一種用於無線攜能通信系統最大化和速率預編碼方法
2023-04-22 16:30:51 1
一種用於無線攜能通信系統最大化和速率預編碼方法
【專利摘要】無線攜能通信系統中，本發明通過基站首先獲得所有信道狀態信息，之後建立以信息用戶和速率為優化目標的優化模型。迭代優化預編碼矩陣的操作步驟如下：(1)初始化階段：將目標函數通過一階近似轉化為凸函數，此時在發送功率及能量用戶接收功率約束下最大化信息用戶和速率問題為一凸問題，將發送信號協方差矩陣設為零矩陣，求解該問題。(2)迭代階段：將上一次求解優化問題得到的發送信號協方差矩陣代入目標函數，繼續求解，直至信息用戶和速率收斂。理論證明本發明方法性能局部最優，與現有方法相比，本發明方法通過漸進凸逼近將問題轉化為凸問題進行求解。無線攜能通信系統使用本發明提出的預編碼方法可以有效地提高信息用戶和速率。
【專利說明】一種用於無線攜能通信系統最大化和速率預編碼方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於無線攜能通信系統最大化和速率預編碼方法，確切地說，是 一種更好地利用頻譜與能量資源進行通信與傳輸能量的方法，屬於無線通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 基於周圍環境的無線電信號進行能量採集是一種很有前景的新技術，該技術可以 提供廉價快捷的能源。近幾十年來，很多機構進行了卓有成效的旨在無線傳輸能量的研究。 若該技術成熟後，可以代替有線輸能以節約資源，甚至可以從人造地球衛星將能量傳回地 球。業界已經積累了若干相關技術。
[0003] 另一方面，無線電信號早已廣泛應用於無線通信中，給人類的生活提供了巨大的 便利。因此，最近攜能通信引起了廣泛關注。事實上，攜能通信對於不便充電或不能充電的 設備極其有用，例如用於醫療植入的人體傳感網。另外，此技術在不久的將來也可以用於蜂 窩網絡中為移動終端進行有效的充電。
[0004] 由於多天線技術取得的巨大成功，基於多天線技術的攜能通信引起了人們的關 注。在發送功率及能量用戶接收功率約束下最大化信息用戶和速率問題成為該領域的一個 關鍵性的問題，之前也有不少相關研究。但是由於存在多用戶幹擾導致信息用戶和速率為 一非凸函數，一般都將多用戶幹擾徹底消除使目標函數為凹函數。又由於約束條件均為線 性條件故既為凸函數又為凹函數，此時問題徹底變成了一凸優化問題。這樣一來便可以利 用成熟的凸優化工具包來求解。
[0005] 但是由於對目標函數進行了轉化，優化後的結果只最大化轉化之後的目標函數， 並沒有最大化原目標函數。所以該方法的性能仍有待提高，但是由於全局最優化方法涉及 很複雜的數學問題，一般只討論其他方法。
[0006] 針對現有方法存在的諸多問題，本發明提出了一種基於漸進凸逼近的局部最優化 方法。
【發明內容】
[0007] 有鑑於此，本發明的目的是提供一種在無線攜能通信系統中在發送功率及能量用 戶接收功率約束下局部最大化信息用戶和速率的方法。即通過將目標函數通過漸進凸逼近 轉化為凸函數，而且並沒有增加其餘的約束條件。由於迭代過程中，目標函數非減且有上 界，故本發明方法一定收斂。另外，由於初始化Sfn = O,第一次迭代時的目標函數即與完全 消除多用戶幹擾條件下信息用戶和速率表達式相同。因此，與現有方法相比，本發明方法可 以獲得更高的信息用戶和速率。實驗表明，本發明方法只需經過5至10次迭代即可收斂， 有效地提高信息用戶和速率。
[0008] 為了達到上述目的，無線攜能通信系統局部最優預編碼方法，用於下述場景：包括 一個基站和多個用戶的通信系統，用戶分為兩類，其中一部分接收信號，另一部分用來接收 能量；任何用戶不能同時接收信號與能量，且信號接收機利用其收到的全部能量來解碼信 息。基站首先獲得所有信道狀態信息H1,. . .，Hk，其中Hi表示基站至信息接收機的信道矩 陣，&表示基站至能量接收機的信道矩陣，之後建立以信息用戶和速率為優化目標的優化 模型。其特徵在於：所述方法包括下列兩個操作步驟：
[0009] 上述優化模型具體公式為：
【權利要求】
1. 無線攜能通信系統局部最優預編碼方法，用於下述場景：包括一個基站和多個用戶 的通信系統，用戶分為兩類，其中一部分接收信號，另一部分用來接收能量；任何用戶不能 同時接收信號與能量，且信號接收機利用其收到的全部能量來解碼信息。基站首先獲得所 有信道狀態信息，之後建立以信息用戶和速率為優化目標的優化模型。其特徵在於：所述方 法包括下列兩個操作步驟： (1) 初始化階段：將目標函數通過一階近似轉化為凸函數，此時在發送功率及能量用 戶接收功率約束下最大化信息用戶和速率問題為一凸問題，將發送信號協方差矩陣設為零 矩陣，求解該問題。 (2) 迭代階段：將上一次求解優化問題得到的發送信號協方差矩陣代入目標函數，繼 續求解，直至信息用戶和速率收斂。由於每次迭代目標函數不減且有上界，故本發明方法一 定收斂。理論證明本預編碼方法性能局部最優。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於：所述步驟（1)中，初始化階段進一步包括 下列操作內容： (11) 將信息用戶和速率通過一階近似轉化為凸函數，即將在發送功率及能量用戶接收 功率約束下最大化信息用戶和速率問題轉化為一凸問題。 (12) 將發送信號協方差矩陣設為零矩陣，利用凸優化方法求解該凸問題。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於：所述步驟（2)進一步包括下列操作內容： (21) 將上一次求解優化問題得到的發送信號協方差矩陣代入目標函數，繼續求解優化 問題。更新發送信號協方差矩陣。 (22) 判斷信息用戶和速率是否收斂，若不收斂，繼續求解優化問題。 (23) 若信息用戶和速率收斂，則結束該算法。
【文檔編號】H04L1/00GK104393956SQ201410692585
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】高暉, 呂鐵軍, 嶽朝輝 申請人:北京郵電大學