一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法技术方案

为了解决SWIPT系统中信息传输速率以及能量收集速率较慢的问题，本发明专利技术提供一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，属于无线携能通信领域。包括如下步骤：步骤一：发送端同时发送相互独立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步骤二：接收端进行信息接收和能量收集，包括信息接收时隙和能量接收时隙：在信息接收时隙，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，实现信息的无误传输；在能量接收时隙，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，将用户间干扰做为能量收集的来源。本发明专利技术实现了信息传递和能量传递的独立控制，增加能量收集端接收到的能量，同时合理地利用用户间的干扰，以得到更优的R‑E曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法
本专利技术属于无线携能通信领域，具体涉及一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法。
技术介绍
随着科学策略的发展，人们一直致力于寻找一种新的能源，而不是一味的依赖于风能、太阳能等自然资源。在实际应用系统中，对于一些小型的装置，比如传感器节点、智能手机、人工智能心脏等，很难设计能量收集电路来利用太阳能和风能对其进行充电，以保持长久稳定工作。为了克服这一实际问题，人们开始探求新的能量来源，即射频(RadioFrequency，RF)信号。在传统意义上的无线通信系统中，射频信号扮演的角色是传输信息，但现在看来，射频信号不仅能够携带信息，也能够携带能量。因此，接收端可以把射频信号当作能量收集起来，作为接收端的能量来源，以延长通信网络的寿命。这样一来，接收端不仅可以解调信息，也可以通过接收电路的设计同时收集能量。SWIPT(无线携能通信系统，SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer)的概念是由L.R.Varshney于2008年首次提出的，他指出SWIPT策略不仅响应了绿色通信的号召，而且能够延长能量受限无线通信网络的使用寿命，接着他还基于SISO(SimpleInputSimpleOutput，单输入单输出)平坦衰落信道研究了SWIPT系统中信息传输速率与能量传输速率的折中问题，即通常所说的R-E曲线，该曲线可以清晰地表达SWIPT系统中信息与能量两种资源的利用情况，若信息资源的利用率提升，则体现在信息速率增大，若能量资源的利用率提升，则体现在电能收集量增加。另外，由于自由空间的功率耗散以及能量转换电路的转换效率较低，导致能量收集效率不高，而能量收集端的存在又影响着通信系统的信息传输速率。因此，国内外通信学者针对电能收集量不足以及R-E曲线如何做到最优折中的问题进行了广泛的关注和研究。波束形成(Beamforming，BF)策略对优化R-E起到了积极的作用，该策略可增大天线阵列方向输出的信号强度，减小干扰信号的强度，从而提高通信网络的可达信息速率。波束形成策略在SWIPT系统中的研究分为以下四个方面，分别为不同信道下的波束形成策略研究、不同接收机策略下的波束形成策略研究、不同优化目标下的波束形成策略研究以及信息接收机(InformationReceiver，IR)和能量接收机(EnergyReceiver，ER)不共端情况下的联合波束形成策略的研究。但是上述对波束形成策略的研究较为单一，仅局限于系统模型、接收策略或者优化目标的简单变化。不能否认系统模型、接收策略或者优化目标的变化可以获得更优R-E曲线的事实，但是对波束形成策略的研究并没有结合SWIPT系统自身的特点提出一些创新点。比如说，SWIPT系统中存在信息和能量两种资源，而传统的无线通信系统只存在信息资源一种成分，而对于波束形成策略在SWIPT系统中的应用仍照搬自传统无线通信系统，未考虑到信息资源与能量资源的差异性。因此，采用传统的波束形成策略的R-E曲线也不能是最优的。在传统的无线通信系统中，射频信号扮演的角色是传递信息，由于射频信号本身也可以携带能量，所以以射频信号作为介质的无线通信系统既可以进行信息传输，也可以进行电能传输，把具有此双重功能的通信系统叫做无线携能通信系统，即SWIPT系统。在多天线SWIPT系统中，传统波束形成策略已经得到了广泛的应用，该策略可以增大天线阵列方向有用信号的强度，减小干扰信号的强度，以实现信息和能量的定向传输。但是传统波束形成策略只采用一个波束形成向量，未考虑到SWIPT系统中信息成分和能量成分的差异性，且忽略了用户间干扰也可以作为能量的事实，结果导致系统中的资源未得到合理的利用，能量收集端接收到的能电量过少，使得信息-速率(Rate-Energy,R-E)曲线没有达到良好的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决SWIPT系统中信息传输速率以及能量收集速率较慢的问题，本专利技术提供一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法。本专利技术的一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：发送端同时发送相互独立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步骤二：接收端进行信息接收和能量收集，包括信息接收时隙和能量接收时隙：在信息接收时隙，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，实现信息的无误传输；在能量接收时隙，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，将用户间干扰做为能量收集的来源。优选的是，所述步骤二包括：根据信息接收时隙和能量接收时隙，建立目标函数：该目标函数的约束条件：其中，vk为发送端第k个用户的信息波束形成向量；M为用户的数量；wk为发送端第k个用户的能量波束形成向量；α为时隙分割比例；W为传输信道带宽；为hk的共轭转置，hk为第k个用户的信道增益矩阵；为第k个用户天线噪声功率；ζk为第k个用户的能量转换效率；γk为信息接收时隙第k个用户的最小信干噪比门限；ek为能量接收时隙第k个用户的最小收集能量门限；对建立目标函数中参数求最优解；利用求得最优解的目标函数进行信息接收和能量收集。优选的是，所述对建立的模型中参数求最优解为：利用拉格朗日松弛方法对目标函数中参数求最优解。优选的是，所述利用拉格朗日松弛方法对目标函数中参数求最优解的方法为：利用拉格朗日松弛方法将建立的目标函数转换为：及Lk()为拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子；转换后的目标函数的约束条件为：对转换后目标函数求取最优值。优选的是，信息波束形成向量vk的最优值为：其中，Φk表示信息波束形成向量vk的定义域；Nt表示发送端发送天线的数量。优选的是，能量波束形成向量wk的最优值为：根据L＝A-1Λ，获得为的标准正交基；Nt表示发送端发送天线的数量。优选的是，所述α的最优值α的初值为αstart，α的终值为αend，利用公式对α的值进行更新，当满足时的α值，就是所述α的最优值优选的是，所述λ的最优值拉格朗日乘子的上界为λmax，拉格朗日乘子的下界为λmin，利用公式对λ的值进行更新，当满足Pm-α|vk|2-|wk|2+α|wk|2＝0时的λ值，就是所述λ的最优值其中P为发送端的最大发送功率门限。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于，为了实现信息传递和能量传递的独立控制，增加能量收集端接收到的能量，同时合理地利用用户间的干扰，以得到更优的R-E曲线，本专利技术提出了一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，该方法将单一的波束形成向量延伸到两个独立的波束形成向量。在信息接收阶段，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，此时为了消除用户干扰，实现信息的无误传输，信息波束形成向量与信道增益之间存在着正交关系；在能量接收阶段，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，此时考虑到用户间干扰可以做为能量收集的来源，且对于能量接收来说不存在干扰的因素，所以能量波束形成向量与信道增益之间不必满足正交关系。本专利技术通过数学建模得到了一个含不等式约束的最值求解问题，利用拉格朗日乘子法可以对其进行求解。最后仿真实验表明本专利技术提出的策略可以优化了R-E曲线。附图说明图1为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：发送端同时发送相互独立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步骤二：接收端进行信息接收和能量收集，包括信息接收时隙和能量接收时隙：在信息接收时隙，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，实现信息的无误传输；在能量接收时隙，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，将用户间干扰做为能量收集的来源。

【技术特征摘要】
1.一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：发送端同时发送相互独立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步骤二：接收端进行信息接收和能量收集，包括信息接收时隙和能量接收时隙：在信息接收时隙，利用信息波束形成向量对信息资源进行特定用户的对准，实现信息的无误传输；在能量接收时隙，利用能量波束形成向量对能量资源进行特定用户的对准，将用户间干扰做为能量收集的来源。2.根据权利要求1所述的基于SWIPT系统的联合波束形成方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据信息接收时隙和能量接收时隙，建立目标函数：该目标函数的约束条件：其中，vk为发送端第k个用户的信息波束形成向量；M为用户的数量；wk为发送端第k个用户的能量波束形成向量；α为时隙分割比例；W为传输信道带宽；为hk的共轭转置，hk为第k个用户的信道增益矩阵；为第k个用户天线噪声功率；ζk为第k个用户的能量转换效率；γk为信息接收时隙第k个用户的最小信干噪比门限；ek为能量接收时隙第k个用户的最小收集能量门限；对建立目标函数中参数求最优解；利用求得最优解的目标函数进行信息接收和能量收集。3.根据权利要求2所述的基于SWIPT系统的联合波束形成方法，其特征在于，所述对建立的模型中参数求最优解为：利用拉格朗日松弛方法对目标函数中参数求最优解。4.根据权利要求2所述的基于SWIPT系统的联合波束形成方法，其特征在于，所述利用拉格朗日松弛方法对目标函数中参数求最优解的方法为：利用拉格朗日松弛方法将建立的目标函数转换为：及Lk()为拉格朗日函数，λ为拉格朗日乘子；转换后的目标函数的约束条件为：

【专利技术属性】
技术研发人员：徐玉滨，王云，马琳，
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