一种发送功率的确定方法及基站与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种发送功率的确定方法及基站。

背景技术：

随着无线通信技术的突飞猛进，第五代移动通信技术5G正在快速发展。从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽；从行业应用看，5G具有更高的可靠性、更低的时延。

5G的这些要求意味着信号发送端和接收端需要消耗更多的能量。为了减少基站和终端的能量消耗，一方面可以使用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术在基站和终端中增加天线数量，以换取发送端性能的提高，从而减少基站的能量消耗；另一方面，可以通过能量收集，利用可再生能源如太阳能、风能等解决传统能源短缺的困境。然而这些可再生能源往往很大程度上受地理位置、天气等外在因素影响，应用受到限制。

上述这些因素促进了SWIPT(simultaneous wireless information and power transmission，信息与能量同时传输)技术的发展。信息与能量同时传输技术利用电磁波在携带信号的同时也携带能量的特性。这样基站就能够采取一些技术手段在接收信号的同时将信号携带的能量收集起来循环利用，使能量得以有效利用，达到减少基站能量消耗的目的。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

采用现有技术中发送功率的确定方法，基站只能满足预先确定的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件以及预先确定的安全性条件，无法达到减少基站能量消耗的目的。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种发送功率的确定方法及基站，在信息与能量同时传输系统中，能够达到减少基站能量消耗的目的。

具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发送功率的确定方法，包括：

当预先确定的功率分配系数集合不为空时，在所述功率分配系数集合中选择一个功率分配系数作为当前功率分配系数；

确定所述当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，其中，所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵至少满足所述当前功率分配系数对应的能效条件；

根据所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵，计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；

当所述功率分配系数集合为空时，在全部当前发送功率中选择最小的当前发送功率作为所述基站的目标发送功率。

较佳的，所述确定所述当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，包括：

当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵不存在时，根据预先确定的初始化矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；其中，所述初始化矩阵包括：波束成形初始化矩阵和人工噪声方差初始化矩阵；

当所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵存在时，根据所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；

将所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵分别作为所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，重复执行以上操作，直至满足预先设置的结束条件。

较佳的，所述计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率，包括：

根据所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵，计算发送波束成型矩阵所需要的第一发送功率和发送人工噪声方差矩阵所需要的第二发送功率；

根据所述第一发送功率和所述第二发送功率计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

较佳的，所述能效条件为：

其中，所述ξ₀为预先确定的能效阈值，所述B为预先确定的系统带宽，所述τ_u为合法用户终端的接收信噪比，所述τ_e,l为任意一个非法用户终端的接收信噪比，所述θ为预先确定的所述基站的功率放大系数，所述T_r(W)为所述第一发送功率，所述T_r(V)为所述第二发送功率，所述P_c为预先确定的功率放大器的固定损耗功率，所述P_eh为所述合法用户终端的收集能量。

较佳的，所述波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵还满足：所述当前功率分配系数对应的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件以及预先确定的安全性条件。

本发明实施例还提供了一种基站，包括：

功率分配系数选择模块，用于当预先确定的功率分配系数集合不为空时，在所述功率分配系数集合中选择一个功率分配系数作为当前功率分配系数；

矩阵确定模块，用于确定所述当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，其中，所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵至少满足所述当前功率分配系数对应的能效条件；

发送功率计算模块，用于根据所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵，计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；

发送功率确定模块，用于当所述功率分配系数集合为空时，在全部当前发送功率中选择最小的当前发送功率作为所述基站的目标发送功率。

较佳的，所述矩阵确定模块，具体用于当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵不存在时，根据预先确定的初始化矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；其中，所述初始化矩阵包括：波束成形初始化矩阵和人工噪声方差初始化矩阵；当所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵存在时，根据所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；将所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵分别作为所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，重复执行以上操作，直至满足预先设置的结束条件。

较佳的，所述发送功率计算模块，具体用于根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算发送波束成型矩阵所需要的第一发送功率和发送人工噪声方差矩阵所需要的第二发送功率；根据所述第一发送功率和所述第二发送功率计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

较佳的，所述能效条件为：

其中，所述ξ₀为预先确定的能效阈值，所述B为预先确定的系统带宽，所述τ_u为合法用户终端的接收信噪比，所述τ_e,l为任意一个非法用户终端的接收信噪比，所述θ为预先确定的所述基站的功率放大系数，所述T_r(W)为所述第一发送功率，所述T_r(V)为所述第二发送功率，所述P_c为预先确定的功率放大器的固定损耗功率，所述P_eh为所述合法用户终端的收集能量。

较佳的，所述波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵还满足：所述当前功率分配系数对应的预先确定的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件以及预先确定的安全性条件。

本发明实施例提供的发送功率的确定方法及基站，先确定功率分配系数集合中所有当前功率分配系数对应的波束成形矩阵及人工噪声方差矩阵；其中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的能效条件；然后根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；最后在所有当前发送功率中选择最小的发送功率作为基站的目标发送功率。也就是说，在本发明实施例提出的技术方案中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的能效条件。而不像现有技术中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵无法满足当前功率分配系数对应的能效条件。由此可见，和现有技术相比，本发明实施例提出的发送功率的确定方法及基站，能够达到减少基站能量消耗的目的，并且实现起来简单方便，便于普及，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的信息与能量同时传输系统的组成结构示意图；

图2为本发明实施例中发送功率的确定方法的实现流程示意图；

图3为本发明实施例中计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率的实现方法流程示意图；

图4为本发明实施例中基站的组成结构示意图。

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。

下面首先对本发明实施例中信息与能量同时传输系统进行介绍。参见图1，图1为本发明实施例中的信息与能量同时传输系统的组成结构示意图。如图1所示，该系统可以包括：一个基站、一个合法用户终端和多个非法用户终端。较佳地，本发明实施例提供的信息与能量同时传输系统可以采用多输入单输出的信号发送方法，即：基站的天线数量为N_t，合法用户终端和非法用户终端的天线数量均为1；其中N_t为大于1的自然数。具体地，合法用户终端可以配置：功率分流装置、能量收集装置以及信息解码装置。当合法用户终端接收到基站发送的信号后，功率分流装置可以根据预先确定的功率分流系数ρ将接收到的信号分成两部分，一部分信号分配给能量收集装置，用于收集信号中包含的能量，另一部分信号分配给信息解码装置，用于从信号中解码出所需信息。此外，基站在发送给合法用户终端信号的同时，非法用户终端也会截取到基站发送给合法用户终端的一部分信号，如果非法用户终端截取到基站发送给合法用户终端的信号较多时，非法用户终端就会对合法用户终端的安全性造成隐患。

参见图2，图2为本发明实施例中发送功率的确定方法的实现流程示意图。如图2所示，发送功率的确定方法可以包括以下步骤：

步骤201、当预先确定的功率分配系数集合不为空时，在功率分配系数集合中选择一个功率分配系数作为当前功率分配系数。

在本发明的具体实施例中，功率分配系数为：预先确定的合法用户终端的功率分流装置分配给信息解码装置的信号与功率分流装置接收到的信号的功率的比值。较佳地，功率分配系数集合可以是预先确定的，例如，功率分配集合可以为：(1，0.9，…，0.1，0)。因此，在本步骤中，当功率分配系数集合不为空时，可以在功率分配系数集合中选择一个功率分配系数作为当前功率分配系数。

步骤202、确定当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵；其中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足所述当前功率分配系数对应的能效条件。

在本发明的具体实施例中，可以采用现有技术确定当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵。例如，凸优化方法的内点法等。其中，波束成形矩阵为：波束成形向量w与其转置矩阵的乘积。具体地，波束成形矩阵W可以表示为：W＝ww^H。

在本发明的具体实施例中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的预先确定的合法用户终端的能效条件。其中，所述能效条件为：

其中，ξ₀为预先确定的能效阈值，B为预先确定的系统带宽，τ_u为合法用户终端的接收信噪比，τ_e,l为任意一个非法用户终端的接收信噪比，θ为预先确定的基站的功率放大系数，T_r(W)为第一发送功率，T_r(V)为第二发送功率，P_c为预先确定的功率放大器的固定损耗功率，P_eh为合法用户终端的收集能量。

步骤203、根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

在本发明的具体实施例中，可以先根据波束成形矩阵确定发送波束成形矩阵所需要的第一发送功率；还可以根据人工噪声方差矩阵确定发送人工噪声所需要的第二功率。较佳地，当前发送功率可以为第一发送功率与第二发送功率之和；波束成形向量可以由波束成形矩阵经特征值分解得到。

参见图3，图3为本发明实施例中计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率的实现方法流程示意图。如图3所示，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率的方法可以包括以下步骤：

步骤301、判断上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵是否存在。

在本发明的具体实施例中，基站在确定当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵之后，可以先判断上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵是否存在；当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵不存在时，执行步骤302；当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵存在时，执行步骤303。

步骤302、当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵不存在时，根据预先确定的初始化矩阵，确定波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵；其中，初始化矩阵包括：波束成形初始化矩阵和人工噪声方差初始化矩阵。

在本发明的具体实施例中，波束成形初始化矩阵为W₀，人工噪声方差初始化矩阵为V₀，W₀可以为1矩阵，V₀可以为0矩阵。

步骤303、当上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵存在时，根据上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵，确定波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵。

在本发明的具体实施例中，当上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵存在时，可以根据上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵，采用现有技术确定波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵。

步骤304、判断基站是否满足预先设置的结束条件；当基站满足结束条件时，执行步骤305；当基站不满足结束条件时，返回执行步骤301。

在本发明的具体实施例中，当基站满足预先设置的结束条件时，执行步骤305；当基站不满足所述结束条件时，返回执行步骤301。较佳地，所述预先设置的结束条件可以为：当前迭代次数等于预先设置的最大迭代次数。具体地，在本发明的具体实施中，可以将当前迭代次数的初始值设置为1，执行步骤302或者执行步骤303之后，可以将当前迭代次数加1，然后判断当前迭代次数是否等于最大迭代次数；当所述当前迭代次数小于最大迭代次数时，返回执行步骤301；当所述当前迭代次数等于最大迭代次数时，执行步骤305。

步骤305、根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算发送波束成型矩阵所需要的第一发送功率和发送人工噪声方差矩阵所需要的第二发送功率。

在本发明的具体实施例中，基站发送波束成型矩阵所需要的第一发送功率可以表示为T_r(W)；基站发送人工噪声方差矩阵所需要的第二发送功率可以表示为T_r(V)。

步骤306、根据第一发送功率和第二发送功率计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

在本发明的具体实施例中，当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率可以为P＝T_r(W)+T_r(V)。

根据上述的描述可知，根据上述的步骤301-306，基站能够确定当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，然后可以根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；并在全部当前发送功率中选择最小的当前发送功率作为基站的目标发送功率。

步骤204、当功率分配系数集合为空时，在全部当前发送功率中选择最小的发送功率作为基站的目标发送功率。

在本发明的具体实施例中，当功率分配系数集合为空时，表示功率分配系数集合中的所有功率分配系数均已经作为当前功率分配系数，基站获取到全部当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。因此，基站可以在全部当前发送功率中选择最小的当前发送功率作为目标发送功率。

较佳地，在本发明的具体实施例中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵还满足：当前功率分配系数对应的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件以及预先确定的安全性条件。

合法用户终端的服务质量条件为：

其中，h为预先确定的合法用户终端的信道向量，h^H为预先确定的合法用户终端的信道向量的转置向量，ρ为当前功率分配系数，W为波束成形矩阵，V为人工噪声方差矩阵，γ₀为预先确定的合法用户终端的接收信噪比阈值，σ²为预先确定的合法用户终端的天线噪声功率，σ_s²为预先确定的合法用户终端的处理噪声功率。

合法用户终端的收集能量条件可以为：

C2:P_eh＝η(1-ρ)(h^HWh+h^HVh+σ²)≥e₀

其中，η为预先确定的能量转换效率，e₀为预先确定的合法用户终端的收集能量的阈值。

合法用户终端的安全性条件可以为：

其中，g_l为预先确定的任意一个非法用户终端的信道向量，为g_l的转置向量，为预先确定的任意一个非法用户终端的天线噪声功率，β₀为预先确定的非法用户终端的接收信噪比阈值，L为预先确定的非法用户终端的数量。

合法用户终端的能效条件可以为：

其中，ξ₀为预先确定的能效阈值，B为预先确定的系统带宽，τ_u为合法用户终端的接收信噪比，τ_e,l为任意一个非法用户终端的接收信噪比，θ为预先确定的基站的功率放大系数，T_r(W)为第一发送功率，T_r(V)为第二发送功率，P_c为预先确定的功率放大器的固定损耗功率，P_eh为合法用户终端的收集能量。

较佳地，在本发明的具体实施例中，基站在全部当前发送功率中选择最小的发送功率作为基站的目标发送功率之后，可以使用目标发送功率对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵确定基站的天线波束及人工噪声，以此发送信号给合法用户终端。合法用户终端使用目标发送功率对应的功率分配系数对接收到的信号进行功率分流。使得系统的基站的发送功率达到目标发送功率，从而能够达到减少基站能量消耗的目的。

由此可见，本发明实施例提供的发送功率的确定方法，先确定功率分配系数集合中所有当前功率分配系数对应的波束成形矩阵及人工噪声方差矩阵；其中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵满足当前功率分配系数对应的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件、能效条件及预先确定的安全性条件；然后根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；最后在所有当前发送功率中选择最小的发送功率作为基站的目标发送功率。也就是说，在本发明实施例提出的技术方案中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵满足当前功率分配系数对应的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件、能效条件及预先确定的安全性条件。而不像现有技术中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵无法满足当前功率分配系数对应的能效条件。由此可见，和现有技术相比，本发明实施例提出的发送功率的确定方法，能够达到减少基站能量消耗的目的；并且，实现起来简单方便，便于普及，适用范围更广。

参见图4，图4为本发明实施例中基站的组成结构示意图。包括：

功率分配系数选择模块401，用于当预先确定的功率分配系数集合不为空时，在功率分配系数集合中选择一个功率分配系数作为当前功率分配系数。

矩阵确定模块402，用于确定当前功率分配系数对应的波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，其中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的能效条件。

发送功率计算模块403，用于根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

发送功率确定模块404，用于当功率分配系数集合为空时，在全部当前发送功率中选择最小的当前发送功率作为基站的目标发送功率。

进一步的，所述矩阵确定模块402，具体用于当上一个功率分配系数对应的上一个波束成形矩阵和上一个人工噪声方差矩阵不存在时，根据预先确定的初始化矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；其中，所述初始化矩阵包括：波束成形初始化矩阵和人工噪声方差初始化矩阵；当所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵存在时，根据所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，确定所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵；将所述波束成形矩阵和所述人工噪声方差矩阵分别作为所述上一个波束成形矩阵和所述上一个人工噪声方差矩阵，重复执行以上操作，直至满足预先设置的结束条件。

进一步的，所述发送功率计算模块403，具体用于根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算发送波束成型矩阵所需要的第一发送功率和发送人工噪声方差矩阵所需要的第二发送功率；根据所述第一发送功率和所述第二发送功率计算所述当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率。

进一步的，所述能效条件为：

其中，ξ₀为预先确定的能效阈值，B为预先确定的系统带宽，τ_u为合法用户终端的接收信噪比，τ_e,l为任意一个非法用户终端的接收信噪比，θ为预先确定的基站的功率放大系数，T_r(W)为第一发送功率，T_r(V)为第二发送功率，P_c为预先确定的功率放大器的固定损耗功率，P_eh为合法用户终端的收集能量。

进一步的，所述波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵还满足：所述当前功率分配系数对应的预先确定的合法用户终端的服务质量条件、合法用户终端的收集能量条件以及预先确定的安全性条件。

本发明实施例提供的基站，先确定功率分配系数集合中所有当前功率分配系数对应的波束成形矩阵及人工噪声方差矩阵；其中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的能效条件；然后根据波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵，计算当前功率分配系数对应的基站的当前发送功率；最后在所有当前发送功率中选择最小的发送功率作为基站的目标发送功率。也就是说，在本发明实施例提出的技术方案中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵至少满足当前功率分配系数对应的能效条件。而不像现有技术中，波束成形矩阵和人工噪声方差矩阵无法满足当前功率分配系数对应的能效条件。由此可见，和现有技术相比，本发明实施例提供的基站，能够达到减少基站能量消耗的目的；并且实现起来简单方便，便于普及，适用范围更广。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。