基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信领域，特别设及一种基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分 配设计方法。
【背景技术】
[0002] 移动通信系统从第二代到第四代的发展过程中，数据流量的需求呈现爆炸式增 长，并且在未来十年中还将增长一千倍，与此同时伴随而来的便是智能手机、平板电脑等无 线终端设备的迅速普及和数量急剧增加，在该个背景下，最亟待解决解决的问题之一便是 由于电池容量限制而导致的设备使用时间有限的困扰。随着用户对设备使用时间需求的提 高，射频无线能量捕获技术（RF-EH)应运而生。作为理论上能提供中远距离无线能量供应 实现无线充电与无线信号同时传输的技术，RF-H1提供了让无线设备终端免去有线充电的 解决方案。并且随着RF-H1技术的兴起，无线信号和能量同时传输（SWIPT)系统也引起了 广泛的关注。
[0003] 目前，业界已对SWIPT系统展开广泛讨论与深入研究。现有文献中关于SWIPT系 统的分析大多是基于无线设备终端从周围环境中捕获能量进行设计的，并没有考虑专口提 供能量的节点。值得指出的是，在该种条件下，终端只能捕获极少的能量，但该些能量仅能 满足诸如传感器等小功耗设备的运行而远不能满足智能手机、平板电脑、便携式电脑等常 用无线设备的能耗。由于该个原因，该些技术并不适用于更加普遍的场景。
[0004] 因此提出了一种由多天线能量站专口供电的无线通信系统，能量站作为一个专口 提供射频无线能量的设备，不需要任何回程链路，由此大大降低了设备实现的开销，使得大 规模布置能量站用W覆盖大范围无线终端成为了可能。并且发明人从时间分配比例T和 波束赋形器W出发，根据实际信道状态，进行基于最大化系统容量的参数设计，得到了比一 般情况下更为突出的效果。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对目前现状中存在的不足，提供一种基于无线能量传输的最佳 能量波束和时间分配设计方法。
[0006] 基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法：该系统中包含一个发送 节点，一个接收节点，一个解码转发的中继节点和一个采用波束赋形的能量站，除了能量站 配置有多根天线，其余节点都只配置单根天线，其中能量站，发送节点、接收节点构成一个 无线能量传输子系统；发送节点、接收节点和中继节点构成一个无线信号传输子系统，在一 个时隙T中该两个子系统按照时间分配比例T分别进行能量传输和信息传输，即，在前tT 时间内，能量站对发送节点和中继节点传输能量，在后（1-t)T时间内，发送节点通过中继 节点给接收节点传输信息，对时间比例和波束赋形器进行联合优化，使系统容量达到最大， 具体的方法包括如下步骤：
[0007] (1)能量站获取信道状态信息；
[0008] (2)能量站在获取信道状态信息后基于系统容量最大化计算最佳波束向量和最佳 能量分配时间。
[0009] 所述的能量站获取信道状态信息包括：
[0010] (1)能量站通过侦听发射节点和中继节点的导频，估计出能量站与相应的节点之 间的信道响应；
[0011] (2)能量站通过中继反馈获得发射节点与中继节点，中继节点与接收节点之间的 信道响应。
[0012] 所述的计算最佳波束向量和最佳能量分配时间为；在获得信道状态信息的条件 下，建立波束向量W和时间分配比例T的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为；
[0013]
【主权项】
1. 一种基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其特征在于该系统中 包含一个发送节点，一个接收节点，一个解码转发的中继节点和一个采用波束赋形的能量 站，除了能量站配置有多根天线，其余节点都只配置单根天线，其中能量站，发送节点、接收 节点构成一个无线能量传输子系统；发送节点、接收节点和中继节点构成一个无线信号传 输子系统，在一个时隙T中这两个子系统按照时间分配比例T分别进行能量传输和信息传 输，即，在前TT时间内，能量站对发送节点和中继节点传输能量，在后（l-T)T时间内，发 送节点通过中继节点给接收节点传输信息，对时间比例和波束赋形器进行联合优化，使系 统容量达到最大，具体的方法包括如下步骤： (1) 能量站获取信道状态信息； (2) 能量站在获取信道状态信息后基于系统容量最大化计算最佳波束向量和最佳能量 分配时间。
2. 根据权利要求1所述的基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其 特征在于：所述的能量站获取信道状态信息包括： (1) 能量站通过侦听发射节点和中继节点的导频，估计出能量站与相应的节点之间的 信道响应； (2) 能量站通过中继反馈获得发射节点与中继节点，中继节点与接收节点之间的信道 响应。
3. 根据权利要求1所述的基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其 特征在于：所述的计算最佳波束向量和最佳能量分配时间为：在获得信道状态信息的条件 下，建立波束向量w和时间分配比例T的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为：
S. t. 0 < T < 1, | |W| |2< 1 其中，n表示能量利用效率，p表示能量站的发射功率，队表示噪声功率，W表示波束赋 形器，VhyfdPf2分别表示能量站与发射节点、能量站与中继节点、发射节点与中继节点 以及中继节点与接收节点之间的信道响应，di、d2、d3、d4分别表示表示能量站与发射节点、 能量站与中继节点、发射节点与中继节点以及中继节点与接收节点之间的距离，〇表示路 径衰落指数。
4. 根据权利要求3所述的基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其 特征在于：所述建立波束向量w和时间分配比例t的联合优化问题可以分解为两个单变量 的优化问题，包括： (1) 对波束赋形器w单独进行优化问题； (2) 对时间分配比例t单独进行优化问题； 化简后的目标孩I数县体为：
5. t. 0 < T < 1
5.根据权利要求4所述的基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其 特征在于：所述的对波束赋形器w单独进行优化问题为：
5. t. | |w| |2< 1，。 所得的最优波束赋形器W为：
其弓
nx代表X 在其列空间的正交投影，丄代表垂直空间，*代表复共轭，1?代表共轭转置。
6. 根据权利要求4所述的基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，其 特征在于：所述的对时间分配比例t单独进行优化问题为：在对波束赋形器w完成优化使 zm达到最大以后的基础上，再基于系统容量达到最大对时间分配比例T进行单独优化，通 过一定的优化算法，所得的最佳时间分配比例T为：
2/7/^z 其中夕=一，W为Lambert函数。 /v〇
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线能量传输的最佳能量波束和时间分配设计方法，该系统中包含一个发送节点，一个接收节点，一个中继节点和一个采用波束赋形的能量站，除了能量站配置有多根天线，其余节点都只配置单根天线，其中能量站，发送节点、接收节点构成一个无线能量传输子系统；发送节点、接收节点和中继节点构成一个无线信号传输子系统；在一个时隙T中这两个子系统按照时间分配比例τ分别进行能量传输和信息传输，即，在前τT时间内，能量站对发送节点和中继节点传输能量，在后(1-τ)T时间内，发送节点通过中继节点给接收节点传输信息。在此系统下，能量站基于系统容量最大化对时间分配比例以及发射波束进行调整，获得最佳时间分配比例τ和波束赋形器w。
【IPC分类】H04B7-04, H04L12-10
【公开号】CN104811313
【申请号】CN201510157351
【发明人】钟财军, 梁晗, 孔垂丽, 张朝阳
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月3日