本发明专利技术公开了一种低复杂度的多用户信能同传系统能效优化方法，包括以下步骤：首先求出每个用户在满足服务质量QoS下的最小传输功率，然后根据最小传输功率值计算总功率分配比例得到每个用户独立的功率约束值，并将用户独立功率约束的信能同传系统能效最大化问题分解为一系列存在闭式解的子问题；再根据Dinkelbach方法，迭代求解这些子问题直至得到最大能效值；最后基站得到最大能效所对应的预编码向量并通过控制信道将接收功率分裂因子发送给用户，从而实现信能同传系统的设计。本发明专利技术通过巧妙构思引入用户独立功率约束从而将一个总功率约束的复杂问题分解为存在闭式解的独立子问题，从而降低系统的计算复杂度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及绿色无线通信传输
，具体为多用户MIS0(MultipleInput SingleOutput)无线信能同传系统中的低复杂度能效最大化优化方案设计。
技术介绍
随着绿色通信技术在当今通信界的地位越来越重要，寻求一种更加节能和环保的 资源变得尤为迫切，因此无线信能同传系统，即能够同时传输信息和能量的系统，受到广大 研宄者的亲睐，并成为绿色通信中的重点研宄领域。 在传统无线设备中通常使用有限电量的电池，这使得系统工作效率大大降低。因 此，为了使无线设备能够更好地为人们提供服务，在绿色通信的大背景下，无线信能同传 系统技术开始进入人们的视野，这种技术的出现使得无线通信设备能够更好地发挥其作 用，同时也能缓解当今环境污染与能源匮乏问题。但在研宄开始，大多研宄工作多以提 升频谱效率为目标，却忽略了绿色通信系统设计中一个重要的性能指标一一能量效率，简 称能效，在数学上可以表示为系统和速率（总的信道容量）与系统总功率消耗之比，通 过文献检索可以发现，文献虽 然针对能效问题进行研宄并且设计了相关方法最终实现能效最大化，但是该方法却是一 种双层迭代算法，增加了计算复杂度，不适合实际应用。因此，本专利技术针对这个问题设计 了一种更实际的方案，即首先求出每个用户在满足服务质量QoS下的最小传输功率，然后 根据最小传输功率值计算总功率分配比例得到每个用户独立的功率约束值，并将用户独 立功率约束的信能同传系统能效最大化问题分解为一系列存在闭式解的子问题；再根据 Dinkelbach方法，迭代求解这些子问题直至得到最大能效值；最后基站得到最大能效所对 应的预编码向量并通过控制信道将接收功率分裂因子发送给用户，从而实现信能同传系统 的设计。本专利技术通过巧妙构思引入用户独立功率约束从而将一个总功率约束的复杂问题分 解为存在闭式解的独立子问题，从而降低系统的计算复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低复杂度的多用户信能同传系 统能效优化方法，包括以下步骤： (1)初始化如下变量：总功率约束值Pt(rtal，采集功率约束值ek，信干噪比约束值 yk，采集电路单元的能量转化效率Gk，k=1，2,. ..，K; (2)求解MU-MIS0无线信能同传系统下所有用户在满足服务质量QoS时所需最小 的传输功率，具体为：第k个用户根据方程+C=〇计算其在满足服务质量QoS时 的功率分裂因子pk，即可求得最小的传输功率，其中&^lhftl2， hk为信道估计得到的基站到用户k的信道向量，h表示基站到用户k的最优迫零预编码 方向向量；同理，其余用户均求得Pi，min，i=l，2，...，k-l，k+l，...，K，K为总的用户数； 从而得到所有用户独立的功率约束目标Pk，即冲：+ 心， k二1f为射频信号转变为基带信号进行信号处 理时引起的加性噪声方差；然后根据Dinkelbach思想，将MU-MISO无线信能同传系统下的 能效最大化问题变为减式问题，并分解为独立子问题，第k个独立子问题如下：[0007 其中：Rk(pk,Pk)为用户k的信道容量，Ek(pk,pk)为用户k的采集功率，pk为用户 k的发射功率，P。为系统固定总消耗功率，n表示能效值，表示功率放大器效率； (3)初始化迭代次数n= 0、可行解，并根据能效函数计算出对应的能效 值n(n)，其中；分别表示用户在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子，所述 能效函数为系统和速率（总的信道容量）与系统总功率消耗之比，即： ⑷更新迭代次数n=n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一 元多次方程，即： 求出对应闭式解集合{Pk，pk}，找出满足可行域0彡p1和maxdJPkhUPk))彡pk彡Pk并且使得目标函数' 取得最大值时对应的(/^，/>丨1，即为用户k所求的解，同理，按照此方式余下用户都找到 对应解，i=1，2,. . .，k-1，k+1，. . .，K，并计算能效值n(n); (5)判断是否满万<S,其中e为判定阈值，如果满足则输出 ，即为K个子问题的最优解，即最优发射功率和功率分裂因子;否则执 行步骤（3); (6)计算传输预编码向量\ k= 1，2, . . .K，基站利用vk对传输信号进 行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子A，k= 1，2, ...K发送到相应的用户， 从而每个用户设定功率分裂因子，实现信息与能量的同时接收，即完成信能同传系统的收 发机设计。 本专利技术的有益效果是，本专利技术针对多用户信能同传系统能效优化方法，通过巧妙 地构思引入用户独立功率约束从而将一个总功率约束的复杂问题分解为存在闭式解的独 立子问题，然后根据Dinkelbach方法，迭代求解这些子问题直至得到最大能效值；最后基 站得到最大能效所对应的预编码向量并通过控制信道将接收功率分裂因子发送给用户，从 而实现信能同传系统的设计。本专利技术通过巧妙构思引入用户独立功率约束从而将一个总功 率约束的复杂问题分解为存在闭式解的独立子问题，从而降低系统的计算复杂度。【附图说明】图1是本专利技术一个实施例的系统模型图； 图2是本专利技术一个实施例采用该方法的收敛性仿真； 图3是本专利技术一个实施例的平均能效与发射功率比较图； 图4是本专利技术一个实施例的平均能效与发射天线数比较图。【具体实施方式】 下面结合附图详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明显。 如图1所示，在该系统模型中假设基站（BS)(或接入点）天线数为Nt(Nt>0)，基 站利用传输预编码（或称传输波束赋形向量）vk，k= 1，. . .，K，向K个单天线接收机传输符 号sk，k= 1，. . .，K，然而不同于传统的多用户MIS0系统，用户接受到的信号将分裂两部分， 其中一部分用于信息译码，另一部分则进行能量采集。由此信道模型可知，在功率分裂前第 k个用户接收到的信号yk为：(1) 其中：hk为基于导频的信道估计方法得到的基站到用户k的信道向量，sk表示用 户k的符号，nk为天线引入的加性噪声，服从均值为0方差为的循环对称复高斯分布。 在经过功率分裂以后，信号分成两部分，其中信息译码部分可表示为：⑵ 上式中zk为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起的加性噪声，服从均值 为〇方差为和的循环对称复高斯分布，pk表示接收机k的功率分裂因子。。 第二部分能量采集函数表达式可写为：(3) 因此，信干噪比SINRk(v,Pk)可表示为：: K⑷ 相应的速率函数Rk可表示为： Rk=fflog(l+SINRk) (5) 其中W表示系统带宽。 而接收机采集功率Ek(v，Pk)，即单位时间内所采集的能量，可表示为：(6) 其中表示采集电路单元的能量转化效率。 再根据能效函数的定义，能效函数n可以表示为：(?) rv 这里g示系统消耗的总功率， 其中|;表示功率放大器效率，P。表示收发机总固定电路消耗（包括数模转换、频率合成 等），。 对于信能同传系统，通信服务质量包括两种，一种是为保证正常通信需要信干噪 比SINRk达到一定的要求，另一种为了维持系统正常工作需要采集功率Ek满足一定的条件。 特别地，为了简化发射机，本专利技术考虑常用的波束成形方案一一迫零预编码来消除多本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低复杂度的多用户信能同传系统能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初始化如下变量：总功率约束值Ptotal，采集功率约束值ek，信干噪比约束值γk，采集电路单元的能量转化效率ζk，k＝1,2,...,K；(2)求解MU‑MISO无线信能同传系统下所有用户在满足服务质量QoS时所需最小的传输功率，具体为：第k个用户根据方程计算其在满足服务质量QoS时的功率分裂因子ρk，即可求得最小的传输功率其中hk为信道估计得到的基站到用户k的信道向量，表示基站到用户k的最优迫零预编码方向向量；同理，其余用户均求得pi,min，i＝1,2,...,k‑1,k+1,...,K，K为总的用户数；从而得到所有用户独立的功率约束目标Pk，即Pk=Ptotalpk,minΣk=1Kpk,min;]]>其中：A=(1+γk)σk2ζk,]]>B=ek-σk2ζk-ζkγkσk2+ζkγkδk2,]]>C=-γkδk2ζk,]]>为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起的加性噪声方差；然后根据Dinkelbach思想，将MU‑MISO无线信能同传系统下的能效最大化问题变为减式问题，并分解为独立子问题，第k个独立子问题如下：maxpk,ρkRk(pk,ρk)-η(θpk+PCK-Ek(pk,ρk))]]>s.t.ρkpkgkρkσk2+δk2≥γk,]]>ζk(1-ρk)(pkgk+σk2)≥ek,]]>pk≤Pk,0≤ρk≤1.其中：Rk(pk,ρk)为用户k的信道容量，Ek(pk,ρk)为用户k的采集功率，pk为用户k的发射功率，PC为系统固定总消耗功率，η表示能效值，表示功率放大器效率；(3)初始化迭代次数n＝0、可行解并根据能效函数计算出对应的能效值η(n)，其中分别表示用户在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子，所述能效函数为系统和速率(总的信道容量)与系统总功率消耗之比，即:η(n)=Σk=1KRk(pk(n),ρk(n))Σk=1Kθpk(n)+PC-Σk=1KEk(pk(n),ρk(n));]]>(4)更新迭代次数n＝n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一元多次方程，即：方程一：A1ρk2+B1ρk+C1=0pk(ρk)=Pk]]>其中：A1=σk2(Pkgk+σk2),B1=δk2(Pkgk+2σk2),C1=δk4-Pkgkδk2ηζk(Pkgk+σk2);]]>方程二：A2ρk2+C2=0pk(ρk)=l1(ρk)]]>其中：l1(ρk)=Δγk(ρkσk2+δk2)ρkgk,A2=-ηζkgkσk2(1+γk),C2=(ηθ-ηζkgk)γkδk2;]]>方程三：A2ρk4+B3ρk3+C3ρk2+D3ρk+E3=0pk(ρk)=l2(ρk)]]>其中：l2(ρk)=Δ1gk(ekζk(1-ρk)-σk2),A3=2ζk2σk4gk,B3=(-6ζkσk2+δk2ζk+ek)ζkσk2gk,]]>C3=(6gkζk2σk2-3gkekζk-3gkζk2δk2-ek2ηθ+ekθζkδk2η)σk2,]]>D3=ekgkζk(2σk2-δk2)+gkζk2σk2(3δk2-2σk2)+ek(θζkδk4η-ekηθδk2-θζkδk2ησk2),]]>E3=(g...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：史清江，彭成，徐伟强，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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