一种基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化实现方法与流程

本发明属于绿色无线通信传输技术领域，具体为多接收机MISO(Multiple Input Single Output)无线信能同传系统中采集功率最大化的实现方法。

背景技术：

随着科技在当前社会的飞速发展，跨学科、多平台的整合与集成逐渐成为技术创新的重要趋势和产业进步的源源动力，水源、能源和无线电频谱等传统有限资源却在人们日益增长的需求下变得捉襟见肘。与此同时，可持续科学发展迫切需要整合当前通信技术与能源技术的现有研究成果，推陈出新，在满足人们对高效可靠的信息交互需求的同时有效应对能源和频谱短缺的压力。因此，“绿色通信”的概念也应运而生。

无线电波作为一种潜在的绿色能源，不仅可以传输信息，还能够传输能量，其双重角色正渐渐进入人们的视线，同时，这种同时传输信息与能量的通信系统，不仅降低了通信耗能，而且对新能源进行有效利用，这无疑将是通信界以后重点研究目标。因此，由于其潜在的应用价值，人们有必要对这种无线信能同传系统进行研究。

目前的研究主要着眼于无线携能通信的保密传输、提高能量转化效率、提升频谱效率等方面。然而，在满足服务质量的条件下采集功率最大化也是携能通信系统设计所追求的重要目标之一，使终端在单位时间内能够采集到的能量最大，进而降低通信耗能。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化实现方法，在满足信干噪比约束的前提下,实现采集功率最大化。

为了克服现有技术缺陷，本发明的技术方案为：

一种基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：基站对发射端加载预编码向量后发送信号且该信号包括信息部分和能量部分；

步骤S2：任一个接收机对应接收基站所发送的信号，该信号可表示为：

其中:hk表示基站到接收机的信道向量，vk表示第k个接收机对应的预编码向量，sk表示接收机的符号,nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布；

步骤S3：根据接收机中设置功率分裂因子将该信号的能量采集函数表达式可写为：

其中:ρk表示接收机的功率分裂因子；

同时，接收机采集功率Ek可表示为：

其中，ζk表示电路的能量转化效率，表示从接收的能量中转化为可存储的电能；为射频信号转变为基带信号进行信号处理时所引入加性噪声的方差；

步骤S4：当预编码向量vk和功率分裂因子ρk同时满足下式(1)和(2)时，信能通传系统中接收机的采集功率最大；

上述(1)式需同时符合如下条件：

步骤S5：利用凹凸转化思想并通过迭代法求解上述(1)式和(2)式，所述步骤S5进一步包括以下步骤：

第一步：初始化如下变量：总功率约束值Ptotal，信干噪比约束值γk，采集电路单元的能量转化效率ζk，k＝1,2,...,K；初始化迭代次数n＝1及相应的初始可行解并计算：

第二步：更新迭代次数n＝n+1，求解逼近的采集功率最大化凸问题，即

0＜ρk⁽ⁿ⁾＜1,k＝1,2,...K,

得到一组满足采集功率最大化问题约束的可行解同时根据公式：

求得第n次迭代的采集功率；其中，hk表示基站到接收机k的信道向量k＝1,2,...K；nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布，k＝1,2,...K；zk为基带信号处理时引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布，k＝1,2,...K；表示取实部操作，(·)^H表示复共轭转置操作；

第三步：判定是否满足条件其中ε表示判定阈值，若满足则令并重复第二步；如不满足，则最后求得问题的解并输出ρk^*＝ρk⁽ⁿ⁾,vk^*＝vk⁽ⁿ⁾,k＝1,2,...K；

第四步：基站根据求得的{vk^*}对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子{ρk^*}发送到相应的接收机，每个接收机设定功率分裂因子，完成信能同传系统的收发机设计，可以进行信息与能量的同时接收。

采用本发明的技术方案，通过在基站发射信号中加载预编码向量以及在接收机中设置功率分裂因子同时使预编码向量和功率分裂因子符合一定的条件在多接收机信能同传系统下实现采集功率最大化。该问题在数学上是一个很难直接求解的非凸问题，而本发明利用凹凸优化思想，对问题中的非凸约束条件进行线性逼近，使原问题转化为一系列近似的凸问题，迭代求解这些凸问题能够保证目标函数值保持单调不减。因此本发明可以实现在保证多接收机信能同传系统服务质量的同时提升系统采集功率。

附图说明

图1是本发明一种基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法的流程框图；

图2是本发明基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法一个实施例的系统模型图；

图3是本发明基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法步骤5的算法流程图；

图4是本发明一个实施例的采集功率在迭代过程中的进程分析示意图；

图5是本发明算法与迫零算法的采集能量随着传输功率变化的比较图；

图6是本发明算法与迫零算法的采集能量随着信干噪比变化的比较图；

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的效果将变得更加明显。

参见图1，所示为本发明一种基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法的流程框图，具体包括以下步骤：

步骤S1：基站对发射端加载预编码向量后发送信号且该信号包括信息部分和能量部分；

步骤S2：任一个接收机对应接收基站所发送的信号，该信号可表示为：

其中:hk表示基站到接收机的信道向量，vk表示第k个接收机对应的预编码向量，sk表示接收机的符号,nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布；

步骤S3：根据接收机中设置功率分裂因子将该信号的能量采集函数表达式可写为：

其中:ρk表示接收机的功率分裂因子；

同时，接收机采集功率Ek可表示为：

其中，ζk表示电路的能量转化效率，表示从接收的能量中转化为可存储的电能。为射频信号转变为基带信号进行信号处理时所引入加性噪声的方差；

步骤S4：当预编码向量vk和功率分裂因子ρk同时满足下式(1)和(2)时，信能通传系统中接收机的采集功率最大；

上述(1)式需同时符合如下条件：

步骤S5：利用凹凸转化思想并通过迭代法求解上述(1)式和(2)式，“凹凸转化思想”为现有技术中常用的数学求解思想(数学问题)。在凸优化中，对于一些非凸问题(比如说凹问题)，在数学上通常比较难以直接获得闭式解或者难以获得全局最优解。因此通常采用一些数学手段，比如说引入辅助变量对原始问题进行等价转化，使得凹问题能够转化或者逼近凸问题。而凸问题比较易于求解了，可以使用MATLAB当中的CVX包进行求解。

本发明利用“凹凸转化思想”进行转化的过程就是引入辅助变量αk和βk，并加入了两个约束条件，即条件

和条件

这样做的好处是可以保证原问题的结构不发生变化，并且可以将原始问题转化成可以利用CVX求解的凸问题。

所述步骤S5进一步包括以下步骤：

第一步：初始化如下变量：总功率约束值Ptotal，信干噪比约束值γk，采集电路单元的能量转化效率ζk，k＝1,2,...,K；初始化迭代次数n＝1及相应的初始可行解并计算：

第二步：更新迭代次数n＝n+1，求解逼近的采集功率最大化凸问题，即

0＜ρk⁽ⁿ⁾＜1,k＝1,2,...K,

得到一组满足采集功率最大化问题约束的可行解同时根据公式：

求得第n次迭代的采集功率；其中，hk表示基站到接收机k的信道向量k＝1,2,...K；nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布，k＝1,2,...K；zk为基带信号处理时引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布，k＝1,2,...K；表示取实部操作，(·)^H表示复共轭转置操作；

第三步：判定是否满足条件其中ε表示判定阈值，若满足则令并重复第二步；如不满足，则最后求得问题的解并输出ρk^*＝ρk⁽ⁿ⁾,vk^*＝vk⁽ⁿ⁾,k＝1,2,...K；

第四步：基站根据求得的{vk^*}对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子{ρk^*}发送到相应的接收机，每个接收机设定功率分裂因子，完成信能同传系统的收发机设计，可以进行信息与能量的同时接收。

以下再对上述步骤中的涉及到的原理和算法作进一步说明。如图2所示，该系统模型中，假设基站(BS)(或接入点)天线数为Nt(Nt＞0)，基站利用传输预编码(或称传输波束赋形向量)vk，k＝1,...K，向K个单天线接收机(MS)传输符号sk，k＝1,...K，然而不同于传统的多接收机MISO系统，接收机接受到的信号将分裂两部分，其中一部分用于信息译码，另一部分则进行能量采集。由此信道模型可知，在功率分裂前第k个接收机(MSk)接收到的信号为：

其中:hk表示基站到接收机的信道向量，vk表示第k个接收机对应的预编码向量，sk表示接收机的符号,nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布。

在经过功率分裂以后，信号分成两部分，其中信息译码部分可表示为：

其中zk为射频信号转变为基带信号进行信号处理时造成的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布,ρk表示接收机的功率分裂因子。

第二部分能量采集函数表达式可写为：

因此，信干噪比SINRk可表示为：

因此，信道容量可表示为：

Rk＝log(1+SINRk),k＝1,...K (5)

而接收机采集功率Ek可表示为：

其中，ζk表示电路的能量转化效率，表示从接收的能量中转化为可存储电能的能力。

无线电波作为一种潜在的绿色能源，能够在实现信号传输的同时，传输能量。本设计的目的是在保障信能同传系统服务质量的同时实现接收机采集功率最大化。因此，基于接收端采集功率最大化的收发机设计问题可描述为：

0＜ρk＜1,k＝1,2,...K.

(7)

第一类约束对应服务质量约束，第二类约束为基站总功率限制约束，第三类约束是因为功率分裂因子在0和1之间。注意，由于实际的功率分裂因子不可能取到0和1，所以ρk的取值范围为0＜ρk＜1。

引入松弛变量则问题(7)等价为:

0＜ρk＜1,k＝1,2,...K,

进一步等价变化为：

0＜ρk＜1,k＝1,2,...K,

在上述问题中，第1个和第2个约束条件非凸，但是根据凹凸优化思想，可将非凸部分利用线性逼近转化为凸约束。第1个和第2个不等式约束左边的函数都可以表示成为的形式。对于凸函数其在(x0,t0)点的线性逼近可表示为：

利用上述线性逼近，问题(9)在点处的线性逼近问题可以表示为

0＜ρk＜1,k＝1,2,...K,

再引入αk、βk，可将上述问题等价地转换为下面的凸问题：

通过上面可知，问题(7)已近似为凸问题(10)。通过迭代求解问题(10)得到最终的传输预编码向量以及功率分裂因子。

参见图3，所示为本发明基于多接收机信能同传系统的功率采集最大化的实现方法步骤5的算法流程图；

图4、图5和图6是本发明通过Matlab对所设计方案的仿真验证。参数具体设置为：发送端天线数Nt＝4，信息接受者的数量K＝4，能量转换系数ξ＝0.65，天线噪声功率传输噪声功率此外,假设所有的信息接收者具有相同的SINRk的门限值,即γ1＝…＝γK＝γ，如果不作特殊说明，在仿真中设置总传输功率Ptotal＝30dBm，γ＝20dB。

由图4可知，随着迭代次数的不断增大，采集能量的曲线将趋于平稳，这表明通过本实现方法可以保证采集功率逐步变大。

图5比较了本发明所设计的算法与迫零算法的采集能量随传输功率的变化情况。可以看出，随着传输功率的不断增大，采集能量也不断增大，而且在相同传输功率下，本发明设计算法所采集到的能量总是大于迫零算法采集到的能量。

图6比较了本发明所设计的算法与迫零算法的采集能量随信干噪比的变化情况。可以看出，随着信干噪比的不断增大，采集能量随之减小。这也直接验证了在实际中，为了保证服务质量，就必然会导致终端采集的能量减少。随着信干噪比的进一步增大，即当信干噪比γ≥25dB时,这两种算法的采集能量曲线下降速度陡然加快，这表明此时终端能够采集到的能量微乎其微，可以近似认为此时不再采集能量。

通过前面的性能仿真比较，本发明不仅局限于在保证多接收机信能同传系统服务质量的基础上实现系统采集功率最大化，而且使得人们对于无线电波这一潜在绿色能源的充分利用，有了更加全新的认识。为缓解目前频谱资源的紧张局面起到了促进作用。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。