本发明属于无线通信网络上行信道数据传输领域，具体涉及一种基于电磁波供能的通信方法。
背景技术：
随着物联网技术(iot)的高速发展，预测在2020年将有超过200亿的设备接入互联网。在物联网时代，无线传感器被广泛应用于军事、医疗、物流、智能家居等领域，在未来形成万物互联的形式。在无线传感网中，成本低廉、可用于数据采集的传感器节点联结在一起，对于智慧城市的实现具有重要意义。
但是，海量设备的接入必定带来十分庞大的能源消耗。能源损耗引发了电池更换困难、供电设备布置建设难度加大、管理人员成本增加等问题，因此无线传感器节点的能源供应问题成为了亟需解决的难点。尤其是低功耗的无线传感器多用电池供电，更换无线传感器节点的电池大大增加了节点管理的复杂性。
技术实现要素：
为了克服现在有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提出一种基于电磁波供能的通信方法，涉及多用户多输入多输出技术(multi-usersmultiple-inputmultiple-output)、数字调制解调、多用户信息数据传输时隙分配策略及基于预编码的多用户信道功率分配策略；本发明针对mimo无线通信系统，提出了一种两步迭代的通信策略，可以有效提高通信系统频谱效率。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于电磁波供能的通信方法，用于mimo系统，所述mimo系统包括一个天线数为nr的混合接入点r和k个天线数为nu的多天线用户u，包括如下步骤：
s1、在全双工mimo的系统模型中，混合接入点向所有用户不断广播电磁波能量，第i个用户ui接收第i时隙以前的能量之和；所述全双工mimo的系统模型包括发送端和接收端，其中发送端为混合接入点，接收端为所有用户；
s2、用户ui完成能量接收后，在第i时隙向上行信道发送信息；
s3、混合接入点的接收频谱效率函数rsum(τ,∑p)分别是信息功率分配矩阵集合∑p＝{∑p,1,∑p,2,…,∑p,k}中的每个元素∑p,i和时隙分配向量τ的凹函数，通过固定时隙分配向量τ迭代优化第i个用户的信息功率分配矩阵∑p,i,i＝1,2,…,k,，固定信息功率分配矩阵∑p,i,i＝1,2,…,k迭代优化时隙分配向量τ直到和信息速率不再改变，达到和信息速率最优。
步骤s1中，所述全双工mimo的系统模型是指混合接入点和用户间通过全双工模式进行通信，信号通过多天线的混合接入点和多天线用户进行发射和接收，其通信方式即混合接入点向所有用户不断广播电磁波能量，第i个用户ui接收第i时隙以前的能量之和。
步骤s1中，所述接收端的每帧分为k个时隙，k个时隙构成时隙集合，所述时隙集合为时隙分配向量τ，τ＝{τ1,τ2,…,τk}；所述接收端的能量采集效率为ηi，所述接收端的最优能量预编码矩阵由混合接入点发射功率及下行信道共同决定。能量采集效率即为在信息传输过程中，用户接收到的能量存在一定损耗，采集效率为接收端实际接收能量和发射端的发送能量的比值。能量预编码技术可以优化接收端的能量接收，一般用于混合接入点的信道优化，这里的最优预编码矩阵假设已知的，由混合接入点发射功率及下行信道共同决定。
步骤s2中，所述上行信道发送消息，其上行传输方式为时分多址方式，第i个用户ui的信息转换效率为μi。
所述混合接入点通过接入点和单个用户间的互信息及分配的时隙来确定该用户接收的吞吐量。
步骤s3中，所述第i个用户的信息功率分配矩阵∑p,i满足约束功率
所述互信息函数的定义是依据通用数字通信系统的调制方式的有限符号输入特性，所述通用数字通信系统的调制方式包括qpsk、bpsk、16qam、2fsk。
步骤s3中，所述第i个用户的信息功率分配矩阵∑p,i为该信道的预编码矩阵经过svd分解后的对角阵，并且固定信道预编码矩阵的右酉阵；所述信道预编码矩阵的右酉阵采用离散傅里叶变换确定。
步骤s3中，所述时隙分配向量τ由迭代优化解法确定。
步骤s3中，所述用户的信息功率分配矩阵由梯度下降法确定；所述梯度下降法使用回溯直线搜索方法确定步长。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、在无线传感网中，本发明提出一种两阶段的“先收后发”的能量采集技术：在下行信道中，接入点通过下行信道发送电磁波能量给传感器节点，传感器节点接收到能量并用于供电，并向上行信道发送信息。这样可以很好的解决传感器节点能源供应问题。
2、本发明针对电磁波供能mimo系统，提出一种多用户的上行信道的信息传输模型，通过联合功率分配策略和时隙分配策略对多用户的上行速率传输进行优化，有效提高混合接入点接收端的频谱效率，计算复杂度比较低。
3、此外，多用户传感器节点的通信效率优化问题也是一个重点关注的问题。本发明通过通信效率优化可以提高上行信道接入点的接收频谱效率，降低系统网络的能源消耗，降低能源成本。通过有效的功率分配策略、时隙分配策略等通信优化策略及mimo技术都可以增加通信系统的分集增益和复用增益，实现绿色通信的目的。
附图说明
图1是本发明所述一种基于电磁波供能的通信方法对应的系统模型图。
图2是本发明所述混合接入点能量广播及用户信息发送的帧的示意图。
图3是本发明所述联合时隙分配和功率分配方法的流程图。
图4是本发明实施例的用户数随混合接入点接收的总吞吐量的变化曲线图。
图5是本发明实施例的用户发射功率随混合接入点接收的总吞吐量的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
一种基于电磁波供能的通信方法，用于mimo通信系统，所述系统包括一个多天线的混合接入点和k个多天线的用户，包括如下步骤：
s1、全双工mimo的系统模型中，混合接入点向所有用户不断广播电磁波能量，每个用户在发送信息时隙前接收以前所有能量之和；
s2、用户完成能量接收后，在发送信息时隙以接收到的能量向上行信道发送信息，并由混合接入点接收；
s3、通过固定时隙分配向量迭代优化信息功率分配矩阵，固定信息功率分配矩阵迭代优化时隙分配向量直到和信息速率不再改变，达到频谱效率最优。
所述接收端中每帧分为k个时隙，时隙集合为τ＝{τ1,τ2,…,τk}，并由能量预编码矩阵控制发射能量方向和功率。
所述用户上行信道传输方式为时分多址方式，基站接收的和吞吐量为k个用户在一定时间内的可达互信息之和。
所述第i个用户的信息功率分配矩阵为该信道的预编码矩阵经过svd分解后的对角阵，并且固定信道预编码矩阵的右酉阵。
接收端时隙分配向量由迭代优化解法确定，接收端能量预编码矩阵由混合接入点发射功率及下行信道共同决定。
所述混合接入点通过接入点和单个用户间的互信息及分配的时隙来确定该用户接收的吞吐量。
所述用户的信息功率分配矩阵由梯度下降法确定，信道预编码矩阵的右酉阵采用离散傅里叶变换确定。
所述互信息由用户的调制方式，上行信道矩阵及信息预编码矩阵决定。此互信息函数的定义依据通用数字通信系统的调制方式的有限符号输入特性，包括如qpsk，bpsk，16qam，2fsk等所有数字通信调制方式。
用户的信息功率分配矩阵的梯度下降法中使用回溯直线搜索方法确定步长。
具体地：
如图1、2、3、4、5所示，一种电磁波供能的通信方法，用于mimo系统，所述系统包括一个天线数为nr的混合接入点r和k个天线数为nu用户u，如图2所示，核心步骤是混合接入点不断发射电磁波能量，所有用户接收到能量后，用于上行信息传输，考虑一帧内用户通过联合功率和时隙分配策略对多用户的上行速率传输进行迭代优化，直至频谱效率不再改变，此时频谱效率达到最优。
具体包括如下步骤：
s1、在mimo系统模型中，混合接入点以广播的方式向所有用户发射电磁波能量，其中第i个用户ui的下行信道矩阵为hd,i，接收端中每帧被分为k个时隙，时隙集合为τ＝{τ1,τ2,…,τk}，用户ui以以ηi的能量采集效率接收第i时隙以前的所有能量，接收到的能量以可以表示为
s2、用户在上行信道以时分多址方式上传信息，用户ui完成能量接收后，在第i时隙以μi的信息转换效率向上行信道发送信息，发射功率为
s3、第i个用户的上行信道矩阵hu,i可进行svd(singularvaluedecomposition)分解为
s4、一帧内，混合接入点在上行信道接收的由所有用户上传的和信息速率可表示为
本实例的实施场景如下：考虑一个2x2的mimo系统，下行信道hd,i和上行信道hu,i分别表示为
本实例的仿真结果使用仿真软件matlab绘制。
图4将提出的联合最优功率分配策略和最优时隙协作策略方法与eta-opa、ota-wf、eta-wf三种方法进行比较。混合接入点发射功率为p0＝40dbm。eta-opa方法采用了联合等时隙分配策略和最优功率分配策略方法。ota-wf方法采用了联合最优时隙分配策略和注水功率策略方法。eta-wf方法采用了联合等时隙分配策略和注水功率策略方法。混合接入点接收的和信息速率随用户数的增加而增加，用户数增长至5时已经十分接近于平均互信息的饱和值ntlog2m＝4。同时可以看出eta-opa方法比ota-wf方法好，说明功率分配矩阵设计对系统性能的影响比时隙分配向量设计的影响大。
图5是用户发射功率p0随混合接入点接收的总吞吐量的变化曲线。用户数k＝5。可得到提出的算法性能依然优于其他算法。联合常用于高斯输入系统的注水功率策略方法及最优时隙分配策略的方法不能达到性能上界。还可得到用户的能量转换效率ηi对于平均和吞吐量的中间范围影响更大，对于能量饱和区和收集起点影响不大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。