一种基于SWIPT技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法与流程

本发涉及一种基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，属于swipt系统下的预编码方法领域。

背景技术：

随着近年来无线通信业务的爆炸式增长，网络规模逐渐增大，如传感器网络(wirelesssensornetwork,wsn)的许多种网络都存在着由于大多数节点无源所导致的可持续性差的问题。虽然单个节点耗电量低、数据交换量较小，但因其网络规模庞大，计算复杂度仍较高，网络寿命较短。

中继技术可以通过设计有效的通信协议来合理分配通信网络中的有限资源以降低系统的能耗，通过提高网络能效来帮助降低整个通信网络的能耗，从而延长网络寿命。无线信息和能量的同时传输技术(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer,swipt)可以利用信号中携带的能量以及周围环境中的电磁破能量为设备供电。该技术包含无线信号传输与无线能量传输，由于传输信号的总能量是有限的，更高得传输速率与收集更多的能量是互相矛盾的目标，无法同时满足。

鉴于上述两种技术，本发明将对信息收集与能量收集进行有效的折中保证各节点正常工作并延长网络寿命，同时通过设计发送端与中继的低复杂度联合预编码方案降低网络计算复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的中继技术无法同时满足较高的传输效率以及较多的能量的缺点，而提出一种基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，所述方法用于将预编码信号由基站发送至中继，再由中继发送至用户；设由基站到用户的一个周期分为2t⁰个时隙；所述方法包括如下步骤：

在前t⁰个时隙内：

步骤一：基站将经过预编码的信号发送到中继；

步骤二：中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定对该子资源块进行能量收集或信息转发；

步骤三：计算中继在前t⁰个时隙内获得的能量，即所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量之和；

在后t⁰个时隙内：

步骤四：中继将接收到的信号经过预编码后发送给k个用户；

步骤五：在第k个用户的接收端，用户使用全向接收矩阵rk对数据进行检测，得到检测信号并根据检测信号计算k个用户总的误差协方差矩阵；

步骤六：根据最小均误差准则，构建目标函数；所述目标函数为：在满足基站预编码矩阵的功率限制条件以及中继转发所需能量条件时，计算所述误差协方差矩阵的迹的最小值；

步骤七：根据所述目标函数，计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略。

本发明的有益效果为：当系统模型固定时，本发明为速率与能量的需求矛盾提供了可靠地解决办法，为能量储存与信息转发的资源分配提供了有效途径。针对不同中继放大转发与供电需求，通过计算可以得到相应的低复杂度的基站与中继联合预编码策略。

附图说明

图1为本发明的基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法的流程图；

图2为本发明的下行swipt多用户mimo中继示意图；

图3为本发明的基于门限切换的中继结构示意图。

变量含义说明：

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于swipt技术的发送端及中继的低复杂度联合预编码方法，所述方法用于将预编码信号由基站发送至中继，再由中继发送至用户；设由基站到用户的一个周期分为2t⁰个时隙；

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在前t⁰个时隙内：

步骤一：基站将经过预编码的信号发送到中继；

步骤二：中继的门限切换模式对接收到的每个子资源块进行判断，根据判断结果决定对该子资源块进行能量收集或信息转发；

步骤三：计算中继在前t⁰个时隙内获得的能量，即所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量之和；

在后t⁰个时隙内：

步骤四：中继将接收到的信号经过预编码后发送给k个用户；

步骤五：在第k个用户的接收端，用户使用全向接收矩阵rk对数据进行检测，得到检测信号并根据检测信号计算k个用户总的误差协方差矩阵；

步骤六：根据最小均误差准则，构建目标函数；所述目标函数为：在满足基站预编码矩阵的功率限制条件以及中继转发所需能量条件时，计算所述误差协方差矩阵的迹的最小值；

步骤七：根据所述目标函数，计算下行发送预编码矩阵以及接收矩阵，进而确定基站与中继联合预编码策略。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：

步骤一中，中继接收到的来自基站的信号为：

其中，yr为中继接收到的信号矢量，x为发送信号矢量，t＝(t1,…,tk)为基站的预编码矩阵，其中为基站对向第k个用户发送的向量的预编码。为基站到中继之间的信道矩阵，其中的元素为独立同分布的复随机变量，均值为0，的方差为1。为零均值加性高斯白噪声，且满足为噪声功率；基站预编码矩阵需满足功率限制tr(tt^h)≤ps，其中ps表示基站发射最大功率。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：

步骤二具体为：

假设t⁰时间内中继接收m个资源块，门限切换模式可以对每一子资源块进行判断，根据判断的结果决定对该资源块进行能量收集或是信息转发。将第m个资源块传播时的信道能量定义为表示基站发送信号时使用的天线数，假定在发送第m个子资源块时基站的预编码方案为t(m)，t(m)＝[t1(m)t2(m)…tn(m)]，令θ表示距离衰落因子，g表示信号大尺度衰落，同时定义a(m)＝gt(m)；通过a(m)取值选择接收机进行能量收集或接收信息，根据情况选取的值作为门限进行两种模式的切换参考，从而获取适应性较强的切换方式。

将信道能量a(m)取值作为判断结果，根据判断结果决定接收机进行能量收集或接收信息，具体判断过程为：

即当信道能量a(m)的值小于或等于门限的值时接收信息，当信道能量a(m)的值大于门限的值时进行能量收集。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：

步骤三中，在第m个资源块到达中继时，中继所接收到的信号为

其中yr(m)与nr(m)分别表示第m个时隙接收到的信号与噪声向量。当ρ(m)＝0，在第m时隙收集到的能量可以表示为

于是，在整个周期所获得的能量即为所有资源块被判定为能量收集模式时收集到的能量的和。令h＝||g||²/ns假定m→∞，在使用n跟天线，门限为信道条件为g，将基站预编码能量归一化，整个周期内收集到的能量可以表示为

由于a(m)是服从独立同分布的零均值且具有共同方差h的高斯随机变量。因此a(m)为具有n个自由度的χ²随机变量，根据卡方分布自由度可加性得n＝2n，σ²＝h/2n。根据定义得给定信道条件下(g为一常数)的其概率密度函数(probabilitydensityfunction,pdf)为

累积分布函数(cumulativedistributionfunction,cdf)表示为

其中，γ(x)为伽玛函数，定义为可得前t⁰时间内收集的能量。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤四种：

在后t⁰时间内，中继对接收到的信号经过预编码后发送给用户，假定中继预编码矩阵为则第k个用户接收到的信号为

yk＝hkwgtx+hkwnr+nk(9)

其中yk为第k个用户接收到的信号矢量，与g类似，其元素为独立同分布的高斯随机变量，且均值为0，方差为1，nk为中继到用户间信道的加性高斯白噪声。均值为零，方差为中继处预编码矩阵需要满足p为中继允许的最大发射功率，其大小与中继收到的能量相关，此处令

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤五中：

在第k个用户的接收端，用户利用全向接收矩阵rk对数据进行检测，设检测到的信号为其可以表示为

则k个用户总的误差协方差矩阵为

其中r＝blkdiag{r1r2…rk}是块对角矩阵主对角线上元素依次为r1，r2，…rk。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤六中：

下行swipt系统多用户中继系统中，基于最小mse准则的联合接收机设计问题可以建模为如下的目标函数：

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤七具体为：

步骤七一：利用矩阵求逆定理将误差协方差矩阵f(t,w,r)变形为：

其中wr＝t^hg^hm^-1；

步骤七二：已有证明，中继处预编码矩阵达到最优时可以表示为：

并且，对于任意的w都可以找到f满足公式(14)。于是对于w的优化可以转换为对f的优化，其中f为中继向前预编码矩阵。

将误差协方差矩阵f(t,w,r)分解成两个函数的和，可以表示为：

f(t,w,r)＝f1(t)+f2(r,f,n)(15)

其中，

步骤七三：当基站到中继之间信噪比足够高时，有则n→i；此时将f2(r,f,n)近似表达为：

步骤七四：根据步骤七三，可以看出f2只与用户线性接收矩阵r与f有关。基站预编码矩阵t与f无关，f1只与t有关。于是可以将中继允许的最大发射功率表示为

步骤七五：根据步骤七四，可以将公式(12)对应的问题转化为第一函数

以及第二函数

并对所述第一函数以及第二函数分别进行求解；

步骤七六：问题(21)的求解可以等效为点对点mimo系统的优化问题，可以使用传统点对点mimo优化问题最优解结构t＝v·δf，v为g的右奇异矩阵，g＝u∑v^h，为功率矩阵，应用拉格朗日乘数法得到δf的结果为：

其中(x)⁺＝max(x,0)，v为引入的拉格朗日因子，其大小需要满足功率限制。

而问题(22)与多用户mimo优化问题类似，其目标函数可以理解为传统多用户mimo系统中所有用户最小均方误差的总和，于是该问题可以看做swipt系统下基于mse准则的多用户mimo收发机设计，f为下行发送预编码矩阵，r为接收矩阵，根据kkt条件，得到f与r。

f＝(h^hr^hrh+λi)^-1h^hr^h(24)

其中f＝[f1,f2,…,fk],fk可以理解为用户k预编码矩阵，f与r互为函数，因此可以采用如下迭代算法(算法1)对其进行求解：

其中，pⁱ表示第i次迭代结果，ε为终止门限。

由于问题(22)的目标函数单调递减并且非负，于是结果必定能够收敛。求解得到f之后再根据公式(14)求得w。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。