Mu-das无线携能通信系统的最优鲁棒构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信技术领域，具体设及MU-DAS无线携能通信系统的最优鲁椿构造 方法。
【背景技术】
[000引 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 与收集巧nergyHarvesting,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该一显著特点，SWIPT技术有望广泛用于高速射频标签（Radio 化equen巧Identification,RFID)、物联网W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。
[000引分布式天线系统值istributedantennasyste化DA巧无线移动通信领域技术的 重大突破。分布式天线技术主要由分布式天线单元和信号处理中屯、组成。研究表明，与传 统蜂窝系统相比，分布式天线技术在覆盖范围，信道容量，有效地抵抗路径损耗和阴影衰落 的影响，同信道干扰抑制和较少发射功率消耗等方面均具有明显优势。在下行传输，分布式 天线单元能实现有效地多用户空分多址（spatialdivisionmultipleaccess,SDMA),具 有减少小区内干扰，提高频率复用因子等优势。在无线多天线系统中，当发射机知道信道状 态信息时，可采用简单的波束成形技术来获取满发射分集增益和一定的阵列增益。最近研 究结果表明线性次优的波束成形方法能够接近于脏纸编码（dirtypapercoding,DPC)相 同的渐进求和容量。由于反馈的数目有限，信道估计和量化误差的存在，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。则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-DAS无线携能通信系统的鲁椿构造 方法，能够解决W各天线单位功率和终端采集功率量为限制的最大化最糟终端的信号与干 扰加噪声比（Si即altoInte;rferenceplusNoiseRatio，SINR)优化问题，从而获取最优 的功率分裂因子和波束成形向量。
[0005] 第一方面，本发明提供了一种MU-DAS无线携能通信系统的鲁椿构造方法，所述方 法包括：
[0006] S1 ;获取系统中各终端的信道估计矩阵；
[0007] S2 所述信道估计矩阵为中屯、，W预设的估计误差范围为半径建立欧几里得球 体，作为信道估计模型；
[000引 S3;根据所述信道估计模型，确定各分布天线单元功率限制和各终端所需最小的 采集功率，并构建最糟信干噪比的最大优化问题模型；
[0009] S4;将所述最糟信干噪比的最大优化问题模型转化为各分布式天线功率平衡问题 模型；
[0010] S5 ;根据S-procedure理论和Schur'Scomplement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；
[ocm] S6 ;利用半正定松弛技术，修正所述功率平衡问题模型；
[0012] S7;根据修正后的功率平衡问题模型，根据二分捜索方法获取最佳发射协方差矩 阵，并获得各终端的最佳波束成形矢量；
[0013] S8;根据终端的情况，利用修正后的功率平衡问题模型获取功率分裂因子。
[0014] 优选地，所述步骤S1具体包括：
[0015] 通过反馈的方式或系统的信道互惠性，获取系统中各终端的信道估计矩阵。
[0016] 优选地，所述步骤S2具体包括：
[0017] W所述信道估计矩阵为中屯、W估计误差范围ek为半径建立欧几里得球体，表示 为：
[001 引
【主权项】
1. 一种MU-DAS无线携能通信系统的鲁棒构造方法，其特征在于，所述方法包括： 51 :获取系统中各终端的信道估计矩阵； 52 :以所述信道估计矩阵为中心，以预设的估计误差范围为半径建立欧几里得球体，作 为信道估计模型； 53 :根据所述信道估计模型，确定各分布天线单元功率限制和各终端所需最小的采集 功率，并构建最糟信干噪比的最大优化问题模型； S4:将所述最糟信干噪比的最大优化问题模型转化为各分布式天线功率平衡问题模 型； 55 :根据S-procedure理论和Schur'scomplement理论，更新信干噪比和功率采集表 达式，简化所述功率平衡问题模型； 56 :利用半正定松弛技术，修正所述功率平衡问题模型； 57 :根据修正后的功率平衡问题模型，根据二分搜索方法获取最佳发射协方差矩阵，并 获得各终端的最佳波束成形矢量； 58 :根据终端的情况，利用修正后的功率平衡问题模型获取功率分裂因子。
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，获取系统中各终端的信道估计矩阵。
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： 以所述信道估计矩阵为中心以估计误差范围ek为半径建立欧几里得球体，表示为：
其中，74.表示信道估计矢量集合，&为信道估计模型，信道估计误差为Al^eC^1，所 有分布式天线单元到第k个终端的信道估计矢量为&eCA/Xl，e，表示所述欧几里得球体 的半径，且满足| |Ahk| <ek。
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第k个终端的信息解码部 分相应的信干噪比为：
其中，SINRk(Pk，{vk})表示第k个终端的信息解码部分相应的信干噪比，Pk表示第k个终端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个终端的发射波束成形 向量；基站到第k个终端的噪声为独立复高斯白噪声，满足％~CW(().大）；zk表示为第k个 终端信息解码部分的加性噪声，满足A~CW(0.<); 532 :确定第k个终端的采集功率为：
其中，Ek(Pk，{vk})表示第k个终端采集的功率，(01]表示为第k个终端的能量 转换效率； S33 :根据预设的阈值条件，构建最糟SINR的最大化优化问题模型：
0〈Pk〈l，l彡k彡K 其中，ek表示第k个终端的功率阈值，且ek>0,Pm表示第m个天线单元的预设的发射功 率，终端的总个数为K，分布式天线单元总个数为M。
5.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： 541 :固定各终端的功率分裂因子汚=巧，，（p〇)优化问题模型简化为：
其中，A(忍)为P1优化问题模型关于忍的最优值，
3第k个终端功率分裂因子的信干噪比； 542 :将（P1)优化问题模型转化为各个分布式天线功率平衡问题模型：
其中，，a?(A)为（P2)优化问题模型关于A的最优值。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括： 551 :根据信道估计误差满足| |Ahk| | <ek，获取信干噪比SINRk的等价式：
552 :引入辅助变量svjf，依据S-procedure理论和Schur'scomplement理论， 获得消掉Ahk的SINRk重写式：
经过矩阵运算得到
其弓
，〇，1^= 1，...，K为松弛变量。 同理，获得消掉Ahk的EHk重写式：
其中
为松弛变量； 553 :依据SINRk和的重写式，获取（P2)问题模型变量的一次型的简化形式；
7. 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： 利用半正定松弛技术去掉秩1限制，获得修正后的功率平衡问题模型。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括： 571 :根据修正后的功率平衡问题模型，根据二分搜索方法，获得最佳发射协方差矩阵 X:⑷； 572 :根据特征值分解，获取各终端的最佳波束成形矢量k= 1，. . .，K。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述二分搜索方法，具体包括： 5701、 初始化A的下界Amin，上界Amax和算法精度因子n>〇 ; 5702、 判断Umax-Amin) /Amax〈n是否成立，若是，则转至步骤S706，否则转至步骤 S703 ； 5703、 二分搜索A，使
5704、 根据数值优化工具，处理修正后的功率平衡问题模型，获取各终端的最佳发射协 方差矩阵<(2)和a"'(入）； S705 :判断a*(Amax)>l是否成立，若是，则令A_=A，并转至步骤S702,否则令入min =人，并转至步骤S702 ; S706、输出当前最佳发射协方差矩阵4和/T(死）。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括： S81 :根据修正后的功率平衡问题模型的结果r(A)，建立功率分裂因子优化问题模 型：
s.t. 0<pk<l S82:当所有终端具有不同的功率分裂因子时，根据多维穷举搜索方法解决（P4)问题 模型，获得最优的功率分裂因子； S83 :当所有终端具有相同的功率分裂因子时P=P1= . . .=Pk，，根据1维搜索方 法，获得次优的功率分裂因子。
【专利摘要】本发明提供了MU-DAS无线携能通信系统的最优鲁棒构造方法，包括：获取系统中各终端的信道估计矩阵；以所述信道估计矩阵为中心，以预设的估计误差范围为半径建立欧几里得球体，作为信道估计模型；根据所述信道估计模型，构建最糟信干噪比的最大优化问题模型；将最糟信干噪比的最大优化问题模型转化为各分布式天线功率平衡问题模型；简化所述功率平衡问题模型；利用半正定松弛技术，修正所述功率平衡问题模型；根据修正后的功率平衡问题模型，获得各终端的最佳波束成形矢量；根据终端的情况，利用修正后的功率平衡问题模型获取功率分裂因子。本发明能够解决以各天线单位功率和终端采集功率量为限制的最大化最糟终端的SINR优化问题。
【IPC分类】H04L25-02, H04L1-00
【公开号】CN104702372
【申请号】CN201510075002
【发明人】王忠勇, 朱政宇, 张园园, 张延彬, 高向川, 葛伟力
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月12日