一种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，包括如下步骤：混合式基站获取信道状态信息；混合式基站在获取信道状态信息后基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形器和时间分配参数；混合式基站基于最佳波束赋形器内向用户节点和中继节点传输能量；能量传输阶段结束后，用户节点利用收集到的能量向中继节点和混合式基站发送信息；中继节点在收到用户节点的信息后，利用收集到的能量，采用放大转发协议协助转发用户节点的信息；混合式基站在收到用户节点和中继节点的信息后，通过处理检测用户节点的信息。该方法通过实时的调整时间分配参数和波束赋形器，使得系统吞吐量渐近达到理论最大系统吞吐量，大幅提高了系统的能效。
【专利说明】
一种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方 法。
【背景技术】
[0002] 随着智能手机、平板电脑、手提电脑、智能手环等无线智能终端的大规模普及，如 何解决智能设备续航时间瓶颈约束已成为了一个亟待解决的关键问题。近年来，随着无线 能量传输技术的不断成熟，利用射频无线能量捕获技术(RF-EH)为通信设备供能已经成为 可能。
[0003] 将无线能量传输和无线信息传输有机结合起来，构建一个高效的能量和信息传输 一体化网络引起了广泛地关注。学术界提出了一种混合基站模型，在该模型中，基站首先作 为能量源为小区中的通信节点提供能量，当通信节点收集到足够的能量后，再向基站发送 信息。然而，由于无线能量传输面临的路径损耗，无线能量传输的效率成为实际系统设计的 一个瓶颈。鉴于此，研究人员提出了利用多天线技术和中继技术提升无线能量传输效率的 基本思路。
[0004] 目前，相关研究工作尚处于起步阶段，而且现有技术中也没有基于混合式基站最 大化通信系统吞吐量的技术。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于混合式基站最大化通信系 统吞吐量的方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：
[0007] -种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，所述的通信系统包括用户节 点，中继节点和设有波束赋形器的混合式基站;所述的混合式基站配置多根天线，用户节点 和中继节点配置单根天线;具体包括如下步骤：
[0008] 1)混合式基站获取信道状态信息；
[0009] 2)混合式基站在获取信道状态信息后基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形 器w和时间分配参数τ;
[00?0] 3)混合式基站基于最佳波束赋形器w在前ττ时间内向用户节点和中继节点传输能 量，其中T为信道相干时间，0 < τ < 1;
[0011] 4)能量传输阶段结束后，在后（Ι-τ)Τ时间内，用户节点利用收集到的能量向中继 节点和混合式基站发送信息；中继节点在收到用户节点的信息后，利用收集到的能量，采用 放大转发协议协助转发用户节点的信息；
[0012] 5)混合式基站在收到用户节点和中继节点的信息后，通过处理检测用户节点的信 息。
[0013] 所述的步骤1)中的信道状态信息包括：
[0014] la)混合式基站通过侦听用户节点和中继节点的导频，估计出混合式基站与相应 的用户节点和中继节点之间的信道状态信息；
[0015] Ib)混合式基站通过中继节点反馈获得用户节点与中继节点之间的信道状态信 息。
[0016] 所述的步骤2)中基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ 是指：
[0017] 建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别 为：
[0020] 其中，η表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的发射功率;No表示噪声功率;W表示 波束赋形器;h^hs、和h 3分别表示用户节点与混合式基站、中继节点与混合式基站以及用户 节点与中继节点之间的信道状态信息;dhdhCb分别表示用户节点与混合式基站、中继节点 与混合式基站以及用户节点与中继节点之间的距离;α表示路径衰落指数；I I表示对向量取 模；1111表示对向量取2-范数。
[0021] 所述的建立波束赋形器w和时间分配参数T的联合优化问题近似的分解为两个单 变量的优化问题，包括:对波束赋形器w单独进行优化问题和对时间分配参数τ单独进行优 化问题。
[0022] 所述的对波束赋形器w单独进行优化问题可近似为：
[0024] s.t I |w| I2^l,
[0025] 其_
分别表不向量hfw和:h!W的模，|h31表不复数h3的模，I |hi I I和 I Ih21 I分别表示向量hi和h2的2-范数，T表示转置；
[0026]所得的最佳波束赋形器w为：
[0027]
[0028] 其中，.n^h2.表示向量h丨在向量.h丨上的投景多，HlvIi 2表示向量h2在向量hi上的投影， nh|t表示向量14在向量吣的垂直空间上的投影，nh h2表示向量^在向量hl的垂直空间上 的投影，*表示共辄；
[0029]当 Aa2+D(b2-c2)=0 时：
[0038] 所述的对时间分配参数τ单独进行优化问题为:在对波束赋形器w完成优化的基础 上，再基于系统吞吐量达到最大对时间分配参数τ进行单独优化，所得的近似最佳时间分配 参数τ为·
[0039]
[0040] 函数。
[0041] 所述的步骤5)中通过处理检测用户节点的信息是指:混合式基站通过最大比合并 的方法接收直接来自用户节点的信息以及用户节点通过中继节点转发的信息。
[0042] 同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0043] (1)本发明考虑了混合式基站的通信模型，在原有的经典基站中引入了WPCN技术， 该模型可以广泛适用于移动电话行动通信标准、物联网等应用场景中，为无线设备终端持 续供能。
[0044] (2)本发明根据实时的信道状态信息，通过巧妙的优化算法，得到了简洁的时间分 配参数τ、波束赋形器w这两个重要参数的闭式解形式，相比通过遍历搜索得到这两个参数 的方式大大缩短了处理时间。更短的处理时间也使参数调整频率能够有效提升，通过实时 的调整时间分配参数和波束赋形器，使得系统吞吐量渐近达到理论最大系统吞吐量，大幅 提高了系统的能效，符合绿色通信的理念。
【附图说明】
[0045]图1是本发明应用场景不意图；
[0046] 图2是基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的流程图；
[0047] 图3是本发明在给定不同混合式基站天线数目的情况下，采用本发明最佳波束赋 形器和最佳时间分配参数方案的系统吞吐量随信噪比变化并与采用一般方案情况下系统 吞吐量对比的曲线。
【具体实施方式】
[0048] 下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0049] 如图1所示，所述的通信系统包括用户节点，中继节点和设有波束赋形器的混合式 基站;所述的混合式基站配置多根天线，用户节点和中继节点配置单根天线。
[0050] 如图2所示，基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法具体包括如下步骤：
[0051] 1)混合式基站获取信道状态信息；
[0052] 2)混合式基站在获取信道状态信息后基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形 器w和时间分配参数τ;
[0053] 3)混合式基站基于最佳波束赋形器w在前ττ时间内向用户节点和中继节点传输能 量，其中T为信道相干时间，0 < τ < 1;
[0054] 4)能量传输阶段结束后，在后（Ι-τ)Τ时间内，用户节点利用收集到的能量向中继 节点和混合式基站发送信息；中继节点在收到用户节点的信息后，利用收集到的能量，采用 放大转发协议协助转发用户节点的信息；
[0055] 5)混合式基站在收到用户节点和中继节点的信息后，通过处理检测用户节点的信 息。
[0056] 所述的步骤1)中的信道状态信息包括：
[0057] la)混合式基站通过侦听用户节点和中继节点的导频，估计出混合式基站与相应 的用户节点和中继节点之间的信道状态信息；
[0058] Ib)混合式基站通过中继节点反馈获得用户节点与中继节点之间的信道状态信 息。
[0059] 所述的步骤2)中基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形器w和时间分配参数τ 是指：
[0060] 建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别 为：
[0062] s · t 0<τ<1，I I w I 11;
[0063] 其中，η表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的发射功率;No表示噪声功率;w表示 波束赋形器;1η、?! 2、和h3分别表示用户节点与混合式基站、中继节点与混合式基站以及用户 节点与中继节点之间的信道状态信息;C^dhd 3分别表示用户节点与混合式基站、中继节点 与混合式基站以及用户节点与中继节点之间的距离;α表示路径衰落指数；I I表示对向量取 模；1111表示对向量取2-范数。
[0064] 所述的建立波束赋形器w和时间分配参数τ的联合优化问题近似的分解为两个单 变量的优化问题，包括:对波束赋形器w单独进行优化问题和对时间分配参数τ单独进行优 化问题。
[0065] 所述的对波束赋形器w单独进行优化问题可近似为：
[0066]
[0067] s.t I |w| |2<1，
[0068] 其中
子别表不向量Iifw和h:【w的模，I h31表不复数h3的模，I I hi I I和 I I h21 I分别表示向量hi和h2的2-范数，T表示转置；
[0069]所得的最佳波束赋形器w为：
[0070]
[0071] 其中，^表示向量在向量.hj上的投影，nh h:表示向量J12在向量I11上的投影， 1???示向量h【在向量K的垂直空间上的投影，?表示向量^在向量hl的垂直空间上 的投影，*表示共辄；
[0072]
[0073]
[0074]
[0081 ]所述的对时间分配参数τ单独进行优化问题为:在对波束赋形器w完成优化的基础 上，再基于系统吞吐量达到最大对时间分配参数τ进行单独优化，所得的近似最佳时间分配 参数τ为·
[0082]
[0083]
函数。
[0084] 所述的步骤5)中通过处理检测用户节点的信息是指:混合式基站通过最大比合并 的方法接收直接来自用户节点的信息以及用户节点通过中继节点转发的信息。
[0085] 具体的实施例，技术场景如下：系统中包含一个用户节点，一个放大转发协议的中 继节点和一个采用波束赋形器并且能够同时传输能量和收发信息的混合式基站，除了混合 式基站配置多根天线，其余节点均只配置单根天线;在运行过程中，系统按照信道状态信息 的变化实时调整波束赋形器w和时间分配参数τ，假设信道相干时间为T，在前τΤ时间内，混 合式基站对用户节点和中继节点传输能量，在后（1-τ)Τ时间内，用户节点同时通过中继节 点传输和直接传输的方式给混合式基站传输信息。在本实施例中，用户节点和中继节点将 电磁波转换为存贮的电能的能量利用效率为80%，路径损耗指数为3,混合式基站与用户节 点和中继节点之间的距离分别为5米，3米，用户节点与中继节点之间的距离为3米。
[0086] 为证明本发明中的最佳波束赋形器性能确实优于普通设计，本实施例用了以下对 比：高信噪比大规模天线条件下的一般波束赋形器w设计方法，即
[0087]
[0088]
[0089] 别表示表示向量hi和h2的2-范数，T表示转置，*表示共辄，η表示能量利用效率，Ps表示混合 式基站的发射功率，No表示噪声功率，w表示波束赋形器，h^hs、和h3分别表示用户节点与混 合式基站、中继节点与混合式基站以及用户节点与中继节点之间的信道响应，di、d2、d3分别 表示用户节点与混合式基站、中继节点与混合式基站以及用户节点与中继节点之间的距 离，α表示路径衰落指数。该波束赋形器的基本设计思路是源自天线数目趋于无穷情况下 h卜h〗的正交特性。
[0090] 图3为本实施例中采用最佳波束赋形器和最佳时间分配参数与一般的波束赋形器 和固定分配比例下系统的吞吐量随信噪比变化的关系图。本实施例一共选取了天线数分别 为5，10,50的三种场景，如图所示，采用两种不同策略的系统吞吐量随着天线数目的增加而 增加。通过对比发现采用最佳波束赋形器和最佳时间分配参数的系统的吞吐量对于采用一 般波束赋形器和固定时间分配参数的系统吞吐量有明显的提升，并且当信噪比较高，天线 数目较多时，这种差距变得更加明显。由此可以得出，采用本发明所提出的最佳波束赋形器 和最佳时间分配参数的方案在性能上要明显优于采用一般波束赋形器和固定时间分配参 数的方案。
[0091]以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于，所述的通信系统 包括用户节点，中继节点和设有波束赋形器的混合式基站;所述的混合式基站配置多根天 线，用户节点和中继节点配置单根天线;具体包括如下步骤： 1) 混合式基站获取信道状态信息； 2) 混合式基站在获取信道状态信息后基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形器W和 时间分配参数T ; 3) 混合式基站基于最佳波束赋形器W在前TT时间内向用户节点和中继节点传输能量， 其中T为信道相干时间，O < T < 1; 4) 能量传输阶段结束后，在后（I-T)T时间内，用户节点利用收集到的能量向中继节点 和混合式基站发送信息；中继节点在收到用户节点的信息后，利用收集到的能量，采用放大 转发协议协助转发用户节点的信息； 5) 混合式基站在收到用户节点和中继节点的信息后，通过处理检测用户节点的信息。2. 根据权利要求1所述的基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于， 所述的步骤1)中的信道状态信息包括： la)混合式基站通过侦听用户节点和中继节点的导频，估计出混合式基站与相应的用 户节点和中继节点之间的信道状态信息； 化)混合式基站通过中继节点反馈获得用户节点与中继节点之间的信道状态信息。3. 根据权利要求2所述的基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于， 所述的步骤2)中基于系统吞吐量最大化计算最佳波束赋形器W和时间分配参数T是指： 建立波束赋形器W和时间分配参数T的联合优化问题，其目标函数与约束条件分别为：号. S ? t 0<!< 1，I I W I I 2^ 1 ; 其中，n表示能量利用效率;Ps表示混合式基站的发射功率;No表示噪声功率;W表示波束 赋形器血、h2、和h3分别表示用户节点与混合式基站、中继节点与混合式基站W及用户节点 与中继节点之间的信道状态信息;dl、d2、d3分别表示用户节点与混合式基站、中继节点与混 合式基站W及用户节点与中继节点之间的距离;Cl表示路径衰落指数；I I表示对向量取模； M表示对向量取2-范数。4. 根据权利要求3所述的基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于， 所述的建立波束赋形器W和时间分配参数T的联合优化问题近似的分解为两个单变量的优 化问题，包括:对波束赋形器W单独进行优化问题和对时间分配参数T单独进行优化问题。5. 根据权利要求4所述的基于混合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于， 所述的对波束赋形器W单独进行优化问题可近似为：其中，|hfw|和|h72w|分别表示向量悼W和巧W的模，I h3陵示复数h3的模，I I hi I I和M h2 分别表示向量hi和h2的2-范数，T表示转置； 所得的最佳波束赋形器W为：其中，口北表示向量h;在向量h:上的投影，nh,h2表示向量h2在向量h止的投影，巧》1； 表示向量h;在向量成的垂直空间上的投影，n,,|h:表示向量h2在向量hi的垂直空间上的投 影，*表示共辆； 当八曰2+0化2-。2)=0时： 一 U U.I. '二当 Aa2+D(t)2-c2) >0 时； 其业 其6.根据权利要求5所述的基于纔合式基站最大化通信系统吞吐量的方法，其特征在于， 所述的对时间分配参数T单独进行优化问题为:在对波束赋形器W完成优化的基础上，再基 于系统吞吐量达到最大对时间分配参数T进行单独优化，所得的近似最佳时间分配参数T 为：其牛 ^Lambert函数。7.根化仪化!巧本i/yr论的萃了M百、;tv萃化巧人化旭旧巧现甘HX至的乃法，其特征在于， 所述的步骤5)中通过处理检测用户节点的信息是指:混合式基站通过最大比合并的方法接 收直接来自用户节点的信息W及用户节点通过中继节点转发的信息。
【文档编号】H04W16/28GK105916156SQ201610217311
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】钟财军, 梁晗, 张朝阳
【申请人】浙江大学