一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，系统包括一个发射机、一个信息接收机和一个能量接收机，发射机发送数据，信息与能量接收机同时收到数据。在本发明专利技术的设计准则是：根据系统的能量要求和信道统计信息，在满足能量要求的条件下，设计预编码使得系统信息传输速率最大。发送机首先通过测量分别获取发送端到两个接收机的信道协方差、信噪比等信息；通过引入辅助参数，构造一个对偶函数，将预编码求解问题转化为一个等价的对偶问题；对该对偶问题，设计循环迭代算法求出最优预编码。与各向同性传输方案相比，在给定的系统能量要求时，本方法取得的系统传输速率更高；本方法的信息、能量可达域也较前者更宽阔。

【技术实现步骤摘要】
一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法。
技术介绍
能量收集技术可以为无线传感网络或者蜂窝移动网络提供能量，延长设备节点的生存期，因而近年来受到了广泛关注。另一方面，信息传输问题一直是通信系统的关键和研究热点。因此，两种技术相结合，产生了无线信息与能量联合传输的新技术。《国际电气与电子工程师协会无线通信学报》(“MIMObroadcastingforsimultaneouswirelessinformationandpowertransfer，”IEEETransactionsonWirelessCommunications,2013,11(5):1989-2001)研究了一个典型多发多收的信息—能量通信系统，系统中一个节点发送信息，另外两个节点分别接收能量和信息。在发送端功率一定的条件下，发送信号协方差矩阵的设计将会对信息和能量接收机同时产生影响。该文求出了在满足系统最低能量需求时，达到最大传输速率时发送端协方差矩阵应满足的形式。另外，还系统的分析了时分复用、功率拆分等复用方案对可达功率－速率域的影响。《国际电气与电子工程师协会无线通信快报》(“Energy-efficientoptimizationforwirelessinformationandpowertransferinlarge-scaleMIMOsystemsemployingenergybeamforming，”IEEEWirelessCommunicationsLetters,2013,2(6):667-670)研究了大规模多天线系统的联合传输系统，接收机从较远的发送端获取能量而后返回观测数据给发送端。该文以能量效率为优先优化目标，在保证了所需最低信息通信质量的条件下，研究了无线资源优化问题，包括最优发送功率和能量、信息传输时间分配比等。目前现有研究大多需要即时的信道状态信息，无论是理想还是非理想信息。可是如果信道是快衰落变化，则频繁测量和反馈信道信息将不可避免地给系统回程链路带来很大负担，链路开销大。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，该方法仅使用信道统计信息—信道收发协方差矩阵和信噪比，可以显著的降低系统测量和反馈开销。在满足系统能量需求的条件下，该方法将实现系统信息传输速率的最大化。为实现上述目的，本专利技术提供了一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；S3:更新两个辅助参数；S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束。若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。优选的，所述步骤S2的初始化操作，其特征在于：迭代指数k初始设置为零，辅助参数有两个，记为λ和u,这两个参数初始设置均大于或等于零，搜索步长t满足0<t<1。优选的，所述步骤S2的子算法一，其特征在于：S21:根据子算法二，获得功率分配矩阵NT是发送天线数，diag(.)是矩阵的对角化操作，pi是功率值；S22:计算最优发送协方差矩阵，其中，矩阵V是矩阵奇异值分解中的右奇异矩阵，是维度是NT的单位矩阵，NT是发送天线数，Tr(.)是矩阵的迹函数，(.)1/2表示矩阵开方，(.)-1/2表示矩阵开方并求逆，(.)H是矩阵的Hermitian操作，θRE、θTE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵，θTD是发送端到信息接收机的信道发送协方差矩阵；S23:将Q代入下式，求出对偶函数g(λ,u)。其中，HD是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复ND×NT的矩阵，定义为：上式中，θRD、θTD是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；Hω,D是一个维度为ND×NT的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布；此外，PT为发送功率,εng是功率最低要求，是信息信道的噪声功率。优选的，所述步骤S3的辅助参数更新，其特征在于：λ(k+1)＝max(0,λ(k)+tΔλ(k)),u(k+1)＝max(0,u(k)+tΔu(k)),其中，t是搜索步长，上标k代表迭代次数。优选的，步骤S4的对偶函数，其特征在于：对偶函数定义为：这里函数L(Q,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：是维度是ND的单位矩阵，ND是信息接收机的天线数。优选的，所述步骤S5的判定准则，其特征在于：判断两次迭代取得的对偶函数数值之差，即g(λ(k+1),u(k+1))-g(λ(k),u(k))|，是否小于某个预设门限，来决定是否结束算法。优选的，所述步骤S21的子算法二，特征如下：S211：初始化迭代指数k＝0,S212：更新l∈Φ，这里是一个列向量，是的第i列；UB和ΛB分别是矩阵B的奇异值分解对应的左奇异矩阵和对角阵，和分别是矩阵θRD的特征分解中的对角阵和特征向量组成的矩阵；S213:增加迭代指数k:＝k+1，重复步骤S212-S213若干次；S214：如果存在l，使得但是pl不收敛为零，则找到最小的功率值设置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{lmin}，回到步骤S212，否则，结束程序。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于信道协方差及系统信噪比反馈，为信息与能量联合传输系统提供了一种预编码方法。该方法能够在满足系统能量需要的同时，有效的提升系统信息传输速率。相比非预编码方法，在满足相同的能量需求时，该方法取得的信息传输速率更高，其信息-能量可达域也更宽阔。本专利技术还具有反馈量小、系统开销小的优点。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的预编码方法的实施流程图；图2是本专利技术预编码方法涉及的子算法一流程图；图3是本专利技术预编码方法涉及的子算法二流程图；图4是图1中方法在三节点2×2MIMO系统情况下与各向同性传输方法性能对比图。具体实施方式本专利技术适用的通信系统包括三个节点：一个发送节点，一个信息接收节点和一个能量接收节点，三个节点均配备多根天线，分别是NT、NRD和NRE。用户数据x在发送之前需要乘以一个预编码矩阵W，而后广播出去。这样，信息和能量接收机的接收信号表示式写成：yD＝HDWx+NDyE＝HEWx+NE其中，HD是NRD×NT维的复矩阵，表示发送端到信息接收机的信道，不妨称之为信息信道；HE是NRE×NT维的复矩阵，表示发送端到能量接收机的信道，不妨称之为能量信道；ND是NRD维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布；NE是NRE维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布。由信息接收信号表达式可推得，系统的信息传输速率为其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；S3:更新两个辅助参数；S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束，若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种信息与能量联合传输系统的预编码传输方法，其特征在于如下处理步骤：S1:基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的噪声功率，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道；S2:初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长，根据子算法一计算发送协方差矩阵和对偶函数数值作为初始值；S3:更新两个辅助参数；S4:根据辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的发送协方差矩阵和对偶函数数值；S5：按照一定的判定准则决定算法是否结束，若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。2.如权利要求1中所述步骤S2的初始化操作，其特征在于：迭代指数k初始设置为零，辅助参数有两个，记为λ和u,这两个参数初始设置均大于或等于零，搜索步长t满足0<t<1。3.如权利要求1中所述步骤S2的子算法一，其特征在于：S21:根据子算法二，获得功率分配矩阵NT是发送天线数，diag(.)是矩阵的对角化操作，pi是功率值；S22:计算最优发送协方差矩阵，其中，矩阵V是矩阵奇异值分解中的右奇异矩阵，是维度是NT的单位矩阵，NT是发送天线数，Tr(.)是矩阵的迹函数，(.)1/2表示矩阵开方，(.)-1/2表示矩阵开方并求逆，(.)H是矩阵的Hermitian操作，θRE、θTE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵，θTD是发送端到信息接收机的信道发送协方差矩阵；S23:将Q代入下式，求出对偶函数g(λ,u)。其中，HD是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复ND×NT的矩阵，定义为：

【专利技术属性】
技术研发人员：周雯，邓单，林艺文，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32