CN113395732A - 一种优化能量传输与通信的方法、系统和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化能量传输与通信的方法、系统和电子设备，该方法包括：区群中的任一基站根据其对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号并分别发送至能量站和该区群中的网络枢纽控制器；进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再得到大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号并发送至网络枢纽控制器；网络枢纽控制器根据第二反馈信号，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至每个基站；每个能量站根据干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向并发送；每个基站根据信道状态，将目标信息发送至目标用户。本发明优化了能量传输与通信。

Description

一种优化能量传输与通信的方法、系统和电子设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种优化能量传输与通信的方法、系统和电子设备。

背景技术

无线供电通信网络(Wireless Powered CommunicationNetwork，WPCN)技术被广泛所知，其中基站(BS)与该基站范围内的多个用户终端(UE，也称为用户)通信。由一个基站覆盖的区域被称为小区，并且，典型地在合适的位置提供许多基站，以便与相邻小区程度不同地无缝覆盖广泛的地理区域。

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术已成为第四代(4thGeneration，4G)移动通信系统中的关键技术，其基本原理是在无线通信的发送端和接收端，同时采用多个发送天线或接收天线，发送机利用多个天线进行独立传输，而接收机则利用多个天线来恢复原始信息。MIMO技术源于智能天线和分集技术，是单入多出(SIMO)和多入单出(MISO)技术的结合，其能够充分利用空间资源以及多径传播特性，在不增加频谱资源和发射功率的前提下，通过先进的无线传输和信号处理技术，建立并行传输机制，从而成倍地提升信道容量。

通过无线信道传播的信号会沿着大量不同的路径到达目的地，这些不同路径称为多径。信号在无线信道传播过程中的强度改变称为衰落，信号的衰落取决于传输信号的性质以及多径信道的统计特性，包含路径损耗、大尺度衰落、小尺度衰落。

目前，基于随机矩阵论的渐进理论，有研究发现，当采用TDD时分复用协议的大规模天线系统(Large Scale Antennas System，LSAS)的基站天线数目增加时，信道传输中的噪声和干扰会随之递减，当天线数目趋于无穷大时，通信性能可以达到理想化，完全消除噪声和干扰。TDD是指系统在前向链路和反向链路两个方向上使用同一频率但使用不同时间段交替发送信号的双工方式。并且，人们采用多小区协作方法，提出了大规模衰落系统预编码以减轻导频污染，运用迫零技术生成迫零预编码(ZF_LSFP)，并证明：当基站天线数目趋于无穷大时，大规模天线系统使用ZF_LSFP可以实现SINR趋于无穷大，完全消除了污染、噪声、干扰。

但是，在实际的LSAS蜂窝网络中，当建筑环境错综复杂，信道环境较差时，使用迫零预编码(ZF_LSFP)不满足实际需求，因为基站的天线数目需要设置较大，达到上百数量，才能达到较好的干扰、污染消除效果，极大增加了设施建设和维护成本。

发明内容

针对现有技术中在实际的LSAS蜂窝网络中，当建筑环境错综复杂，信道环境较差时，使用迫零预编码(ZF_LSFP)时不满足实际需求，设施建设和维护成本高的缺点，本发明提供一种优化能量传输与通信的方法、系统和电子设备。

本发明所提供的一种优化能量传输与通信的方法的技术手段如下：

任一区群中的任一基站根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

该基站根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

该区群中的网络枢纽控制器根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；每个基站根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

本发明的一种优化能量传输与通信的方法的有益效果如下：

针对现有技术中，当采用大规模天线系统时，天线数量极易达到成百上千，导致基站成本增加、人工运营与管理的成本增加、超大数目的天线也造成实际应用的困难，当需要提升通信质量时，需要继续增加天线，导致天线阵列的设计复杂度过高等缺点，本方案在基站配置有限根天线的条件下，提出合理的能量传输方案与信息传输方案，使得能量站发送的能量信号能够被基站有效捕获；将干扰抑制预编码矩阵运用到无线供电通信网络中，利用基站产生的反馈信号，通过调整待发送能量信号的发送幅度与方向，提高了能量站的能量信号的传输效率；提高了基站抗干扰性能的同时消除了导频污染和噪声的干扰。

在上述方案的基础上，本发明的一种优化能量传输与通信的方法还可以做如下改进。

进一步，该区群中的该基站获取大规模衰落矩阵的过程，包括：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

进一步，该区群中的网络枢纽控制器得到干扰抑制预编码矩阵的过程，包括：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

进一步，该区群中的该基站捕获能量的过程，包括：

利用第四公式计算该区群中的该基站所捕获的能量E_BS；

其中，第四公式为：

且

H_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的信道；t为该区群中的该基站对应的能量站开始发送能量信号至结束发送能量信号的时隙长且t<T；T为预设的工作时隙长；Δ为莱斯因子；H_ω为小规模衰落信道矩阵且满足

所述小规模衰落信道矩阵中的每个元素均为独立同分布的循环对称复高斯随机变量且分布均为CN(0，1)；H₀为满秩的均值矩阵且满足

M_p为该基站对应的能量站配备的发送天线数量，M为该基站配备的天线数量；η为该基站捕获的能量信号与该基站对应的能量站所发送的能量信号的比值；Y_BS为该基站接收的能量信号；S为该基站对应的能量站发送的能量信号；N_s为该基站与其对应的能量站之间的信道噪声；

为路径损耗归一化因子；ρ_p为该区群中的该基站对应的能量站的发送功率；d_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的距离；χ为大尺度路径损耗指数。

采用上述进一步方案的有益效果是：进一步明确了基站获取大规模衰落矩阵的过程、网络枢纽控制器得到干扰抑制预编码矩阵的过程、基站捕获能量的过程，更好地优化了能量传输与通信。

进一步，还包括：

任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率，并发送至该区群中的网络枢纽控制器；

该区群中的网络枢纽控制器接收每个基站所分别上传的信干噪比和传输速率后，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的传输速率，并将整合后的信干噪比和传输速率发送至每个能量站；

所述每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号，包括：每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵、整合后的信干噪比和传输速率，利用波束赋形计算最佳传输天线，利用所述最佳传输天线调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的所述发送幅度与方向发送待发送能量信号。

进一步，任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率的过程，包括：

选择该区群中的第l个小区，利用第五公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的信干噪比

利用第六公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的传输速率

其中，第五公式为：

第六公式为：

且

ρ_f为该区群中所有基站的总发送功率且

ρ_BS为该区群中任一基站发送信号的总功率且ρ_BS＝E_BS/θ＝E_BS/(1-t)T、θ＝(1-t)T。

采用上述进一步方案的有益效果是：每个能量站在接收到干扰抑制预编码矩阵的基础上，还能够获得多个目标用户与基站分别对应的下行信道的信干噪比和信道传输速率，并利用波束赋形得到了每个能量站中的最佳传输天线，通过最佳传输天线调整待发送能量信号的发送幅度与方向，使得能量站发送的能量信号能够被基站有效捕获。

本发明的一种优化能量传输与通信的系统的技术方案如下：

包括：具有多个小区的区群，该区群对应设置有一个网络枢纽控制器；每个小区包括多个目标用户，每个小区对应设置一个基站；每个基站对应设置一个能量站；

所述基站用于，根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

所述基站还用于，根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

所述网络枢纽控制器用于，根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

所述能量站用于，根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；

所述基站还用于，根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

本发明的一种优化能量传输与通信的系统的有益效果如下：

针对现有技术中，当采用大规模天线系统时，天线数量极易达到成百上千，导致基站成本增加、人工运营与管理的成本增加、超大数目的天线也造成实际应用的困难，当需要提升通信质量时，需要继续增加天线，导致天线阵列的设计复杂度过高等缺点，本方案在基站配置有限根天线的条件下，提出合理的能量传输方案与信息传输方案，使得能量站发送的能量信号能够被基站有效捕获；将干扰抑制预编码矩阵运用到无线供电通信网络中，利用基站产生的反馈信号，通过调整待发送能量信号的发送幅度与方向，提高了能量站的能量信号的传输效率；提高了基站抗干扰性能的同时消除了导频污染和噪声的干扰。

在上述技术方案的基础上，本发明的一种优化能量传输与通信的系统还可以作出如下改进。

进一步，所述基站具体用于：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

进一步，所述网络枢纽控制器具体用于：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

采用上述进一步方案的有益效果是：进一步明确了基站的作用、网络枢纽控制器的作用，更好地优化了能量传输与通信。

本发明的一种电子设备的技术方案如下：

包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的一种优化能量传输与通信的方法的步骤。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例的一种优化能量传输与通信的方法的步骤示意图；

图2为本发明实施例的一种优化能量传输与通信的方法中的直射路径示意图；

图3为本发明实施例的一种优化能量传输与通信的系统的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种优化能量传输与通信的方法，包括如下步骤：

S1、任一区群中的任一基站根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

S2、该基站根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

S3、该区群中的网络枢纽控制器根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

S4、每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；每个基站根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

其中，本方案基于无线供电通信网络，且无线供电通信网络的构建包括：能量站(PB)、基站(BS)和用户(UE)，每个BS配备对应的PB，该PB通过无线能量传输信道(指PB与BS之间的信道)将能量传输给该BS，然后，该BS从该PB发送的信号中获取能量，接着通过无线通信传输信道(指BS与UE之间的信道)向UE发送信息。具体地，本方案中的基站还包括物联网场景下的中继联网设备，是为了相应场景下的某些具体限制如成本，采用的工作功能等同于基站的设备。且PB借助电磁波或电磁场进行能量传递。相应地，PB与其对应的BS成了一个无限能量传输网络。

本方案还基于蜂窝移动通信网络系统中3GPP标准下的城市宏观模型，即基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)的蜂窝通信网络。具体地，利用OFDM蜂窝通信网络进行通信的区群被称为OFDM通信网络区群(本方案中简称为区群)，包括若干联网设备，如常用联网设备：电脑、手机、路由器和交换机等，目标场景包括但不限于工业应用、生活应用、检测应用等物联网系统，且每个区群内的正六边形小区(本方案中简称为小区)使用不同的OFDM正交子信道，任一个区群分配所有的正交子载波信道，则其他区群重复使用子载波信道。相应地，每个小区构成了一个多用户MIMO系统。

其中，该基站根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计中，该信道指的是上行信道，即用户到基站的信道，也称为反向链路信道，每个上行用户独立地对发送信号进行功率约束。此外，由于发送信号来自不同的用户，信号的同步需要用户间协同完成。

具体地，每个区群包括多个小区，每个区群对应设置一个网络枢纽控制器；每个小区包括多个用户，每个小区对应设置一个基站，该基站可为该小区的所有用户提供服务，每个能量站可负责1～3个基站的能量供应。

较优地，该区群中的该基站获取大规模衰落矩阵的过程，包括：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

其中，本方案还基于LSFP，具体地，属于同一个区群中的任一基站能够获得其余基站与该区群内对应的目标用户之间的大规模衰落因子；该区群中的任一基站能够将大规模衰落矩阵发送至该区群内的目标用户；该区群内的所有基站均与该区群对应设置的网络枢纽控制器连接，该网络枢纽控制器能够获得该区群的所有大规模衰落因子。

较优地，该区群中的网络枢纽控制器得到干扰抑制预编码矩阵的过程，包括：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

一般地，τ＝5。

较优地，该区群中的该基站捕获能量的过程，包括：

利用第四公式计算该区群中的该基站所捕获的能量E_BS；

其中，第四公式为：

且

H_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的信道；t为该区群中的该基站对应的能量站开始发送能量信号至结束发送能量信号的时隙长且t<T；T为预设的工作时隙长；Δ为莱斯因子；H_ω为小规模衰落信道矩阵且满足

所述小规模衰落信道矩阵中的每个元素均为独立同分布的循环对称复高斯随机变量且分布均为CN(0，1)；H₀为满秩的均值矩阵且满足

M_p为该基站对应的能量站配备的发送天线数量，M为该基站配备的天线数量；η为该基站捕获的能量信号与该基站对应的能量站所发送的能量信号的比值；Y_BS为该基站接收的能量信号；S为该基站对应的能量站发送的能量信号；N_S为该基站与其对应的能量站之间的信道噪声；

为路径损耗归一化因子；ρ_p为该区群中的该基站对应的能量站的发送功率；d_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的距离；χ为大尺度路径损耗指数。

其中，在该基站与其对应的能量站所构成的无限能量传输网络中，电磁波的传输路径可能会受到空间物体如山体、树林、空气中的物质等阻隔，然后经过多次反射才能到达目标处，不一定存在完全直线的传播路径。本方案中规定基站与其对应的能量站的设置距离需要达到可以忽略空间物体阻隔的目的，即电磁波的传输路径为直射路径，如图2所示，其中，H₁为所选择的基站BS与目标用户UE₁之间的下行信道，H₂为所选择的基站BS与目标用户UE₂之间的下行信道，d₁为所选择的基站BS与目标用户UE₁之间的上行信道，d₂为所选择的基站BS与目标用户UE₁之间的上行信道。

较优地，还包括：

任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率，并发送至该区群中的网络枢纽控制器；

该区群中的网络枢纽控制器接收每个基站所分别上传的信干噪比和传输速率后，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的传输速率，并将整合后的信干噪比和传输速率发送至每个能量站；

所述每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号，包括：每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵、整合后的信干噪比和传输速率，利用波束赋形计算最佳传输天线，利用所述最佳传输天线调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的所述发送幅度与方向发送待发送能量信号。

较优地，任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率的过程，包括：

选择该区群中的第l个小区，利用第五公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的信干噪比

利用第六公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的传输速率

其中，第五公式为：

第六公式为：

且

ρ_f为该区群中所有基站的总发送功率且

ρ_BS为该区群中任一基站发送信号的总功率且ρ_BS＝E_BS/θ＝E_BS/(1-t)T、θ＝(1-t)T。

其中，在MIMO传输技术中，如果发送端或接收端可以准确知道当前信道状态，那么系统可以利用这个信道信息带来的自由度(DegreeofFreedom，DoF)实现复用时域资源、增强信号、抑制干扰等优势，从而有效地提高系统频谱利用率和功率效率。下行信道是指信号从基站传输到用户，也称为前向链路信道，任一基站对应的小区中所有的用户收到的信号都来自于该基站，因此该基站发射的信号是该小区所有的用户的信号之和，信号的总功率在多个用户间分配。

具体地，目标用户的位置随时可能会发生改变，因此，网络枢纽控制器根据实时获得的干扰抑制预编码矩阵，更新整合后的信干噪比和信道传输速率并发送至每个能量站，以便能量站更好地调整待发送能量信号的发送幅度与方向，再根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号。

其中，波束赋形(Beamforming)又叫波束成型、空域滤波，是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。波束赋形技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉。波束赋形既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。波束赋形可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况对调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

本发明实施例的一种优化能量传输与通信的系统200如图3所示，以一个区群中的一个小区进行举例解释：该区群具有多个小区(多个小区并未在图3中有所体现)，该区群对应设置有一个网络枢纽控制器230；每个小区包括多个目标用户(目标用户并未在图3中有所体现)，每个小区对应设置一个基站220；每个基站对应设置一个能量站210；

所述基站220用于，根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

所述基站220还用于，根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

所述网络枢纽控制器230用于，根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

所述能量站210用于，根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；

所述基站220还用于，根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

较优地，所述基站具体用于：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

较优地，所述网络枢纽控制器具体用于：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

如图4所示，本发明实施例的一种电子设备300，包括存储器310、处理器320及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的程序330，所述处理器320执行所述程序330时实现上述任意一种优化能量传输与通信的方法实施例中的部分或全部步骤。

所述电子设备可以是任何一种用户进行人机交互的电子产品，例如，个人计算机、平板电脑、个人数字助理(PDA，Personal DigitalAssistant)、交互式网络电视(IPTV，Internet Protocal Television)、智能式穿戴式设备等，且上述关于本发明的一种电子设备中的各参数和步骤，可参考上文中一种监控数据的方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

所述电子设备还可以包括网络设备和/或用户设备。其中，所述网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算(Cloud Computing)的由大量主机或网络服务器构成的云。

所述电子设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(VPN，Virtual Private Network)等。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“第一种实施例”、“第二种实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

还应理解，在本发明各实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，包括：

任一区群中的任一基站根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

该基站根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

该区群中的网络枢纽控制器根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；每个基站根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

2.根据权利要求1所述的一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，该区群中的该基站获取大规模衰落矩阵的过程，包括：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

3.根据权利要求2所述的一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，该区群中的网络枢纽控制器得到干扰抑制预编码矩阵的过程，包括：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

4.根据权利要求3所述的一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，该区群中的该基站捕获能量的过程，包括：

利用第四公式计算该区群中的该基站所捕获的能量E_BS；

其中，第四公式为：

且

H_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的信道；t为该区群中的该基站对应的能量站开始发送能量信号至结束发送能量信号的时隙长且t<T；T为预设的工作时隙长；Δ为莱斯因子；H_ω为小规模衰落信道矩阵且满足

所述小规模衰落信道矩阵中的每个元素均为独立同分布的循环对称复高斯随机变量且分布均为CN(0，1)；H₀为满秩的均值矩阵且满足

M_p为该基站对应的能量站配备的发送天线数量，M为该基站配备的天线数量；η为该基站捕获的能量信号与该基站对应的能量站所发送的能量信号的比值；Y_BS为该基站接收的能量信号；S为该基站对应的能量站发送的能量信号；N_s为该基站与其对应的能量站之间的信道噪声；

为路径损耗归一化因子；ρ_p为该区群中的该基站对应的能量站的发送功率；d_PB为该区群中的该基站与其对应的能量站之间的距离；χ为大尺度路径损耗指数。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，还包括：

任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率，并发送至该区群中的网络枢纽控制器；

该区群中的网络枢纽控制器接收每个基站所分别上传的信干噪比和传输速率后，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比，整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的下行信道的传输速率，并将整合后的信干噪比和传输速率发送至每个能量站；

所述每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号，包括：每个能量站根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵、整合后的信干噪比和传输速率，利用波束赋形计算最佳传输天线，利用所述最佳传输天线调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的所述发送幅度与方向发送待发送能量信号。

6.根据权利要求5所述的一种优化能量传输与通信的方法，其特征在于，任一区群中的任一基站得到与每个目标用户之间的下行信道的信干噪比和传输速率的过程，包括：

选择该区群中的第l个小区，利用第五公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的信干噪比

利用第六公式计算该小区对应的基站与该小区中的第k个目标用户之间的下行信道的传输速率

其中，第五公式为：

第六公式为：

且

ρ_f为该区群中所有基站的总发送功率且

ρ_BS为该区群中任一基站发送信号的总功率且ρ_BS＝E_BS/θ＝E_BS/(1-t)T、θ＝(1-t)T。

7.一种优化能量传输与通信的系统，其特征在于，包括：具有多个小区的区群，该区群对应设置有一个网络枢纽控制器；每个小区包括多个目标用户，每个小区对应设置一个基站；每个基站对应设置一个能量站；

所述基站用于，根据该基站对应的能量站所发送的能量信号捕获能量，生成第一反馈信号，并将所述第一反馈信号分别发送至该基站对应的能量站和该区群中的网络枢纽控制器，所述第一反馈信号包括该基站接收的能量的幅度、该基站与其对应的能量站之间的信道状态；

所述基站还用于，根据该区群中的多个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，得到多个大规模衰落因子，再结合每个目标用户与该基站的相对位置，得到一个大规模衰落矩阵，生成第二反馈信号，并将所述第二反馈信号发送至该区群中的网络枢纽控制器，所述第二反馈信号包括该基站得到的大规模衰落矩阵、该基站分别与每个目标用户之间的信道状态；

所述网络枢纽控制器用于，根据所述第二反馈信号，整合该区群中所有基站得到的大规模衰落矩阵，得到干扰抑制预编码矩阵并发送至该区群中的每个能量站；整合该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态并发送至该区群中的每个基站；

所述能量站用于，根据接收的所述干扰抑制预编码矩阵，调整待发送能量信号的发送幅度与方向，并根据调整后的发送幅度与方向发送待发送能量信号；

所述基站还用于，根据接收的所述该区群中所有基站分别与每个目标用户之间的信道状态，将目标信息发送至目标用户。

8.根据权利要求7所述的一种优化能量传输与通信的系统，其特征在于，所述基站具体用于：

选择该区群中的第j个基站，根据该区群中第l个小区中的第k个目标用户所发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计，利用第一公式计算该目标用户对应的大规模衰落因子

利用第二公式计算大规模衰落矩阵β^k；

其中，第一公式为：

为所述第j个基站与所述第l个小区中的第k个目标用户之间的信道距离因子；ψ_n为噪声因子；l∈[1,L]，j∈[1,L]，L为该区群中的总小区数量，且每个小区配备有一个基站；k∈(1,K)，K为所选择的小区中的总目标用户数量；

第二公式为：

9.根据权利要求8所述的一种优化能量传输与通信的系统，其特征在于，所述网络枢纽控制器具体用于：

利用第三公式计算干扰抑制预编码矩阵W^k；

其中，第三公式为：

且

γ_A为引入的用于保持功率限制的归一化因子；ρ_r为所述第k个目标用户向该区群中的该基站发送消息的发送功率；

为所述第j个基站，根据该区群中的第s个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；

为该区群中第j个基站，根据该区群中的第j个小区中的第k个目标用户发送的上行信号和上行导频训练序列进行信道估计得到的大规模衰落因子；τ为TDD协议中负责导频训练的OFDM符号数目；s∈[1,L]、j∈[1,L]且s≠j。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述的一种优化能量传输与通信的方法的步骤。

Images