基于swipt的波束赋形方法的接收机资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于SWIPT的波束赋形方法的接收机资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 许多能量受限的无线网络设备工作时间受电池容量的制约。无线信号在携带信息 的同时携带能量。除了传统的太阳能与风能，无线通信设备周围的电磁信号也能成为能量 供应的新来源。当今时代充斥着大量的无线通信设备，这带来了空间中相当丰富的电磁资 源。
[0003] 同时无线能量与信息传输（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)系统将无线能量传输(Wire I ess Power Transfer) WPT与无线信息传输 (Wireless Information Transfer)WIT结合起来，用户终端可在正常接受信息、解调译码 的前提下，通过收集无线信号中蕴含的能量，进行充电。SWIPT安全、部署便利、供电时间长， 利用空间中的电磁辐射可以无间断的为无线网络提供能量，这使其成为解决未来无线通信 能耗问题的关键技术之一。
[0004] 波束赋形方法近来在无线通信系统中得到了广泛的应用，它实质上相当于一个空 间滤波器，使得基站天线阵列形成的波束指向感兴趣的信号，用以提高系统的输出信干噪 比。针对SWIPT系统，将接收机资源分配策略与波束赋形方法联合设计，但现有接收机对接 受信号信噪比与能量存在限制条件，传统波束赋形算法通常只依赖信道条件，无法考虑更 全面的条件限制，性能差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有的波束赋形算法只依赖信道条件，导致接收机资源 分配能力差的问题，而提出一种基于SWIPT的波束赋形方法的接收机资源分配方法。
[0006] 一种基于SWIPT的波束赋形方法的接收机资源分配方法，所述方法通过以下步骤 实现：
[0007] 步骤一、信息接收机与能量接收机信道相同或者不同时，设定相应的MMO多播系 统联合式接收机或者M頂0多播系统分离式接收机的信息接收机接收的信号；
[0008] 步骤二、根据步骤一确定的接收机的种类，进一步确定用户k接收信号的信噪比和 能量接收机接收的能量；
[0009] 步骤三、根据步骤二确定的用户k接收信号的信噪比和能量接收机接收的能量，在 满足接收机SINR需求与能量限制的条件下得到基站发送最小能量的信号，并将此信号作为 优化目标。
[0010] 本发明的有益效果为：
[0011] 本发明所述的基于SWIPT的波束赋形方法与接收机资源分配策略联合算法将 SWIPT系统中接收机资源分配算法与波束赋形方法有机的结合起来，在给定信道及资源分 配算子的条件下，以发送端发送信号功率最低为优化目标优化设计波束赋形向量并建模， 继而将该问题转化为典型SDP问题，通过凸优化算法，如内点法等经典算法即可求解;并将 该联合建模算法推广至分离式接收机，即信息接收机与能量接收机使用不同信道的情况， 同时完成两个波束赋形向量设计更为复杂，但同样可用上述凸优化方法求解。本发明使波 束赋形方法与波束赋形资源分配方法相结合，与只依赖信道条件的传统波束赋形方法相 比，本发明考虑的情况更加全面，在满足接收机接收信号信噪比要求与能量限制条件的基 础上，使基站的发送能量最小化，所达到降低能量损耗、提高能量利用率的性能更强。
【附图说明】
[0012]图1为本发明方法的流程图；
[0013]图2为本发明涉及的MBTO多播系统框图；
[0014]图3为本发明涉及的SWIPT系统能量分割方法框图；
[0015]图4为本发明涉及的基于SWIPT的广播系统分离式接收机分布；
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0016] 一：
[0017] 本实施方式的基于SWIPT的波束赋形方法的接收机资源分配方法，结合图1所示的 流程图，所述方法通过以下步骤实现：
[0018] 步骤一、信息接收机与能量接收机信道相同或者不同时，设定相应的MMO多播系 统联合式接收机或者M頂0多播系统分离式接收机的信息接收机接收的信号；
[0019] 步骤二、根据步骤一确定的接收机的种类，进一步确定用户k接收信号的信噪比和 能量接收机接收的能量；
[0020] 步骤三、根据步骤二确定的用户k接收信号的信噪比和能量接收机接收的能量，在 满足接收机SINR(signal interference noise ratio,信干噪比）需求与能量限制的条件 下得到基站发送最小能量的信号，并将此信号作为优化目标。
[0021] 本实施方式将SWIPT系统中接收机资源分配算法与波束赋形方法有机的结合起 来，在给定信道及资源分配算子的条件下，以发送端发送信号功率最低为优化目标优化设 计波束赋形向量并建模，继而将该问题转化为典型SDP问题，通过凸优化算法，如内点法等 经典算法即可求解;并将该联合建模算法推广至分离式接收机，即信息接收机与能量接收 机使用不同信道的情况，同时完成两个波束赋形向量设计更为复杂。考虑的情况更加全面， 在满足接收机接收信号信噪比要求与能量限制条件的基础上，使能量损耗降低60-70%，能 量利用率的性能提高一倍。
[0022]【具体实施方式】二：
[0023]与【具体实施方式】一不同的是，本实施方式的基于SWIPT的波束赋形方法的接收机 资源分配方法，步骤一所述信息接收机与能量接收机信道相同时，设定相应的MIMO多播系 统联合式接收机的信息接收机接收的信号的过程为，
[0024]如图4所示的基于SWIPT的广播系统分离式接收机分布以及如图2所示的MMO多播 系统中，设MMO多播系统中具有K个用户，发送端配备NT根天线，接收端配备NR根天线，且各 接收机天线数量相同，发送端已知完美信道状态信息(Channel State Information，CSI)， 发送端同时发送能量信号与信息信号，接收机同时进行信息解码（Information Decode, ID)与能量收集(EnergyHarvest，Ε?)，发送端采用线性预编码，ΜΙΜΟ多播系统联合式接收机 的信息接收机接收的信号为：
[0025] yk = Hkffs+nk,k = l, ··· ,K (1)
[0026]式中，yk表示用户k接收到的信号;H是NrXNt维信道状态矩阵;W表示用户k对应的 权重向量，即波束赋形向量;s表示归一化的基站发送信息向量，且E [ I s |2] = 1 ;nk表示用户 k收到的加性高斯白噪声。
[0027]【具体实施方式】三：
[0028]与【具体实施方式】一或二不同的是，本实施方式的基于SWIPT的波束赋形方法的接 收机资源分配方法，如图3所示的能量分割方法示意图，步骤二所述确定用户k接收信号的 信噪比和能量接收机接收的能量的过程为，
[0029]( -）当信息接收机与能量接收机信道相同时，设接收机采用能量分割（Power Splitting, PS)方式进行资源分配，接收信号受均值为零、基带功率为的高斯噪声nk(t) 影响，则用户k接收信号的信噪比为：
[0033]式中，0<Pk< 1表示赋予ID接收机能量占信号总能量的比例，trace( ·)表示矩阵 的迹，4>与为用户k接收到的高斯白噪声nA, !^与叫,k对应的噪声功率；
[0034](二）当信息接收机与能量接收机信道不相同时，信道分别为H与G，hk与gk为对应行 向量，并分别设计信息信道的波束赋形矩阵W与能量信道的波束赋形矩阵V;
[0035]接收机简单的把多用户干扰当作白噪声，波束赋形算法(beamf orming) 即BF方法 可以达到的最大和容量为：
[0039] 式中，式中，概表示用户k对应的权重向量;Pk表示用户k分配的功率;P表示发射端 总功率；
[0040] 将波束赋形方法应用于分离式接收机，则发送信号X为：
[0042]式中，％ 表示信息接收机对应的波束形成向量，是波束赋形矩阵W的第i列 向量；表示能量接收机对应的波束形成向量，是波束赋形矩阵V的第j列向量；Ω I 表示信息接收机集合；Ω E表示能量接收机集合；sf5表示信息信号；sf表示能量信号；
[0043]信息接收机接收信号为：
[0045] 式中，hi表示用户i对应的信道向量;Zi表示加性高斯白噪声；表示对于任意用 户i的意思，数学符号任意给定的i属于Ω :;
[0046] 由于采用波束赋形进行预编码，去除了