[發明專利]多用戶多天線SWIPT中改進的MAX-SINR干擾對齊方法

有效

• 申請號: 202011526499.1
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112702091B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 許曉榮;王玉軍;趙彬
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0456;H04B17/336;H04B17/382;H04B17/391
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.多用戶多天線SWIPT中改進的MAX-SINR干擾對齊方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、多用戶多天線SWIPT系統的場景假設與建模；

步驟2、最小化干擾泄漏功率；

步驟3、最大化系統的頻譜效率；

步驟1所述的多用戶多天線SWIPT系統的場景假設與建模，具體如下：

在多用戶多天線的干擾對稱網絡中，首先對系統的信息速率進行建模；假設在傳輸過程中系統中的干擾是不變的；則在第k個接收端接收到的信號為：

其中，為第j個發送端到第k個接收端的信道系數，為第k個發送端到第k個接收端的信道系數，均服從均值為0、方差為σ²的高斯白噪聲，M和N分別表示發送端和接收端的天線數目；x_k為發送的信息流，z_k為發送的信息過程中引入的噪聲，V_j為第j個發送端的預編碼矩陣，U_k為第k個接收端的干擾抑制矩陣：滿足每一個SWIPT用戶將接收到的信號分為兩個部分：一部分用于信息解碼，另一部分用于能量收集；

第k個接收端用于能量收集的信號為：

第k個接收端收集到的能量為：

第k個接收端接收到的信息為：

其中，P_k為第k個發送端的信噪比，ρ_k為第k個接收端的功率分割因子，n_k為第k個接收端信息處理引入的噪聲，它服從均值為0、方差為σ²的高斯白噪聲；η為能量接收端的能量轉化效率；

步驟2所述的最小化干擾泄漏功率具體定義如下：

根據多用戶MIMO信道的互易性，通過迭代更新發送端的預編碼矩陣V_j和接收端的干擾抑制矩陣U_k；其中完美的干擾對齊滿足條件為：

其中是自動滿足的；

為了進行干擾對齊，天線數目應滿足：

N+M-d(K+1)≥0 (7)

其中N表示接收天線數目，M為發射天線數目，d代表信息條數，K表示用戶數；

用戶k接收到的干擾泄漏功率表示為：

Q_[k]為用戶k的干擾協方差矩陣：

其中，P_[j]為第j個發送端的發送端信噪比，d_[j]為第j個接收端收到的信息數目；

步驟2所述的最小化干擾泄漏功率具體實現如下：

2-1.初始化：以任意的預編碼矩陣V_j開始：V_j:V_j^HV_j＝I_d；

2-2.開始循環；

2-3.根據公式(9)在接收端計算干擾協方差矩陣Q_[k]；

2-4.在接收端計算相應的干擾抑制矩陣U_k：通過對Q_[k]進行SVD分解，取出對應的最小的d個特征值對應的特征向量組成U_k；

2-5.利用信道互易性，將發送端改為接收端，接收端變成發送端；

2-6.在互易后的接收端計算新干擾協方差矩陣

其中，帶箭頭參數表示在互易信道中各個參數的表示方法；

2-7在互易后的發送端計算相應的新預編碼矩陣，通過對新干擾協方差矩陣進行SVD分解，取出對應的最小的d個特征值對應的特征向量組成新預編碼矩陣V_k；

2-8根據新預編碼矩陣V_k和新干擾協方差矩陣通過公式(8)計算干擾泄漏功率L_[k]；

2-9判斷干擾泄漏功率L_[k]是否滿足收斂條件L_[k]≤L_min，L_min為設定的最小干擾泄漏功率，若滿足則循環結束，否則跳轉到步驟2-3；

步驟3所述的最大化系統的頻譜效率定義如下：

最大化系統的頻譜效率優化問題數學模型為：

其中R_sum表示系統的總信息速率，Tr[]表示跡運算，L_min表示系統所要求的最小干擾泄漏功率；

初始的頻譜效率優化問題(10)分解為K個子問題，并且由于信息速率R與信干噪比SINR的單調關系，子問題等價為：

由于子問題中優化變量過多，為了簡便運算，首先固定功率分割因子ρ_k，通過最小化干擾泄漏功率的方法迭代優化發送端的預編碼矩陣V_j和接收端的干擾抑制矩陣U_k；然后為了最大化接收端的信干噪比，重新設計接收端的干擾抑制矩陣Um_k，優化問題轉化為：

上述優化問題(12)由于在分子和分母中均含有優化變量，因此難以解決；通過最小化干擾泄漏準則可知為了解決上述優化問題，令通過將優化問題進行放縮，得到如下優化問題：

為了將優化問題轉化為凸問題，令：

W_k＝H_kkV_kV_k^HH_kk^H (14)

此時優化問題轉化為：

則該問題轉化為標準半正定規劃問題，可用凸優化方法(CVX)求解；然后，通過特征值分解得到重新設計的干擾抑制矩陣Um_k；根據能量收集需求求出相應的功率分割因子ρ_k，則滿足SWIPT節點能量收集需求。

2.如權利要求1所述的多用戶多天線SWIPT中改進的MAX-SINR干擾對齊方法，其特征在于步驟3所述的優化問題的求解過程具體如下：

3-1固定功率分割因子ρ_k，根據最小化干擾泄漏準則得到最后一次的干擾泄漏功率L_[k]，根據公式(10)，將干擾泄漏功率L_[k]轉變為

3-2當滿足公式(16)中的時，執行以下循環：

①通過式(16)優化得到重新設計的干擾抑制矩陣Um_k；

②令U_k＝Um_k，代入最小化干擾泄漏準則中的步驟2-6和步驟2-7，求出預編碼矩陣V_k；

③更新預編碼矩陣V_k，求出新的Tr[Q_[k]Z_k]；

④重復①-③，直至收斂；

3-3循環結束，將求解的重新設計的干擾抑制矩陣Um_k，預編碼矩陣V_k代入式(10)，求出相應的信干噪比。