CN117478189A - 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统 - Google Patents

无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统 Download PDF

Info

Publication number
CN117478189A
CN117478189A CN202311539124.2A CN202311539124A CN117478189A CN 117478189 A CN117478189 A CN 117478189A CN 202311539124 A CN202311539124 A CN 202311539124A CN 117478189 A CN117478189 A CN 117478189A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
wireless
access point
ers
perception
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311539124.2A
Other languages
English (en)
Inventor
章俐
方园
任自翔
邱玲
许杰
崔曙光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chinese University Of Hong Kong Shenzhen Future Intelligent Network Research Institute
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Original Assignee
Chinese University Of Hong Kong Shenzhen Future Intelligent Network Research Institute
Chinese University of Hong Kong Shenzhen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chinese University Of Hong Kong Shenzhen Future Intelligent Network Research Institute, Chinese University of Hong Kong Shenzhen filed Critical Chinese University Of Hong Kong Shenzhen Future Intelligent Network Research Institute
Priority to CN202311539124.2A priority Critical patent/CN117478189A/zh
Publication of CN117478189A publication Critical patent/CN117478189A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0619—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal using feedback from receiving side
    • H04B7/0621—Feedback content
    • H04B7/0626—Channel coefficients, e.g. channel state information [CSI]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明涉及无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助WPT系统。无线能量传输方法为一种新的无线感知辅助的无线能量波束形成传输方案，其提出了两个阶段的协议：在第一阶段，接入点AP进行无线感知，利用无线感知功能来估计能量接收机的路径增益和角度参数，以构建相应的CSI；在第二阶段进行能量波束形成，基于所构建的CSI实现传输能量波束形成，以公平的方式有效地为这些ER充电。本发明共同设计了感知持续时间和联合波束形成，以最大限度地提高所有ER中的最小收集能量，同时确保在第一阶段有一个预定的感知精度要求。在该设计中，可以适当地控制感知精度，以平衡两个阶段之间的持续时间分配，以优化最终的能量收集性能。

Description

无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助 WPT系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中的一种无线能量传输方法及其WPT系统，特别是涉及一种无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助WPT系统。
背景技术
未来的第六代6G无线网络预计将支持大规模的物联网IoT设备，使智能家居和智能城市等新兴应用程序成为可能。在实际中，物联网设备通常体积很小，使得传统的基于电池的能源供应不可靠。因此，如何以经济有效的方式为大量物联网设备提供可持续的能源供应，正成为物联网应用的一项重要但具有挑战性的任务。无线功率传输WPT已经成为一种很有前途的技术，以解决这一问题，实现可持续的物联网网络，其中基站BS和接入点AP可对物联网设备进行无线充电。
多天线发射能量波束形成技术可以显著提高能量传输效率，使发射信号波束对准能量接收机ERs的方向。能量波束形成的实现在很大程度上依赖于在AP处的信道状态信息CSI的可用性。目前，有三种方法来获取基于信道训练和反馈的前向链路CSI：ER使用与前向链路相同的频带向AP发送导频，并且基于导频，AP可以估计后向链路信道，然后利用信道互易性作为前向链路CSI；AP在前向链路中发送导频，基于此，每个ER估计其相应的CSI，然后将其反馈给AP；AP在前向链路中随时间自适应地调整其发射导频，每个ER测量随时间收集的能量水平，并将其反馈给AP，AP根据反馈能量的测量估计CSI。但现有技术要求网络进行基带信号处理和/或主动信号反馈传输，这是消耗能量的，可能严重减少ER的净收集能量。因此，本领域亟需一种轻度训练甚至无需训练/反馈的新型能量波束形成设计的技术方案。
发明内容
为了解决如何利用AP处的无线感知来获取ERs的CSI，以实现能量波束形成对多个单天线ERs进行公平的无线充电的技术问题，本发明提供一种无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助WPT系统。
本发明采用以下技术方案实现：一种无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其采用两阶段传输协议在接入点AP和众多能量接收机ERs之间实现无线能量传输，定义所述两阶段传输协议的每个相干时间块持续T个符号的时间，则含有T个符号时间的相干时间块分为两个阶段，分别持续τ和T-τ个符号时间用于无线感知和能量传输；
其中，所述无线能量传输方法利用接入点AP处的无线感知来获取众多能量接收机ERs的信道状态信息CSI：
在第一阶段，接入点进行无线感知：首先根据上个相干时间块内估计得到的所有能量接收机ERs的角度参数和距离参数/>来设计无线感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，然后接入点AP根据τ和Sx生成无线感知信号X发送给所有能量接收机ERs，经过所有能量接收机ERs的反射之后，接入点接收到回波信号Y，之后，接入点AP根据Y估计出当前相干时间块内所有能量接收机ERs的当前的角度参数/>和路径增益/>根据当前的估计结果/>和/>构建出接入点AP与每个能量接收机ER之间的信道其中，/>和/>表示上个相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度参数和距离参数，/>和/>表示当前相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度和路径增益，/>表示构建的接入点AP与第k个能量接收机ER之间的CSI，k＝1,…,K；
在第二个阶段，接入点AP对众多能量接收机ERs进行能量传输：接入点AP在已知CSI的情况下，用剩余T-τ个符号时间来设计能量协方差矩阵Rx公平地为所有的能量接收机ERs充电。
作为上述方案的进一步改进，在确保以Γ为估计精度阈值的前提下，求解问题P1来设计感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，问题P1为：
(P1):
s.t.C1:τ∈{Nt,...,T},
C2:tr(Sx)≤Pmax,
AP配备一个均匀线性阵列ULA天线，能量接收机配备了单天线，其中Nt表示AP的发射天线个数，Pmax表示在AP处的最大传输功率，表示在上一个相干时间块中估计到的AP与所有能量接收机ERs的角度参数，/>表示在上一个相干时间块中估计到的AP与所有能量接收机ERs的路径增益参数。
进一步地，问题P1的最优解为：
首先，注意到当约束C2严格相等时，得到了问题P1的最优解，否则接入点能在约束C3中实现相同的CRB的同时，进一步提高传输功率以降低目标值；
此外，由于问题P1的目标值与Sx无关，因此在任意给定的τ值下，通过最小化CRB可以得到问题P1中Sx的最优解，因此，通过求解问题P2，得到Sx的最优解：
(P2):
C1:tr(Sx)＝Pmax.
为了解决问题P2，引入了辅助变量将问题P2重新表述为：
(P2.1):
C2:tr(Sx)＝Pmax.
其中，ei表示单位矩阵I3K的第i列，此外，C1中的约束等价地转换为关于Sx的线性矩阵不等式LMIs：相应地，问题P2.1可以重新表述为：
(P2.2):
C2:tr(Sx)＝Pmax.
这是一个半正定规划问题，通过凸求解器CVX进行最优求解，设表示所得到的问题P2.2的最优解；
接下来，通过得到通过求解问题P3得到最优感知持续符号时间的个数τ：
(P3):
C2:τ∈{Nt,...,T}.
与τ成反比，因此，得到问题P3的最优解τ＊作为最小感知持续时间，以保证CRB阈值Γ，最终得到了/>和τ＊对问题P1的最优解。
作为上述方案的进一步改进，无线感知信号X的生成方法为；
X的样本协方差矩阵满足/>X基于Sx产生，式中x(τ)表示在符号τ处传输的无线感知信号。
作为上述方案的进一步改进，回波信号Y为
式中，αk表示路径增益，表示AP处接收机的导向矢量，/>表示AP处发射机的导向矢量，θk表示AP与第k个能量接收机之间的角度，/>为AP处相邻天线之间的间距，λ表示载波波长，表示在感知的相干处理间隔CPI上的噪声信号，其中z(τ)表示在符号τ处的均值为零和协方差为/>的加性高斯白噪声AWGN。
作为上述方案的进一步改进，使用Capon和近似最大似然CAML算法估计出当前相干时间块内所有能量接收机的角度参数和路径增益/>
作为上述方案的进一步改进，信道的构建方法包括以下步骤：
表示从AP到第k个能量接收机ER的LoS信道：其中ρ0表示在参考距离d0＝1米的信道功率，dk表示AP到第k个能量接收机ER之间的距离，根据路径增益αk的分量，路径增益的模量由/>给出，其中，βk为第k个能量接收机的感知截面积；
假设接入点已知βk，路径增益αk的相位为其值为信道hk的相位的两倍，因此，基于信道hk的分量，利用估计的角度/>和路径增益/>构造的第k个能量接收机的信道hk表示为：/>其中，/>是AP已知的一个常数。
作为上述方案的进一步改进，接入点在已知所有信道参数的情况下用剩余的T-τ个符号时间来求解问题P2以设计能量协方差矩阵Rx，问题P2为：
(P2):
C1:tr(Sx)＝Pmax.。
进一步地，考虑剩余T-τ＊个符号时间内的能量传输，将发射能量协方差矩阵Rx设计为基于所构造的信道来最大化所有能量接收机中的最小收集射频功率，在这种情况下，最小收集射频功率最大化问题P4被表示为：
(P4):
s.t.C1:tr(Sx)≤Pmax.
通过引入一个辅助变量E，将优化问题P4简化为：
(P4.1):
tr(Sx)≤Pmax.
这也是一个可以被CVX最优求解的SDP，设表示问题P4.1的最优解；
然后，在所有ER中相应的最小平均收集射频功率为：其中hk是AP和第k个能量接收机ER之间的真实信道。
本发明还提供一种感知辅助WPT系统，其包括一个配备ULA的多天线接入点AP将无线能量传输到K个单天线能量接收机ER，接入点AP配备了Nt个发射天线和Nr个接收天线，用表示众多能量接收机ERs的集合；每个能量接收机ER都配备了一个射频能量收集模块，用于从接入点AP收集能量，假设N≤Nt≤Nr，其中，在接入点AP和众多能量接收机ERs之间通过上述任意无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法实现无线能量传输。
针对现有技术存在的问题，本发明设计的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助WPT系统，在无线网络中集成无线感知已经吸引了学术界和工业界日益增长的兴趣，使6G实现通信感知一体化ISAC。无线感知能力在促进无线通信方面具有很大的潜力。特别地，AP可以利用无线感知来估计作为感知目标的通信用户的信道参数(例如角度)，并相应地构造通信CSI，从而具有减少信令开销。无线感知功能也可以集成到WPT系统中，来实现轻量训练甚至无需训练/反馈的新型能量波束形成设计的技术方案。本发明所要解决的问题是利用AP处的无线感知来获取ERs的CSI，以实现能量波束形成对多个单天线ER进行无线充电。该方法基于以下两阶段协议实现。在第一阶段，AP进行无线感知，以估计ERs的路径增益和角度参数，以构建相应的CSI。在第二阶段，AP基于所构建的CSI实现传输能量波束形成，以公平地为这些ER充电。在此设置下，首先在第一阶段联合优化感知波束形成和持续时间，以最小化感知持续时间，同时确保在AP的最大发射功率约束下的参数估计有一个给定的精度阈值。接下来，在第二阶段优化能量波束形成，以最大限度地提高所有ER的最小收集能量。该方法合理地设计了第一阶段的估计精度阈值，以平衡两个阶段之间的资源分配，以优化最终的能量收集性能。
附图说明
图1为本发明较佳实施例提供的感知辅助WPT系统的模型图。
图2为图1中感知辅助WPT系统采用的基于相干时间块的两阶段传输协议示意图。
图3为图1中感知辅助WPT系统采用的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供了一种感知辅助WPT系统，如图1所示，其中一个配备均匀线性阵列ULA的多天线AP将无线能量传输到N个单天线能量接收机。AP配备了Nt个发射天线和Nr个接收天线,用表示ERs的集合。每个ER都配备了一个射频RF能量收集模块，用于从AP收集能量。假设N≤Nt≤Nr。如图2所示，考虑基于相干时间块的传输方式，通过假设准静态信道模型。一个相干时间块持续T个符号的时间，每个符号持续时间是固定的。假设ER的位置和无线信道在每个时间块上保持不变，但由于ER的移动性，可能会在不同的时间块上发生变化。让θk和dk表示当前感兴趣的相干时间块中AP和每个ERk之间的角度和距离，和/>表示在前一个相干时间块内估计到的角度和距离，Δθk和Δdk表示相应的估计误差。假设Δθk和Δdk是有界的随机变量，即|Δθk|≤φ和|Δdk|≤D，其中φ和D表示相应的误差界。由于/>和/>在每个块传输之前都已知，因此θk和dk分别是位于/>和/>区域内的随机变量。
请结合图3，在接入点AP和众多能量接收机ERs之间通过的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法实现无线能量传输。无线能量传输方法采用两阶段传输协议在接入点AP和众多能量接收机ERs之间实现无线能量传输，定义所述两阶段传输协议的每个相干时间块持续T个符号的时间，则含有T个符号时间的相干时间块分为两个阶段，分别持续τ和T-τ个符号时间用于无线感知和能量传输。所述无线能量传输方法利用接入点AP处的无线感知来获取众多能量接收机ERs的信道状态信息CSI。
在第一阶段，接入点进行无线感知：首先根据上个相干时间块内估计得到的所有能量接收机ERs的角度参数和距离参数/>来设计无线感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，然后接入点AP根据τ和Sx生成无线感知信号X发送给所有能量接收机ERs，经过所有能量接收机ERs的反射之后，接入点接收到回波信号Y，之后，接入点AP根据Y估计出当前相干时间块内所有能量接收机ERs的当前的角度参数/>和路径增益/>当前的根据/>和/>构建出接入点AP与每个能量接收机ER之间的信道/>其中，和/>表示上个相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度参数和距离参数，/>和/>表示当前相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度和路径增益，/>表示构建的接入点AP与第k个能量接收机ER之间的CSI，k＝1,…,K；
在第二个阶段，接入点AP对众多能量接收机ERs进行能量传输：接入点AP在已知CSI的情况下，用剩余的T-τ个符号时间来设计能量协方差矩阵Rx公平地为所有的能量接收机ERs充电。
故，本发明考虑一种两阶段传输协议，其中含有T个符号时间的时间块分为两个阶段，分别持续τ和T-τ个符号时间，用于无线感知和能量传输。在这里，τ是一个要确定的设计参数。在第一阶段，AP进行无线感知，根据前一个时间块的估计设计无线感知波束形成，估计当前感兴趣的时间块内ERs的路径增益和角度参数，以构建相应的CSI。在第二阶段，AP实现发射能量波束形成，以公平地给多个ER充电，其中波束形成是基于构建的CSI设计的。为了便于第一阶段的感知，假设ER通过适当调整其天线阻抗不能收集能量。
本发明考虑AP和ER之间为LoS信道模型，由于WPT是在短距离内实现的，LoS信道通常主导非LoS(NLoS)路径。设表示从AP到每个ERk的LoS信道：/> ρ0表示信道功率在参考距离d0＝1米，dk表示AP到ERk之间的距离，λ表示载波波长，θk是ERk相对于AP的到达方向DoA，at(θk)表示AP发射机处的导向矢量，为相邻天线之间的间距。
在无线感知阶段，AP在第一阶段使用τ≥Nt个符号时间来进行MIMO无线感知(即感知的相干处理间隔CPI为τ个符号时间)。设表示在符号t处感知的传输信号，其中t∈{1,…,τ}，/>表示CPI上的传输信号。样本协方差矩阵由给出，这是第一阶段要设计的一个优化变量。设Pmax表示在AP处的最大传输功率，则传输功率约束为tr(Sx)≤Pmax。由AP从符号t处的ERs接收到的回波信号为/>其中，/>代表AP和ERk之间的复路径增益，与往返路径损失和ERk的感知截面积RCS有关，z(t)表示均值为零和协方差为/>的加性高斯白噪声AWGN，/>表示AP处接收机的导向矢量，通过定义/>以及在CPI上接收到的回波信号y(t)为基于该阶段接收到的回波信号Y，通过Capon和近似最大似然CAML算法等参数估计技术估计当前感兴趣的相干时间块中ERk的角度θk和往返路径增益αk。设/>和/>表示估计的ERk的角度和路径增益，然后用于构造相应的能量传输的ERk的CSI。在能量传输阶段，设/>表示符号t处的能量传输信号，其中t∈{τ+1,…,T}，表示该阶段的发射能量协方差矩阵。传输能量波束形成，Rx被假定为一般秩，即m＝rank(Rx)≤Nt。对应于m个能量束的情况，每一个都可以通过Rx的特征值分解EVD得到。忽略接收噪声(实际上可以忽略)，ERk的接收信号表示为由于无线信道的广播特性，所有能量束所携带的能量都可以在每个ER上收集。因此，在ERk处接收的射频功率(单位时间段内的能量，以瓦为单位)为/>为了设计一个可以公平充电多个ER的传输能量协方差矩阵Rx，需要知道从AP到每个ERk的CSI，即hk。根据第一阶段估计的角度/>和ERk的路径增益/>可以构建相应的CSI。根据路径增益/>的分量，路径增益的模量由/>给出,其中，βk为ERk的RCS。假设AP已知βk，路径增益αk的相位为其值为CSIhk的相位的两倍。因此，基于CSIhk的分量，利用估计的角度/>和路径增益构造的ERk的CSI可以表示为/>其中，/>是AP已知的一个常数。相应地，AP可以利用构建的/>来优化Rx以最大化/>ERk利用整流器将接收到的射频信号转换为直流电DC信号进行能量采集。在本发明中，将接收到的射频功率作为能量收集性能度量，因为收集到的直流功率相对于接收到的射频功率通常是单调的非递减的。
本发明提出了感知持续时间和发射波束形成联合设计方法：在两个阶段优化感知/能量波束形成和感知持续时间，以提高能量收集性能。具体地说，在第一阶段，根据前一个时间块的估计中得到的角度和路径增益，正确设计感知持续时间和波束形成，其中保证了预定的估计精度阈值Γ。在第二阶段，基于第一阶段构建的CSI我们设计了能量波束形成，以最大化所有ER中的最小收集功率。
故，在第一阶段，基站进行无线感知，首先根据上个时间块内估计得到的所有ERs的角度参数和距离参数/>在确保以Γ为估计精度阈值的前提下求解问题P1来设计感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，根据τ和Sx，接入点(AP)可以生成无线感知信号X(生成步骤：/>X的样本协方差矩阵满足X基于Sx产生)，然后发送给所有能量接收机，经过所有能量接收机反射之后，AP接收到回波信号Y，然后AP根据Y/>使用CAML算法估计出当前相干时间块内所有ERs的角度参数/>和路径增益/>根据估计得到的和/>可以构建出AP与每个ER之间的信道/>(构建步骤：根据第一阶段估计的角度/>和ERk的路径增益/>可以构建相应的CSI。根据路径增益αk的分量，路径增益的模量由/>给出,其中，βk为ERk的RCS。假设AP已知βk，路径增益αk的相位为/>其值为CSIhk的相位的两倍。因此，基于CSIhk的分量，利用估计的角度/>和路径增益/>构造的ERk的CSI可以表示为其中，/>是AP已知的一个常数。相应地，AP可以利用构建的/>来优化Rx以最大化/>)，然后在第二个阶段，AP在已知所有信道参数的情况下用剩余的T-τ个符号时间来求解问题P2以设计能量协方差矩阵Rx公平地为所有的ERs充电。
具体地，第一阶段的感知持续时间和波束形成设计：在这一阶段，专注于感知任务，目的是估计当前感兴趣的相干时间块中的ER的角度和路径增益。为了优化目标估计性能，AP根据前一个相干时间块中估计的已知角度和路径增益，设计感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx。目标是最小化感知持续符号时间的个数τ，同时确保估计精度的要求，以便在第一阶段利用最小的传输能量。特别地，我们使用克拉美罗界CRB作为参数估计的性能度量，它作为任何无偏估计量的性能下界。其中，估计ER的角度和路径增益的CRB矩阵如下。首先，将所有待估计的ERs的角度和路径增益表示为θ＝[θ1,...,θk,...,θK]T和b＝[α1,...,αk,...,αK]T。接收信号重新排列为矩阵形式：其中，Ar＝[ar(θ1),...,ar(θK)]，B＝diag(b)以及At＝[at(θ1),...,at(θK)]。关于θ的Fisher信息矩阵FIM，以及b的实部和虚部为
其中，/>
和/>at(θk)的导数为
其中，ai代表at(θk)的第i项。ar(θk)的导数与/>的形式相似。然后，基于FIM，对应的CRB矩阵为C＝F-1。采用CRB矩阵C的迹作为需要优化的性能指标，在给定持续时间τ下，参数θ和b的估计CRB和样本协方差矩阵Sx的CRB记为CRB(τ,Sx,θ,b)＝tr(C)＝tr(F-1)。CRB依赖于参数θ和b，这些参数最初通常是未知的。本发明根据在上一个相干时间块中估计的/>和并相应地使用估计性能/>进行优化。
此外，为感知分配更多的持续时间可以确保估计精度要求，但它也可能导致第二阶段能量波束形成的可用持续时间的减少。因此，在第一阶段，本发明的目标是联合优化感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，以最小化感知持续符号时间的个数τ，同时确保以阈值Γ为特征的估计精度，受AP的最大传输功率约束。相应的CRB约束感知持续符号时间的个数τ最小化问题为：
(P1):
s.t.C1:v∈{Nt,...,T},
C2:tr(Sx)≤Pmax,
问题P1是非凸的，因为约束C3由于τ和Sx之间存在耦合。下面，我们给出了问题P1的最优解,首先，注意到当约束C2严格相等时，得到了P1的最优解，否则AP可以在约束C3中实现相同的CRB的同时，进一步提高传输功率以降低目标值。此外，由于P1的目标值与Sx无关，因此在任意给定的τ值下，通过最小化CRB可以得到P1中Sx的最优解。因此，通过求解以下问题，可以得到Sx的最优解：
(P2):
C1:tr(Sx)＝Pmax.
为了解决问题P2，我们引入了辅助变量然后，将问题P2重新表述为
(P2.1):
C2:tr(Sx)＝Pmax.
其中，ei表示单位矩阵I3K的第i列。此外，C1中的约束可以等价地转换为关于Sx的线性矩阵不等式LMIs：相应地，问题P2.1可以重新表述为：
(P2.2):
C2:tr(Sx)＝Pmax.
这是一个半正定规划SDP问题，可以通过凸求解器CVX进行最优求解。设表示所得到的问题P2.2的最优解。
接下来，通过得到我们通过求解以下问题得到最优感知持续符号时间的个数τ：
(P3):
C2:τ∈{Nt,...,T}.
与τ成反比。因此，得到问题P3的最优解τ＊作为最小感知持续时间，以保证CRB阈值Γ。因此，最终得到了/>和τ＊对问题P1的最优解。
在这一阶段，我们考虑了剩余T-τ＊个符号时间内的能量传输。特别地，发射能量协方差矩阵Rx被设计为基于所构造的CSI来最大化所有ER中的最小收集射频功率。在这种情况下，最小收集射频功率最大化问题被表示为
(P4):
s.t.C1:tr(Sx)≤Pmax.
通过引入一个辅助变量E，将优化问题P4简化为
(P4.1):
tr(Sx)≤Pmax.
这也是一个可以被CVX最优求解的SDP。设表示P4.1的最优解。然后，在所有ER中相应的最小平均收集射频功率为/>其中hk是AP和ERk之间的真实信道。
在本发明中，估计精度阈值Γ是一个关键参数，可以被设计来平衡两个阶段之间的资源分配，以最大化最终的能量收集性能。特别是，通过降低CRB阈值Γ，应增加在第一阶段为无线感知分配的持续符号时间的个数τ，以满足更严格的估计精度要求，这导致了第一阶段更准确的信道估计，但导致第二阶段的能量传输持续时间更短。
本发明技术方案基于两阶段协议实现，AP通过感知来估计构建CSI的角度和路径增益，然后实现基于所构造的CSI在能量传输阶段的能量波束形成。本发明技术方案提出共同设计感知持续时间和联合波束形成，以最大限度地提高所有ER中的最小收集能量，同时确保在第一阶段有一个预定的感知精度要求。在该设计中，可以适当地控制感知精度，以平衡两个阶段之间的持续时间分配，以优化最终的能量收集性能。
综上所述，本发明的有益效果为：
1.本发明技术方案利用无线感知功能来估计能量接收机的路径增益和角度参数，以构建相应的CSI，并基于所构建的CSI实现传输能量波束形成，以公平的方式有效地为这些能量接收机充电。相比于现有技术方案，本方案充分利用了无线感知功能，无需训练和反馈，显著提高了能量接收机的净收集能量。
2.本发明所述方法基于两阶段协议实现，AP通过感知来估计构建CSI的角度和路径增益，然后实现基于所构造的CSI在能量传输阶段的能量波束形成。我们共同设计了感知持续时间和联合波束形成，以最大限度地提高所有ER中的最小收集能量，同时确保在第一阶段有一个预定的感知精度要求。在该设计中，可以适当地控制感知精度，以平衡两个阶段之间的持续时间分配，以优化最终的能量收集性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其采用两阶段传输协议在接入点AP和众多能量接收机ERs之间实现无线能量传输，定义所述两阶段传输协议的每个相干时间块持续T个符号的时间，则含有T个符号时间的相干时间块分为两个阶段，分别持续τ和T-τ个符号时间用于无线感知和能量传输；
其特征在于，所述无线能量传输方法利用接入点AP处的无线感知来获取众多能量接收机ERs的信道状态信息CSI：
在第一阶段，接入点进行无线感知：首先根据上个相干时间块内估计得到的所有能量接收机ERs的角度参数和距离参数/>来设计无线感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，然后接入点AP根据τ和Sx生成无线感知信号X发送给所有能量接收机ERs，经过所有能量接收机ERs的反射之后，接入点接收到回波信号Y，之后，接入点AP根据Y估计出当前相干时间块内所有能量接收机ERs的当前的角度参数/>和路径增益/>根据当前的估计结果/>和/>构建出接入点AP与每个能量接收机ER之间的信道/>其中，/>和/>表示上个相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度参数和距离参数，/>和/>表示当前相干时间块内估计得到的AP与第k个能量接收机ER的角度和路径增益，/>表示构建的接入点AP与第k个能量接收机ER之间的CSI，k＝1,…,K；
在第二个阶段，接入点AP对众多能量接收机ERs进行能量传输：接入点AP在已知CSI的情况下，用剩余的T-τ个符号时间来设计能量协方差矩阵Rx公平地为所有的能量接收机ERs充电。
2.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，在确保以Γ为估计精度阈值的前提下，求解问题P1来设计感知持续符号时间的个数τ和样本协方差矩阵Sx，问题P1为：
(P1):
s.t.C1:τ∈{Nt,...,T},
C2:tr(Sx)≤Pmax,
AP配备一个均匀线性阵列ULA天线，能量接收机配备了单天线，其中Nt表示AP的发射天线个数，Pmax表示在AP处的最大传输功率，表示在上一个相干时间块中估计到的AP与所有能量接收机ERs的角度参数，/>表示在上一个相干时间块中估计到的AP与所有能量接收机ERs的路径增益参数。
3.根据权利要求2所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，问题P1的最优解为：
首先，注意到当约束C2严格相等时，得到了问题P1的最优解，否则接入点能在约束C3中实现相同的CRB的同时，进一步提高传输功率以降低目标值；
此外，由于问题P1的目标值与Sx无关，因此在任意给定的τ值下，通过最小化CRB可以得到问题P1中Sx的最优解，因此，通过求解问题P2，得到Sx的最优解：
(P2):
C1:tr(Sx)＝Pmax.
为了解决问题P2，引入了辅助变量将问题P2重新表述为：
(P2.1):
C2:tr(Sx)＝Pmax.
其中，ei表示单位矩阵I3K的第i列，此外，C1中的约束等价地转换为关于Sx的线性矩阵不等式LMIs：相应地，问题P2.1可以重新表述为：
(P2.2):
C1:
C2:tr(Sx)＝Pmax.
这是一个半正定规划问题，通过凸求解器CVX进行最优求解，设表示所得到的问题P2.2的最优解；
接下来，在得到后，通过求解问题P3得到最优感知持续符号时间的个数τ：
(P3):
C2:τ∈{Nt,...,T}.
与τ成反比，因此，得到问题P3的最优解τ＊为保证CRB阈值Γ的最小感知持续时间，最终得到了/>和τ＊对问题P1的最优解。
4.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，无线感知信号X的生成方法为；
X的样本协方差矩阵满足/>X基于Sx产生，式中x(τ)表示在符号τ处传输的无线感知信号。
5.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，回波信号Y为
式中，αk表示路径增益，表示AP处接收机的导向矢量，/>表示AP处发射机的导向矢量，θk表示AP与第k个能量接收机之间的角度，/>为AP处相邻天线之间的间距，λ表示载波波长，表示在相干处理间隔CPI上的噪声信号，其中z(τ)表示在符号τ处的均值为零和协方差为/>的加性高斯白噪声AWGN。
6.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，使用Capon和近似最大似然CAML算法估计出当前相干时间块内所有能量接收机的角度参数和路径增益/>
7.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，信道的构建方法包括以下步骤：
表示从AP到第k个能量接收机ER的LoS信道：/>其中ρ0表示在参考距离d0＝1米的信道功率，dk表示AP到第k个能量接收机ER之间的距离，根据路径增益αk的分量，路径增益的模量由/>给出，其中，βk为第k个能量接收机的感知截面积；
假设接入点已知βk，路径增益αk的相位为其值为信道hk的相位的两倍，因此，基于信道hk的分量，利用估计的角度/>和路径增益/>构造的第k个能量接收机的信道hk表示为：/>其中，/>是AP已知的一个常数。
8.根据权利要求1所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，接入点在已知所有信道参数的情况下用剩余的T-τ个符号时间来求解问题P2以设计能量协方差矩阵Rx，问题P2为：
(P2)：
C1：tr(Sx)＝Pmax.。
9.根据权利要求8所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法，其特征在于，考虑剩余T-τ★个符号时间内的能量传输，将发射能量协方差矩阵Rx设计为基于所构造的信道来最大化所有能量接收机中的最小收集射频功率，在这种情况下，最小收集射频功率最大化问题P4被表示为：
(P4)：
s.t.C1：tr(Sx)≤Pmax·
通过引入一个辅助变量E，将优化问题P4简化为：
(P4.1)：
tr(Sx)≤Pmax·
这也是一个可以被CVX最优求解的SDP，设表示问题P4.1的最优解；
然后，在所有ER中相应的最小平均收集射频功率为：其中hk是AP和第k个能量接收机ER之间的真实信道。
10.一种感知辅助WPT系统，其包括一个配备ULA的多天线接入点AP将无线能量传输到K个单天线能量接收机ER，接入点AP配备了Nt个发射天线和Nr个接收天线，用表示众多能量接收机ERs的集合；每个能量接收机ER都配备了一个射频能量收集模块，用于从接入点AP收集能量，假设K≤Nt≤Nr，其特征在于，在接入点AP和众多能量接收机ERs之间通过如权利要求1至9中任意一项所述的无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法实现无线能量传输。
CN202311539124.2A 2023-11-17 2023-11-17 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统 Pending CN117478189A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311539124.2A CN117478189A (zh) 2023-11-17 2023-11-17 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311539124.2A CN117478189A (zh) 2023-11-17 2023-11-17 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117478189A true CN117478189A (zh) 2024-01-30

Family

ID=89625459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311539124.2A Pending CN117478189A (zh) 2023-11-17 2023-11-17 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117478189A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109005551B (zh) 一种非理想信道状态信息的多用户noma下行功率分配方法
Liu et al. A tutorial on joint radar and communication transmission for vehicular networks—Part III: Predictive beamforming without state models
CN101523736A (zh) 用天线权重反馈进行的移动站辅助下行链路波束形成
KR101935782B1 (ko) 다중 셀룰러 네트워크에서 신호의 송수신 방법 및 장치
CN103475401A (zh) 一种下行波束赋形方法与装置
US10833736B2 (en) Hybrid beamforming method for beam-based cooperative transmission, and apparatus for the same
Michelusi et al. Optimal beam-sweeping and communication in mobile millimeter-wave networks
Horneffer et al. Directed antennas in the mobile broadband system
Miao et al. Lightweight 3-D beamforming design in 5G UAV broadcasting communications
CN114144977B (zh) 波束赋形方法、装置、无线接入网设备及可读存储介质
CN105471771A (zh) 信道方向信息的获取方法和设备
US20190123789A1 (en) Method for grouping users based on out-of-band spatial information in multi-user millimeter wave system
CN115021843B (zh) 一种毫米波通信多用户系统合作感知方法
CN114114150A (zh) 一种面向通信感知一体化的无线定位方法
CN111446999A (zh) 基于多臂强盗的位置辅助波束对准方法及其系统
CN102035588A (zh) 基于角度信息的发射多播赋形方法及系统
CN103475395A (zh) 一种天线校正方法、装置和系统
US9544789B2 (en) System and method for channel estimation in a wireless communications system
US11057782B2 (en) Multi-cell coordination system and channel calibration method thereof
CN117478189A (zh) 无线感知辅助的无需训练的无线能量传输方法及其感知辅助wpt系统
CN106162833A (zh) 基于特高频信号辅助的毫米波微小区选择方法
CN102223171B (zh) 一种信道信息获取和反馈方法、系统及装置
Zhang et al. Training-free energy beamforming assisted by wireless sensing
CN110932419B (zh) 可控智能面辅助能量传输的装置及其传输方法
CN115842612A (zh) 确定doa的方法、装置、存储介质及电子装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination