CN111010697A - 一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线携能通信的天线系统的功率优化方法，应用于为单小区多用户系统服务的基站中，接收每个终端的上行传输导频信号及剩余电量信息；根据上行导频信号进行信道估计，以各终端数据传输过程中的用电量为约束条件，各终端可达速率最大化为目标，构建优化模型；简化优化模型并求解，生成各终端的最优功率分割比率；根据功率分割比率，为各终端进行功率分配；本申请通过根据接收到的终端的剩余电量信息以及上行导频信号建立最大可达速率的优化模型，并通过对该模型进行简化，降低了该模型的求解复杂度，进而降低了求解时间，使得在终端获得最大可达速率时，快速得到对终端的能量和信息传递的分配方案，提高基站的频谱利用效率。

Description

一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法

【技术领域】

本发明属于无线携能通信技术领域，尤其涉及一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法。

【背景技术】

大规模多输入多输出技术作为5G系统的关键技术之一，可以有效地提高小区容量和频谱利用率。然而，随着通信需求的不断增加，对能源的消耗和浪费与日俱增，所以更高效节能地进行无线通信成为了大家的共同目标。近些年来无线携能通信技术(SWIPT)受到了不少学者的高度关注，原因是它与绿色通信的理念相符合，在未来会有巨大的应用前景。

在无线携能通信技术中，一般均是根据随机既定规则或者指定的既定规则为用户提供能量及信息的传递。但是，在实际应用中，由于应用环境及场景的不同，在协调能量和信息传递的分配问题上需要考虑很多因素和条件，进而在进行分配问题计算时，会延长计算时间，导致系统频谱利用率低。

【发明内容】

本发明的目的是提供基于无线携能通信的天线系统的功率优化方法，以解决在进行能量和信息传递的分配问题时计算时间长的问题。

本发明采用以下技术方案：一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法，应用于为单小区多用户系统服务的基站中，

接收每个终端的上行传输导频信号及剩余电量信息；

根据所述上行导频信号进行信道估计，以各终端数据传输过程中的用电量为约束条件，各终端可达速率最大化为目标，构建优化模型；

简化所述优化模型并求解，生成各终端的最优功率分割比率；

根据所述功率分割比率，为各终端进行功率分配。

进一步地，所述优化模型中各终端的可达速率为：

R_k＝(1-τ)log₂(1+γ_k)，

其中，R_k为第k个终端的可达速率，τ为上行导频传输在单位时间内所占用的时间比率，γ_k为第k个终端与基站之间的信噪比。

进一步地，简化所述优化模型并求解具体包括：

根据所述优化模型生成优化问题为

其中，ρ_k为第k个终端的功率分割比率；

根据无线携能通信协议可得：

其中，N表示基站的天线数，P表示基站的总发射功率，θ_k为第k个终端的功率分配比，β_k为基站与第个k终端之间的大尺度衰落元素，σ²为加性高斯白噪声的方差，

表示接收端高斯噪声的方差，

表示由RF转移到基带所产生高斯噪声的方差；

重写γ_k为：

其中，

a_k＞b_k＞0，c_k＞0，d_k＞0，e_k＞0；

计算l(x)的一阶导数和二阶导数：

令l(x)′＝0得：

由于分母恒大于0，即有a_k2x²-2a_k1x+a_k3＝0；

当a_k2＝0时，

即

当a_k2≠0时，

即

本发明的有益效果是：本申请实施例通过根据接收到的终端的剩余电量信息以及上行导频信号建立最大可达速率的优化模型，并通过对该模型进行简化，降低了该模型的求解复杂度，进而降低了求解时间，使得在终端获得最大可达速率时，快速得到对终端的能量和信息传递的分配方案，提高基站的频谱利用效率。

【附图说明】

图1为本申请实施例的流程示意图；

图2为本申请实施例中终端的可达速率与功率分割比的关系图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本申请实施例提供了一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法，该方法应用于为单小区多用户系统服务的基站中，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S110、接收每个终端用户发送的剩余电量信息和上行传输导频信号。

下行传输过程中进行能量和信息数据的同时传输，信息和能量利用功率分割技术进行分流，以ρ_k∈(0，1)表征终端k的信息数据所占功率比例。如下表1所示，为一个单位时间内的信息和能量传输过程。在时间τ内终端用户向基站发送上行导频以及其本身的剩余电量信息，并在接下来的时间1-τ内基站进行能量和信息的传输，这里用信息和能量的发送利用功率分配技术进行分流。

表1

步骤S120、当基站接收到上行传输导频信号和各用户终端的剩余电量信息后，以个终端数据传输过程中的用电量为约束条件(即在用户终端和基站通信过程中必须保证用户终端具有足够的电量来进行与基站之间的信息传送)，以各终端可达速率最大化为目标，构建优化模型(即终端最大可达速率的优化模型)。

在无线携能通信的多用户多输入多输出系统中，假定基站天线数为N，单天线用户终端数为K，假设所有用户(即本实施例中的终端)都在同时向基站发送信号，则基站收到的信号向量可表示为：

其中，G表示第k个用户与基站之间的信道矩阵，

p_k表示第k个用户的发送功率，f_k表示第k个用户的发送信号，n表示期望为0和方差为σ²的加性高斯白噪声(AGWN)。

g_nk＝[G]_nk为基站第n根天线与第k个用户间的信道系数，它是由多个相互独立的快衰落、对数衰落等因子组成的，g_nk表示为：

其中，h_nk是基站第n根天线与第k个用户的快衰落元素，β_k是基站的第k根天线与终端之间的大尺度衰落元素，。

假设在小区中用户与基站天线间的大尺度衰落系数相对的固定不变，那么可以得到：

G＝HD^1/2，

其中，

是用户与基站间的快衰落矩阵，且有h_nk＝[H]_nk，，

是小区中用户与基站天线间的大尺度衰落矩阵，且有β_k＝[D]_从。

将一组相互正交的导频序列

随机分配给用户进行上行导频发送。在最小均方差(MMSE)信道之后，估计信道系数

可以写成：

其中，n_k～CN(0，σ²)表示独立同分布的高斯白噪声(AGWN)，

K_k表示第k个路径中莱斯因子，L表示时隙的时间间隔，

表示用户k发送的上行导频功率，z_k表示有效噪声。φ_k是第k个用户的指定导频序列。显然，

其中，

将

作为估计误差，其中的元素0期望，方差为

在下行链路中，设f_k表示由基站发射出来到第k个用户的信号，f_k满足

那么用户k可接收到信号：

其中，θ＝[θ₁，…θ_k，...θ_K]是基站的功率分配矢量，θ_kP表示基站对第k个用户的发射功率。n_k表示期望为0和方差为σ²的加性高斯白噪声(AGWN)。

在下行传输过程中，用户可以接收到信息和能量。这里主要采用功率分割技术来进行数据和能量的分流，功率分割比为ρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_k]，ρ_k∈(0，1)，所以信息解码与能量采集的比率为ρ_k/(1-ρ_k)。在这里忽略噪声的微弱影响，并假设用户的电储备能力足够大。所以，用户k的采集到的能量为：

其中，δ_k＝η_k(1-τ)(1-ρ_k)，η_k∈[0，1]代表转换效率。用户收集的能量用于上行链路导频传输和信号处理。由于数据处理的功耗相对较小，因此转换效率近似为1。

由于CSI在用户处不可用，为此，可以将用户k的信息解码器处的接收信号重写为：

其中，第一项表示所需信号，

z_k为有效噪声，其定义为：

用户k的最大可达速率，即终端最大可达速率的优化模型为：

R_k＝(1-τ)log₂(1+γ_k)；

γ_k给出：

其中，N表示基站的天线数，R_k为终端最大可达速率，τ为行导频传输在单位时间内所占用的时间比率，γ_k为第k个终端与基站之间的信噪比，η表示能量转换效率，K表示用户数，

表示接收端高斯噪声的方差，

表示由RF转移到基带所产生高斯噪声的方差。

步骤S130、简化所述优化模型并求解，得到功率分割比率。

简化优化模型并求解具体包括：

根据最大可达速率的优化模型生成优化问题为

根据无线携能通信协议可得：

其中，N表示基站的天线数，P表示基站的总发射功率，ρ_k为第k个终端的功率分割比率，θ_k为第k个终端的功率分配比，β_k为基站与第k个终端之间的大尺度衰落元素，σ²为加性高斯白噪声的方差，

表示接收端高斯噪声的方差，

表示由RF转移到基带所产生高斯噪声的方差。

优化问题预处理：

由于R_k是一个关于γ_k的增函数，故R_k的最大-最小问题就可以转化为

的最大-最小问题，原问题可以重新表述为：

对上式进行代换，令：

b_k＝Nσ²，c_k＝σ²，

a_k1＝a_k c_k+b_k d_k，a_k2＝a_k c_k+b_kd_k-a_ke_k，a_k3＝a_k c_k+b_k d_k-b_ke_k；

重写γ_k为：

其中，

a_k＞b_k＞0，c_k＞0，d_k＞0，e_k＞0；

值得注意的是，已经知道

和l(1)＝0。

很容易得到，而l(1)＝0则需要对x＝1处的l(x)求极限，过程如下：

凹凸性证明：

l(x)在其定义域内连续，存在一阶导数和二阶导数。

其中，c、d、e、a₄、a₅、…、a₁₀均为常数；

考察l(x)″的正负性，由于分母恒大于0，故仅考虑分子的正负性，由于已知当函数的二阶导数小于0时，函数为凸函数，由上式可知l(x)″并非恒小于0，故得l(x)的优化问题是一个非凸优化问题。

优化问题求解：

l(x)是区间

中的可微函数。因此，根据微分中值定理可知，在区间

中存在至少一个满足l(x)′＝0的点。

令l(x)′＝0得：

由于分母恒大于0，即有a_k2x²-2a_k1x+a_k3＝0；

当a_k2＝0时，

即ρ_k＝x^*；

当a_k2≠0时，二次方程的判别式是：

二次方程的判别式总是正的，因此二次方程有两个解，即

直接可得，当a_k2＞0时

以及当a_k2＜0时

显然ρ_k作为功率分割比率不符合实际情况，所以这个解不可取。因此，

是当a_k2≠0时的最优解。此时的

即p_k。

步骤S140、根据所述功率分割比率，生成个终端最大可达速率，根据所述最大可达速率进行终端的功率分配。

本实施例的方法，以下行链路用户可达速率最大化为目标进行优化，通过对目标函数适当的代换和变换对问题进行简化，同时结合中值定理和函数凹凸性进一步提出一种有针对性的求解方法，极大地简化了优化问题的求解过程。仿真结果显示，通过提出的方法可以准确求得确保可达速率达到最大时的功率分配因子，再由此功率分配因子反求出最大可达速率，该算法复杂度较低，可以有效地提高频谱效率。

在本申请实施例中，还进行了验证仿真，如图2所示，通过MATLAB对提出算法进行仿真，其中θ＝[0.2，0.3，0.5]，N＝3，P＝30dBm。最优解ρ_*在图中用点标注出来了，根据图2可知，不同的分割比与可达速率之间存在着最优解，通过本实施例提出的算法可以较为简便的找到最优解，即求出对应条件下的最大可达速率。

综合考虑复杂度因素，所提出的算法不仅实现了复杂度低，且频谱效率高。尤其在测试过程中本方法仿真过程仅需1.2s即可运算完成，而传统的算法需要几分钟甚至更长的时间才能得出结果，所以本实施例方法的低复杂度可见一斑。

Claims (3)

1.一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法，应用于为单小区多用户系统服务的基站中，其特征在于：

接收每个终端的上行传输导频信号及剩余电量信息；

根据所述上行导频信号进行信道估计，以各终端数据传输过程中的用电量为约束条件，各终端可达速率最大化为目标，构建优化模型；

简化所述优化模型并求解，生成各终端的最优功率分割比率；

根据所述功率分割比率，为各终端进行功率分配。

2.如权利要求1所述的一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法，其特征在于，所述优化模型中各终端的可达速率为：

R_k＝(1-τ)log₂(1+γ_k)，

其中，R_k为第k个终端的可达速率，τ为上行导频传输在单位时间内所占用的时间比率，γ_k为第k个终端与基站之间的信噪比。

3.如权利要求2所述的一种基于无线携能技术的多天线系统功率优化方法，其特征在于，简化所述优化模型并求解具体包括：

根据所述优化模型生成优化问题为

其中，ρ_k为第k个终端的功率分割比率；

根据无线携能通信协议可得：

其中，N表示基站的天线数，P表示基站的总发射功率，θ_k为第k个终端的功率分配比，β_k为基站与第个k终端之间的大尺度衰落元素，σ²为加性高斯白噪声的方差，

表示接收端高斯噪声的方差，

表示由RF转移到基带所产生高斯噪声的方差；

重写γ_k为：

其中，

a_k>b_k>0，v_k>0，d_k>0，e_k>0；

计算l(x)的一阶导数和二阶导数：

令l(x)′＝0得：

由于分母恒大于0，即有a_k2x²-2a_k1x+a_k3＝0；

当a_k2＝0时，

即

当a_k2≠0时，

即

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