CN108809379B - 一种用户终端以及mimo数能同传系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用户终端，该用户终端设置有第一天线和第二天线，分别利用第一天线和第二天线来接收数据信号和能量信号，因而避免了通过复杂的计算来确定天线何时接收数据信号，何时接收能量信号的过程，有效减小了确定MIMO数能同传系统的多个用户终端的调度方案的计算量。此外，本发明还提供了一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置，其作用与上述用户终端的作用相对应。

Description

一种用户终端以及MIMO数能同传系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种用户终端、一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置。

背景技术

MIMO，全称Multiple-Input Multiple-Output，是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。数能同传系统，英文缩写为SWIPT，全称为Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer，包括基站和多个用户终端，其中基站和用户终端之间既传输数据，又传输能量。

在传统的无线通信系统中，用户终端天线只用来接收数据，因此将资源分配给具有最佳归一化信噪比的用户就可以获得最大的系统容量，同时也能够保证用户间的公平性。但是，对于具有MIMO数能同传系统，此种调度策略不一定能满足能量收集要求，因为用户终端的天线既接收数据信号还接收能量信号，而最好的信道条件适用于信息解码，但是不一定适合能量收集。因此，信息与能量之间的折衷平衡是设计多用户调度方案的主要考虑因素。

而对于调度方案，因为MIMO数能同传系统的用户终端天线既接收数据信号还接收能量信号，因此调度方案需要考虑时间、功率、频率及空间多个参数的分配。譬如，在下行链路能量收集上行链路数据传输的蜂窝网络中，如果采用时分多址，为了最大化整个系统吞吐量，则上下行链路的时间分配需要联合优化，而对于接入点功率可变的网络，还需要自适应信道状态来动态调整发射功率，对于配置多天线的接入点，需要联合优化的参数更多，有时间与功率分配、能量波束成型向量等，另外对于能量收集约束条件下的吞吐量最大化调度，同样也涉及到时间及功率的最佳分配设计。

可见，传统MIMO数能同传系统的用户终端天线既接收数据信号还接收能量信号，因而多个用户终端调度方案需要考虑诸多因素，导致调度方案确认过程十分复杂，不易于实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种用户终端、一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置，用以解决传统MIMO数能同传系统的用户终端天线既接收数据信号还接收能量信号，导致多个用户终端的调度方案确认过程十分复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用户终端，应用于MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站，所述用户终端设置有第一天线和第二天线，所述第一天线用于接收所述主基站发送的数据信号，所述第二天线用于接收所述主基站发送的能量信号。

其中，所述用户终端用于将所述数据信号转换为数据，所述用户终端还用于将所述能量信号转换为能量。

其中，所述MIMO数能同传系统还包括干扰基站，所述用户终端接收所述干扰基站发出的干扰信号，并将所述干扰信号转化为能量。

其中，所述用户终端具体利用所述第二天线接收所述干扰信号。

本发明还提供了一种MIMO数能同传系统，包括如上所述的用户终端，还包括主基站；

其中，所述主基站向所述用户终端发送数据信号和能量信号，所述用户终端利用第一天线接收所述数据信号，并利用第二天线接收所述能量信号。

其中，所述用户终端用于将所述数据信号转化为数据，还用于将所述能量信号转换为能量。

其中，所述系统还包括干扰基站，所述干扰基站向所述用户终端发送干扰信号，所述用户终端利用所述第二天线接收所述干扰信号，并将所述干扰信号转化为能量。

此外，本发明还提供了一种确定用户终端天线工作状态的方法，应用于如上所述的MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，包括：

预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号；

计算用户终端n的信道容量

其中，

N_t为所述主基站的天线数量，N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值；

计算用户终端n收集到的总能量

根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

足预设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量；

根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

最后，本发明还提供了一种确定用户终端天线工作状态的装置，应用于如上所述的MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，包括：

参数设置模块：用于预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号；

信道容量计算模块：用于计算任意用户终端n的信道容量

其中，N_t为所述主基站的天线数量，

N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值，H_l,n ^H为H_l,n的共轭转置矩阵；

总能量计算模块：用于计算用户终端n收集到的总能量

权重参数确定模块：用于根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量；

工作状态确定模块：用于根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

本发明提供了一种用户终端，该用户终端设置有第一天线和第二天线，分别利用第一天线和第二天线来接收数据信号和能量信号，因而避免了通过复杂的计算来确定天线何时接收数据信号，何时接收能量信号的过程，有效减小了确定MIMO数能同传系统的多个用户终端的调度方案的计算量。此外，本发明还提供了一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置，其作用与上述用户终端的作用相对应，这里不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用户终端实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的一种MIMO数能同传系统实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的一种确定用户终端天线工作状态的方法实施例的实现流程图；

图4为本发明提供的一种确定用户终端天线工作状态的装置实施例的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用户终端、一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置，有效解决了由于传统MIMO数能同传系统的用户终端天线既接收数据信号还接收能量信号，导致多个用户终端的调度方案确认过程十分复杂的问题，减小了确定MIMO数能同传系统的多个用户终端的调度方案的计算量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明提供的一种用户终端实施例进行介绍，参见图1，该实施例为：

一种用户终端100，应用于MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站，所述用户终端设置有第一天线110和第二天线120，所述第一天线110用于接收所述主基站发送的数据信号，所述第二天线120用于接收所述主基站发送的能量信号。

需要说明的是，本实施例中第一天线110只用来接收数据信号，不接收能量信号，相应的，第二天线120只用来接收能量信号，不接收数据信号。这一点，可以利用用户终端上的控制器进行控制。

另外，需要指出的是，本实施例中第一天线110和第二天线120指的是一类天线，而并非指一根天线，图1中只画了一根天线只是一种简化，在实际场景中，第一天线110或第二天线120的数量不一定为一根，本实施例对于这两类天线的数量不做具体限定。

具体的，用户终端100在分别利用第一天线110和第二天线120接收到数据信号和能量信号之后，所述用户终端100可以将所述数据信号转换为数据，并将所述能量信号转换为能量。具体的，可以在天线的输出端设置响应的解码电路或者整流电路。

需要说明的是，MIMO数能同传系统还可能包括干扰基站，本实施例中，主基站指的是用户终端希望从中获得数据的基站，相应的，干扰基站指的是所述MIMO数能同传系统中除去主基站之外的基站。

考虑到用户终端100从主基站获得的能量有限，在本实施例中，作为一种优选方式，可以使用户终端100接收所述干扰基站发出的干扰信号，并将所述干扰信号转化为能量。具体的，所述用户终端100可以利用所述第二天线120接收所述干扰信号。

可见，本实施例提供了一种用户终端，该用户终端设置有第一天线和第二天线，并分别利用第一天线和第二天线来接收数据信号和能量信号，因而避免了通过复杂的计算来确定天线何时接收数据信号，何时接收能量信号的过程，有效减小了确定MIMO数能同传系统的多个用户终端的调度方案的计算量。

此外，下面对本发明提供的一种MIMO数能同传系统实施例进行介绍，参见图2，该实施例具体包括：如上所述的用户终端100，还包括主基站200。

其中，所述主基站200向所述用户终端100发送数据信号和能量信号，所述用户终端100利用第一天线110接收所述数据信号，并利用第二天线120接收所述能量信号。

所述系统还可以包括干扰基站300，所述干扰基站300向所述用户终端100发送干扰信号，所述用户终端100利用所述第二天线120接收所述干扰信号，并将所述干扰信号转化为能量。

可见，本实施例提供了一种MIMO数能同传系统，该系统包括用户终端和主基站，且用户终端设置有用于接收数据信号的第一天线和用于接收能量信号的第二天线，因而避免了通过复杂的计算来确定天线何时接收数据信号，何时接收能量信号的过程，有效减小了确定MIMO数能同传系统的多个用户终端的调度方案的计算量。

下面开始详细介绍本发明提供的一种确定用户终端天线工作状态的方法实施例，该实施例应用于如上所述的MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，参见图3，该实施例具体包括：

步骤S301：预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号。

步骤S302：计算用户终端n的信道容量

其中，N_t为所述主基站的天线数量，

N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值。

MIMO数能同传系统中，用户终端与主基站之间的信道可以理解为一整个信道，该信道由一些独立的子信道组成，假设主基站中的每个用户终端都可以从所有基站发射机收集能量。由于采用MIMO结构，从而可以应用空间转换方案(SS)，这样在空域获得SWIPT，利用奇异值分解法(SVD)可以将一个MIMO信道分集成为独立平行的子信道，这些子信道可以传递数据信号或能量信号，每个输出端都有相对应的解码电路或整流电路。

另外，在传统的无线通信系统中，共道干扰会降低系统性能，在此系统中将干扰信号被视作为有用资源，可以作为能量源来为用户终端提供能量，尤其对于那些处在边缘的用户终端，其从主基站收集到的能量有限，为了保证其在下行链路收集到足够的能量来完成下行链路数据传输，此时可以从干扰基站收集能量。

那么，对于任意的用户n,其接收到的信号为：

其中，s_l为干扰信号，n_n为加性白高斯噪声，主基站和任意用户n之间的信道增益矩阵为H_n。

需要说明的是，当MIMO数能同传系统中不存在上述干扰基站，或者在计算过程中不考虑干扰基站时，L可以为零。

步骤S303：计算用户终端n收集到的总能量

步骤S304：根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

足预设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量。

具体的，上述预设条件可以为保证权重系数最大。

步骤S305：根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

可见，本实施例提供的一种确定用户终端天线工作状态的方法，应用于上述MIMO数能同传系统，能够综合考虑数据传输和能量传输，最终得到让系统效用满足预设条件的用户终端各个天线的工作状态，即分别确定了用户终端中用于接收数据信号和用于接收能量信号的天线的数量，最终达到了提高MIMO数能同传系统效用的目的。

下面对本发明实施例提供的一种确定用户终端天线工作状态的装置实施例进行介绍，下文描述的一种确定用户终端天线工作状态的装置与上文描述的一种确定用户终端天线工作状态的方法可相互对应参照。

该装置实施例具体应用于如上所述的MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，参见图4，该装置实施例具体包括：

参数设置模块401：用于预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号。

信道容量计算模块402：用于计算任意用户终端n的信道容量

其中，N_t为所述主基站的天线数量，

N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值，H_l,n ^H为H_l,n的共轭转置矩阵。

总能量计算模块403：用于计算用户终端n收集到的总能量

权重参数确定模块404：用于根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

满足预设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量。

工作状态确定模块405：用于根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

本实施例的一种确定用户终端天线工作状态的装置用于实现前述的一种确定用户终端天线工作状态的方法，因此该装置中的具体实施方式可见前文中的一种确定用户终端天线工作状态的方法实施例部分，例如，参数设置模块401、信道容量计算模块402、总能量模块403、权重系数确定模块404、工作状态确定模块405，分别用于实现上述一种确定用户终端天线工作状态的方法中步骤S101，S102，S103，S104，S105。所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例用于实现前述的一种确定用户终端天线工作状态的方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种用户终端、一种MIMO数能同传系统、以及一种确定用户终端天线工作状态的方法和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种确定用户终端天线工作状态的方法，应用于MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，其特征在于，包括：

预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号；

计算用户终端n的信道容量

其中，N_t为所述主基站的天线数量，N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值；

计算用户终端n收集到的总能量

根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

足预设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量；

根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

2.一种确定用户终端天线工作状态的装置，应用于MIMO数能同传系统，所述MIMO数能同传系统包括主基站、用户终端和干扰基站，其特征在于，包括：

参数设置模块：用于预先设置任意用户终端n的任意天线i的工作状态参数β_i，其中β_i＝1表示接收数据信号，β_i＝0表示接收能量信号；

信道容量计算模块：用于计算任意用户终端n的信道容量

其中，N_t为所述主基站的天线数量，N_r为所述用户终端的天线数量，L为所述干扰基站的数量，H_l,n为任意所述干扰基站l和用户终端n之间的信道增益矩阵，P_i,n为用户终端n的任意天线i的发射功率，

为酉矩阵的逆矩阵，P_I为干扰功率，λ_i,n为H_l,nH_l,n ^H的特征值，H_l,n ^H为H_l,n的共轭转置矩阵；

总能量计算模块：用于计算用户终端n收集到的总能量

权重参数确定模块：用于根据所述信道容量C_n和所述总能量E_n，确定使

满足预设条件的权重系数α，其中，N为所述用户终端的数量；

工作状态确定模块：用于根据所述权重系数α，分别确定所述用户终端中用于接收数据信号的第一天线数量、以及用于接收能量信号和干扰信号的第二天线数量。

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