一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机技术

本发明专利技术提供一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机，涉及无线通信接收机领域。为了解决现有技术的接收机算法中对于速率和能量的资源分配粗略，接受机工作效率低的问题，本发明专利技术从待接收信号获取大尺度衰落系数、发射信号功率、噪声功率、信道增益以及天线数；根据前述参数确定最优门限值关于平均收集能量值和平均可达速率值的函数关系式和最优化函数并得到最优门限值；根据最优门限值进行判断，并控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。本发明专利技术提供的接收机包括门限切换模块，用于控制切换能量接收或信息接收，其功能是基于前述的方法实现的。本发明专利技术适用于无线携能通信系统接收机设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信接收机领域，尤其涉及无线携能通信信号接收方法。
技术介绍
当今时代，无线通信业务爆炸式增长，网络大规模化，通信设备多样化。例如传感器网络等许多能量受限网络，耗电量低，但因其网络规模大，存在布线困难、可持续性差等问题。射频信号同时携带信息与能量，无线携能通信(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer,SWIPT)技术可以利用信号中携带的能量以及周围空间中的射频信号能量为接收机进行充电，接收机能够同时实现信息传输与能量收集两种功能。但对于同一接收机而言，由于接收信号能量受限，能量与信息速率是两种矛盾的需求，不能同时满足。传统周期切换算法将一个完整时隙分为不等的前后两段，比例系数由系统确定，并未将信道增益、多径衰落等时变要素考虑到算法设计中，因而其性能较差。参考图5，其中直线部分为现有技术的周期切换算法，从图中可看出，当平均收集能量为40μW时，现有技术的平均可达速率为0.32bps/Hz；当平均可达速率为0.4bps/Hz时，现有技术的平均收集能量为33μW。也就是说，现有技术中无线携能通信信号接收方法中对于速率和能量的资源分配过于粗略，难以同时满足，致使资源分配不合理，降低了接收机工作效率。因此，需要一种新的通信信号接收方法，来通过合理的资源分配实现能量与速率的折中。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有无线携能通信信号接收方法存在资源分配粗略、接收机工作效率低的问题，进而提供了一种基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法及接收机。无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法包括以下步骤：步骤一：从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H以及天线数Nt，所述待接收信号携带能量与信息，其中所述信道增益H与所述信道矩阵h满足步骤二：根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H、天线数Nt确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；步骤三：根据所述函数关系式确定最优化函数；步骤四：根据所述最优化函数求得最优门限值步骤五：根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。本专利技术还提供了一种接收机，所述接收机包括门限切换模块，所述门限切换模块用于控制切换能量接收或信息接收，门限切换模块的功能是基于上述方法来实现的。本专利技术方法的技术效果是，根据从通信信号中获得的大尺度衰落系数、发射信号功率、噪声功率、信道增益以及天线数来计算较为精确的平均可达速率以及平均收集能量。并且应用于具体的能量受限型接收机时，可以达到更高的信息速率，在应用于具体的速率受限型接收机时，可以收集更多的能量。参考图5，可以看出，当平均收集能量为40μW时，平均可达速率为0.37bps/Hz，相比现有技术高出0.05bps/Hz；当平均可达速率为0.4bps/Hz时，平均收集能量为38bps/Hz，相比现有技术高出5μW。也就是说，本专利技术在平均收集能量区间处于15μW至65μW时，最高可比现有技术效果高出0.05bps/Hz；在平均可达速率区间处于0至0.6bps/Hz时，最高可比现有技术效果高出5μW。附图说明图1是本专利技术的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法的流程图；图2是无线携能通信系统的发射端与接收端的结构示意图；图3是用二分法求解最优门限值的算法流程图；图4是根据门限值进行接收的流程图；图5是周期切换算法与门限切换算法的对比图；图6为能量受限型接收机与速率受限型接收机的差异对比图；图7为本专利技术的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法的示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法，无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，包括以下步骤：在步骤一中，从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H以及天线数Nt，所述待接收信号携带能量与信息，信道增益H与信道矩阵h满足在步骤二中，根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H、天线数Nt确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；在步骤三中，根据所述函数关系式确定最优化函数；在步骤四中，根据所述最优化函数求得最优门限值在步骤五中，根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：计算平均可达速率R具体为：R(H,Nt,A‾)=∫0A‾log2(1+θPaσ2)f(a|H)da---(1)]]>计算收集能量的平均值Q具体为：Q(H,Nt,A‾)=θPHΓ(Nt+1,NtA‾H)Γ(Nt+1)---(2)]]>其中a为积分变量。上述公式(17)以及公式(18)通过以下推导过程得出：通信信号由射频信号的发送端利用随机波束赋形技术对发送信号进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行SVD分解(即奇异值分解)得到。发送信号由若干资源块组成，每个资源块由若干时隙组成，第k个时隙的预编码矩阵为Φ(k)＝[Φ1(k) Φ2(k)…ΦN(k)]，N＝Nt为发射端的天线数。预编码矩阵应满足其中INt为单位矩阵，且即各预编码矩阵符合独立同分布，其中CN表示零均值循环对称高斯分布。发射端可以通过控制指令、专用导频验证或者专用导频信道估计告知接收端信道矩阵的具体值h。可以根据式(1)计算任一时隙k接收信号的归一化信道能量：A(k)=1Nt||a(k)||2---(3)]]>其中，a(k)＝ΦT(k)h，k＝1,2,…,K，K为一个资源块内的总时隙数。对于第k个时隙，根据A(k)取值选择接收机模式，其中接收机模式包括能量接收机模式以及信息接收机模式，通过调整预设门限值来获得最大能量收集与信息速率的折中。其中预设门限值可以通过最优化函数得到。在接收机模式选择过程中，第k个子模块模式选择的指示函数设置如式(2)所示：ρ(k)=1,A(k)≤A‾0,A(k)>A‾---(4)]]>其中，A(k)为第k个时隙信道能量，为预设门限值。由于能量接收机的灵敏度远低于信息接收机的灵敏度，因此，式(2)表示的是当接收信号能量高于门限值时进行能量接收，低于门限时进行信息接收。接收端接收信号可表达为：y(k)=θXa(k)+z(k)---(5)]]>式(3)中，θ表示信号大尺度衰落系数，X为发送信号矢量，y(k)为接收信号，z(k)为高斯白噪声。设发射信号功率为P，σ2为噪声功率，L为预编码码长，E(·)为求均值运算，则：当ρ(k)＝1时，时隙k的最大可达速率可表示为R(k)=log2(1+θPA(k)&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，所述无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H以及天线数Nt，所述接收信号携带能量与信息，其中所述信道增益H与所述信道矩阵h满足步骤二：根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H、天线数Nt确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；步骤三：根据所述函数关系式确定最优化函数；步骤四：根据所述最优化函数求得最优门限值步骤五：根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。

【技术特征摘要】
1.一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，所述无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H以及天线数Nt，所述接收信号携带能量与信息，其中所述信道增益H与所述信道矩阵h满足步骤二：根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ2、信道增益H、天线数Nt确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；步骤三：根据所述函数关系式确定最优化函数；步骤四：根据所述最优化函数求得最优门限值步骤五：根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。2.根据权利要求1所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，其特征在于，步骤二中所述最优门限值关于平均可达速率值的函数关系式具体为：R(H,Nt,A‾)=∫0A‾log2(1+θPaσ2)f(a|H)da---(17)]]>其中，a为积分变量；步骤二中所述最优门限值关于平均收集能量值的函数关系式具体为：Q(H,Nt,A‾)=θPHΓ(Nt+1,NtA‾H)Γ(Nt+1)---(18)]]>3.根据权利要求1或2所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，所述接收机包括能量受限型接收机以及速率受限型接收机，其特征在于，在步骤四中，当所述接收机为能量受限型接收机时，所述根据最优化函数求得最优门限值具体为：maxA‾∫0A‾log2(1+θPaσ2)f(a)das.t.θPH&...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，冯雨晴，徐玉滨，崔扬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23