Mu-miso无线携能通信系统的鲁棒构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，具体涉及MU-MISO无线携能通信系统的鲁棒构造方 法。
【背景技术】
[0002] 无线携能通信（SimultaneousWirelessInformationandPower Transfer，SWIPT)是在现有无线供电技术的基础上，通过某种技术手段，在完成能量的传输 与收集（EnergyHarvesting,EH)的同时，实现高效可靠通信，从而充分利用宝贵的发射功 率。基于信息与能量并行传输这一显著特点，SWIPT技术有望广泛用于高速射频标签（Radio FrequencyIdentification，RFID)、物联网以及各类移动终端之间的信息交换与能量传 输，在实现高速信息交换的同时，通过提取接收信号中的能量有效地向各种终端设备馈电， 从而取代传统有线或电池供电所带来的不便，减小终端设备的体积与成本，并延长其待机 时间。
[0003] 多输入单输出（Multiple-InputSingle-Output，MIS0)技术是指发送端采用 了多根天线。随着多天线技术研宄的深入，MISO技术已从点对点的单用户多输入多输出 (Multiple-InputMultiple-Output，MIM0)技术扩展到了点对多点的多用户MISO系统 (MultipleUserMIS0，MU_MIS0)。研宄表明，在MU-MISO系统中，发射机利用准确的信道信 息对带发射数据进行简单的波束成形的预处理，从而实现分集和阵列增益。然而，这一假设 并不现实。在时分双工（Time-DivisionDuPlexJDD)系统中，虽然上下行链路空间传播信 道的基带响应在理论上满足互易性（reciprocity)，但在考虑射频到基带之间相互转换等 因素时则很难实现。对频分双工（Frequenency-DivisionDuplex，FDD)系统，其上下行链 路信道不具有互易性。因此，一种较为可行的方式是：接收机先估计信道信息，再将其反馈 给发射机。但由于开销不能太大，反馈链路的带宽受到限制，加之目前通信系统的数字化实 现需要，一般只能用若干比特对需要反馈的信道信息进行量化，再传递给发射机，但是实际 系统中接收机可以反馈的信息量是有限的。这种方案导致发射机端获得的系统信道信息与 真实的信道信息之间存在一定的误差。在上述两种情况下，发射机获得的下行链路信道信 息与真实的信道信息不能完全匹配，根据不完全信道信息计算得到的波束成形方案性能也 会受到很大影响。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种MU-MISO无线携能通信系统的鲁棒构造 方法，能够解决在部分信道信息条件下所需的发射总功率过大的问题，从而降低基站侧操 作的复杂度。
[0005] 第一方面，本发明提供了一种MU-MISO无线携能通信系统的鲁棒构造方法，所述 方法包括：
[0006] Sl:获取系统中各用户的信道估计矩阵；
[0007] S2:以所述信道估计矩阵为中心以信道估计误差为半径建立欧几里得球体，作为 信道估计模型；
[0008]S3:根据所述信道估计模型，确定各用户所需最小的信干噪比和采集功率，并构建 平均发射总功率最小优化问题模型；
[0009] S4 :将所述优化问题模型中变量的二次型转换为一次型；
[0010] S5:根据松弛下界理论或拉格朗日乘子理论，更新信干噪比和功率采集表达式，简 化所述优化问题模型；
[0011] S6:根据简化后的优化问题模型，获取各用户的最佳发射协方差矩阵和功率分裂 因子；
[0012] S7 :对所述最佳发射协方差矩阵根据特征值进行分解，获得最佳波束成形向量。
[0013] 优选地，所述步骤Sl具体包括：
[0014] 通过反馈的方式或系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。
[0015] 优选地，所述步骤S2具体包括：
[0016] 以所述信道估计矩阵为中心以信道估计误差为半径建立欧几里得球体，表示为：
[0017]
【主权项】
1. 一种MU-MISO无线携能通信系统的鲁椿构造方法，其特征在于，所述方法包括： 51 ;获取系统中各用户的信道估计矩阵； 52. W所述信道估计矩阵为中屯、W信道估计误差为半径建立欧几里得球体，作为信道 估计模型； S3;根据所述信道估计模型，确定各用户所需最小的信干噪比和采集功率，并构建平均 发射总功率最小优化问题模型； 54 ;将所述优化问题模型中变量的二次型转换为一次型； 55 ;根据松弛下界理论或拉格朗日乘子理论，更新信干噪比和功率采集表达式，简化所 述优化问题模型； 56 ;根据简化后的优化问题模型，获取各用户的最佳发射协方差矩阵和功率分裂因 子； 57 ;对所述最佳发射协方差矩阵根据特征值进行分解，获得最佳波束成形向量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括： 通过反馈的方式或系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括： W所述信道估计矩阵为中屯、W信道估计误差为半径建立欧几里得球体，表示为：
其中，'巧表示信道估计误差集合，Ahk表示第k个用户的信道估计误差，表示第k个 用户的信道估计向量，Ek表示所述欧几里得球体的半径； 根据所述欧几里得球体，获得信道估计模型： h* =心+Ah* 其中，^l,_表示信道估计模型，么11,€。1^是一个范数界误差向量满足I I Ahkll《￡k， 系统的用户个数为K，系统基站端的发射天线数为M。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括： 531 ;对系统进行初始化设置，并根据所述信道估计模型确定各用户设备所需最小的信 干噪比为：
其中，SINRk(Pk，ivj)表示第k个用户所需最小的信干噪比，Pk表示第k个用户的接 收天线装配的功率分裂器的功率分裂因子，Vk表示第k个用户的发射波束成形向量，基站到 第k个用户的噪声为独立复高斯白噪声rik，满足IV.在V(O.of)，Zk表示为第k个用户信息 解码部分的加性噪声，满足Z,?CAT(0，《）； 532 ;确定各用户设备的采集功率为：
其中，Ek(Pk，{vj)表示第k个用户采集的功率，CkE (01]表示为第k个用户的能量 转换效率； S33 ;根据预设的阔值条件，建立平均发射总功率最小优化问题模型：
其中，表示发射总功率，°k表示预设的信干噪比阔值，且a k〉〇,6k表示预设 的功率阔值，且ek〉0。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3之后，该方法还包括： 判断所述总功率最小优化问题模型中用户所需的信干噪比是否满足可行性条件，若不 满足，则降低所述信干噪比，直至满足所述可行性条件。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括： 获取所述优化问题模型的等价式：
将所述优化问题模型中变量的二次型转换为一次型：
其中，，白;=<1;击戸:表示为第1^用户的信道估计协方差矩阵，Ak表示为第k 用户的信道估计协方差矩阵的不确定值，满足+Ah&：fif +AhtAhf ;引入辅助因子
写k，满足II Akll《写k。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中所述根据松弛下界理论，更新信 干噪比和功率采集表达式，简化所述优化问题模型，具体包括： 将信干噪比表达式分子最小化且分母最大化，获得信干噪比的最小化表达式：
根据信干噪比和功率采集的最小化等价式，将所述优化问题模型转化为：
根据半正定松弛技术，去掉（P3)优化问题模型中rank(W;_) = l，VA限制，（P3)优化问题 模型转化成半正定问题模型。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S5中所述根据拉格朗日乘子理论，更 新信干噪比和功率采集表达式，简化所述优化问题模型，具体包括： 利用拉格朗日乘子法，获取第k用户的信道估计协方差矩阵的不确定值Ak的上下界 表达形式：
根据所述Ak的上下界，获取各用户信干噪比的最优化表达式：
根据所述Ak的下界，获取各用户功率采集的最优化表达式：
根据所述信干噪比和功率采集的最优化表达式，将（P2)优化问题模型转化为：
根据半正定松弛技术，去掉（P4)优化问题模型中rank(Wk) = 1，VA限制，所述优化问 题模型转化成厄尔米特矩阵的迹tr与范数norm之和的问题模型。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括： 根据数值优化工具，获取各用户的最佳发射协方差矩阵Wk和矩阵分裂因子P k。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括： 根据特征值分解公式对所述最佳发射协方差矩阵Wk进行分解，获取各用户 的最佳波束成形向量<，其中，k = 1，2,. . .，K。
【专利摘要】本发明提供了MU-MISO无线携能通信系统的鲁棒构造方法，包括：获取系统中各用户的信道估计矩阵；以信道估计矩阵为中心以信道估计误差为半径建立欧几里得球体，作为信道估计模型；根据信道估计模型，确定各用户所需最小的信干噪比和采集功率，并构建平均发射总功率最小优化问题模型；将优化问题模型中变量的二次型转换为一次型；根据松弛下界理论或拉格朗日乘子理论，更新信干噪比和功率采集表达式，简化优化问题模型；获取各用户的最佳发射协方差矩阵和功率分裂因子；对最佳发射协方差矩阵根据特征值进行分解，获得最佳波束成形向量。本发明能够解决在部分信道信息条件下所需的发射总功率过大的问题，从而降低基站侧操作的复杂度。
【IPC分类】H04L25-02, H04B7-06
【公开号】CN104601213
【申请号】CN201510074650
【发明人】王忠勇, 朱政宇, 张园园, 张延彬, 路新华, 崔建华
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月12日