一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法。其中多天线的次用户发送端通过功率分配方案从主用户的信号中采集能量，用来转发主用户的信号并发送自己的信号。我们的目标是设计适当的次用户发送端的波束成形矩阵和向量以及功率分配因子使得次用户处的可达速率最大。这里我们考虑次用户发送端已知所有链路的理想信道状态信息，由此提出了一个基于Charnes‑Cooper转换和一维搜索的优化方案。通过引入半正定松弛方法将原优化问题转变为凸半正定优化问题，再利用内点法求解得到最优波束成形矩阵和向量。本发明专利技术通过信息与能量的协作，一定程度上缓解了频谱和能量不足的问题，从而提高系统性能。

An information energy cooperative beamforming method based on cognitive bi-directional relay network

The invention discloses an information energy cooperative beamforming method based on the cognitive bi-directional relay network. The secondary user transmitter of multiple antennas collects energy from the main user's signal through power allocation scheme, which is used to forward the main user's signal and send his own signal. Our goal is to design appropriate beamforming matrices and vectors as well as power distribution factors for the sub user to make the maximum reachable rate of the sub user. Here we consider the ideal channel state information user transmitter of all links, we propose a optimization scheme of Charnes and Cooper conversion based on one-dimensional search. By introducing semi positive definite relaxation method, the original optimization problem is transformed into convex semi definite optimization problem, and then the optimal beamforming matrix and vector are solved by interior point method. Through the collaboration of information and energy, the invention alleviates the problem of lack of spectrum and energy to a certain extent, thus improving the performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法
本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种在理想信道状态信息下，基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法。
技术介绍
认知无线电是近年来提高无线频谱资源利用率的有效技术。在认知无线电网络中，主用户(PUs)和次用户(SUs)同时存在，这两类用户分别属于不同的通信系统，次用户在不影响主用户正常通信的情况下，与主用户共享频谱资源。由于对主用户的干扰功率限制，次用户的发送功率受限，从而降低了次用户服务质量以及认知网络的覆盖范围。为了进一步提高频谱利用率，改善主用户的服务质量，主用户和次用户的协作最近被提了出来，其中次用户帮助中继转发主用户间的信号，作为交换次用户利用主用户的频谱来传递次用户的信号。以前提出来的种种方案都是在次用户发送端进行波束成形设计从而最大化次用户处的可达速率或者最大化次用户接收端的信噪比以达到主用户处的服务质量。所有上述的工作考虑的只是主用户与次用户间的信息协作。如果次用户的能量受限，考虑到信息和能量的同时无线传输(SWIPT)，主用户与次用户间的信息能量协作则是一个解决频谱和能量不足问题的可能办法。SWIPT是一本文档来自技高网...

【技术保护点】
在认知双向中继网络中，我们考虑一个主系统与一个次系统的信息能量协作，主系统由两个单天线的主用户1、主用户2组成，它们彼此之间交换信息；次系统由一个多天线的次用户发送端和一个单天线的次用户接收端组成，次用户发送端配备有N根天线，帮助主用户间进行双向通信；其特征包括以下步骤：步骤一：第一时隙中，主用户1和主用户2同时发射信号给次用户发送端，次用户发送端用功率分配器来分配它所接收到的信号，用于信息处理(IP)和能量采集(EH)；步骤二：第二时隙中，次用户发送端将一波束成形矩阵与接收到的信号相乘，它们的积与原本要传递给次用户接收端的信号之和即为从次用户发送端传递给主用户和次用户接收端的信号；步骤三：在...

【技术特征摘要】
1.在认知双向中继网络中，我们考虑一个主系统与一个次系统的信息能量协作，主系统由两个单天线的主用户1、主用户2组成，它们彼此之间交换信息；次系统由一个多天线的次用户发送端和一个单天线的次用户接收端组成，次用户发送端配备有N根天线，帮助主用户间进行双向通信；其特征包括以下步骤：步骤一：第一时隙中，主用户1和主用户2同时发射信号给次用户发送端，次用户发送端用功率分配器来分配它所接收到的信号，用于信息处理(IP)和能量采集(EH)；步骤二：第二时隙中，次用户发送端将一波束成形矩阵与接收到的信号相乘，它们的积与原本要传递给次用户接收端的信号之和即为从次用户发送端传递给主用户和次用户接收端的信号；步骤三：在满足次用户发送端发射功率约束的前提下最大化次用户处的可达速率，同时还要满足在两个主用户处的可达速率约束，从而在理想信道状态信息下进行次用户发送端的波束成形和功率分配因子设计；步骤四：基于Charnes-Cooper转换和一维搜索，将步骤三得到的非凸优化问题通过引入半正定松弛方法将其转变为凸半正定优化问题，再利用内点法求解从而得到最优波束成形矩阵和向量。2.根据权利要求书1中所述的一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法，其特征在于：在所述的步骤一中，该次用户发送端在第一时隙中接收到来自于主用户1和主用户2发射的信号，随后次用户发送端应用功率分配方案采集能量，用于信号的转发和传递；在功率分配方案中，次用户发送端用功率分配器来分配它所接收到的信号，用于信息处理(IP)和能量采集(EH)；其实现过程为：在第一时隙中，主用户1和主用户2同时发射它们的信号，分别为s1和s2，在次用户发送端接收到的信号为：yr＝h1s1+h252+nr其中，表示从主用户i到次用户发送端的信道响应，表示次用户发送端处的加性高斯噪声向量，这里我们假设从主用户i到次用户发送端的信道响应hi在两个时隙中是恒定不变的；用ρ∈(0，1]表示信号功率分配给IP的部分，因此在次用户发送端分配给IP和EH的信号分别为：其中表示由IP过程引起的加性高斯噪声向量。3.根据权利要求书1中所述的一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法，其特征在于：在所述的步骤二中，次用户发送端在第二时隙中将一波束成形矩阵与接收到的信号相乘，它们的积与原本要传递给次用户接收端的信号之和为从次用户发送端传递给主用户和次用户接收端的信号；其实现过程为：第二时隙里，次用户发送端将一个波束成形矩阵，表示为与接收到的信号相乘，它们的积加上原本就...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，李全忠，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44