Mu-miso無線攜能通信系統(tǒng)的魯棒構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及MU-MISO無線攜能通信系統(tǒng)的魯棒構(gòu)造方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線攜能通信（SimultaneousWirelessInformationandPower Transfer，SWIPT)是在現(xiàn)有無線供電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過某種技術(shù)手段，在完成能量的傳輸 與收集（EnergyHarvesting,EH)的同時，實現(xiàn)高效可靠通信，從而充分利用寶貴的發(fā)射功 率?；谛畔⑴c能量并行傳輸這一顯著特點，SWIPT技術(shù)有望廣泛用于高速射頻標(biāo)簽（Radio FrequencyIdentification，RFID)、物聯(lián)網(wǎng)以及各類移動終端之間的信息交換與能量傳 輸，在實現(xiàn)高速信息交換的同時，通過提取接收信號中的能量有效地向各種終端設(shè)備饋電， 從而取代傳統(tǒng)有線或電池供電所帶來的不便，減小終端設(shè)備的體積與成本，并延長其待機(jī) 時間。
[0003] 多輸入單輸出（Multiple-InputSingle-Output，MIS0)技術(shù)是指發(fā)送端采用 了多根天線。隨著多天線技術(shù)研宄的深入，MISO技術(shù)已從點對點的單用戶多輸入多輸出 (Multiple-InputMultiple-Output，MIM0)技術(shù)擴(kuò)展到了點對多點的多用戶MISO系統(tǒng) (MultipleUserMIS0，MU_MIS0)。研宄表明，在MU-MISO系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)利用準(zhǔn)確的信道信 息對帶發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的波束成形的預(yù)處理，從而實現(xiàn)分集和陣列增益。然而，這一假設(shè) 并不現(xiàn)實。在時分雙工（Time-DivisionDuPlexJDD)系統(tǒng)中，雖然上下行鏈路空間傳播信 道的基帶響應(yīng)在理論上滿足互易性（reciprocity)，但在考慮射頻到基帶之間相互轉(zhuǎn)換等 因素時則很難實現(xiàn)。對頻分雙工（Frequenency-DivisionDuplex，F(xiàn)DD)系統(tǒng)，其上下行鏈 路信道不具有互易性。因此，一種較為可行的方式是：接收機(jī)先估計信道信息，再將其反饋 給發(fā)射機(jī)。但由于開銷不能太大，反饋鏈路的帶寬受到限制，加之目前通信系統(tǒng)的數(shù)字化實 現(xiàn)需要，一般只能用若干比特對需要反饋的信道信息進(jìn)行量化，再傳遞給發(fā)射機(jī)，但是實際 系統(tǒng)中接收機(jī)可以反饋的信息量是有限的。這種方案導(dǎo)致發(fā)射機(jī)端獲得的系統(tǒng)信道信息與 真實的信道信息之間存在一定的誤差。在上述兩種情況下，發(fā)射機(jī)獲得的下行鏈路信道信 息與真實的信道信息不能完全匹配，根據(jù)不完全信道信息計算得到的波束成形方案性能也 會受到很大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種MU-MISO無線攜能通信系統(tǒng)的魯棒構(gòu)造 方法，能夠解決在部分信道信息條件下所需的發(fā)射總功率過大的問題，從而降低基站側(cè)操 作的復(fù)雜度。
[0005] 第一方面，本發(fā)明提供了一種MU-MISO無線攜能通信系統(tǒng)的魯棒構(gòu)造方法，所述 方法包括：
[0006] Sl:獲取系統(tǒng)中各用戶的信道估計矩陣；
[0007] S2:以所述信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為 信道估計模型；
[0008]S3:根據(jù)所述信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構(gòu)建 平均發(fā)射總功率最小優(yōu)化問題模型；
[0009] S4 :將所述優(yōu)化問題模型中變量的二次型轉(zhuǎn)換為一次型；
[0010] S5:根據(jù)松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達(dá)式，簡 化所述優(yōu)化問題模型；
[0011] S6:根據(jù)簡化后的優(yōu)化問題模型，獲取各用戶的最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣和功率分裂 因子；
[0012] S7 :對所述最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣根據(jù)特征值進(jìn)行分解，獲得最佳波束成形向量。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟Sl具體包括：
[0014] 通過反饋的方式或系統(tǒng)的信道互惠性，獲取系統(tǒng)中各用戶的信道估計矩陣。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟S2具體包括：
[0016] 以所述信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，表示為：
[0017]
【主權(quán)項】
1. 一種MU-MISO無線攜能通信系統(tǒng)的魯椿構(gòu)造方法，其特征在于，所述方法包括： 51 ;獲取系統(tǒng)中各用戶的信道估計矩陣； 52. W所述信道估計矩陣為中屯、W信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為信道 估計模型； S3;根據(jù)所述信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構(gòu)建平均 發(fā)射總功率最小優(yōu)化問題模型； 54 ;將所述優(yōu)化問題模型中變量的二次型轉(zhuǎn)換為一次型； 55 ;根據(jù)松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達(dá)式，簡化所 述優(yōu)化問題模型； 56 ;根據(jù)簡化后的優(yōu)化問題模型，獲取各用戶的最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣和功率分裂因 子； 57 ;對所述最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣根據(jù)特征值進(jìn)行分解，獲得最佳波束成形向量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括： 通過反饋的方式或系統(tǒng)的信道互惠性，獲取系統(tǒng)中各用戶的信道估計矩陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括： W所述信道估計矩陣為中屯、W信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，表示為：
其中，'巧表示信道估計誤差集合，Ahk表示第k個用戶的信道估計誤差，表示第k個 用戶的信道估計向量，Ek表示所述歐幾里得球體的半徑； 根據(jù)所述歐幾里得球體，獲得信道估計模型： h* =心+Ah* 其中，^l,_表示信道估計模型，么11,€。1^是一個范數(shù)界誤差向量滿足I I Ahkll《￡k， 系統(tǒng)的用戶個數(shù)為K，系統(tǒng)基站端的發(fā)射天線數(shù)為M。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括： 531 ;對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，并根據(jù)所述信道估計模型確定各用戶設(shè)備所需最小的信 干噪比為：
其中，SINRk(Pk，ivj)表示第k個用戶所需最小的信干噪比，Pk表示第k個用戶的接 收天線裝配的功率分裂器的功率分裂因子，Vk表示第k個用戶的發(fā)射波束成形向量，基站到 第k個用戶的噪聲為獨(dú)立復(fù)高斯白噪聲rik，滿足IV.在V(O.of)，Zk表示為第k個用戶信息 解碼部分的加性噪聲，滿足Z,?CAT(0，《）； 532 ;確定各用戶設(shè)備的采集功率為：

其中，Ek(Pk，{vj)表示第k個用戶采集的功率，CkE (01]表示為第k個用戶的能量 轉(zhuǎn)換效率； S33 ;根據(jù)預(yù)設(shè)的闊值條件，建立平均發(fā)射總功率最小優(yōu)化問題模型：
其中，表示發(fā)射總功率，°k表示預(yù)設(shè)的信干噪比闊值，且a k〉〇,6k表示預(yù)設(shè) 的功率闊值，且ek〉0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3之后，該方法還包括： 判斷所述總功率最小優(yōu)化問題模型中用戶所需的信干噪比是否滿足可行性條件，若不 滿足，則降低所述信干噪比，直至滿足所述可行性條件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括： 獲取所述優(yōu)化問題模型的等價式：
將所述優(yōu)化問題模型中變量的二次型轉(zhuǎn)換為一次型：
其中，，白;=<1;擊戸:表示為第1^用戶的信道估計協(xié)方差矩陣，Ak表示為第k 用戶的信道估計協(xié)方差矩陣的不確定值，滿足+Ah&：fif +AhtAhf ;引入輔助因子

寫k，滿足II Akll《寫k。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S5中所述根據(jù)松弛下界理論，更新信 干噪比和功率采集表達(dá)式，簡化所述優(yōu)化問題模型，具體包括： 將信干噪比表達(dá)式分子最小化且分母最大化，獲得信干噪比的最小化表達(dá)式：
根據(jù)信干噪比和功率采集的最小化等價式，將所述優(yōu)化問題模型轉(zhuǎn)化為：
根據(jù)半正定松弛技術(shù)，去掉（P3)優(yōu)化問題模型中rank(W;_) = l，VA限制，（P3)優(yōu)化問題 模型轉(zhuǎn)化成半正定問題模型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S5中所述根據(jù)拉格朗日乘子理論，更 新信干噪比和功率采集表達(dá)式，簡化所述優(yōu)化問題模型，具體包括： 利用拉格朗日乘子法，獲取第k用戶的信道估計協(xié)方差矩陣的不確定值A(chǔ)k的上下界 表達(dá)形式：
根據(jù)所述Ak的上下界，獲取各用戶信干噪比的最優(yōu)化表達(dá)式：


根據(jù)所述Ak的下界，獲取各用戶功率采集的最優(yōu)化表達(dá)式：
根據(jù)所述信干噪比和功率采集的最優(yōu)化表達(dá)式，將（P2)優(yōu)化問題模型轉(zhuǎn)化為：
根據(jù)半正定松弛技術(shù)，去掉（P4)優(yōu)化問題模型中rank(Wk) = 1，VA限制，所述優(yōu)化問 題模型轉(zhuǎn)化成厄爾米特矩陣的跡tr與范數(shù)norm之和的問題模型。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6具體包括： 根據(jù)數(shù)值優(yōu)化工具，獲取各用戶的最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣Wk和矩陣分裂因子P k。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7具體包括： 根據(jù)特征值分解公式對所述最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣Wk進(jìn)行分解，獲取各用戶 的最佳波束成形向量<，其中，k = 1，2,. . .，K。

【專利摘要】本發(fā)明提供了MU-MISO無線攜能通信系統(tǒng)的魯棒構(gòu)造方法，包括：獲取系統(tǒng)中各用戶的信道估計矩陣；以信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為信道估計模型；根據(jù)信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構(gòu)建平均發(fā)射總功率最小優(yōu)化問題模型；將優(yōu)化問題模型中變量的二次型轉(zhuǎn)換為一次型；根據(jù)松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達(dá)式，簡化優(yōu)化問題模型；獲取各用戶的最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣和功率分裂因子；對最佳發(fā)射協(xié)方差矩陣根據(jù)特征值進(jìn)行分解，獲得最佳波束成形向量。本發(fā)明能夠解決在部分信道信息條件下所需的發(fā)射總功率過大的問題，從而降低基站側(cè)操作的復(fù)雜度。
【IPC分類】H04L25-02, H04B7-06
【公開號】CN104601213
【申請?zhí)枴緾N201510074650
【發(fā)明人】王忠勇, 朱政宇, 張園園, 張延彬, 路新華, 崔建華
【申請人】鄭州大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月12日