本發(fā)明涉及一種swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法，屬于通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

交織多址技術(shù)(idma)是一種非正交多址技術(shù)，在發(fā)送端通過用不同的交織器來區(qū)分用戶，在接收端采用迭代多用戶檢測技術(shù)(mud)解碼多用戶信號。當(dāng)?shù)嘤脩魴z測技術(shù)(mud)迭代次數(shù)足夠多時，其性能可以逼近單用戶系統(tǒng)的性能，具有高頻譜效率，因而被認為是第五代移動通信系統(tǒng)(5g)的關(guān)鍵多址技術(shù)之一。但是idma系統(tǒng)隨著接收端檢測迭代次數(shù)的增加，需要消耗的能量也會越來越多。因此，在許多實際應(yīng)用場景、特別是下行通信，用戶手持終端作為接收器時，其性能常常受到有限能量的制約。

信息和能量同時傳輸技術(shù)(swipt)能夠從無線射頻信號中采集能量，為網(wǎng)絡(luò)中一些能量受限設(shè)備提供穩(wěn)定的電能補充。最近有大量關(guān)于多址接入技術(shù)與swipt結(jié)合的研究出現(xiàn)，例如基于正交多址、時分多址的無線信息能量同傳技術(shù)的研究，已解決下行通信中接收端能量受限問題。但是到目前為止，并沒有關(guān)于idma和swipt相結(jié)合的研究。

另外，現(xiàn)今大多關(guān)于swipt與多址相結(jié)合的研究皆以最大化系統(tǒng)速率為目的，同時在理想信道狀態(tài)信息(csi)的基礎(chǔ)上分析系統(tǒng)性能，優(yōu)化資源分配。然而，由于信道估計不準(zhǔn)確、反饋誤差、反饋時延、信道時變等因素的影響，實際系統(tǒng)中很難獲得精確的csi。當(dāng)csi誤差較大時，傳統(tǒng)的基于精確csi假設(shè)的性能分析也會出現(xiàn)較大誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對最小化基站端的發(fā)送功率的優(yōu)化目標(biāo)，提供了一種swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法。

本發(fā)明研究了大尺度衰落對功率分配的影響。

術(shù)語解釋：

1、ts(timeswitching)模式：按時間比例將信號傳輸切分為兩個階段，第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，第二階段接收到的信號被送往信號接收機進行信息譯碼。

2、ts接收機：用來實現(xiàn)ts模式。

3、能量接收機：從接收到的射頻信號中收集能量，如圖2。

4、信號接收機：將接收到的信號進行信息譯碼，如圖3。

5、時分因子：ts接收機切分信號傳輸?shù)臅r間比例。

6、信干噪比：信號的能量與干擾能量(如同頻干擾,多徑等)和加性噪聲能量的和的比值。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法，所述swipt-idma系統(tǒng)包括1個基站、k個用戶，1個基站同時服務(wù)k個用戶；每個用戶均配備ts接收機，ts接收機分別連接能量接收機、信號接收機，ts接收機按時間比例將信號傳輸切分為兩個階段，第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，第二階段接收到的信號被送往信號接收機進行信息譯碼，第一階段收割到的能量用來提供給第二階段idma的多用戶檢測迭代譯碼即所述信息譯碼；假設(shè)兩個階段總的信號傳輸時間為t＝1，τ為ts接收機的時分因子，則第一階段持續(xù)的時間間隔為1-τ，第二階段持續(xù)的時間間隔為τ；包括步驟如下：

(1)構(gòu)建優(yōu)化問題：以最小化基站端的發(fā)送功率pbs為目標(biāo)，以第一階段收割到的能量足夠提供給第二階段進行所述信息譯碼及每個用戶的信干噪比大于一定的門限值為限制條件：基站端的發(fā)送功率pbs為每個用戶的發(fā)送功率之和，pk為用戶k的發(fā)送功率，1≤k≤k，所述一定的門限值大于0；以最小化基站端發(fā)送功率pbs為目標(biāo)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)如式(ⅰ)所示：

式(ⅰ)中，qk為第k個用戶的迭代次數(shù)；

第一階段收割到的能量足夠提供給第二階段進行所述信息譯碼，該限制條件如式(ⅱ)所示；

式(ⅱ)中，hk為基站到用戶k之間的信道，δhk為信道誤差，ec為每次迭代消耗的能量，εk為信道誤差范圍，dk為基站到用戶k的距離，α為路徑損耗指數(shù)；

每個用戶的信干噪比大于一定的門限值，該限制條件如式(iii)所示；

式(iii)中，f(·)為關(guān)于信干噪比的函數(shù)，f(·)沒有閉式表達式，可以通過蒙特卡洛仿真得到；k′是指除第k個用戶以外的用戶，qk′為除第k個用戶以外的用戶的迭代次數(shù)，σ²為加性高斯白噪聲，γk為第k個用戶的速率門限值；

信干噪比γ與速率r之間的關(guān)系為：γ＝2^r-1,誤碼率ber和信干噪比γ之間的關(guān)系為：ber＝g(γ)，函數(shù)g(·)通過單用戶蒙特卡洛仿真得到，從上述關(guān)系可以看出，限定了用戶的速率門限值，即限定了用戶的信干噪比門限值，即限定了用戶的傳輸誤碼率ber。

(2)簡化優(yōu)化問題；

(3)設(shè)計次優(yōu)迭代算法解決該非凸的優(yōu)化問題。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)，簡化優(yōu)化問題，包括步驟如下：

a、根據(jù)絕對值不等式公式得：|hk+εk|≥|hk|-|εk|；

b、|hk|≤εk，代入|hk+εk|≥|hk|-|εk|，得：

|hk+δhk|²≥|hk|²+εk(εk-2|hk|)；

c、簡化限制條件式(ⅱ)，得：

簡化限制條件式(iii)，得：

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，ts接收機按時間比例將信號傳輸切分為兩個階段，第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，第二階段接收到的信號被送往信號接收機進行信息譯碼；

用戶k接收到的信號,如式(ⅵ)所示：

式(ⅵ)中，hk為基站到用戶k之間的信道，δhk為信道誤差，|δhk|≤εk，α為路徑損耗指數(shù)，pk為用戶k的發(fā)送功率，xk為用戶k的發(fā)送信息，ψ為高斯白噪聲；

第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，收割的能量如式(ⅶ)所示：

式(ⅶ)中，為第k個用戶收割的能量；

第二階段信息譯碼中第q次迭代之后的信干噪比如式(ⅷ)所示：

式(ⅷ)中，為第q次迭代之后用戶k的信干噪比。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)，設(shè)計次優(yōu)迭代算法解決非凸的優(yōu)化問題，給定迭代次數(shù)q和ts接收機時分因子τ，迭代次數(shù)i＝0，包括步驟如下：

a、i加1；

b、在滿足限制條件式(iv)條件下，求解滿足限制條件式(iv)的最小基站端發(fā)送功率如式(ⅸ)所示：

c、在滿足限制條件式(ⅴ)條件下，求解滿足限制條件式(ⅴ)的最小基站端發(fā)送功率假設(shè)給定的迭代次數(shù)q足夠大，使idma多用戶迭代檢測趨于收斂，則將限制條件式(ⅴ)轉(zhuǎn)化成限制條件式(ⅹ)：

根據(jù)限制條件式(ⅹ)，利用zvirosberg在2007年ieeetransactionsonwirelesscommunication論文中的idma功率優(yōu)化算法，通過變量替換將問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，求解獲得基站端每個用戶的最小發(fā)送功率0<k<k，求解滿足限制條件式(ⅴ)的最小基站端發(fā)送功率

d、最小基站端發(fā)送功率

e、討論最佳功率分配方法如果則最佳功率分配方法為否則，最佳功率分配方法

f、根據(jù)最佳的功率分配方法代入式(ⅶ)和式(ⅷ)，更新迭代次數(shù)q和ts接收機時分因子τ；

g、如果i＞1且則輸出i-1次的最佳功率分配方法為最優(yōu)功率分配方法，表示第i次迭代求解出的pbs表示第i-1次迭代求解出的否則，返回步驟a。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明針對最小化基站發(fā)送功率的優(yōu)化目標(biāo)，同時有效保障了用戶的通信質(zhì)量，又使用戶解碼不需要外界提供額外能量。

2、本發(fā)明提出的功率分配方案同時考慮了大尺度衰落以及不完全信道狀態(tài)信息對功率分配的影響，分配方案更完善、更符合實際。

3、在解決本發(fā)明中的優(yōu)化問題時，提出了一種次優(yōu)的迭代算法，該算法迅速收斂，具備較低的復(fù)雜度，利于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法實施步驟框圖；

圖2能量接收機結(jié)構(gòu)框圖；

圖3信號接收機結(jié)構(gòu)框圖；

圖4用戶終端結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是不同算法在隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果圖；

圖6是實施例中提出的算法在不同信道誤差下隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步限定，但不限于此。

實施例

一種swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法，如圖1所示，所述swipt-idma系統(tǒng)包括1個基站、k個用戶，1個基站同時服務(wù)k個用戶；每個用戶均配備ts接收機，ts接收機分別連接能量接收機、信號接收機，ts接收機按時間比例將信號傳輸切分為兩個階段，第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，第二階段接收到的信號被送往信號接收機進行信息譯碼，如圖4所示，圖4中，tsreceiver是指ts接收機，energyreceiver是指能量接收機，informationreceiver是指信號接收機，第一階段收割到的能量用來提供給第二階段idma的多用戶檢測迭代譯碼即所述信息譯碼；能量接收機結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，能量接收機包括依次連接的二極管(diode)、低通濾波器(lpf)、battery(電池)；信號接收機結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，信號接收機包括射頻頻帶到基帶轉(zhuǎn)換模塊(radiofrequencybandtobasebandconversion)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(analogtodigitalconversion)、解碼模塊(decoding)；假設(shè)兩個階段總的信號傳輸時間為t＝1，τ為ts接收機的時分因子，則第一階段持續(xù)的時間間隔為1-τ，第二階段持續(xù)的時間間隔為τ；用戶k接收到的信號,如式(ⅵ)所示：

式(ⅵ)中，hk為基站到用戶k之間的信道，δhk為信道誤差，|δhk|≤εk，α為路徑損耗指數(shù)，pk為用戶k的發(fā)送功率，xk為用戶k的發(fā)送信息，ψ為高斯白噪聲；

第一階段接收到的信號被送往能量接收機進行能量收割，收割的能量如式(ⅶ)所示：

式(ⅶ)中，為第k個用戶收割的能量；

第二階段信息譯碼中第q次迭代之后的信干噪比如式(ⅷ)所示：

式(ⅷ)中，為第q次迭代之后用戶k的信干噪比。

包括步驟如下：

(1)構(gòu)建優(yōu)化問題：以最小化基站端的發(fā)送功率pbs為目標(biāo)，以第一階段收割到的能量足夠提供給第二階段進行所述信息譯碼及每個用戶的信干噪比大于一定的門限值為限制條件：基站端的發(fā)送功率pbs為每個用戶的發(fā)送功率之和，pk為用戶k的發(fā)送功率，1≤k≤k，所述一定的門限值大于0；以最小化基站端發(fā)送功率pbs為目標(biāo)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)如式(ⅰ)所示：

式(ⅰ)中，qk為第k個用戶的迭代次數(shù)；

第一階段收割到的能量足夠提供給第二階段進行所述信息譯碼，該限制條件如式(ⅱ)所示；

式(ⅱ)中，hk為基站到用戶k之間的信道，δhk為信道誤差，ec為每次迭代消耗的能量，εk為信道誤差范圍，dk為基站到用戶k的距離，α為路徑損耗指數(shù)；

每個用戶的信干噪比大于一定的門限值，該限制條件如式(iii)所示；

式(iii)中，f(·)為關(guān)于信干噪比的函數(shù)，f(·)沒有閉式表達式，可以通過蒙特卡洛仿真得到；k′是指除第k個用戶以外的用戶，qk′為除第k個用戶以外的用戶的迭代次數(shù)，σ²為加性高斯白噪聲，γk為第k個用戶的速率門限值；

信干噪比γ與速率r之間的關(guān)系為：γ＝2^r-1,誤碼率ber和信干噪比γ之間的關(guān)系為：ber＝g(γ)，函數(shù)g(·)通過單用戶蒙特卡洛仿真得到，從上述關(guān)系可以看出，限定了用戶的速率門限值，即限定了用戶的信干噪比門限值，即限定了用戶的傳輸誤碼率ber。

(2)簡化優(yōu)化問題；包括步驟如下：

a、根據(jù)絕對值不等式公式得：|hk+εk|≥|hk|-|εk|；

b、|hk|≤εk，代入|hk+εk|≥|hk|-|εk|，得：

|hk+δhk|²≥|hk|²+εk(εk-2|hk|)；

c、簡化限制條件式(ⅱ)，得：

簡化限制條件式(iii)，得：

(3)設(shè)計次優(yōu)迭代算法解決該非凸的優(yōu)化問題。給定迭代次數(shù)q和ts接收機時分因子τ，迭代次數(shù)i＝0，包括步驟如下：

a、i加1；

b、在滿足限制條件式(iv)條件下，求解滿足限制條件式(iv)的最小基站端發(fā)送功率如式(ⅸ)所示：

c、在滿足限制條件式(ⅴ)條件下，求解滿足限制條件式(ⅴ)的最小基站端發(fā)送功率假設(shè)給定的迭代次數(shù)q足夠大，使idma多用戶迭代檢測趨于收斂，則將限制條件式(ⅴ)轉(zhuǎn)化成限制條件式(ⅹ)：

根據(jù)限制條件式(ⅹ)，利用zvirosberg在2007年ieeetransactionsonwirelesscommunication論文中的idma功率優(yōu)化算法，通過變量替換將問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，求解獲得基站端每個用戶的最小發(fā)送功率0<k<k，求解滿足限制條件式(ⅴ)的最小基站端發(fā)送功率

d、最小基站端發(fā)送功率

e、討論最佳功率分配方法如果則最佳功率分配方法為否則，最佳功率分配方法

f、根據(jù)最佳的功率分配方法代入式(ⅶ)和式(ⅷ)，更新迭代次數(shù)q和ts接收機時分因子τ；

g、如果i>l且則輸出i-1次的最佳功率分配方法為最優(yōu)功率分配方法，表示第i次迭代求解出的pbs表示第i-1次迭代求解出的否則，返回步驟a。

不同算法在隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果圖如圖5所示，圖5中，proposedalgorithm為采用本實施例所述聯(lián)合多用戶檢測迭代次數(shù)和swipt時分因子的功率分配方法，基站端發(fā)送功率隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果曲線。scheme1為采用固定多用戶檢測迭代次數(shù)、聯(lián)合swipt時分因子的功率分配方法，基站端發(fā)送功率隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果曲線；scheme2為采用固定多用戶檢測迭代次數(shù)和swipt時分因子的功率分配方法，基站端發(fā)送功率隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果曲線；proposedalgorithm優(yōu)化的變量有迭代次數(shù)、時分因子、每個用戶的功率。而scheme1、scheme2就是將其中一到兩個變量設(shè)為定值，優(yōu)化剩下的變量；因為本實施例提供的功率分配方案聯(lián)合考慮了多用戶檢測迭代次數(shù)、ts接收機時分因子、不同用戶的發(fā)送功率三個因素，而其他算法只考慮了其中的一種或兩種，proposedalgorithm基站端發(fā)送功率明顯小于scheme1、scheme2基站端發(fā)送功率。

本實施例中提出的swipt-idma系統(tǒng)中基于不完全信道狀態(tài)信息的功率與時分因子聯(lián)合分配方法，在不同信道誤差下基站端發(fā)送功率隨基站到用戶之間距離變化的仿真效果圖。從圖6顯示的結(jié)果來看,信道誤差對系統(tǒng)的功率分配會造成較為嚴重的影響，特別是當(dāng)信道誤差較大時，產(chǎn)生的功率分配誤差也會明顯增大。為了功率分配的準(zhǔn)確性，考慮信道誤差是必要的。圖5、圖6皆可以看出，隨著基站到用戶之間距離的增加，基站端發(fā)送功率也隨之增加。這是因為隨著基站到用戶之間距離的增加，大尺度衰落也會增加。另外，經(jīng)反復(fù)多次實驗驗證，本實施例提出的次優(yōu)迭代算法總能在迭代五次以內(nèi)趨于收斂。所以，本實施例中提出的這種基于不完全信道狀態(tài)信息的功率分配方法能夠以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)更好的性能。