CN109413731B - 一种无线供能的信息传输与接收方法 - Google Patents

一种无线供能的信息传输与接收方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种无线供能的信息传输和接收方法，在基站侧发送数据时，利用各个终端的待发送数据生成相应的调制符号；根据各个终端的能量收获效率、能量消耗参数，以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端进行发送功率分配；针对各个终端，对调制符号进行预编码后生成发射信号，并按照分配的功率进行信号传输。在终端接收数据时，终端将接收的信号分成两部分
Figure DDA0001870953020000011
和
Figure DDA0001870953020000012
利用
Figure DDA0001870953020000013
进行能量收获，利用
Figure DDA0001870953020000014
进行信息解码，得到基带信号，收获的能量可用于解码电路的供电。通过本申请，能够保证不同用户间接收到的信息量间的公平性。

Description

一种无线供能的信息传输与接收方法
技术领域
本申请涉及无线通信技术，特别涉及一种无线供能的信息传输与接收方法。
背景技术
无线能量传输技术应用日趋广泛，一方面是为了消除无线通信中最后一段有线连接，即充电线；另一方面针对某些特殊场景，如成百上千的传感节点、人体内的供电装置、墙体内的装置、有危害或不易到达场地内的供电装置等，需要进行无线供能。
目前实现无线能量传输主要有：基于线圈耦合的能量传输技术，可以在波长范围内以70％左右的效率进行能量传输；基于激光的无线传输技术，尚存在一些技术问题；基于射频的长距离无线能量传输技术等。由于基于射频的无线能量传输与无线通信技术相近且效用较高，更容易进行整合与复用通信设备等资源，因此成为未来无线能量传输的主流。
当基站给同一个用户传输信息与能量时，以目前的技术而言，接收到的功率或者用于信息解码，或者用于能量收获。因此，在基站传输信息与能量给终端用户时，终端用户可以采用频分、时分、功分等方案，将不同频率、时间、功率用于信息解码和能量收获。
用于无线信号传输的无线资源主要有频率资源、时间资源和空间资源等。在第三代移动通信系统以及之前的通信系统中，主要是利用频率和时间资源进行通信；而在第四代移动通信系统中，采用了基站端最多8根天线/用户端最多4根天线的MIMO技术，以充分利用空间资源获得复用和分集增益，来改善移动通信系统的传输速率和可靠性等。
为了进一步挖掘空域资源的潜力，提高无线通信系统的传输速率和可靠性，2010年贝尔实验室的T.Marzetta提出了大规模MIMO技术。大规模MIMO技术利用成百上千根天线同时服务几十个用户。大规模天线阵列可以形成极其窄的波束并对准目标用户，从而提高用户的接收信号功率，进而改善系统的谱效、可靠性和能效等。
目前无线能量传输主要考虑如何从基站到用户端进行高效的能量转换，缺少对实际系统能量需求的考虑，如终端需要多少能量用于电路消耗和信息解码等；当基站给终端用户传输能量用于信息解码电路消耗时，终端用户应该利用多少接收到的信号用于能量收获，以保证信息解码所需要的能量，是目前系统研究最为欠缺的地方；而当采用大规模MIMO来提高多个终端用户接收到的信号强度时，需要考虑给不同用户分配多少功率，才能保证不同用户间的公平性。因此，在基站采用大规模天线给多个用户同时传输信息与能量的场景下，一方面基站应该进行合理的功率分配保证用户信息传输的公平性，另一方面用户终端需要决策将多少信号功率用于能量收获才能保证信息解码所需。如何联合设计基站功率分配和终端用户功率分裂，才能在保证公平性下，最大化下行的传输速率，有待进一步设计和完善。
发明内容
本申请提供了一种无线供能的信息传输与接收方法，能够保证不同用户间接收到的信息量间的公平性。
为实现上述目的，本申请采用如下方案：
一种无线供能的信息传输方法，包括：
利用各个终端的待发送数据生成相应的调制符号；
根据各个终端的能量收获效率、能量消耗参数，以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端分配发送功率；
针对各个终端，对所述调制符号进行预编码后生成发射信号，并按照分配的功率进行信号传输；其中，各个终端的传输速率相同。
较佳地，对于任一终端k，为该终端分配的发送功率比例为
Figure BDA0001870950000000021
其中，
Figure BDA0001870950000000022
Figure BDA0001870950000000023
W0(·)为满足
Figure BDA0001870950000000024
的Lambert函数的第一个实分支；
所述发射信号为
Figure BDA0001870950000000025
其中，k为终端索引，K为终端总数，δk为大尺度衰落因子，B为系统总带宽，uk是与速率有关的所述能量消耗参数，vk是与速率无关的所述能量消耗参数，ξk为所述能量收获效率，sk为所述调制信号，
Figure BDA0001870950000000026
为第k个用户的基带信号噪声功率，p为发射功率常数，M为基站的发射天线总数。
一种无线供能的信息接收方法，包括：
终端接收基站发送的信号；
终端将接收的信号分成两部分
Figure BDA0001870950000000031
和
Figure BDA0001870950000000032
利用
Figure BDA0001870950000000033
进行能量收获，利用收获的能量和
Figure BDA0001870950000000034
进行信息解码，得到基带信号；
其中，
Figure BDA0001870950000000035
Figure BDA0001870950000000036
k为终端索引，K为终端总数，δk为大尺度衰落因子，B为系统总带宽，uk是与速率有关的所述能量消耗参数，vk是与速率无关的所述能量消耗参数，ξk为能量收获效率，sk为所述调制信号，
Figure BDA0001870950000000037
为第k个用户的基带信号噪声功率。
由上述技术方案可见，本申请中，在基站侧发送数据时，利用各个终端的待发送数据生成相应的调制符号；根据各个终端的能量收获效率、能量消耗参数，以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端进行发送功率分配；针对各个终端，对调制符号进行预编码后生成发射信号，并按照分配的功率进行信号传输。以上述方式进行信号传输，能够保证向不同用户发送的信息量间的公平性。在终端接收数据时，终端将接收的信号分成两部分
Figure BDA0001870950000000038
和
Figure BDA0001870950000000039
利用
Figure BDA00018709500000000310
进行能量收获，利用收获的能量和
Figure BDA00018709500000000311
进行信息解码，得到基带信号。通过βk的计算，合理分配供能和解码信号的信号比例。
附图说明
图1为本申请中无线供能的信息传输和接收方法的场景示意图；
图2为本申请中无线供能信号传输方法的基本流程示意图；
图3为基站侧的信号处理流程图；
图4本申请中无线供能信号接收方法的基本流程示意图；
图5为终端侧的信号处理流程图；
图6为应用本申请中方法后基站传输功率对用户传输速率的影响；
图7为应用本申请中方法后噪声功率对最小传输速率的影响。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请做进一步详细说明。
本社区内提出一种无线供能的信息传输与接收方法。考虑一个布置大规模MIMO的基站，基站利用有线进行供电并且接入互联网，基站给多个覆盖范围内的终端传输信息，终端没有有线接入电源或互联网。在发送端，基站在一定的总功率约束下，利用匹配滤波预编码，按照传输信息公平的功率分配比例给不同的终端进行信息与能量传输。在接收端，不同用户在接收到信号后，将接收到的信号分成两部分，一部分用于能量收获，利用收获的能量将剩余部分信号进行信息解码。
图1为本申请中无线供能的信息传输和接收方法的场景示意图。如图1所示，基站利用大规模MIMO，采用空分复用同时同频服务K个信息请求用户。基站端配有M根天线，每个终端用户配置单根接收天线。系统总带宽为B，总发射功率为p/M，p为发射功率常数，具体为一根天线时的发送功率。第k个用户与基站M根天线的信道衰落为
Figure BDA0001870950000000041
且所有用户信道之间是相互独立的。其中，实数δk是大尺度衰落因子，与网络中的天线增益、系统的载波频率以及用户与基站间的距离和阴影衰落有关；复向量
Figure BDA0001870950000000042
是小尺度衰落向量，其中每个元素都独立服从均值为0及方差为1的复高斯分布。下面基于图1所示的场景，分别对传输方法和接收方法进行详细描述。
图2为本申请中无线供能信号传输方法的基本流程示意图。图3为基站端的信号处理流程图。如图2和图3所示，该方法包括：
步骤201，利用各个终端的待发送数据生成相应的调制符号。
根据传输给不同终端用户的信息，生成调制符号sk(k＝1,2,…,K)，且调制符号功率满足E[|sk|2]＝1。其中，k为终端索引，K为终端总数。
步骤202，根据各个终端的能量收获效率、能量消耗参数，以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端进行发送功率分配。
本申请中为实现公平性，基站以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端进行发送功率分配。具体分配方式可以为：基站可以根据第k个用户能量收获效率ξk，终端能量消耗参数uk和vk，利用如下的公式计算第k个用户的发送功率分配比例：
Figure BDA0001870950000000043
其中，ξk的取值由终端的电路特性决定，可以预先配置在基站上，uk是与速率有关的能量消耗参数，vk是与速率无关的能量消耗参数，W0(·)为满足
Figure BDA0001870950000000051
的Lambert函数的第一个实分支，
Figure BDA0001870950000000052
为第k个用户的基带信号噪声功率，而其中，
Figure BDA0001870950000000053
Figure BDA0001870950000000054
Figure BDA0001870950000000055
步骤203，针对各个终端，对调制符号进行预编码后生成发射信号，并按照分配的功率进行信号传输。
根据基站与用户间的信道信息gk，生成第k个用户的预编码向量wk。具体预编码向量可以采用现有方式，可以为：
Figure BDA0001870950000000056
基站端按照前述计算生成的预编码向量和功率分配比例，生成发射信号为：
Figure BDA0001870950000000057
对存在待发送数据的各个用户终端通过上述方式生成发射信号，进行信号发射。这样的处理方式下，基站给每个终端用户传输的信息速率相同，从而能够保证用户间传输速率的公平性，能够保证所有用户终端中最小传输速率的最大化。其中用户终端传输的信息速率即为
Figure BDA0001870950000000058
图4为本申请中无线供能的信号接收方法的基本流程示意图。图5为终端侧的信号处理流程图。如图4和图5所示，该接收方法包括：
步骤401，终端接收基站发送的信号。
当发射端信号经过信道后，第k个终端用户接收到的射频信号为：
Figure BDA0001870950000000059
其中
Figure BDA00018709500000000510
是终端用户接收到的射频噪声信号，
Figure BDA00018709500000000511
为噪声方差。
步骤402，终端根据功率分裂系数，将接收的信号分成两部分
Figure BDA00018709500000000512
和
Figure BDA00018709500000000513
终端用户将接收到的射频信号分成两部分，分别用于能量收获与信息解码，两部分信号可以分别表示为：
Figure BDA0001870950000000061
和
Figure BDA0001870950000000062
其中，功率分裂系数的计算方式可以为
Figure BDA0001870950000000063
而
Figure BDA0001870950000000064
Figure BDA0001870950000000065
步骤403，终端用户将信号
Figure BDA00018709500000000612
通过能量收获电路收获能量存储于电池中，用于为电路供能。
其中，利用信号
Figure BDA0001870950000000066
收获的能量表达式可以写为：
qk＝ξkαkβkpδk。
这里存储在电池中的能量被用于步骤404的信息解码。
步骤404，利用
Figure BDA0001870950000000067
进行信息解码，得到基带信号。
射频信号
Figure BDA0001870950000000068
用于进行信息解码，具体信息解码的方式可以采用现有处理。具体地，经过模拟数字转换后的基带信号yk可以写为：
Figure BDA0001870950000000069
其中：
Figure BDA00018709500000000610
是终端用户基带噪声信号，
Figure BDA00018709500000000611
为噪声方差；
为描述清楚起见，步骤403和步骤404的处理分开进行描述。在实际处理中，二者不一定是前后顺序执行的。可以是步骤403中利用收获的能量qk供电终端整体电路能量消耗ukrk+vk，同时，步骤404解调基带信号yk得到基站发送给终端用户的信息。
至此，本申请中无线供能的信息接收方法流程结束。
接下来，针对上述本申请中无线供能的信息传输与接收方法，通过仿真给出其性能表现。
仿真中假设基站的天线个数M＝1000，每个小区内有K＝10个用户，系统的带宽为B＝100kHz。用户均匀分布在最小半径为1m，最大半径为15m的小区内，基站处于小区中心。大尺度衰落为
Figure BDA0001870950000000071
dk为第k用户与基站的距离，ζk为标准差为8dB的对数阴影衰落变量。能量转换效率ξk＝0.5(k＝1,2,…,K)，功率消耗系数uk＝0.8×10-9W/bit和vk＝1mW。终端功率消耗模型为Qk＝ukrk+vk。
首先，通过仿真得到基站传输功率的影响。具体地，在不同的噪声功率谱密度下，图6给出了基站传输功率对用户传输速率的影响。随着传输功率的增加，所有用户中最小传输速率增加，最后趋于一个常数。
其次，通过仿真得到噪声功率的影响。图7给出了噪声功率对最小传输速率的影响。从图中可以看出，随着噪声功率增加，最小传输速率逐渐下降。
如上即为本申请中的无线供能的信息传输和接收方法的具体实现。在本申请中，基站需要进行合理的功率分配，以保证不同终端用户的公平性，而不同终端则需要根据接收到的信号进行功率分裂，以保证收获的能量足以供能信息解码。为了使得系统整体性能最优，本专利给出了基站端功率分配与终端用户功率分裂的联合优化得到的方案。
具体其主要好处如下：
1，在一个小范围内，多个终端用户不需要进行有线连接，仅需要一个用有线连接到供电网络和互联网的基站，就可以使得多个智能终端获取信息；
2，采用大规模MIMO的基站可以同时同频服务多个终端用户，信息与能量传输效率较高，可以利用给不同用户间分配的功率比例，保证用户间的公平性；
3，终端用户不需要进行有线连接，仅需要根据接收信号进行功率分裂，进行能量收获和利用收获的能量进行信息解码。
总体来说，基站利用大规模MIMO同时同频服务多个没有有线连接的终端用户，通过基站功率分配和终端用户功率分裂的联合优化，提升了系统的公平性与传输速率的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种无线供能的信息传输方法，其特征在于，包括：
利用各个终端的待发送数据生成相应的调制符号；
根据各个终端的能量收获效率、能量消耗参数，以最大化所有终端的最小传输速率为准则，为各个终端分配发送功率；
针对各个终端，对所述调制符号进行预编码后生成发射信号，并按照分配的功率进行信号传输；其中，各个终端的传输速率相同；
其中，对于任一终端k，为该终端分配的发送功率比例为
Figure FDA0002550391660000011
其中，
Figure FDA0002550391660000012
Figure FDA0002550391660000013
W0(·)为满足
Figure FDA0002550391660000014
的Lambert函数的第一个实分支；
所述发射信号为
Figure FDA0002550391660000015
其中，k为终端索引，K为终端总数，δk为大尺度衰落因子，B为系统总带宽，uk是与速率有关的所述能量消耗参数，vk是与速率无关的所述能量消耗参数，ξk为所述能量收获效率，sk为所述调制信号，
Figure FDA0002550391660000016
为第k个用户的基带信号噪声功率，p为发射功率常数，M为基站的发射天线总数。
2.一种无线供能的信息接收方法，其特征在于，包括：
终端接收基站发送的信号；
终端将接收的信号分成两部分
Figure FDA0002550391660000017
和
Figure FDA0002550391660000018
利用
Figure FDA0002550391660000019
进行能量收获，利用收获的能量和
Figure FDA00025503916600000110
进行信息解码，得到基带信号；
其中，
Figure FDA00025503916600000111
Figure FDA00025503916600000112
k为终端索引，K为终端总数，δk为大尺度衰落因子，B为系统总带宽，uk是与速率有关的所述能量消耗参数，vk是与速率无关的所述能量消耗参数，ξk为能量收获效率，sk为调制信号，
Figure FDA00025503916600000113
为第k个用户的基带信号噪声功率。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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