CN113067787B - 一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法 - Google Patents

一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，包括：无线信息解码终端ID和能量采集终端EH通过测量导频信号得到第一理想信道信息和第二理想信道信息；基于码本反馈方式，ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息；获取第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输。本发明针对混合能量传输和无线通信的传输系统提出的最优预编码方法和新的信道信息反馈方式，可在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值的前提下，最大化信息解码终端的传输速率。

Description

一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法。
背景技术
在同时具备无线充电和无线通信传输的混合功能网络中，无线发射端AP(accesspoint)可采用传统的通信方式对终端进行无线信号传输，对应的接收终端称为无线信息解码终端ID(information decoder)。同时，该AP也可以发射无线电磁波对为网络中具备无线充电功能的能量采集终端EH(energy harvest)提供充电服务。
在AP的总传输功率和反馈带宽受限的前提下，如何进行预编码操作，使得AP在保证给EH充电的电能不低于EH用户需要的接收能量门限值QE，并同时最大化ID用户的传输速率，是该领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，通过提出一种最优预编码方法，保证能量采集终端的采集能量在大于门限值的前提下，最大化信息解码终端的传输速率，进而实现无线能量传输系统的效率最优。
为实现上述目的，本发明方法提供一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，具体方法步骤包括：
无线信息解码终端ID和能量采集终端EH通过测量导频信号得到第一理想信道信息和第二理想信道信息；
基于码本反馈方式，所述ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息；
获取所述第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输。
进一步地，所述“基于码本反馈方式，所述ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息”包括：
根据基站的最大反馈带宽约束，所述ID和EH利用第一反馈比特和第二反馈比特量化信道信息；
所述ID和EH分别预存线下生成的码本得到第一码本和第二码本；
所述ID和EH分别通过最小欧尔距离准则从所述第一码本和第二码本中选择相应的码字；
对所述第一理想信道信息和第二理想信道信息进行归一化处理，并计算得到所述第一实际信道信息和第二实际信道信息。
进一步地，所述“获取所述第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输”包括：
获取所述第一实际信道信息和第二实际信道信息；
将所述第一实际信道信息进行正交化分解得到水平分量和垂直分量；
根据正交化分解结果得到所述EH的实际最小接收能量门限值；
基于所述实际最小接收能量门限值计算得到最优预编码向量。
进一步地，根据下式计算所述第一实际信道信息和第二实际信道信息：
Figure GDA0003851616750000021
Figure GDA0003851616750000022
其中，
Figure GDA0003851616750000023
和
Figure GDA0003851616750000024
分别表示量化后的所述第一实际信道信息和第二实际信道信息，
Figure GDA0003851616750000025
和
Figure GDA0003851616750000026
分别表示对所述第一理想信道信息和第二理想信道信息归一化处理后的信道信息，
Figure GDA0003851616750000027
和
Figure GDA0003851616750000028
分别表示所述第一码本和所述第二码本，
Figure GDA0003851616750000029
和
Figure GDA00038516167500000210
分别表示所述第一码本和第二码本中的码字元素。
进一步地，根据下式对所述第一实际信道信息进行正交化分解：
Figure GDA00038516167500000211
其中，
Figure GDA00038516167500000212
为所述水平分量，
Figure GDA00038516167500000213
为所述垂直分量，a为向量
Figure GDA00038516167500000214
和
Figure GDA00038516167500000215
之间的相关系数，b为
Figure GDA00038516167500000216
和
Figure GDA00038516167500000217
之间的相关系数，且满足|a|2+|b|2＝1。
进一步地，根据下式计算所述垂直分量中的
Figure GDA00038516167500000218
分量：
Figure GDA0003851616750000031
进一步地，根据下式计算所述实际最小接收能量门限值：
Figure GDA0003851616750000032
其中，
Figure GDA0003851616750000033
为所述实际最小接收能量门限值，QE为原采集最小能量门限值，||gH||2为信道的幅度值，δ为EH终端信道的平均量化误差，NT为发射端配置发射天线数量，Ptot为发射端的最大发射功率约束。
进一步地，根据下式计算所述最优预编码向量：
Figure GDA0003851616750000034
其中，v*为所述最优预编码向量，α为第一参数，β为第二参数。
进一步地，根据下式计算所述第一参数和第二参数：
Figure GDA0003851616750000035
本发明公开了一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，首先，由无线信息解码终端ID和能量采集终端EH分别通过测量导频信号获得对应的第一理想信道信息和第二理想信道信息，而后，基于码本反馈方式，ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息。发射端AP根据获取的第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输。本发明针对混合能量传输和无线通信的传输系统提出的最优预编码方法和新的信道信息反馈方式，可在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值的前提下，最大化信息解码终端的传输速率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法流程图；
图2为本发明实施例提供的步骤S102方法流程图；
图3为本发明实施例提供的步骤S103方法流程图；
图4为本发明实施例提供的不同分配比特数情况下，EH终端采用能量和ID终端传输速率的边界图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，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方案，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例针对无线充电传输系统，包括但不限于4G-LTE(Long timeevolve)，5G NR(new radio),无线局域网(WLAN)等无线通信系统。系统中发射端(accesspoint，AP),可采用传统的通信方式对终端进行无线信号传输，对应的接收终端称为无线信息解码(ID,information decoder)终端。同时，AP也可以发射无线电磁波对终端进行无线充电，网络中具备无线充电功能的终端称为能量采集(EH,energy harvest)终端。本发明实施例主要针对同时具备无线充电和无线通信传输的混合功能网络中，无线AP为EH用户提供无线充电服务，同时为ID用户提供传统无线通信服务的情形。在AP的总传输功率和反馈带宽受限的前提下，通过提供一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，使得AP在给EH充电的电能不低于EH用户所需接收能量门限值的同时，最大化ID用户的传输速率，使系统传输效率达到最优。
假设系统中存在一个无线接入结点(AP,access point),该AP同时为一个能量采集(EH,energy harvest)终端和传统的无线信息解码(ID,information decoder)终端服务。其中AP配置NT根发射天线，终端配置单根接收天线。为最大化ID终端的传输速率，并且保证EH用户采集到的最小所需的能量QE,则相应的优化模型如下:
Figure GDA0003851616750000051
s.t.|gHv|2≥QE
||v||2≤Ptot (1)
其中，h和g分别为ID终端和EH终端的接收信道，即第一理想信道信息和第二理想信道信息，维度为1×NT，QE为原采集最小能量门限值，Ptot为AP最大发射功率约束，v为预编码向量。
由于在实际通信系统中，尤其是频分双工(FDD)系统中，AP很难获取理想的信道信息。故本发明实施例提供了一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，以发射端AP侧作为主体进行阐述，参照图1，方法步骤包括：
步骤S101，无线信息解码终端ID和能量采集终端EH通过测量导频信号得到第一理想信道信息h和第二理想信道信息g；
步骤S102，基于码本反馈方式，ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息
Figure GDA0003851616750000052
和第二实际信道信息
Figure GDA0003851616750000053
步骤S103，发射端AP获取第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输。
具体地，本发明实施例提供的预编码方法首先由ID和EH终端分别通过测量导频信号获得对应的第一理想信道信息h和第二理想信道信息g，而后，ID和EH终端分别通过BI和BE比特将量化后的信道信息
Figure GDA0003851616750000054
和
Figure GDA0003851616750000055
上报给AP，AP根据获得的量化的信道信息进行信道分解
Figure GDA0003851616750000056
并根据预编码的公式将无线信号进行预编码后进行传输。
参照图2，步骤S102包括：
步骤S201，根据基站的最大反馈带宽约束，ID和EH利用第一反馈比特和第二反馈比特量化信道信息；
步骤S202，ID和EH分别预存线下生成的码本得到第一码本和第二码本；
步骤S203，ID和EH分别通过最小欧尔距离准则从第一码本和第二码本中选择相应的码字；
步骤S204，对第一理想信道信息和第二理想信道信息进行归一化处理，并计算得到第一实际信道信息和第二实际信道信息。
具体地，由于AP很难获取理想的信道信息，因此在实际无线通信系统中，码本反馈的方式是一种常见的信道信息的传输方式，即采用有限数量的反馈比特来上报信道信息。在本发明实施例中，令基站可处理的最大反馈带宽约束为Btot,其中EH用户和ID用户分别采用BE和BI来量化信道信息，满足BE+BI＝Btot。AP和终端都分别预存线下生成的码本，即第一码本
Figure GDA0003851616750000061
和第二码本
Figure GDA0003851616750000062
其中2个码本各自包括
Figure GDA0003851616750000063
和
Figure GDA0003851616750000064
个码字矢量。
EH和ID终端分别通过信道估计获得实际信道信息，并且通过最小欧尔距离准则从码本中选择合适的码字，根据下式计算第一实际信道信息和第二实际信道信息：
Figure GDA0003851616750000065
Figure GDA0003851616750000066
其中，
Figure GDA0003851616750000067
和
Figure GDA0003851616750000068
分别表示量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息，
Figure GDA0003851616750000069
和
Figure GDA00038516167500000610
分别表示对第一理想信道信息和第二理想信道信息归一化处理后的信道信息，
Figure GDA00038516167500000611
和
Figure GDA00038516167500000612
分别表示第一码本和所述第二码本，
Figure GDA00038516167500000613
和
Figure GDA00038516167500000614
分别表示第一码本和第二码本中的元素。
终端分别通过
Figure GDA00038516167500000625
和
Figure GDA00038516167500000626
个二进制比特序列告知AP量化后的信道信息，AP根据量化的信道信息进行预编码和无线传输。应用上述方法，则模型(1)的问题可重写为：
Figure GDA00038516167500000615
Figure GDA00038516167500000616
||v||2≤Ptot (3)
参照图3，步骤S103包括包括：
步骤S301，获取第一实际信道信息和第二实际信道信息；
步骤S302，将第一实际信道信息进行正交化分解得到水平分量和垂直分量；
步骤S303，根据正交化分解结果得到EH的实际最小接收能量门限值；
步骤S304，基于实际最小接收能量门限值计算得到最优预编码向量。
具体地，将信道向量
Figure GDA00038516167500000617
进行正交化分解可得
Figure GDA00038516167500000618
其中
Figure GDA00038516167500000619
表示向量
Figure GDA00038516167500000620
和
Figure GDA00038516167500000621
之间的相关系数，并且满足|a|2+|b|2＝1，
Figure GDA00038516167500000622
代表矢量
Figure GDA00038516167500000623
在矢量
Figure GDA00038516167500000624
的零空间的投影矢量，可通过下式进行计算：
Figure GDA0003851616750000071
基于上述正交化结果，可得
Figure GDA0003851616750000072
和原采集最小能量门限值QE之间的关系为：
Figure GDA0003851616750000073
一般得，可简化为下式来计算实际最小接收能量门限值计算。
Figure GDA0003851616750000074
其中，
Figure GDA0003851616750000075
为实际最小接收能量门限值，QE为原采集最小能量门限值，||gH||2为信道的幅度值(可通过channel quality information(CQI)信息得方式利用上行信道反馈给AP)，δ为EH终端信道的平均量化误差，NT为发射端配置发射天线数量，Ptot为发射端的最大发射功率约束。其中，δ可通过下式计算：
Figure GDA0003851616750000076
进而可计算得到最优预编码向量：
Figure GDA0003851616750000077
其中，v*为最优发射功率，即最优预编码向量，α为第一参数，β为第二参数。第一参数α和第二参数β的值可通过下式计算：
Figure GDA0003851616750000078
其中，上式中的第一子式表示最大比(MRT)传输，此时能量传输门限的限制不起作用，即AP可将波束对准ID用户进行无线信号传输，也可以满足EH用户接收能量的要求。当AP获得量化得信道信息
Figure GDA0003851616750000079
和
Figure GDA00038516167500000710
后，可根据正交化分解获得a和b的值，并进一步根据公式(6)得到
Figure GDA00038516167500000711
继而根据公式(9)得到α和β的值，根据公式(8)得到最优预编码矩阵，最终AP将无线信号进行预编码后发射。
图4为不同分配比特数情况下EH终端采用能量和ID终端传输速率的边界图。由图可看出，在总反馈比特固定的前提下，增加BE并且降低BI可使曲线更接近能量边界，并且远离速率边界，反之亦然。因此AP和终端可通过在BE和BI之间分配合适的比特数以达到所需的性能。
本发明公开了一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，首先，由无线信息解码终端ID和能量采集终端EH分别通过测量导频信号获得对应的第一理想信道信息和第二理想信道信息，而后，基于码本反馈方式，ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息。发射端AP根据获取的第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输。本发明主要包括如下两项创新点：
(1)针对混合能量传输和无线通信的传输系统，本发明提出一种最优预编码方案，可在保证能量采集终端的采集能量的大于门限值的前提下，最大化信息解码终端的传输速率。
(2)针对频分双工复用(FDD)系统，本发明提出一种新的信道信息反馈方案，不仅ID终端通过BI比特反馈量化的信道信息给AP，同时EH终端也反馈BE比特量化信道信息给AP，进而满足AP总的反馈带宽约束：BE+BI＝Btot。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于有限反馈的无线能量传输系统预编码方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S101，无线信息解码终端ID和能量采集终端EH通过测量导频信号得到第一理想信道信息h和第二理想信道信息g；
步骤S102，基于码本反馈方式，ID和EH通过信道估计得到量化后的第一实际信道信息
Figure FDA0003978432880000011
和第二实际信道信息
Figure FDA0003978432880000012
步骤S103，发射端AP获取第一实际信道信息和第二实际信道信息，对量化后的信道信息进行正交分解，并将无线信号通过预编码后进行传输；
步骤S102包括：
步骤S201，根据基站的最大反馈带宽约束，ID和EH利用第一反馈比特BI和第二反馈比特BE量化信道信息；
步骤S202，ID和EH分别预存线下生成的码本得到第一码本和第二码本；
步骤S203，ID和EH分别通过最小欧尔距离准则从第一码本和第二码本中选择相应的码字；
步骤S204，对第一理想信道信息和第二理想信道信息进行归一化处理，并计算得到第一实际信道信息和第二实际信道信息；
令基站可处理的最大反馈带宽约束为Btot,其中EH和ID分别采用BE和BI来量化信道信息，满足BE+BI＝Btot；AP和ID、EH都分别预存线下生成的码本，即第一码本
Figure FDA0003978432880000013
和第二码本
Figure FDA0003978432880000014
其中2个码本各自包括
Figure FDA0003978432880000015
和
Figure FDA0003978432880000016
个码字矢量；
EH和ID分别通过信道估计获得实际信道信息，并且通过最小欧尔距离准则从码本中选择合适的码字，根据下式计算第一实际信道信息和第二实际信道信息：
Figure FDA0003978432880000017
Figure FDA0003978432880000018
其中，
Figure FDA0003978432880000019
和
Figure FDA00039784328800000110
分别表示量化后的第一实际信道信息和第二实际信道信息，
Figure FDA00039784328800000111
和
Figure FDA00039784328800000112
分别表示对第一理想信道信息和第二理想信道信息归一化处理后的信道信息，
Figure FDA00039784328800000113
和
Figure FDA00039784328800000114
分别表示第一码本和所述第二码本，
Figure FDA00039784328800000115
和
Figure FDA00039784328800000116
分别表示第一码本和第二码本中的元素；
ID和EH分别通过
Figure FDA0003978432880000021
和
Figure FDA0003978432880000022
个二进制比特序列告知AP量化后的信道信息，AP根据量化的信道信息进行预编码和无线传输；为最大化ID的传输速率，并且保证EH采集到的最小所需的能量QE,优化模型如下:
Figure FDA0003978432880000023
Figure FDA0003978432880000024
||v||2≤Ptot (3)
步骤S103包括：
步骤S301，获取第一实际信道信息和第二实际信道信息；
步骤S302，将第一实际信道信息进行正交化分解得到水平分量和垂直分量；
步骤S303，根据正交化分解结果得到EH的实际最小接收能量门限值；
步骤S304，基于实际最小接收能量门限值计算得到最优预编码向量；
将信道向量
Figure FDA0003978432880000025
进行正交化分解可得
Figure FDA0003978432880000026
其中
Figure FDA0003978432880000027
表示向量
Figure FDA0003978432880000028
和
Figure FDA0003978432880000029
之间的相关系数，并且满足|a|2+|b|2＝1，
Figure FDA00039784328800000210
代表矢量
Figure FDA00039784328800000211
在矢量
Figure FDA00039784328800000212
的零空间的投影矢量，可通过下式进行计算：
Figure FDA00039784328800000213
由此可得
Figure FDA00039784328800000214
和原采集最小能量门限值QE之间的关系为：
Figure FDA00039784328800000215
其中，
Figure FDA00039784328800000216
为实际最小接收能量门限值，QE为原采集最小能量门限值，||gH||2为信道的幅度值，可通过channel quality information(CQI)信息方式利用上行信道反馈给AP，δ为EH信道的平均量化误差，NT为发射端配置发射天线数量，Ptot为发射端的最大发射功率约束；其中，δ可通过下式计算：
Figure FDA00039784328800000217
进而可计算得到最优预编码向量：
Figure FDA0003978432880000031
其中，v*为最优发射功率，即最优预编码向量，α为第一参数，β为第二参数；第一参数α和第二参数β的值可通过下式计算：
Figure FDA0003978432880000032
当AP获得量化的信道信息
Figure FDA0003978432880000033
和
Figure FDA0003978432880000034
后，可根据正交化分解获得a和b的值，并进一步根据公式(6)得到
Figure FDA0003978432880000035
继而根据公式(9)得到α和β的值，根据公式(8)得到最优预编码矩阵，最终AP将无线信号进行预编码后发射。
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