面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率控制領(lǐng)域，特別是無(wú)線能量與信息的傳輸過(guò)程中的功率控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線能量傳輸技術(shù)將能量通過(guò)電磁波形式傳輸?shù)浇K端，可以延長(zhǎng)終端電池壽命， 甚至建成免于電池更換的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用在一些充電困難甚至難以完成的地方， 如戰(zhàn)場(chǎng)，污染/輻射環(huán)境，以及人體內(nèi)部。將無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信技術(shù)結(jié)合，可以 實(shí)現(xiàn)能量與信息的混合傳輸。現(xiàn)有技術(shù)中，主要存在兩種混合傳輸方案，分別是信息能量同 傳（SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，簡(jiǎn)稱(chēng)SWIPT)和無(wú)線能量 驅(qū)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（WirelessPoweredCommunicationNetwork，簡(jiǎn)稱(chēng)WPCN)。在SWIPT方案 下，基站向多個(gè)終端發(fā)送能量和信息，終端同時(shí)完成信息和能量的接收；在WPCN方案下，終 端依靠從基站收集的電磁波能量完成信息的收集、處理與發(fā)送。由于WPCN支持由終端上傳 信息，特別適用于建立無(wú)需更換電池的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，具有更重要的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，近 年來(lái)的研究指出，大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)可以顯著提升頻譜效率與功率效率，并利用簡(jiǎn) 單的多用戶線性預(yù)編碼方案，如匹配濾波（MatchedFilter,簡(jiǎn)稱(chēng)MF)預(yù)編碼，利用空間復(fù) 用增益并獲取接近最優(yōu)的性能。因此，考慮大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)下的WPCN的功率分配 將是非常有意義的。
[0003] 然而，大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)下無(wú)線能量驅(qū)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的功率分配面臨著一系 列的困難。首先，匹配濾波預(yù)編碼相對(duì)于迫零（Zero-Forcing,簡(jiǎn)稱(chēng)ZF)預(yù)編碼、臟紙編碼 (DirtyPaperCode,簡(jiǎn)稱(chēng)DPC)等，雖然機(jī)理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、能夠以很小的運(yùn)算量支持較多 的用戶，但是在實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的基站天線數(shù)目下，不同用戶間仍會(huì)殘留一部分用戶間干擾。其 次，無(wú)線能量驅(qū)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，需要終端先接收基站發(fā)射的能量，再將能量轉(zhuǎn)化后用于信息 的發(fā)射。因而，基站收到的信號(hào)實(shí)際上經(jīng)歷兩次大尺度衰落，形成所謂的"雙重遠(yuǎn)近效應(yīng)"， 嚴(yán)重加劇了靠近基站終端與遠(yuǎn)離基站終端之間的干擾。最終，功率分配會(huì)同時(shí)影響目標(biāo)終 端功率與用戶間干擾，如果功率分配方案給一個(gè)用戶分配了過(guò)多的功率，那么其他的用戶 會(huì)同時(shí)遭受更小的發(fā)射功率與更大的用戶間干擾的不利影響。以上都對(duì)WPCN下的功率分 配設(shè)計(jì)增加了難度，并使得廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的經(jīng)典注水功控算法（Water-Filling Algorithm)在大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)下的無(wú)線能量驅(qū)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中不再適用。
[0004] 因而，我們非常有必要研究該系統(tǒng)下的功率分配方案設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的通信容量 和用戶公平性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問(wèn)題：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種面向大規(guī)模天線陣列 的能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的功率分配方法，用于解決現(xiàn)有的信息與能量混合傳輸中存在的功率 分配不均而帶來(lái)的目標(biāo)終端功率低、用戶間干擾等不良影響。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，包括先后執(zhí)行的信道參 數(shù)估計(jì)、用戶終端能量發(fā)送功率分配、用戶終端能量接收、用戶終端上行信息傳輸以及基站 接收用戶終端的上行信息共5個(gè)步驟，其中用戶終端能量發(fā)送功率按照下式進(jìn)行分配：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其特征在于：包括先后執(zhí) 行的信道參數(shù)估計(jì)、用戶終端能量發(fā)送功率分配、用戶終端能量接收、用戶終端上行信息傳 輸W及基站接收用戶終端的上行信息共5個(gè)步驟，基站在同一時(shí)間向所有用戶終端能量發(fā) 送時(shí)，對(duì)每個(gè)用戶終端能量發(fā)送功率按照下式進(jìn)行分配：
其中： Pk為給第k個(gè)用戶終端的功率分配加權(quán)因子； a k為第k個(gè)用戶終端的下行信道的大尺度衰落因子； e k為第k個(gè)用戶終端的上行信道大尺度衰落因子； k = 1，…，K，K為用戶終端總數(shù)目。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其 特征在于；信道參數(shù)估計(jì)方法如下： 首先所有終端用戶同時(shí)向基站發(fā)送上行正交導(dǎo)頻，基站通過(guò)收到的上行正交導(dǎo)頻進(jìn)行 上行信道參數(shù)估計(jì)，基站獲得第k個(gè)用戶終端的上行信道小尺度衰落參數(shù)gk和上行信道大 尺度衰落因子0 k; 然后利用時(shí)分雙工系統(tǒng)中上行信道與下行信道的互易性，基站獲得第k個(gè)用戶終端的 下行信道小尺度衰落參數(shù)hk和下行信道大尺度衰落因子a k。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其 特征在于：基站向第k個(gè)用戶終端下行能量發(fā)送所用的波束成形向量為Wt=hf，其中上標(biāo) (? )H代表共輛轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其 特征在于；用戶終端采用接收整流天線收集基站發(fā)送的下行能量，第k個(gè)用戶終端接收的 下行能量為
其中： P為基站發(fā)射功率； T為一個(gè)傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度； n為用戶終端將接收到的電磁波能量轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化系數(shù)，0 < n < 1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其 特征在于：基站接收用第k個(gè)戶終端的上行數(shù)據(jù)傳輸所用的接收檢測(cè)向量為Vt =gf。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，其 特征在于：基站接收到的第k個(gè)用戶終端的上行數(shù)據(jù)為

其中： n是接收噪聲； T。是信道參數(shù)估計(jì)過(guò)程占用系統(tǒng)傳輸過(guò)程時(shí)間的比例，有0 < X。< 1 ; T 1是基站進(jìn)行下行能量發(fā)送所占用系統(tǒng)傳輸過(guò)程時(shí)間的比例； Si是給第i個(gè)終端用戶的能量傳輸符號(hào)，滿足呵K|2] = 1，其中呵?]是期望算符。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種面向大規(guī)模天線陣列的無(wú)線能量信息傳輸網(wǎng)絡(luò)功控方法，該方法按如下步驟進(jìn)行：首先基站側(cè)估計(jì)上行信道參數(shù)，并根據(jù)信道互易性獲得下行信道參數(shù)。然后基站根據(jù)估計(jì)獲得的信道參數(shù)，按照本發(fā)明方法為每個(gè)用戶分配信息發(fā)送功率并計(jì)算預(yù)編碼向量進(jìn)行下行能量傳輸。終端收集能量后并利用此功率能量將信息通過(guò)上行鏈路發(fā)送給基站。最后基站根據(jù)上行信道信息計(jì)算接收向量從而獲得用戶上行傳輸?shù)男畔?。本發(fā)明能夠有效地應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景中，可以最大化系統(tǒng)的終端和速率，同時(shí)最大化系統(tǒng)的終端最小速率。
【IPC分類(lèi)】H02J17-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104600873
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510028654
【發(fā)明人】許威, 吳憲, 張華
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日