CN110545128B - 一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法 - Google Patents

一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法，所述方法包括：接收机使用非相干检测方法接收信号，根据接收信号中的主链路信号分量，构建主链路的平均传输速率上界计算模型；根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，构建次链路的传输速率计算模型；最大化这两个速率的问题是一个二元非凸非线性的多目标向量优化问题，为得到该优化问题的帕累托最优解，使用交替优化方法并辅助以一维搜索来解决，得到最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，并获得两条链路的可达传输速率。本发明应用于实际的协作环境反向散射阵列通信系统，兼顾主次链路速率，具有收敛速度快、计算复杂度较低等优点。

Description

一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法。
背景技术
环境反向散射技术是近年来兴起的一项具有良好发展前景的无线通信技术，它有望实现不受电池约束的低成本通信，便捷节能，在无线射频识别(RFID)系统和物联网(IoT)应用中均受到广泛关注。在环境反向散射通信中，环境反向散射发射机通过能量采集的方式，从周围射频信号中获取能量，以驱动内部电路工作。同时，它对接收到的射频信号进行调制，实现以低速率向临近接收机传输信息的功能。周围射频信号的来源可以是蜂窝网络中的基站，通常被称为射频源。蜂窝通信的接收机和反向散射通信的接收机可以是相同的设备，此时被称为协作接收机。
环境反向散射技术与传统的放大转发中继技术不同，由于功率受限，它只能以反射信号的方式进行通信，不具备产生新信号的能力，所以，现有的理论结果大多不能直接应用于环境反向散射技术中，相关的通信理论仍待完善，例如，在当前蜂窝通信中引入环境反向散射对通信系统性能的影响，以及阵列通信中收发端信号处理方案的优化设计等。本发明针对引入环境反向散射技术的蜂窝阵列通信系统，基于频谱共享的概念，分别构建蜂窝通信链路的平均传输速率上界计算模型和环境反向散射通信链路的传输速率计算模型，进而建立协作传输速率优化问题。对于该二元非凸非线性优化问题，使用交替优化方法并辅助以一维搜索，得到最佳的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量。该方法通过少量简便的迭代计算，即可获得收发端信号处理方案，能够兼顾蜂窝通信链路和环境反向散射通信链路的速率性能。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是具有环境反向散射功能的蜂窝阵列通信系统中的收发端信号处理的问题，提供了一种低复杂度射频源发送波束成形和协作接收机接收合并方法，有效分配资源，统筹蜂窝通信和环境反向散射通信两条链路的速率性能。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法，具体包含如下步骤：
步骤1，设该通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机，其中，射频源和协作接收机分别装有M和N根天线，而环境反向散射发射机配有1根天线，M、N均是正整数。射频源进行发送波束成形，用w表示，w是M×1维向量。环境反向散射发射机利用从射频信号波形中采集的能量驱动内部电路，将待发送信号调制到射频信号上，并反向散射给协作接收机。环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K>1且K是整数。协作接收机对其接收到的信号进行接收合并处理，接收合并向量用v表示，v是N×1维向量。
步骤2，将从射频源到协作接收机的传输链路称为主链路，从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路称为次链路。H1表示射频源到协作接收机的信道，
Figure BDA0002177087100000021
表示射频源到环境反向散射发射机的信道，hBC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，其中，H1是N×M维矩阵，
Figure BDA0002177087100000022
是1×M维向量，hBC是N×1维向量，上标H表示矩阵的共轭转置。
步骤3，协作接收机接收信号时采用非相干检测方法，构建主链路的平均传输速率上界计算模型。
步骤4，根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，构建次链路的传输速率计算模型。
步骤5，利用上述速率计算模型，建立协作传输速率优化问题，它是一个两变量两目标的非凸非线性优化问题。
步骤6，使用一维搜索辅助的交替优化方法解决该协作传输速率优化问题，得到最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，并获得两条链路的可达传输速率。
进一步优选方案，在步骤3中，协作接收机收到来自主、次两条链路的信号，经过接收合并处理后可以表示为：
Figure BDA0002177087100000023
其中，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号，即主链路发送信号，k表示符号周期的序号，c表示反向散射信号，即次链路发送信号，α∈(0,1]表示环境反向散射发射机的反射系数，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量。利用非相干检测方法，主链路的平均传输速率的上界计算公式如下：
Figure BDA0002177087100000024
其中，P表示射频源发送功率，σ2表示噪声向量m(k)的方差。
进一步优选方案，在步骤4中，根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，次链路的传输速率计算公式如下：
Figure BDA0002177087100000031
进一步优选方案，在步骤5中，根据步骤3中得到主链路平均传输速率上界和步骤4中得到的次链路传输速率，建立协作传输速率优化问题，表示如下：
Figure BDA0002177087100000032
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
其中，maximize(*)[■]表示包含若干个目标函数的向量[■]的最大值，即同时使得向量中所有元素最大化，(*)表示待优化变量，subject to表示约束条件，‖·‖表示符号内向量的模2范数。
帕累托最优解是不存在其他的变量取值方式，使得一个或多个目标函数增大且余下所有目标函数不减小。根据帕累托最优解的定义，将上述协作传输速率优化问题进一步简化为：
Figure BDA0002177087100000033
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
进一步优选方案，在步骤6中，先使用一维搜索方法，选择加权和函数，将向量优化问题标量化，转为单目标优化问题，表示如下：
Figure BDA0002177087100000034
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
其中，z表示目标函数，λ∈[0，1]表示目标函数
Figure BDA0002177087100000035
的权重系数，相应地，目标函数
Figure BDA0002177087100000036
的权重系数用1-λ表示。
再使用交替优化方法解决上述单目标优化问题，初始化待优化变量w，v后，依次更新w，v，直至目标函数z收敛。
依次更新待优化变量w，v的具体方式如下：根据初始化后的v，计算方阵
Figure BDA0002177087100000037
更新w＝μmax，其中，μmax表示方阵A的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的w，计算方阵
Figure BDA0002177087100000038
更新v＝ηmax，其中，ηmax表示方阵B的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的v，再次计算方阵A并更新w；不断重复，直至目标函数z收敛。
目标函数z收敛时得到的w,v即为原问题的帕累托最优解，即最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，分别代入步骤3中主链路的平均传输速率上界计算公式和步骤4中的次链路传输速率计算公式，获得相应链路的可达传输速率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
1、本发明方法同时考虑蜂窝通信传输速率和环境反向散射通信传输速率，进行资源分配，所求的最佳资源分配方式满足以下条件：不存在其他更优的资源分配方式，能够在提升某条链路的速率性能时，不损失另一条链路的速率性能；
2、本发明方法收敛速度快，计算复杂度较低。
附图说明
图1是本发明提出的环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法的流程图；
图2是本发明提出的环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法的系统框图；
图3是环境反向散射发射机的不同反射系数情况下，通信系统收发端采用最佳信号处理方案时，主次链路传输速率的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施范例对本发明做进一步说明：
如图2所示，该环境反向散射阵列通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机，其中，射频源和协作接收机分别装有M和N根天线，而环境反向散射发射机配有1根天线，M、N均是正整数。射频源进行发送波束成形，用w表示，w是M×1维向量。环境反向散射发射机利用从射频信号波形中采集的能量驱动内部电路，将待发送信号调制到射频信号上，并反向散射给协作接收机。环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K>1且K是整数。协作接收机对其接收到的信号进行接收合并处理，接收合并向量用v表示，v是N×1维向量。
(1)将从射频源到协作接收机的传输链路称为主链路，从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路称为次链路。H1表示射频源到协作接收机的信道，
Figure BDA0002177087100000041
表示射频源到环境反向散射发射机的信道，hBC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，其中，H1是N×M维矩阵，
Figure BDA0002177087100000042
是1×M维向量，hBC是N×1维向量，上标H表示矩阵的共轭转置。
(2)协作接收机收到来自主、次两条链路的信号，经过接收合并处理后可以表示为：
Figure BDA0002177087100000051
其中，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号(即主链路发送信号)，k表示符号周期的序号，c表示反向散射信号(即次链路发送信号)，α∈(0,1]表示环境反向散射发射机的反射系数，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量。利用非相干检测方法，主链路的平均传输速率的上界计算公式如下：
Figure BDA0002177087100000052
其中，P表示射频源发送功率，σ2表示噪声向量n(k)的方差。
(3)根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，次链路的传输速率计算公式如下：
Figure BDA0002177087100000053
(4)根据步骤3中得到主链路平均传输速率上界和步骤4中得到的次链路传输速率，建立协作传输速率优化问题，表示如下：
Figure BDA0002177087100000054
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
其中，maximize(*)[■]表示包含若干个目标函数的向量[■]的最大值，即同时使得向量中所有元素最大化，(*)表示待优化变量，subject to表示约束条件，‖·‖表示符号内向量的模2范数。
帕累托最优解是不存在其他的变量取值方式，使得一个或多个目标函数增大且余下所有目标函数不减小。根据帕累托最优解的定义，将上述协作传输速率优化问题进一步简化为：
Figure BDA0002177087100000055
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1.
(5)先使用一维搜索方法，选择加权和函数，将向量优化问题标量化，转为单目标优化问题，表示如下：
Figure BDA0002177087100000061
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1.
其中，z表示目标函数，λ∈[0，1]表示目标函数
Figure BDA0002177087100000062
的权重系数，相应地，目标函数
Figure BDA0002177087100000063
的权重系数用1-λ表示。
再使用交替优化方法解决上述单目标优化问题，初始化待优化变量w，v后，依次更新w，v，直至目标函数z收敛。
依次更新待优化变量w，v的具体方式如下：根据初始化后的v，计算方阵
Figure BDA0002177087100000064
更新w＝μmax，其中，μmax表示方阵A的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的w，计算方阵
Figure BDA0002177087100000065
更新v＝ηmax，其中，ηmax表示方阵B的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的v，再次计算方阵A并更新w；不断重复，直至目标函数z收敛。
目标函数z收敛时得到的w,v即为原问题的帕累托最优解，即最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，分别代入步骤3中主链路的平均传输速率上界计算公式和步骤4中的次链路传输速率计算公式，获得相应链路的可达传输速率。
图3是当通信系统中的射频源和协作接收机均采用最佳信号处理方案时，主次链路传输速率变化的关系曲线图。不同的线型表示环境反向散射发射机的反射系数的变化。由图中可以看出，本发明提出的环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法能够直观有效地权衡蜂窝通信传输速率和反向散射通信传输速率，从而实现最佳的资源分配。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法，其特征在于，该方法具体包含如下步骤：
步骤1，设该通信系统中，包含1个射频源、1个环境反向散射发射机和1个协作接收机，其中，射频源和协作接收机分别装有M和N根天线，而环境反向散射发射机配有1根天线，M、N均是正整数，射频源进行发送波束成形，用w表示，w是N×1维向量；环境反向散射发射机利用从射频信号波形中采集的能量驱动内部电路，将待发送信号调制到射频信号上，并反向散射给协作接收机，环境反向散射发射机的发送符号周期是射频源的发送符号周期的K倍，K＞1且K是整数，协作接收机对其接收到的信号进行接收合并处理，接收合并向量用v表示，v是N×1维向量；
步骤2，将从射频源到协作接收机的传输链路称为主链路，从射频源经环境反向散射发射机到协作接收机的传输链路称为次链路，H1表示射频源到协作接收机的信道，
Figure FDA0003652104380000011
表示射频源到环境反向散射发射机的信道，hBC表示环境反向散射发射机到协作接收机的信道，其中，H1是N×M维矩阵，
Figure FDA0003652104380000012
是1×M维向量，hBC是N×1维向量，上标H表示矩阵的共轭转置；
步骤3，协作接收机接收信号时采用非相干检测方法，构建主链路的平均传输速率上界计算模型；
步骤4，根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，构建次链路的传输速率计算模型；
步骤5，利用上述速率计算模型，建立协作传输速率优化问题模型；
步骤6，使用一维搜索辅助的交替优化方法解决该协作传输速率优化问题模型，得到最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，并获计算两条链路的可达传输速率；
在步骤3中，协作接收机收到来自主、次两条链路的信号，经过接收合并处理后表示为：
Figure FDA0003652104380000013
其中，s(k)表示第k个符号周期内射频源的发送信号，即主链路发送信号，k表示符号周期的序号，c表示反向散射信号，即次链路发送信号，α∈(0,1]表示环境反向散射发射机的反射系数，n(k)表示零均值加性高斯噪声向量，利用非相干检测方法，主链路的平均传输速率的上界计算公式如下：
Figure FDA0003652104380000021
其中，P表示射频源发送功率，σ2表示噪声向量n(k)的方差；
在步骤4中，根据连续干扰消除检测方法和最大比合并方法，次链路的传输速率计算公式如下：
Figure FDA0003652104380000022
2.根据权利要求1所述的一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法，其特征在于，在步骤5中，利用上述速率计算模型，建立协作传输速率优化问题模型，表示如下：
Figure FDA0003652104380000023
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
其中，maximize(*)[■]表示包含若干个目标函数的向量[■]的最大值，即同时使得向量中所有元素最大化，(*)表示待优化变量，subject to表示约束条件，‖·‖表示符号内向量的模2范数；
帕累托最优解是不存在其他的变量取值方式，使得一个或多个目标函数增大且余下所有目标函数不减小，根据帕累托最优解的定义，将上述协作传输速率优化问题进一步简化为：
Figure FDA0003652104380000024
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1。
3.根据权利要求2所述的一种环境反向散射阵列通信系统中的协作传输优化方法，其特征在于，在步骤6中，先使用一维搜索方法，选择加权和函数，将向量优化问题标量化，转为单目标优化问题，表示如下：
Figure FDA0003652104380000025
subject to‖w‖2＝‖v‖2＝1
其中，z表示目标函数，λ∈[0，1]表示目标函数
Figure FDA0003652104380000026
的权重系数，目标函数
Figure FDA0003652104380000027
的权重系数用1-λ表示；
再使用交替优化方法解决上述单目标优化问题，初始化待优化变量w，v后，依次更新w，v，直至目标函数z收敛，具体方法如下：
依次更新待优化变量w，v的具体方式如下：根据初始化后的v，计算方阵
Figure FDA0003652104380000031
更新w＝μmax，其中，μmax表示方阵A的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的w，计算方阵
Figure FDA0003652104380000032
更新v＝ηmax，其中，ηmax表示方阵B的最大特征值对应的特征向量；根据更新后的v，再次计算方阵A并更新w；不断重复，直至目标函数z收敛；
目标函数z收敛时得到的w,v即为原问题的帕累托最优解，即最优的射频源发送波束成形向量和协作接收机接收合并向量，分别代入步骤3中主链路的平均传输速率上界计算公式和步骤4中的次链路传输速率计算公式，获得相应链路的可达传输速率。
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