[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)最大化和速率預(yù)編碼方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410692585.8
• 申請(qǐng)日: 2014-11-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104393956B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高暉;呂鐵軍;岳朝輝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04L1/00
• 分類(lèi)號(hào): H04L1/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)最大化和速率預(yù)編碼方法，確切地說(shuō)，是一種更好地利用頻譜與能量資源進(jìn)行通信與傳輸能量的方法，屬于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

基于周?chē)h(huán)境的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行能量采集是一種很有前景的新技術(shù)，該技術(shù)可以提供廉價(jià)快捷的能源。近幾十年來(lái)，很多機(jī)構(gòu)進(jìn)行了卓有成效的旨在無(wú)線(xiàn)傳輸能量的研究。若該技術(shù)成熟后，可以代替有線(xiàn)輸能以節(jié)約資源，甚至可以從人造地球衛(wèi)星將能量傳回地球。業(yè)界已經(jīng)積累了若干相關(guān)技術(shù)。

另一方面，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)早已廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信中，給人類(lèi)的生活提供了巨大的便利。因此，最近攜能通信引起了廣泛關(guān)注。事實(shí)上，攜能通信對(duì)于不便充電或不能充電的設(shè)備極其有用，例如用于醫(yī)療植入的人體傳感網(wǎng)。另外，此技術(shù)在不久的將來(lái)也可以用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中為移動(dòng)終端進(jìn)行有效的充電。

由于多天線(xiàn)技術(shù)取得的巨大成功，基于多天線(xiàn)技術(shù)的攜能通信引起了人們的關(guān)注。在發(fā)送功率及能量用戶(hù)接收功率約束下最大化信息用戶(hù)和速率問(wèn)題成為該領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，之前也有不少相關(guān)研究。但是由于存在多用戶(hù)干擾導(dǎo)致信息用戶(hù)和速率為一非凸函數(shù)，一般都將多用戶(hù)干擾徹底消除使目標(biāo)函數(shù)為凹函數(shù)。又由于約束條件均為線(xiàn)性條件故既為凸函數(shù)又為凹函數(shù)，此時(shí)問(wèn)題徹底變成了一凸優(yōu)化問(wèn)題。這樣一來(lái)便可以利用成熟的凸優(yōu)化工具包來(lái)求解。

但是由于對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，優(yōu)化后的結(jié)果只最大化轉(zhuǎn)化之后的目標(biāo)函數(shù)，并沒(méi)有最大化原目標(biāo)函數(shù)。所以該方法的性能仍有待提高，但是由于全局最優(yōu)化方法涉及很復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題，一般只討論其他方法。

針對(duì)現(xiàn)有方法存在的諸多問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于漸進(jìn)凸逼近的局部最優(yōu)化方法。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種在無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)中在發(fā)送功率及能量用戶(hù)接收功率約束下局部最大化信息用戶(hù)和速率的方法。即通過(guò)將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)漸進(jìn)凸逼近轉(zhuǎn)化為凸函數(shù)，而且并沒(méi)有增加其余的約束條件。由于迭代過(guò)程中，目標(biāo)函數(shù)非減且有上界，故本發(fā)明方法一定收斂。另外，由于初始化第一次迭代時(shí)的目標(biāo)函數(shù)即與完全消除多用戶(hù)干擾條件下信息用戶(hù)和速率表達(dá)式相同。因此，與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明方法可以獲得更高的信息用戶(hù)和速率。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明方法只需經(jīng)過(guò)5至10次迭代即可收斂，有效地提高信息用戶(hù)和速率。

為了達(dá)到上述目的，無(wú)線(xiàn)攜能通信系統(tǒng)局部最優(yōu)預(yù)編碼方法，用于下述場(chǎng)景：包括一個(gè)基站和多個(gè)用戶(hù)的通信系統(tǒng)，用戶(hù)分為兩類(lèi)，其中一部分接收信號(hào)，另一部分用來(lái)接收能量；任何用戶(hù)不能同時(shí)接收信號(hào)與能量，且信號(hào)接收機(jī)利用其收到的全部能量來(lái)解碼信息。基站首先獲得所有信道狀態(tài)信息H₁,...,H_k，其中H_i表示基站至信息接收機(jī)的信道矩陣，H_j表示基站至能量接收機(jī)的信道矩陣，之后建立以信息用戶(hù)和速率為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化模型。其特征在于：所述方法包括下列兩個(gè)操作步驟：

上述優(yōu)化模型具體公式為：

式中，K_I和K_E分別表示信息用戶(hù)及能量用戶(hù)集合，P_T為發(fā)送端的最大發(fā)送功率，ζ_j為相應(yīng)能量接收機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，Q_j為相應(yīng)能量接收機(jī)的最低獲取能量門(mén)限值。

(1)初始化階段：由于存在多用戶(hù)干擾信息用戶(hù)和速率為一非凸函數(shù)，將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)漸進(jìn)凸逼近轉(zhuǎn)化為凸函數(shù)，此時(shí)在發(fā)送功率及能量用戶(hù)接收功率約束下最大化信息用戶(hù)和速率問(wèn)題為一凸問(wèn)題，將發(fā)送協(xié)方差矩陣設(shè)為零矩陣，求解該問(wèn)題。

(11)由于存在多用戶(hù)干擾信息用戶(hù)和速率為一非凸函數(shù)，將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)一階近似轉(zhuǎn)化為凸函數(shù)，即可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸問(wèn)題。

上述近似具體公式為：

式中，

(12)將發(fā)送協(xié)方差矩陣設(shè)為零矩陣，即求解如下凸問(wèn)題：

(2)迭代階段：求解優(yōu)化問(wèn)題，得到發(fā)送信號(hào)協(xié)方差矩陣更新代入目標(biāo)函數(shù)，繼續(xù)求解，直至信息用戶(hù)和速率收斂。由于每次迭代目標(biāo)函數(shù)不減且有上界，故本發(fā)明方法一定收斂。理論證明本發(fā)明方法性能局部最優(yōu)。

(21)求解優(yōu)化問(wèn)題，得到發(fā)送信號(hào)協(xié)方差矩陣更新代入目標(biāo)函數(shù)。

(22)判斷信息用戶(hù)和速率是否收斂，若不收斂，令n＝n+1，繼續(xù)求解優(yōu)化問(wèn)題。

(23)若信息用戶(hù)和速率收斂，則結(jié)束該算法。