本發(fā)明涉及一種多輸入多輸出(MIMO)電力線通信系統(tǒng)的波束成形方法，屬于電力技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

能源互聯(lián)網(wǎng)中，由于能源接入設(shè)備眾多，通信方式多種多樣，需要傳輸?shù)男畔⒘枯^大，故寬帶電力線載波通信技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的引入，使得寬帶電力線MIMO系統(tǒng)成為能源互聯(lián)網(wǎng)通信的重要支撐系統(tǒng)。在寬帶電力線MIMO系統(tǒng)中，需要解決電力線中的同頻干擾問(wèn)題，根據(jù)臟紙編碼理論，同頻干擾可以全部消除，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率；但是由于全部消除同頻干擾的臟紙編碼為非線性運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜度高，不能在實(shí)際中應(yīng)用，故線性波束成形算法成為研究的重點(diǎn)。

隨著全球能源供應(yīng)的日益緊張，節(jié)能減排已成為當(dāng)今世界的發(fā)展潮流；然而隨著信息和通信技術(shù)的快速發(fā)展，相應(yīng)的能量消耗也以驚人的速度增加；根據(jù)調(diào)查，超過(guò)50％的電能用在了頻譜接入方面。故綠色高能源利用效率的寬帶電力線通信成為了研究趨勢(shì)。然而，現(xiàn)有的研究成果往往只是片面地追求高能源利用效率，而不能兼顧用戶對(duì)信息傳輸速率的需求，顯然是不實(shí)用的，因此有必要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種電力線MIMO通信中基于能效的波束成形方法，在保證信息傳輸速率的同時(shí)，提高能源利用效率。

本發(fā)明所述問(wèn)題是以下述技術(shù)方案解決的：

一種電力線MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述方法包括以下步驟：

a.MIMO電力線通信系統(tǒng)的發(fā)送端向接收端發(fā)送導(dǎo)頻序列；接收端根據(jù)接收到的導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣H；(導(dǎo)頻序列可以采用m序列或者golden序列等正交序列)

b.接收端對(duì)估計(jì)出的信道矩陣H進(jìn)行量化，得到反饋信道然后將反饋信道的編號(hào)反饋給發(fā)送端；

c.發(fā)送端根據(jù)反饋信道以最大化能源利用效率為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算波束成形矩陣T；

d.接收端根據(jù)發(fā)送端計(jì)算出的波束成形矩陣T計(jì)算均衡矩陣G；

e.接收端根據(jù)均衡矩陣G，得到(為最終得到的信息，用來(lái)區(qū)別發(fā)送的信息x，根據(jù)波束成形矩陣T和均衡矩陣G聯(lián)合信號(hào)處理，就能夠得到)。

上述電力線MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步驟b具體包括：

b1.接收端將估計(jì)出的信道矩陣H，與接收端和發(fā)送端約定好的碼本矩陣W進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出二者之間的choral距離，其表達(dá)式為：

其中，D_k為第k個(gè)用戶信道與碼子之間的choral距離，k為第k個(gè)用戶，θ_j為第j個(gè)信道方向向量與碼子的夾角，N是指共N個(gè)向量；

b2，對(duì)步驟b1得到的choral距離進(jìn)行比較，將最小的choral距離所對(duì)應(yīng)的信道作為反饋信道

b3，接收端將反饋信道的編號(hào)發(fā)送給發(fā)送端。

上述電力線MIMO通信中基于能效的波束成形方法，其中的步驟c具體包括：

C1，發(fā)送端根據(jù)接收端發(fā)送的信道編號(hào)計(jì)算出反饋信道

C2，發(fā)送端根據(jù)反饋信道計(jì)算出系統(tǒng)的吞吐量C，計(jì)算公式如下：

C3，根據(jù)吞吐量C計(jì)算系統(tǒng)的能源效率μ_EE：其中，C_m是第m個(gè)用戶的吞吐量，B代表用戶所占用的帶寬，SINR_m代表第m個(gè)用戶接收的信干噪比，E(g)代表均值運(yùn)算；

其中P_total為總的能量消耗，由下式計(jì)算：

其中p_M和分別是發(fā)送端發(fā)送功率和接收端的功率，而η_M和η_P分別是發(fā)送端和接收端的功率放大系數(shù)，p_C代表整個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的電路能量消耗；

C4，根據(jù)優(yōu)化函數(shù)

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}≥C_min

利用拉格朗日算子法計(jì)算出發(fā)送端的波束成形矩陣T：

式中,T_m為第m個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣，Tr為求跡運(yùn)算，P_max為基站發(fā)送的最大功率，C_min為保證用戶通信質(zhì)量的最小吞吐量，M為發(fā)送天線數(shù)，N為接收天線數(shù)，D_m為信道與碼子的距離，λ_m為拉格朗日系數(shù)，I為單位矩陣，T＝[T₁，L，T_m，L，T_K]。

上述電力線MIMO通信中基于能效的波束成形方法，所述均衡矩陣G的計(jì)算公式為：

式中,G_m為第m個(gè)用戶的均衡矩陣，P_m為分配給第m個(gè)用戶的發(fā)送功率，為P_max/K，G＝[G₁，L，G_m，L，G_K]。

本發(fā)明在充分考慮信道量化誤差的基礎(chǔ)上，應(yīng)用迭代方法計(jì)算波束成形矩陣及所對(duì)應(yīng)的接收端均衡矩陣，不僅消除了系統(tǒng)的多用戶干擾和共信道干擾，保證了信息的傳輸速率，而且提高了系統(tǒng)的能量利用效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2(a)和圖2(b)分別為已有技術(shù)與本發(fā)明方法的能效曲線和中斷概率曲線。

文中各符號(hào)為：H為信道矩陣，為反饋信道，T為波束成形矩陣，G為均衡矩陣，為為最終得到的信息，用來(lái)區(qū)別發(fā)送的信息x，根據(jù)波束成形矩陣T和均衡矩陣G聯(lián)合信號(hào)處理，就能夠得到)，D_k為第k個(gè)用戶信道與碼子之間的choral距離，θ_j為第j個(gè)信道方向向量與碼子的夾角，C為吞吐量，C_m是第m個(gè)用戶的吞吐量，B為用戶所占用的帶寬，SINR_m為第m個(gè)用戶接收的信干噪比，E為，μ_EE為能源效率，P_total為總的能量消耗，p_M和分別是發(fā)送端發(fā)送功率和接收端的功率，η_M和η_P分別是發(fā)送端和接收端的功率放大系數(shù)，p_C為整個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的電路能量消耗，T_m為第m個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣，Tr為求跡運(yùn)算，P_max為基站發(fā)送的最大功率，C_min為保證用戶通信質(zhì)量的最小吞吐量，M為發(fā)送天線數(shù)，N為接收天線數(shù)，D_m為信道與碼子的距離，λ_m為拉格朗日系數(shù)，I為單位矩陣。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

電力線MIMO收發(fā)端的信號(hào)處理步驟如下：

步驟A，本發(fā)明考慮的是多輸入多輸出系統(tǒng)，發(fā)送端發(fā)送導(dǎo)頻序列；接收端根據(jù)導(dǎo)頻序列，估計(jì)信道矩陣H；

步驟B1，接收端根據(jù)估計(jì)出的信道矩陣H，與接收端發(fā)送端約定好的碼本矩陣進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算二者之間的choral距離，其表達(dá)式為

步驟B2，對(duì)步驟B1得到的choral距離進(jìn)行比較，找到最小的choral距離；

步驟B3，將最小的choral距離所對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)發(fā)送給發(fā)送端；

步驟C1，發(fā)送端根據(jù)接收端得到的信道編號(hào)，計(jì)算出反饋信道

步驟C2，發(fā)送端根據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)的吞吐量C，計(jì)算公式如下：

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}

其中，B代表用戶所占用的帶寬，SINR_m代表第m個(gè)用戶接收的信干噪比。

步驟C3，根據(jù)吞吐量C計(jì)算出系統(tǒng)的能源效率，其計(jì)算表達(dá)式為：

其中總的能量消耗P_total為：

其中p_M和分別是發(fā)送端發(fā)送功率和接收端的功率，而η_M和η_P分別是發(fā)送端和接收端的功率放大系數(shù)，p_C代表整個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的電路能量消耗。

步驟C4，根據(jù)優(yōu)化函數(shù)

C_m＝BE{log₂(1+SINR_m)}≥C_min

利用拉格朗日算子法計(jì)算出發(fā)送端的波束成形矩陣

步驟D，根據(jù)發(fā)送端波束成形矩陣，計(jì)算均衡矩陣G，其表達(dá)式為

圖2(a)仿真了沒(méi)有考慮量化誤差和能效的波束成形方法(即傳統(tǒng)波束成形方法)、沒(méi)有考慮量化誤差的能效方法(即傳統(tǒng)能效優(yōu)化方法)和本發(fā)明方法的能效性能，圖2(b)仿真了沒(méi)有考慮量化誤差和能效的波束成形方法、沒(méi)有考慮量化誤差的能效方法和本發(fā)明方法的中斷概率，其中調(diào)制方式采用QPSK，快速傅里葉變換采用128位，信道編碼采用碼率為3/4的Turbo碼，數(shù)據(jù)位為72位，非數(shù)據(jù)位為64位，由圖2(a)可以看出，本發(fā)明的能效性能相對(duì)于以上兩個(gè)方法至少獲得5bps/Hz的增益，由此可以看出，本發(fā)明顯著提高了系統(tǒng)的能源利用效率。

以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的核心技術(shù)下，所做出的各種等效變化和變型，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。