[發明專利]一種基于SWIPT系統的聯合波束形成方法

有效

• 申請號: 201710094650.0
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106850028B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 徐玉濱;王云;馬琳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳昕

為了解決SWIPT系統中信息傳輸速率以及能量收集速率較慢的問題，本發明提供一種基于SWIPT系統的聯合波束形成方法，屬于無線攜能通信領域。包括如下步驟：步驟一：發送端同時發送相互獨立的信息波束形成向量和能量波速形成向量；步驟二：接收端進行信息接收和能量收集，包括信息接收時隙和能量接收時隙：在信息接收時隙，利用信息波束形成向量對信息資源進行特定用戶的對準，實現信息的無誤傳輸；在能量接收時隙，利用能量波束形成向量對能量資源進行特定用戶的對準，將用戶間干擾做為能量收集的來源。本發明實現了信息傳遞和能量傳遞的獨立控制，增加能量收集端接收到的能量，同時合理地利用用戶間的干擾，以得到更優的R?E曲線。

技術領域

本發明屬于無線攜能通信領域，具體涉及一種基于SWIPT系統的聯合波束形成方法。

背景技術

隨著科學策略的發展，人們一直致力于尋找一種新的能源，而不是一味的依賴于風能、太陽能等自然資源。在實際應用系統中，對于一些小型的裝置，比如傳感器節點、智能手機、人工智能心臟等，很難設計能量收集電路來利用太陽能和風能對其進行充電，以保持長久穩定工作。為了克服這一實際問題，人們開始探求新的能量來源，即射頻(RadioFrequency，RF)信號。在傳統意義上的無線通信系統中，射頻信號扮演的角色是傳輸信息，但現在看來，射頻信號不僅能夠攜帶信息，也能夠攜帶能量。因此，接收端可以把射頻信號當作能量收集起來，作為接收端的能量來源，以延長通信網絡的壽命。這樣一來，接收端不僅可以解調信息，也可以通過接收電路的設計同時收集能量。

SWIPT(無線攜能通信系統，Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer)的概念是由L.R.Varshney于2008年首次提出的，他指出SWIPT策略不僅響應了綠色通信的號召，而且能夠延長能量受限無線通信網絡的使用壽命，接著他還基于SISO(Simple Input Simple Output，單輸入單輸出)平坦衰落信道研究了SWIPT系統中信息傳輸速率與能量傳輸速率的折中問題，即通常所說的R-E曲線，該曲線可以清晰地表達SWIPT系統中信息與能量兩種資源的利用情況，若信息資源的利用率提升，則體現在信息速率增大，若能量資源的利用率提升，則體現在電能收集量增加。另外，由于自由空間的功率耗散以及能量轉換電路的轉換效率較低，導致能量收集效率不高，而能量收集端的存在又影響著通信系統的信息傳輸速率。因此，國內外通信學者針對電能收集量不足以及R-E曲線如何做到最優折中的問題進行了廣泛的關注和研究。

波束形成(Beamforming，BF)策略對優化R-E起到了積極的作用，該策略可增大天線陣列方向輸出的信號強度，減小干擾信號的強度，從而提高通信網絡的可達信息速率。波束形成策略在SWIPT系統中的研究分為以下四個方面，分別為不同信道下的波束形成策略研究、不同接收機策略下的波束形成策略研究、不同優化目標下的波束形成策略研究以及信息接收機(Information Receiver，IR)和能量接收機(Energy Receiver，ER)不共端情況下的聯合波束形成策略的研究。

但是上述對波束形成策略的研究較為單一，僅局限于系統模型、接收策略或者優化目標的簡單變化。不能否認系統模型、接收策略或者優化目標的變化可以獲得更優R-E曲線的事實，但是對波束形成策略的研究并沒有結合SWIPT系統自身的特點提出一些創新點。比如說，SWIPT系統中存在信息和能量兩種資源，而傳統的無線通信系統只存在信息資源一種成分，而對于波束形成策略在SWIPT系統中的應用仍照搬自傳統無線通信系統，未考慮到信息資源與能量資源的差異性。因此，采用傳統的波束形成策略的R-E曲線也不能是最優的。

在傳統的無線通信系統中，射頻信號扮演的角色是傳遞信息，由于射頻信號本身也可以攜帶能量，所以以射頻信號作為介質的無線通信系統既可以進行信息傳輸，也可以進行電能傳輸，把具有此雙重功能的通信系統叫做無線攜能通信系統，即SWIPT系統。