本發(fā)涉及一種基于swipt技術(shù)的發(fā)送端及中繼的低復(fù)雜度聯(lián)合預(yù)編碼方法，屬于swipt系統(tǒng)下的預(yù)編碼方法領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著近年來(lái)無(wú)線通信業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增大，如傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,wsn)的許多種網(wǎng)絡(luò)都存在著由于大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)源所導(dǎo)致的可持續(xù)性差的問(wèn)題。雖然單個(gè)節(jié)點(diǎn)耗電量低、數(shù)據(jù)交換量較小，但因其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，計(jì)算復(fù)雜度仍較高，網(wǎng)絡(luò)壽命較短。

中繼技術(shù)可以通過(guò)設(shè)計(jì)有效的通信協(xié)議來(lái)合理分配通信網(wǎng)絡(luò)中的有限資源以降低系統(tǒng)的能耗，通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)能效來(lái)幫助降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。無(wú)線信息和能量的同時(shí)傳輸技術(shù)(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer,swipt)可以利用信號(hào)中攜帶的能量以及周圍環(huán)境中的電磁破能量為設(shè)備供電。該技術(shù)包含無(wú)線信號(hào)傳輸與無(wú)線能量傳輸，由于傳輸信號(hào)的總能量是有限的，更高得傳輸速率與收集更多的能量是互相矛盾的目標(biāo)，無(wú)法同時(shí)滿足。

鑒于上述兩種技術(shù)，本發(fā)明將對(duì)信息收集與能量收集進(jìn)行有效的折中保證各節(jié)點(diǎn)正常工作并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)送端與中繼的低復(fù)雜度聯(lián)合預(yù)編碼方案降低網(wǎng)絡(luò)計(jì)算復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的中繼技術(shù)無(wú)法同時(shí)滿足較高的傳輸效率以及較多的能量的缺點(diǎn)，而提出一種基于swipt技術(shù)的發(fā)送端及中繼的低復(fù)雜度聯(lián)合預(yù)編碼方法，所述方法用于將預(yù)編碼信號(hào)由基站發(fā)送至中繼，再由中繼發(fā)送至用戶；設(shè)由基站到用戶的一個(gè)周期分為2t⁰個(gè)時(shí)隙；所述方法包括如下步驟：

在前t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)：

步驟一：基站將經(jīng)過(guò)預(yù)編碼的信號(hào)發(fā)送到中繼；

步驟二：中繼的門(mén)限切換模式對(duì)接收到的每個(gè)子資源塊進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果決定對(duì)該子資源塊進(jìn)行能量收集或信息轉(zhuǎn)發(fā)；

步驟三：計(jì)算中繼在前t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)獲得的能量，即所有資源塊被判定為能量收集模式時(shí)收集到的能量之和；

在后t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)：

步驟四：中繼將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后發(fā)送給k個(gè)用戶；

步驟五：在第k個(gè)用戶的接收端，用戶使用全向接收矩陣rk對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，得到檢測(cè)信號(hào)并根據(jù)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算k個(gè)用戶總的誤差協(xié)方差矩陣；

步驟六：根據(jù)最小均誤差準(zhǔn)則，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；所述目標(biāo)函數(shù)為：在滿足基站預(yù)編碼矩陣的功率限制條件以及中繼轉(zhuǎn)發(fā)所需能量條件時(shí)，計(jì)算所述誤差協(xié)方差矩陣的跡的最小值；

步驟七：根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算下行發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收矩陣，進(jìn)而確定基站與中繼聯(lián)合預(yù)編碼策略。

本發(fā)明的有益效果為：當(dāng)系統(tǒng)模型固定時(shí)，本發(fā)明為速率與能量的需求矛盾提供了可靠地解決辦法，為能量?jī)?chǔ)存與信息轉(zhuǎn)發(fā)的資源分配提供了有效途徑。針對(duì)不同中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)與供電需求，通過(guò)計(jì)算可以得到相應(yīng)的低復(fù)雜度的基站與中繼聯(lián)合預(yù)編碼策略。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于swipt技術(shù)的發(fā)送端及中繼的低復(fù)雜度聯(lián)合預(yù)編碼方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的下行swipt多用戶mimo中繼示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于門(mén)限切換的中繼結(jié)構(gòu)示意圖。

變量含義說(shuō)明：

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的基于swipt技術(shù)的發(fā)送端及中繼的低復(fù)雜度聯(lián)合預(yù)編碼方法，所述方法用于將預(yù)編碼信號(hào)由基站發(fā)送至中繼，再由中繼發(fā)送至用戶；設(shè)由基站到用戶的一個(gè)周期分為2t⁰個(gè)時(shí)隙；

其特征在于，所述方法包括如下步驟：

在前t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)：

步驟一：基站將經(jīng)過(guò)預(yù)編碼的信號(hào)發(fā)送到中繼；

步驟二：中繼的門(mén)限切換模式對(duì)接收到的每個(gè)子資源塊進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果決定對(duì)該子資源塊進(jìn)行能量收集或信息轉(zhuǎn)發(fā)；

步驟三：計(jì)算中繼在前t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)獲得的能量，即所有資源塊被判定為能量收集模式時(shí)收集到的能量之和；

在后t⁰個(gè)時(shí)隙內(nèi)：

步驟四：中繼將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后發(fā)送給k個(gè)用戶；

步驟五：在第k個(gè)用戶的接收端，用戶使用全向接收矩陣rk對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，得到檢測(cè)信號(hào)并根據(jù)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算k個(gè)用戶總的誤差協(xié)方差矩陣；

步驟六：根據(jù)最小均誤差準(zhǔn)則，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；所述目標(biāo)函數(shù)為：在滿足基站預(yù)編碼矩陣的功率限制條件以及中繼轉(zhuǎn)發(fā)所需能量條件時(shí)，計(jì)算所述誤差協(xié)方差矩陣的跡的最小值；

步驟七：根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算下行發(fā)送預(yù)編碼矩陣以及接收矩陣，進(jìn)而確定基站與中繼聯(lián)合預(yù)編碼策略。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：

步驟一中，中繼接收到的來(lái)自基站的信號(hào)為：

其中，yr為中繼接收到的信號(hào)矢量，x為發(fā)送信號(hào)矢量，t＝(t1,…,tk)為基站的預(yù)編碼矩陣，其中為基站對(duì)向第k個(gè)用戶發(fā)送的向量的預(yù)編碼。為基站到中繼之間的信道矩陣，其中的元素為獨(dú)立同分布的復(fù)隨機(jī)變量，均值為0，的方差為1。為零均值加性高斯白噪聲，且滿足為噪聲功率；基站預(yù)編碼矩陣需滿足功率限制tr(tt^h)≤ps，其中ps表示基站發(fā)射最大功率。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：

步驟二具體為：

假設(shè)t⁰時(shí)間內(nèi)中繼接收m個(gè)資源塊，門(mén)限切換模式可以對(duì)每一子資源塊進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果決定對(duì)該資源塊進(jìn)行能量收集或是信息轉(zhuǎn)發(fā)。將第m個(gè)資源塊傳播時(shí)的信道能量定義為表示基站發(fā)送信號(hào)時(shí)使用的天線數(shù)，假定在發(fā)送第m個(gè)子資源塊時(shí)基站的預(yù)編碼方案為t(m)，t(m)＝[t1(m)t2(m)…tn(m)]，令θ表示距離衰落因子，g表示信號(hào)大尺度衰落，同時(shí)定義a(m)＝gt(m)；通過(guò)a(m)取值選擇接收機(jī)進(jìn)行能量收集或接收信息，根據(jù)情況選取的值作為門(mén)限進(jìn)行兩種模式的切換參考，從而獲取適應(yīng)性較強(qiáng)的切換方式。

將信道能量a(m)取值作為判斷結(jié)果，根據(jù)判斷結(jié)果決定接收機(jī)進(jìn)行能量收集或接收信息，具體判斷過(guò)程為：

即當(dāng)信道能量a(m)的值小于或等于門(mén)限的值時(shí)接收信息，當(dāng)信道能量a(m)的值大于門(mén)限的值時(shí)進(jìn)行能量收集。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：

步驟三中，在第m個(gè)資源塊到達(dá)中繼時(shí)，中繼所接收到的信號(hào)為

其中yr(m)與nr(m)分別表示第m個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)與噪聲向量。當(dāng)ρ(m)＝0，在第m時(shí)隙收集到的能量可以表示為

于是，在整個(gè)周期所獲得的能量即為所有資源塊被判定為能量收集模式時(shí)收集到的能量的和。令h＝||g||²/ns假定m→∞，在使用n跟天線，門(mén)限為信道條件為g，將基站預(yù)編碼能量歸一化，整個(gè)周期內(nèi)收集到的能量可以表示為

由于a(m)是服從獨(dú)立同分布的零均值且具有共同方差h的高斯隨機(jī)變量。因此a(m)為具有n個(gè)自由度的χ²隨機(jī)變量，根據(jù)卡方分布自由度可加性得n＝2n，σ²＝h/2n。根據(jù)定義得給定信道條件下(g為一常數(shù))的其概率密度函數(shù)(probabilitydensityfunction,pdf)為

累積分布函數(shù)(cumulativedistributionfunction,cdf)表示為

其中，γ(x)為伽瑪函數(shù)，定義為可得前t⁰時(shí)間內(nèi)收集的能量。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是，步驟四種：

在后t⁰時(shí)間內(nèi)，中繼對(duì)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后發(fā)送給用戶，假定中繼預(yù)編碼矩陣為則第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)為

yk＝hkwgtx+hkwnr+nk(9)

其中yk為第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)矢量，與g類似，其元素為獨(dú)立同分布的高斯隨機(jī)變量，且均值為0，方差為1，nk為中繼到用戶間信道的加性高斯白噪聲。均值為零，方差為中繼處預(yù)編碼矩陣需要滿足p為中繼允許的最大發(fā)射功率，其大小與中繼收到的能量相關(guān)，此處令

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是，步驟五中：

在第k個(gè)用戶的接收端，用戶利用全向接收矩陣rk對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)檢測(cè)到的信號(hào)為其可以表示為

則k個(gè)用戶總的誤差協(xié)方差矩陣為

其中r＝blkdiag{r1r2…rk}是塊對(duì)角矩陣主對(duì)角線上元素依次為r1，r2，…rk。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是，步驟六中：

下行swipt系統(tǒng)多用戶中繼系統(tǒng)中，基于最小mse準(zhǔn)則的聯(lián)合接收機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題可以建模為如下的目標(biāo)函數(shù)：

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是，步驟七具體為：

步驟七一：利用矩陣求逆定理將誤差協(xié)方差矩陣f(t,w,r)變形為：

其中wr＝t^hg^hm^-1；

步驟七二：已有證明，中繼處預(yù)編碼矩陣達(dá)到最優(yōu)時(shí)可以表示為：

并且，對(duì)于任意的w都可以找到f滿足公式(14)。于是對(duì)于w的優(yōu)化可以轉(zhuǎn)換為對(duì)f的優(yōu)化，其中f為中繼向前預(yù)編碼矩陣。

將誤差協(xié)方差矩陣f(t,w,r)分解成兩個(gè)函數(shù)的和，可以表示為：

f(t,w,r)＝f1(t)+f2(r,f,n)(15)

其中，

步驟七三：當(dāng)基站到中繼之間信噪比足夠高時(shí)，有則n→i；此時(shí)將f2(r,f,n)近似表達(dá)為：

步驟七四：根據(jù)步驟七三，可以看出f2只與用戶線性接收矩陣r與f有關(guān)?；绢A(yù)編碼矩陣t與f無(wú)關(guān)，f1只與t有關(guān)。于是可以將中繼允許的最大發(fā)射功率表示為

步驟七五：根據(jù)步驟七四，可以將公式(12)對(duì)應(yīng)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為第一函數(shù)

以及第二函數(shù)

并對(duì)所述第一函數(shù)以及第二函數(shù)分別進(jìn)行求解；

步驟七六：?jiǎn)栴}(21)的求解可以等效為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)mimo系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題，可以使用傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)mimo優(yōu)化問(wèn)題最優(yōu)解結(jié)構(gòu)t＝v·δf，v為g的右奇異矩陣，g＝u∑v^h，為功率矩陣，應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法得到δf的結(jié)果為：

其中(x)⁺＝max(x,0)，v為引入的拉格朗日因子，其大小需要滿足功率限制。

而問(wèn)題(22)與多用戶mimo優(yōu)化問(wèn)題類似，其目標(biāo)函數(shù)可以理解為傳統(tǒng)多用戶mimo系統(tǒng)中所有用戶最小均方誤差的總和，于是該問(wèn)題可以看做swipt系統(tǒng)下基于mse準(zhǔn)則的多用戶mimo收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，f為下行發(fā)送預(yù)編碼矩陣，r為接收矩陣，根據(jù)kkt條件，得到f與r。

f＝(h^hr^hrh+λi)^-1h^hr^h(24)

其中f＝[f1,f2,…,fk],fk可以理解為用戶k預(yù)編碼矩陣，f與r互為函數(shù)，因此可以采用如下迭代算法(算法1)對(duì)其進(jìn)行求解：

其中，pⁱ表示第i次迭代結(jié)果，ε為終止門(mén)限。

由于問(wèn)題(22)的目標(biāo)函數(shù)單調(diào)遞減并且非負(fù)，于是結(jié)果必定能夠收斂。求解得到f之后再根據(jù)公式(14)求得w。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。