基于多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)能效最大化收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線通信傳輸技術(shù)，具體為多用戶MIS0(MultipleInputSingle Ou化ut)無(wú)線信能同傳干擾系統(tǒng)下能量效率最大化的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，通信技術(shù)產(chǎn)生的巨大能耗及其產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為通信業(yè)乃至全社 會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。無(wú)線電波作為一種潛在的綠色能源，不僅可W傳輸信息，還能夠傳輸能量。 其中傳輸?shù)哪芰渴强蒞有效利用的，在不影響通信服務(wù)質(zhì)量的條件下，最有效地使用傳輸 能量能夠降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的能量效率。
[0003] 當(dāng)前很多研究工作集中在無(wú)線通信系統(tǒng)的吞吐量最大化，發(fā)射功率最小化 或者無(wú)線采集能量最大化的研究。其中文獻(xiàn)化化i，W.Xu,T.-比化ang，Y.Wangand E.Song,"JointbeamformingandpowersplittingforMISOinterferencechannel withSWIPT:anSOCPrelaxationanddecentralizedalgorithm,"，IEEETrans.Signal Process,vol. 62,no. 23,pp. 6194-6208,Dec. 2014.]和[S.Timotheou,I.Krikidis,G.Zheng andB.Ottersten,"BeamformingforMISOinterferencechannelswithQoSandRF energytransfer, "IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 13,no. 5,pp. 2646-2658,May 2014.]是針對(duì)多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)，W傳輸功率最小化為目標(biāo)，利用凸松弛技術(shù)研究 預(yù)編碼和功率分裂因子的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法。然而能量效率，定義為傳輸每單位比特消耗的能 量（焦耳每比特），也是判斷一個(gè)系統(tǒng)性能好壞的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)前及未來(lái)綠色 無(wú)線通信系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向。因此本發(fā)明是針對(duì)多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)，W能量效率 最大化為目標(biāo)，利用Dinke化ach算法研究傳輸預(yù)編碼和接收功率分裂因子的聯(lián)合設(shè)計(jì)方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)傳統(tǒng)的信能同傳干擾系統(tǒng)技術(shù)的不足，提出一種基于多用 戶信能同傳干擾系統(tǒng)能效最大化的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的；一種基于多用戶信能同傳干擾系統(tǒng) 能效最大化的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[000引 （1)初始化如下變量：信干噪比的約束目標(biāo)丫k，采集功率約束目標(biāo)6k，k= 1，2, . . .，K，每個(gè)用戶的功率約束目標(biāo)Pk;
[0007] (2)對(duì)多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)的能量效率最大化問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將原問(wèn)題分 解成K個(gè)子問(wèn)題；運(yùn)用Dinke化ach思想，引入能效變量n將非線性分式規(guī)劃轉(zhuǎn)換成一般的 非分式規(guī)劃，其中第k個(gè)獨(dú)立子問(wèn)題如下：
[0008]
[0009] 其中：Pk為用戶k的功率分裂因子，K為總的用戶數(shù)，Pe為系統(tǒng)固定總消耗功 率，為天線引入的加性噪聲的方差，逆為射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)引 起的加性噪聲的方差為功率放大器效率，Ck為采集電路單元的能量轉(zhuǎn)化效率，并定義 巧
hkk表示用戶k的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的共輛信道向量，不t表示用戶k的最優(yōu) 迫零預(yù)編碼方向向量，n表示能效變量；
[0010] 0)第k個(gè)獨(dú)立子問(wèn)題WPk，Pk為未知數(shù)，求解每個(gè)子問(wèn)題的最優(yōu)解Pk，Pk，即得
) 到閉式解集合{Pk，PJ，k= 1，2，...，K;通過(guò)公式 _.求得此閉式 解集合對(duì)應(yīng)的能效值n;基于Dinke化ach迭代思想求得最終能效值及相對(duì)應(yīng)的 (rf'vr);
[0011] (4)計(jì)算傳輸預(yù)編碼向量V,, ，A: =l，2，..乂，用戶k的發(fā)射機(jī)利用Vk對(duì)傳 輸信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，同時(shí)通過(guò)控制信道將每個(gè)功率分裂因子發(fā)送到相應(yīng)的接收機(jī)，每 個(gè)用戶接收機(jī)設(shè)定功率分裂因子，完成信能同傳干擾系統(tǒng)的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，可W進(jìn)行信息與 能量的同時(shí)接收。
[0012] 所述K個(gè)獨(dú)立子問(wèn)題的求解基于Dinke化ach迭代方法，具體包括W下子步驟： [001引（1. 1)初始化迭代次數(shù)n= 1、可行解，如并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的能效值nW，其 中片"1，戶{"分別表示用戶k在第n次迭代所求得的傳輸功率和功率分裂因子；
[0014] (1. 2)更新迭代次數(shù)n=n+1，求解第k個(gè)子問(wèn)題，即求解該子問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的四個(gè) 一維方程，即；

[0023] 求出對(duì)應(yīng)閉式解集合{Pk，PJ，找出滿足可行域0《P1和1 2 (Pk)《Pk《Pk 并且使得目標(biāo)函數(shù)
取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的)，即為用 戶k對(duì)應(yīng)的解，重復(fù)該步驟直到所有子問(wèn)題都找到相應(yīng)的最優(yōu)解，即可計(jì)算此時(shí)的能效值n(n)，n(n)可賊示為：
[0024]
[0025] (1. 3)判斷是否滿足迭代條巧
e為判定闊值，若滿足條件繼續(xù)執(zhí) 行步驟（1.。，即還沒(méi)有找到最終的能效值；否則跳出循環(huán)，輸出此時(shí)的nh哺?jìng)H"，處|}。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將傳輸波束賦形向量和干擾信道矩陣進(jìn)行有效的組 合，采用迫零和Dinke化ach算法對(duì)原復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在滿足通信服務(wù)質(zhì)量的前提 下，不僅實(shí)現(xiàn)了信息和能量的同時(shí)傳輸，更重要的是最大化信能同傳干擾系統(tǒng)的能量效率。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)模型圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的關(guān)鍵算法的程序流程圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的平均能效與發(fā)射功率比較圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的平均能效與發(fā)射天線數(shù)比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了讓本發(fā)明更加清晰可靠，下文將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行具體闡述。
[0032] 系統(tǒng)的模型如圖1所示，考慮一個(gè)多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)，在給定的頻帶帶寬W 下，每個(gè)用戶（Tk)(發(fā)送端共K個(gè)用戶）裝有Nt(Nt〉l)個(gè)天線供應(yīng)1個(gè)單天線用戶（接受 端共K個(gè)用戶）。讓Sj.~CN化1)表示傳輸符號(hào)，Vj.表示預(yù)編碼（或稱波束賦形向量）j= 1，...，K。讓hy表示發(fā)射機(jī)j和接收機(jī)k之間的共輛通道向量，那么用戶k接受的信號(hào)可 W表示為：
[003引
…
[0034] 其中~C'V(0,〇刊表示用戶k的天線加性噪聲。
[00巧]不同于傳統(tǒng)的多用戶MIS0系統(tǒng)，每個(gè)用戶接受到的信號(hào)將分裂兩部分，一部分用 于信息譯碼，另一部分用于能量采集。用戶k接收到信號(hào)按照比例Pk進(jìn)行分裂，信息譯碼 部分yf可W表示為：
[0036]
(2)
[0037] 其中。-~CW(0,病-)為射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)造成的加性噪聲。
[0038] 另一部分能量采集函數(shù)可W表示為：
[0039]
(3)[0040] 因此，用戶k的信道譯碼的信干噪比SINRk可W表示為：
「 1 (4)
[0041]
[0042] 用戶k采集的功率Ek可W表示為：
[0043]
C5)
[0044] 其中CkE化U表示能量轉(zhuǎn)化效率。
[0045] 根據(jù)香農(nóng)公式，第k個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率Rk可W表示為：
[004引 化蘭Wlog(l+ 57/V7?,,')，W (6)
[0047] 因此，系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速率R可W表示為：
[0048]
C7)
[0049] 系統(tǒng)的總功耗P,可表示為：
[0050]
( 8、
[0051] 其中第一部分
表示發(fā)射機(jī)放大器的功率損耗（0 表示放大器的功率 效率），第二部分P。表示接收機(jī)信號(hào)處理的恒定功率損耗，與第一部分是相互獨(dú)立的。
[0052] 對(duì)于信能同傳干擾系統(tǒng)，通信服務(wù)質(zhì)量的要求包括兩部分，一部分是為了保證正 常通信需要信干噪比SINRk達(dá)到一定的要求，另一部分是采集功率Ek需滿足一定的條件。 假設(shè)SINRk和Ek的設(shè)計(jì)目標(biāo)分別為丫k和6k。為了簡(jiǎn)化收發(fā)器的設(shè)計(jì)，我們使用最常見的 波束形成方案-迫零處理，即歸零多用戶干擾信號(hào)。在數(shù)學(xué)上，該個(gè)問(wèn)題可W等效為（忽略 常數(shù)W):
[0053]
C9；
[0054] 觀察上述問(wèn)題，很容易發(fā)現(xiàn)，該問(wèn)題為非凸優(yōu)化問(wèn)題（包括非凸的目標(biāo)函數(shù)和非 凸的約束集），但是根據(jù)問(wèn)題巧）的迫零約束條件和結(jié)構(gòu)，我們可W利用命題1將問(wèn)題巧） 進(jìn)行簡(jiǎn)化。
[005 引命題 1 ;假走比-，.. .，，A(i-+l)i-，.. .，A思-_，，Uk表不為干擾f曰道矩陣 的 零空間正交基組成的向量，定義和，gk分別為：
[0056]
(10)
[0057] 因此問(wèn)題（9)可W簡(jiǎn)化為：
[0058]
[0059] 其中八=不it，A= 1,2,A。 川）
[0060] 很顯然，問(wèn)題（11)是一個(gè)非線性分?jǐn)?shù)規(guī)劃，是很難被解決的。引入能效變量n運(yùn) 用Dinke化ach算法將問(wèn)題（11)的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換成分子、分母相減的形式。因此，目標(biāo)函數(shù) 可轉(zhuǎn)換為：
[0064] n*僅僅是最大的能量效率，設(shè)F(n)表示的問(wèn)題（12)的最佳值。Dinke化ach算 法是一種迭代算法，產(chǎn)生的n收斂于最大的能量效率使得F(nt) =0。其中n值的 獲取見圖2所示。一旦n收斂，問(wèn)題（12)將得到解決，也就得到了問(wèn)題（11)的最優(yōu)解，從 而實(shí)現(xiàn)了能量效率的優(yōu)化。
[0065] 因此，我們首先需要解決的是問(wèn)題（12)。不同于問(wèn)題（11)，問(wèn)題（12)對(duì)于每個(gè)用 戶都是獨(dú)立的。也就是說(shuō)，問(wèn)題（12)可W被分解成K個(gè)子問(wèn)題，其中第k個(gè)子問(wèn)題可W表 示為：
[0068]
(15)
[0066] U4)
[0067] 為了方便，在解決問(wèn)題（14)之前我們先