CN109286985B - 一种多载波信能同传系统的信号优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波信能同传系统的信号优化方法和系统，该方法包括步骤：A、赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比；B、基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数。该系统用于执行对应方法。本发明通过拉格朗日对偶原理优化发射端的信能信号以获取最大的信号传输速率，能够显著提高信能同传系统的频段利用率。

Description

一种多载波信能同传系统的信号优化方法和系统

技术领域

本发明涉及信能同传技术领域，尤其涉及一种多载波信能同传系统的信号优化方法和系统。

背景技术

无线信能同传(Simultaneous Wireless Information and Energy Transfer)，即通过无线方式实现信息和能量的同时传输，是集成无线通信技术和无线能量传输技术的新兴通信技术。随着科技的发展，整合能源技术和通信技术成为趋势，既能实现高速可靠的通信，又能有效缓解能源和频谱稀缺的压力，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的应用价值。无线信能同传突破传统的无线通信手段，将能量属性同时考虑，整合无线通信技术和无线能量传输技术，实现信息和能量的并行同时传输，具有广泛的应用价值和创新意义。基于信息与能量同时传输的特点，用于各类依靠有限容量电池提供电能的无线终端或器件，通过从信号中采集能量为其馈电，极大延长待机时间，减小设备体积和成本，并能够大幅减少电池的生产量，大大降低电池生产制造与回收过程中造成的环境污染。基于非接触式的远距离传输的特点，可取代电池或者线缆供电，极大的提升供电的便利性。基于稳定性和可持续性的特点，可替代传统能量采集器(Energy Harvester)以采集环境能量(如风能、太阳能、动能等)为主的方式。同时，无线信能同传在改善人民生活方面的应用也是广泛的，会产生极大的社会效益：在医疗领域，植入医疗装置如心脏起搏器、心血管机器人等均存在严重的电池能量短缺问题，无线信能同传技术的装配可避免对患者造成严重的二次痛苦。如今，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)广泛的在4G移动通信中被使用，因为它有着很高的频谱利用率同时能够对抗多径效应。通过把正交频分复用技术与同时无线信能同传技术结合在一起，无线信能同传技术的优点可以在有效的无线资源分配方案下得到充分利用。然而，正交频分复用技术由于使用了循环前缀(cyclicprefix)而使得频谱不能够被充分利用，通用滤波多载波(Universal Filtered Multi-carrier)作为一种新兴物理层调制技术，在由一系列子载波组成的子频带上滤波而不是如正交频分复用中那样在整个频带上滤波，并且没有使用循环前缀来很大程度上提高了频带利用率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种多载波信能同传系统的信号优化方法和系统。

本发明采用的技术方案一方面为一种多载波信能同传系统的信号优化方法，所述多载波信能同传系统的发射端输出的信能信号包括信息信号和能量信号，包括步骤：发射端根据最优目标和第一约束条件以确定子载波的功率分配系数、子频带分配系数、信能功分比，其中，

所述最优目标为在第一约束条件的限制下，信号传输速率最高；所述第一约束条件包括：接收端接收的最小采集能量信能信号的传播符合瑞利衰落信道；

确定子载波功率的分配、子频带的分配、信号功分比的步骤包括：

A、赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比；

B、基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数。

优选地，所述速率关系式：

其中，

ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

优选地，步骤B包括：

基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，最优的功率分配系数/>

本发明采用的技术方案一方面为一种多载波信能同传系统的信号优化系统，适用于上述方法，包括：处理模块，用于赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比；还用于基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数。

优选地，所述速率关系式：

其中，

ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

优选地，基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

其中，

λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，最优的功率分配系数/>

本发明的有益效果为通过拉格朗日对偶原理优化发射端的信能信号以获取最大的信号传输速率，能够显著提高信能同传系统的频段利用率。

附图说明

图1所示为基于本发明实施例的发射端框架图；

图2所示为基于本发明实施例的接收端框架图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行说明。

基于发明的实施例，一种多载波信能同传系统的信号优化方法，所述多载波信能同传系统的发射端输出的信能信号包括信息信号和能量信号，包括步骤：发射端根据最优目标和第一约束条件以确定子载波的功率分配系数、子频带分配系数、信能功分比，其中，

所述最优目标为在第一约束条件的限制下，信号传输速率最高；所述第一约束条件包括：接收端接收的最小采集能量信能信号的传播符合瑞利衰落信道；

确定子载波功率的分配、子频带的分配、信号功分比的步骤包括：

A、赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比；

B、基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数。

所述速率关系式：

其中，

ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

步骤B包括：

基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，最优的功率分配系数/>

基于本发明的实施例，一种多载波信能同传系统的信号优化系统，适用于上述方法，包括：处理模块，用于赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比；还用于基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数。

所述速率关系式：

其中，

ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

其中，

λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，最优的功率分配系数/>

信能同传系统包括发射端和接收端，其中，如图1所示发射端框架图，发射端生成基带信号，进行通用滤波多载波信号调制，把整个频带分成若干个子频带每一个子频带中含有固定数量的子载波。每一个子频带上的基带信号通过快速傅里叶反变换(N-IFFT)进行调制同时生成时域抽样信号(x_i(n))；接着抽样信号通过有限脉冲滤波器(FIR)来生成输出信号；最后，不同子频带上的输出信号加和生成最终的通用滤波多载波输出信号；

如图2所示的接收端框架图，发射信号经发射天线(BS，基站)发出，由接收天线(包括若干用户user 1～user M)接收下来；

信息与能量同时传输阶段，功分器(Power splitter)把接收到的信号(包括信息信号Information transfer和能量信号Energy transfer)以固定的功分比ρ_m分为两个信息流，一个信息流到能量采集，一个信息流到信息传输。

作为实施例的进一步改进，在发射端，采用的是通用多载波调制技术，所有的子载波被分为N_RB个子频带，每一个子频带含有N_SC个子载波，即/>快速傅里叶反变换的输出为：

其中RB_i(即所述w)表示第i个子频带被分为第m个用户(即接收端单元)，X_i表示第i个子频带被分为第m个用户的基带信号；然后，信号经过长度为L的有限脉冲滤波器，其输出为:

其中f_i(l)是对应于第i个子频带的有限脉冲滤波器系数，c_i表示第i个子频带的中心子载波下标。

假设每一个子频带分给一个用户，时间和频率都能达到完美的同步，最终的输出信号y(n)可以表示为：

在接收端：假设所有子载波上总的发射功率为P，分配到每一个子载波上的功率表示为假设为瑞利衰落信道(如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符号就会重叠在一起，造成符号间的干扰)，由用户m接收到的子载波n的信道增益表示为/>m＝1,…,M；假设信道相干带宽要远远小于信号带宽，则加在每一个子频带上的信道为平衰落；假设信道状态信息在发送端都是已知的，在接收端，每一个用户执行信息传输与能量采集；假设对于用户m,m＝1,…,M最小采集能量为/>子频带分配函数定义为Π(RB_i)∈{1,…,M}，也就是子频带RB_i被分配给用户Π(RB_i)，分配给每一个子载波的能量满足总能量限制：

用户m上的接收信号被功分比(即所述信能功分比)ρ_m分为两个部分，分给能量采集(即所述能力信号)的为ρ_m，分给信息传输(即所述信息信号)的为1-ρ_m，其中被分配给用户Π(RB_i)上的子频带RB_i可实现的信号传输速率为：

用户m上采集的能量为：

其中ξ表示能量采集转换效率。

本发明的目的是优化功率分配、子频带分配和功分比来达到最大的信息传输速率。因此，形成的问题的公式为P1:

为了解决上述问题，首先，在给定功率分配(即第一子载波功率分配系数)和子频带分配(第一子频带分配系数)条件下，得到了最优的功分比；接着，在最优功分比条件下，利用拉格朗日对偶方法优化了功率分配和子频带分配，其具体步骤如下：

在给定功率分配和子频带分配条件下，上述问题可以转化为一个凸问题，并且对于功分比来说是一个单调递增函数，函数最大值在功分比最大的时候可以得到，所以，求得的最优功分比为：

接下来，在最优的功分比下，优化功率分配和子频带分配。把最优功分比带入P1中，P1可以转化为P2：

其中，P2是一个非凸问题，但是子载波数的增加，它的对偶差距会逐渐减小到零；所以，可以使用拉格朗日对偶方法来解决该问题；P2的拉格朗日函数为：

其中的λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量。对偶函数为：

在给定λ_m和μ的条件下，公式(12)可以分解为并行的子问题(即子函数)：

把带入(P2)的拉格朗日问题中，公式(11)可以写成

对公式(13)求偏导，可以得到：

因此对于给定的子频带分配函数，最优的功率分配为：

对于给定的RB_i，最优的Π(RB_i)可以通过在用户集合{m＝1,…M}中繁琐的搜寻得到；在给定λ_m和μ的条件下得到g(λ_m,μ)之后，对偶问题就是在给定条件下最小化g(λ_m,μ)，这可以通过椭圆方法来解决。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (2)

1.一种多载波信能同传系统的信号优化方法，所述多载波信能同传系统的发射端输出的信能信号包括信息信号和能量信号，包括步骤：

发射端根据最优目标和第一约束条件以确定子载波的功率分配系数、子频带分配系数、信能功分比，其中，

所述最优目标为在第一约束条件的限制下，信号传输速率最高；

所述第一约束条件包括：接收端接收的最小采集能量E_m>0，信能信号的传播符合瑞利衰落信道；

确定子载波功率的分配、子频带的分配、信号功分比的步骤包括：

A、赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比，包括：

所述速率关系式：

其中，ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，/>为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

B、基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数，包括：

基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，Π(RB_i)定义为子载波分配函数，即第RB_i个子载波分配给第Π(RB_i)个用户，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

其中，λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，M表示M个用户，最优的功率分配系数/>

2.一种多载波信能同传系统的信号优化系统，适用于权利要求1所述方法，其特征在于，包括：

处理模块，用于赋予第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数，基于速率关系式和所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数计算最优信号功分比，包括：

所述速率关系式：

其中，ρ_m为接收端单元m的接收信号的信能功分比，p_n为子载波n的功率，h_n,m为接收端单元m接收到的子载波n的信号增益，ξ为能量采集转换效率，/>为子载波总数；

则在所述第一子载波功率分配系数、第一子频带分配系数的条件下得到最优信号功分比：

还用于基于最优信号功分比获取转换关系式，基于拉格朗日对偶原理处理所述转换关系式以优化功率分配系数、子频带分配系数，包括：

基于最优信号功分比获取转换关系式：

其中，N_RB为子频带总数，Π(RB_i)定义为子载波分配函数，即第RB_i个子载波分配给第Π(RB_i)个用户，基于拉格朗日对偶方法处理所述转换关系式以获取对应的拉格朗日函数：

其中，λ和μ分别对应于能量采集限制和功率传输限制的非负对偶变量，N_SC为每一个子频带含有的子载波数；

设置对偶函数根据对偶函数分解所述拉格朗日函数以获得子函数：

结合和所述拉格朗日函数并求其偏导以获取在给定的子频带分配系数限制下，最优的功率分配系数/>