播时的信道能量定义为
Figure GDA0002521323280000047
1≤m≤M，1≤N≤Ns表示基站发送信号时使用的天线数，假定在发送第m个子资源块时基站的预编码方案为T(m)，T(m)＝[T1(m)T2(m)…TN(m)]，令
Figure GDA0002521323280000048
θ表示距离衰落因子，G表示信号大尺度衰落，同时定义a(m)＝GT(m)；通过A(m)取值选择接收机进行能量收集或接收信息，根据情况选取的值作为门限进行两种模式的切换参考，从而获取适应性较强的切换方式。
将信道能量A(m)取值作为判断结果，根据判断结果决定接收机进行能量收集或接收信息，具体判断过程为：
Figure GDA0002521323280000051
即当信道能量A(m)的值小于或等于门限
Figure GDA0002521323280000052
的值时接收信息，当信道能量A(m)的值大于门限A的值时进行能量收集。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：
步骤三中，在第m个资源块到达中继时，中继所接收到的信号为
Figure GDA0002521323280000053
其中yr(m)与nr(m)分别表示第m个时隙接收到的信号与噪声向量。
Figure GDA0002521323280000054
当ρ(m)＝0，在第m时隙收集到的能量可以表示为
Figure GDA0002521323280000055
于是，在整个周期所获得的能量即为所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量的和。令H＝||G||2/Ns假定M→∞，在使用N跟天线，门限为
Figure GDA0002521323280000056
信道条件为G，将基站预编码能量归一化，整个周期内收集到的能量可以表示为
Figure GDA0002521323280000057
由于a(m)是服从独立同分布的零均值且具有共同方差H的高斯随机变量。因此A(m)为具有n个自由度的χ2随机变量，根据卡方分布自由度可加性得n＝2N，σ2＝H/2N。根据定义得给定信道条件下(G为一常数)的其概率密度函数(Probability Density Function,PDF)为
Figure GDA0002521323280000058
累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)表示为
Figure GDA0002521323280000061
其中，Γ(x)为伽玛函数，定义为
Figure GDA0002521323280000062
可得前T0时间内收集的能量。
Figure GDA0002521323280000063
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤四种：
在后T0时间内，中继对接收到的信号经过预编码后发送给用户，假定中继预编码矩阵为
Figure GDA0002521323280000064
则第k个用户接收到的信号为
yk＝HkWGTx+HkWnr+nk (9)
其中yk为第k个用户接收到的信号矢量，
Figure GDA0002521323280000065
与G类似，其元素为独立同分布的高斯随机变量，且均值为0，方差为1，nk为中继到用户间信道的加性高斯白噪声。均值为零，方差为
Figure GDA0002521323280000066
中继处预编码矩阵需要满足
Figure GDA0002521323280000067
P为中继允许的最大发射功率，其大小与中继收到的能量相关，此处令
Figure GDA0002521323280000068
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤五中：
在第k个用户的接收端，用户利用全向接收矩阵Rk对数据进行检测，设检测到的信号为
Figure GDA0002521323280000069
其可以表示为
Figure GDA00025213232800000610
则K个用户总的误差协方差矩阵为
Figure GDA00025213232800000611
其中
Figure GDA0002521323280000071
R＝blkdiag{R1 R2 … RK}是块对角矩阵主对角线上元素依次为R1，R2，...RK。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤六中：
下行SWIPT系统多用户中继系统中，基于最小MSE准则的联合接收机设计问题可以建模为如下的目标函数：
Figure GDA0002521323280000072
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤七具体为：
步骤七一：利用矩阵求逆定理将误差协方差矩阵f(T,W,R)变形为：
Figure GDA0002521323280000073
其中
Figure GDA0002521323280000074
WR＝THGHM-1；
步骤七二：已有证明，中继处预编码矩阵达到最优时可以表示为：
Figure GDA0002521323280000075
并且，对于任意的W都可以找到F满足公式(14)。于是对于W的优化可以转换为对F的优化，其中F为中继向前预编码矩阵。
将误差协方差矩阵f(T,W,R)分解成两个函数的和，可以表示为：
f(T,W,R)＝f1(T)+f2(R,F,N) (15)
其中，
Figure GDA0002521323280000076
Figure GDA0002521323280000077
Figure GDA0002521323280000078
步骤七三：当基站到中继之间信噪比足够高时，有
Figure GDA0002521323280000081
则N→I；此时将f2(R,F,N)近似表达为：
Figure GDA0002521323280000082
步骤七四：根据步骤七三，可以看出f2只与用户线性接收矩阵R与F有关。基站预编码矩阵T与F无关，f1只与T有关。于是可以将中继允许的最大发射功率表示为
Figure GDA0002521323280000083
步骤七五：根据步骤七四，可以将公式(12)对应的问题转化为第一函数
Figure GDA0002521323280000084
以及第二函数
Figure GDA0002521323280000085
并对所述第一函数以及第二函数分别进行求解；
步骤七六：问题(21)的求解可以等效为点对点MIMO系统的优化问题，可以使用传统点对点MIMO优化问题最优解结构T＝V·Δf，V为G的右奇异矩阵，G＝U∑VH，
Figure GDA0002521323280000086
为功率矩阵，应用拉格朗日乘数法得到Δf的结果为：
Figure GDA0002521323280000087
其中(x)+＝max(x,0)，v为引入的拉格朗日因子，其大小需要满足功率限制。
而问题(22)与多用户MIMO优化问题类似，其目标函数可以理解为传统多用户MIMO系统中所有用户最小均方误差的总和，于是该问题可以看做SWIPT系统下基于MSE准则的多用户MIMO收发机设计，F为下行发送预编码矩阵，R为接收矩阵，根据KKT条件，得到F与R。
F＝(HHRHRH+λI)-1HHRH (24)
Figure GDA0002521323280000091
Figure GDA0002521323280000092
其中F＝[F1,F2,…,FK],Fk可以理解为用户k预编码矩阵，F与R互为函数，因此可以采用如下迭代算法(算法1)对其进行求解：
Figure GDA0002521323280000093
其中，Pi表示第i次迭代结果，ε为终止门限。
由于问题(22)的目标函数单调递减并且非负，于是结果必定能够收敛。求解得到F之后再根据公式(14)求得W。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，所述方法用于将预编码信号由基站发送至中继，再由中继发送至用户；设由基站到用户的一个周期分为2T0个时隙；
其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在前T0个时隙内：
步骤一：基站将经过预编码的信号发送到中继；
步骤二：中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定对该子资源块进行能量收集或信息转发；
步骤三：计算中继在前T0个时隙内获得的能量，即所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量之和；
在后T0个时隙内：
步骤四：中继将接收到的信号经过预编码后发送给K个用户；
步骤五：在第k个用户的接收端，用户使用全向接收矩阵Rk对数据进行检测，得到检测信号
Figure FDA0002564526280000011
并根据检测信号
Figure FDA0002564526280000012
计算K个用户总的误差协方差矩阵；其中1≤k≤K；
步骤六：根据最小均误差准则，构建目标函数；所述目标函数为：在满足基站预编码矩阵的功率限制条件以及中继转发所需能量条件时，计算所述误差协方差矩阵的迹的最小值；
步骤七：根据所述目标函数，计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略；
步骤四中，第k个用户接收到的来自中继的信号为：
yk＝HkWGTx+HkWnr+nk
其中yk为第k个用户接收到的信号矢量；
Figure FDA0002564526280000013
Hk中的元素为独立同分布的高斯随机变量，且均值为0，方差为1；nk为中继到用户间信道的加性高斯白噪声，其均值为零，方差为
Figure FDA0002564526280000014
中继处预编码矩阵需要满足
Figure FDA0002564526280000015
P的大小与中继收到的能量相关；W为中继预编码矩阵，Nr为中继天线数，Nk为第k个用户的天线数；
步骤二具体为：
假设T0时间内中继接收M个资源块；将第m个资源块传播时的信道能量定义为
Figure FDA0002564526280000021
Ns表示基站天线数，N表示随机波束成型中基站使用的天线数，假定在发送第m个子资源块时基站的预编码方案为T(m)，T(m)＝(T1(m),T2(m),···TN(m))，TN(m)为第N根天线发送第m个资源块时的预编码；令
Figure FDA0002564526280000022
θ表示距离衰落因子，G表示信号大尺度衰落，同时定义a(m)＝GT(m)，
T为基站的预编码矩阵，nr为零均值加性高斯白噪声，
Figure FDA0002564526280000023
为基站到中继之间的信道矩阵；
将信道能量A(m)取值作为判断结果，根据判断结果决定接收机进行能量收集或接收信息，具体判断过程为：
Figure FDA0002564526280000024
即当信道能量A(m)的值小于或等于门限
Figure FDA0002564526280000025
的值时接收信息，当信道能量A(m)的值大于门限
Figure FDA0002564526280000026
的值时进行能量收集；其中ρ为模式指示因子；
步骤三中，中继在前T0个时隙内获得的能量为：
Figure FDA0002564526280000027
其中，H＝||G||2/Ns；P为中继允许的最大发射功率；Γ(x)为伽玛函数，定义为
Figure FDA0002564526280000028
f(a)的定义为：
Figure FDA0002564526280000029
其中，n为卡方分布的自由度，σ为信道能量A(m)的方差；
步骤五中：检测信号
Figure FDA00025645262800000210
为：
Figure FDA00025645262800000211
K个用户总的误差协方差矩阵为
Figure FDA0002564526280000031
其中
Figure FDA0002564526280000032
R＝blkdiag{R1R2···RK}为块对角矩阵，其主对角线上元素依次为R1，R2，…RK，
Figure FDA0002564526280000033
为中继向用户传输时，噪声方差统一大小；
步骤七具体为：
步骤七一：利用矩阵求逆定理将误差协方差矩阵f(T,W,R)变形为：
Figure FDA0002564526280000034
其中
Figure FDA0002564526280000035
WR＝THGHM-1；
步骤七二：将误差协方差矩阵f(T,W,R)分解成两个函数的和：
f(T,W,R)＝f1(T)+f2(R,F,N)
其中，
Figure FDA0002564526280000036
Figure FDA0002564526280000037
Figure FDA0002564526280000038
F为中继向前预编码矩阵；
步骤七三：当基站到中继之间信噪比足够高时，有
Figure FDA0002564526280000039
则N→I；此时将f2(R,F,N)近似表达为：
Figure FDA00025645262800000310
步骤七四：将中继允许的最大发射功率表示为
Figure FDA00025645262800000311
步骤七五：将步骤六中的目标函数转化为第一函数
Figure FDA0002564526280000041
s.t.tr(TTH)≤Ps
以及第二函数
Figure FDA0002564526280000042
s.t.tr(FFH)≤P
并对所述第一函数以及第二函数分别进行求解；
步骤七六：求解得到的下行发送预编码矩阵F为：
F＝(HHRHRH+λI)-1HHRH
其中
Figure FDA0002564526280000043
求解得到的接收矩阵R为
Figure FDA0002564526280000044
下行发送预编码矩阵F以及接收矩阵R即反映了基站与中继联合预编码策略。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，中继接收到的来自基站的信号为：
Figure FDA0002564526280000045
其中，yr为中继接收到的信号矢量，x为发送信号矢量，T＝(T1,···,TK)为基站的预编码矩阵，其中Tk为基站对向第k个用户发送的向量的预编码；
Figure FDA0002564526280000046
为基站到中继之间的信道矩阵，其中
Figure FDA0002564526280000047
的元素为独立同分布的复随机变量，均值为0，的方差为1；nr为零均值加性高斯白噪声，且满足
Figure FDA0002564526280000048
Figure FDA0002564526280000049
为噪声功率，IN为单位矩阵；基站预编码矩阵需满足功率限制tr(TTH)≤Ps，其中Ps表示基站发射最大功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六中，目标函数为：
Figure FDA00025645262800000410
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