一種基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法及接收機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法及接收機，涉及無線通信接收機領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的接收機算法中對于速率和能量的資源分配粗略，接受機工作效率低的問題，本發(fā)明從待接收信號獲取大尺度衰落系數(shù)、發(fā)射信號功率、噪聲功率、信道增益以及天線數(shù)；根據(jù)前述參數(shù)確定最優(yōu)門限值關(guān)于平均收集能量值和平均可達(dá)速率值的函數(shù)關(guān)系式和最優(yōu)化函數(shù)并得到最優(yōu)門限值；根據(jù)最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷，并控制能量接收部件進(jìn)行能量接收或控制信息接收部件進(jìn)行信息接收。本發(fā)明提供的接收機包括門限切換模塊，用于控制切換能量接收或信息接收，其功能是基于前述的方法實現(xiàn)的。本發(fā)明適用于無線攜能通信系統(tǒng)接收機設(shè)計。
【專利說明】
一種基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法及接收機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信接收機領(lǐng)域，尤其涉及無線攜能通信信號接收方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今時代，無線通信業(yè)務(wù)爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)大規(guī)?；ㄐ旁O(shè)備多樣化。例如傳感 器網(wǎng)絡(luò)等許多能量受限網(wǎng)絡(luò)，耗電量低，但因其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，存在布線困難、可持續(xù)性差等 問題。
[0003] 射頻信號同時攜帶信息與能量，無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技術(shù)可以利用信號中攜帶的能量以及周圍空間 中的射頻信號能量為接收機進(jìn)行充電，接收機能夠同時實現(xiàn)信息傳輸與能量收集兩種功 能。但對于同一接收機而言，由于接收信號能量受限，能量與信息速率是兩種矛盾的需求， 不能同時滿足。傳統(tǒng)周期切換算法將一個完整時隙分為不等的前后兩段，比例系數(shù)由系統(tǒng) 確定，并未將信道增益、多徑衰落等時變要素考慮到算法設(shè)計中，因而其性能較差。參考圖 5,其中直線部分為現(xiàn)有技術(shù)的周期切換算法，從圖中可看出，當(dāng)平均收集能量為40yW時，現(xiàn) 有技術(shù)的平均可達(dá)速率為〇. 32bps/Hz;當(dāng)平均可達(dá)速率為0.4bps/Hz時，現(xiàn)有技術(shù)的平均收 集能量為33yW。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)中無線攜能通信信號接收方法中對于速率和能量的資 源分配過于粗略，難以同時滿足，致使資源分配不合理，降低了接收機工作效率。因此，需要 一種新的通信信號接收方法，來通過合理的資源分配實現(xiàn)能量與速率的折中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有無線攜能通信信號接收方法存在資源分配粗略、接收機工作 效率低的問題，進(jìn)而提供了一種基于時隙分配的接收機的無線攜能通信信號接收方法及接 收機。
[0005] 無線攜能通信信號通過隨機波束賦形技術(shù)進(jìn)行預(yù)編碼，預(yù)編碼矩陣由信道矩陣h 進(jìn)行奇異值分解得到，并且滿足獨立同分布，基于時隙分配的接收機的無線攜能通信信號 接收方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一:從接收信號獲取大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率〇2、信道增 益Η以及天線數(shù)N t，所述待接收信號攜帶能量與信息，其中所述信道增益Η與所述信道矩陣h 滿足好=走剛2;
[0007] 步驟二:根據(jù)所述大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率〇2、信道增益H、天 線數(shù)N t確定最優(yōu)門限值：i分別關(guān)于平均收集能量值以及平均可達(dá)速率值的函數(shù)關(guān)系式；
[0008] 步驟三:根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系式確定最優(yōu)化函數(shù)；
[0009] 步驟四：根據(jù)所述最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門限值:i ;
[0010] 步驟五:根據(jù)所述最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果控制能量接收部件進(jìn)行 能量接收或控制信息接收部件進(jìn)行信息接收。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種接收機，所述接收機包括門限切換模塊，所述門限切換模塊 用于控制切換能量接收或信息接收，門限切換模塊的功能是基于上述方法來實現(xiàn)的。
[0012] 本發(fā)明方法的技術(shù)效果是，根據(jù)從通信信號中獲得的大尺度衰落系數(shù)、發(fā)射信號 功率、噪聲功率、信道增益以及天線數(shù)來計算較為精確的平均可達(dá)速率以及平均收集能量。 并且應(yīng)用于具體的能量受限型接收機時，可以達(dá)到更高的信息速率，在應(yīng)用于具體的速率 受限型接收機時，可以收集更多的能量。參考圖5,可以看出，當(dāng)平均收集能量為40yW時，平 均可達(dá)速率為0.37bps/Hz，相比現(xiàn)有技術(shù)高出0.05bps/Hz ;當(dāng)平均可達(dá)速率為0.4bps/Hz 時，平均收集能量為38bps/Hz，相比現(xiàn)有技術(shù)高出5yW。也就是說，本發(fā)明在平均收集能量區(qū) 間處于15yW至65yW時，最高可比現(xiàn)有技術(shù)效果高出0.05bps/Hz;在平均可達(dá)速率區(qū)間處于0 至0.6bps/Hz時，最高可比現(xiàn)有技術(shù)效果高出5μΙ
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法的流程圖；
[0014]圖2是無線攜能通信系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3是用二分法求解最優(yōu)門限值的算法流程圖；
[0016] 圖4是根據(jù)門限值進(jìn)行接收的流程圖；
[0017]圖5是周期切換算法與門限切換算法的對比圖；
[0018] 圖6為能量受限型接收機與速率受限型接收機的差異對比圖；
[0019] 圖7為本發(fā)明的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法的示意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一:本實施方式的基于時隙分配的接收機的無線攜能通信信號接收 方法，無線攜能通信信號通過隨機波束賦形技術(shù)進(jìn)行預(yù)編碼，預(yù)編碼矩陣由信道矩陣h進(jìn)行 奇異值分解得到，并且滿足獨立同分布，包括以下步驟：
[0021] 在步驟一中，從接收信號獲取大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率〇2、信 道增益Η以及天線數(shù)N t，所述待接收信號攜帶能量與信息，信道增益Η與信道矩陣h滿足
[0022] 在步驟二中，根據(jù)所述大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率〇2、信道增益 H、天線數(shù)N t確定最優(yōu)門限值2分別關(guān)于平均收集能量值以及平均可達(dá)速率值的函數(shù)關(guān)系 式；
[0023] 在步驟三中，根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系式確定最優(yōu)化函數(shù)；
[0024] 在步驟四中，根據(jù)所述最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門限值:? ;
[0025] 在步驟五中，根據(jù)所述最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果控制能量接收部件 進(jìn)行能量接收或控制信息接收部件進(jìn)行信息接收。
【具體實施方式】 [0026] 二:本實施方式與一不同的是：
[0027]計算平均可達(dá)速率R具體為：
[0028]fl) - v
<-? j
[0029] 計算收集能量的平均值Q具體為：
[0030] "、 (2)
[0031] 其中a為積分變量。
[0032] 上述公式（17)以及公式（18)通過以下推導(dǎo)過程得出：
[0033] 通信信號由射頻信號的發(fā)送端利用隨機波束賦形技術(shù)對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)編碼，預(yù) 編碼矩陣由信道矩陣h進(jìn)行SVD分解（即奇異值分解)得到。發(fā)送信號由若干資源塊組成，每 個資源塊由若干時隙組成，第k個時隙的預(yù)編碼矩陣為〇(!〇 = [0:(!0 Φ2(10…Φν(10]，Ν =Nt為發(fā)射端的天線數(shù)。預(yù)編碼矩陣應(yīng)滿足
Μ，其中INt為單位矩陣，且
:，即各預(yù)編碼矩陣符合獨立同分布，其中
CN表示零均值循環(huán)對稱高斯分布。發(fā)射端可以通過控制指令、專用導(dǎo)頻驗證或者專用導(dǎo)頻 信道估計告知接收端信道矩陣的具體值h。
[0034] 可以根據(jù)式(1)計算任一時隙k接收信號的歸一化信道能量：
[0035](3) ' L
[0036] 其中，&(1〇 = 〇\1〇11，1^=1，2，~，1(，1(為一個資源塊內(nèi)的總時隙數(shù)。
[0037] 對于第k個時隙，根據(jù)A(k)取值選擇接收機模式，其中接收機模式包括能量接收機 模式以及信息接收機模式，通過調(diào)整預(yù)設(shè)門限值2來獲得最大能量收集與信息速率的折 中。其中預(yù)設(shè)門限值2可以通過最優(yōu)化函數(shù)得到。
[0038] 在接收機模式選擇過程中，第k個子模塊模式選擇的指示函數(shù)設(shè)置如式(2)所示：
[0039]
(4；
[0040] 其中，A(k)為第k個時隙信道能量，3為預(yù)設(shè)門限值。由于能量接收機的靈敏度遠(yuǎn) 低于信息接收機的靈敏度，因此，式(2)表示的是當(dāng)接收信號能量高于門限值時進(jìn)行能量接 收，低于門限時進(jìn)行信息接收。
[0041] 接收端接收信號可表達(dá)為：
[0042]
(5)
[0043] 式(3)中，Θ表示信號大尺度衰落系數(shù)，X為發(fā)送信號矢量，y(k)為接收信號，Z(k)為 高斯白噪聲。設(shè)發(fā)射信號功率為Ρ，σ 2為噪聲功率，L為預(yù)編碼碼長，E( ·)為求均值運算，則： 當(dāng)P(k) = l時，時隙k的最大可達(dá)速率可表示為
[0044]
(6)
[0045] 當(dāng)P(k) =0時，時隙k的歸一化收集能量為
[0046]
(7)
[0047] 由于a(k)是服從獨立同分布的零均值且具有共同方差Η的高斯隨機變量，因此
'為具有η個自由度的X2隨機變量，根據(jù)X 2分布自由度可加性得n = 2Nt，〇2 = ▲，t H/2Nt。根據(jù)定義得給定信道增益Η下（Η為一常數(shù)）的其概率密度函數(shù)（Probability Density Function,PDF)為
[0048]
(^)
[0049] 累積分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function,CDF)表不為
[0050]
(9)
[0051] 其中，Γ (x)為伽瑪函數(shù)，定義為
若時隙數(shù) K-m，那么根據(jù)X2分布的概率密度函數(shù)可將各資源塊內(nèi)收集能量的平均值(也稱為平均收 集能量值）以及平均可達(dá)速率可表示成天線數(shù)Nt、門限：i以及信道增益Η的函數(shù)，即 /?(//, /V, J)與Λ% ])，分別如式⑶和(9)所示。
[0052]
[0053]
[0054] 由此可得各資源塊內(nèi)平均每個時隙獲得的平均可達(dá)速率與平均收集能量。
[0055]下面再結(jié)合圖2具體說明：
[0056]發(fā)射端Τχ將信源運用隨機波束賦形技術(shù)轉(zhuǎn)換為信道編碼，在經(jīng)過調(diào)制產(chǎn)生具有發(fā) 送信號矢量X的預(yù)編碼，預(yù)編碼由信道矩陣h進(jìn)行奇異值分解并發(fā)送至接收端，接收端得到 接收信號Y，其中T為時隙，并根據(jù)本發(fā)明的接收方法得到最優(yōu)門限值，根據(jù)最優(yōu)門限值判斷 需要進(jìn)行能量接收還是信息接收，若為信息接收，則需要再經(jīng)過解調(diào)和信道譯碼過程。 [0057]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0058]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是：接收機可以包括 能量受限型接收機以及速率受限型接收機，當(dāng)所述接收機為能量受限型接收機時，所述根 據(jù)最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門限值1具體為：
[0059]
(12)
[0060]其中qth為所述接收機正常工作所需要的最低能量，Γ為伽瑪函數(shù)；
[0061] 當(dāng)所述接收機為速率受限型接收機時，"根據(jù)最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門限值：Γ具體 為：
[0062]
[0063] 其中γ th為接收機正常工作所需的最低速率，r為伽瑪函數(shù)。
[0064] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
【具體實施方式】 [0065] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：公式（19)的 求解方法為二分法迭代求解，其中門限上限為max(A(k))，求解區(qū)間上界初始值為所述門限 上限max(A(k))，求解區(qū)間下界初始值為0,根據(jù)系統(tǒng)需求預(yù)設(shè)的求解精度為let，接收機具 有特定的系統(tǒng)消耗能量值，所述系統(tǒng)消耗能量值即為前述的qth。二分法迭代求解具體包括 步驟A至步驟C，具體結(jié)合圖3的算法流程圖進(jìn)行說明：
[0066] 步驟A:檢測本次求解區(qū)間上界AUP與下界Ad_之差是否小于或等于求解精度let， 若是，則最優(yōu)門限為求解區(qū)間上界A up，若否，則將此次迭代的門限值]賦值為求解區(qū)間上界 Aup與下界Ad_的均值；
[0067] 步驟B:根據(jù)門限值計算平均收集能量值Q，若平均收集能量值大于系統(tǒng)消耗能量 值qth，則將求解區(qū)間上界Aup賦值為此次迭代的門限值I，若平均收集能量值低于系統(tǒng)消耗 能量值qth，則將求解區(qū)間下界A d_賦值為此次迭代的門限值并執(zhí)行步驟A，直至求解區(qū) 間的上界AUP與下界Ad_之差小于或等于求解精度let;
[0068]步驟C:計算滿足求解精度let條件下的平均收集能量值以及平均可達(dá)速率。
[0069]上述過程針對能量受限型接收機進(jìn)行運算，同理，針對公式(20)也有相似的過程， 區(qū)別在于，接收機為速率受限型接收機，將qth置換為接收機正常工作時所需的最低速率 γ th，并將平均收集能量值與系統(tǒng)消耗能量值的比較置換為平均可達(dá)速率與γ th的比較。
[0070] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0071]
【具體實施方式】五:可以結(jié)合圖4做詳細(xì)說明。本實施方式與【具體實施方式】一至四之 一不同的是:根據(jù)最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷具體為：當(dāng)接收信號能量高于最優(yōu)門限值時進(jìn)行能 量接收，低于最優(yōu)門限值時進(jìn)行信息接收。圖4中的流程圖對應(yīng)于公式(2)，判斷第k個時隙 的信道能量A(k)與門限值2的大小關(guān)系，若/?)<]，即P = l，則進(jìn)行信息接收，若 > /?即p = 0,則進(jìn)行能量接收。
[0072] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至四之一相同。
【具體實施方式】 [0073] 六:結(jié)合圖5對本實施方式做詳細(xì)說明：
[0074] 圖5為現(xiàn)有技術(shù)中的周期切換算法與門限切換算法的差異對比。門限切換算法即 為本發(fā)明的通信信號接收方法。圖中直線為周期切換算法，曲線為門限切換算法，再兩者交 點c的右側(cè)，對于相同的接收能量Q，本發(fā)明的門限切換算法的平均可達(dá)速率更高;類似地， 對于相同的平均可達(dá)速率，本發(fā)明的接受能量Q更高，因此可以判斷出，本發(fā)明的算法在交 點c和交點a之間部分的性能要優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。門限切換算法的曲線切線即為門限值3,將門 限值I與周期切換算法函數(shù)的斜率的比值記為τ，可以通過τ的增大或減小判斷本發(fā)明的算 法在實際應(yīng)用中的性能。
【具體實施方式】 [0075] 七:結(jié)合圖6和圖7對本實施方式做詳細(xì)說明：
[0076] 圖6為使用本發(fā)明的方法的能量受限型接收機與速率受限型接收機的差異對比 圖。能量受限型接收機是在正常工作時有最低能量要求的接收機，速率受限型接收機是在 正常工作時有最低速率要求的接收機。從圖中可以看出，最佳門限不僅滿足平均收集能量Q >Qth，還使所有滿足條件的門限中獲得平均可達(dá)速率最高的，如直線(a)上三點所示，代表 相同信道條件下的仿真結(jié)果。相似地，對于速率受限型接收機，如直線(b)上三點所示，對比 門限1不能滿足系統(tǒng)對信息速率的需求，而對比門限2雖然平均速率較高，但其收集的平均 能量較低，在優(yōu)化函數(shù)為最大化收集能量的背景下顯然其性能較最佳門限要差一些，因而 可見，最佳門限在滿足R>Rth條件下收集能量最多。
[0077] 圖7為本發(fā)明的基于時隙分配的接收機的無線攜能通信信號接收方法的示意圖， 其中Ptot表示發(fā)射信號的能量總和，其可由能量接收機以及速率受限接收機的信號能量相 加得到，從圖中可看出，當(dāng)曲線高于門限3時為淺色區(qū)域，表示此時進(jìn)行能量接收，當(dāng)曲線低 于門限2時為深色區(qū)域，表示此時進(jìn)行信息接收。
[0078] 【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是，本發(fā)明還包 括一種接收機，所述接收機包括門限切換模塊，所述門限切換模塊用于控制切換能量接收 或信息接收，門限切換模塊的功能是基于前述實施例的方法來實現(xiàn)的。
【主權(quán)項】
1. 一種基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法，所述無線攜能通信信號通過隨機 波束賦形技術(shù)進(jìn)行預(yù)編碼，預(yù)編碼矩陣由信道矩陣h進(jìn)行奇異值分解得到，并且滿足獨立同 分布，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 步驟一:從接收信號獲取大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率σ2、信道增益H以 及天線數(shù)Nt，所述接收信號攜帶能量與信息，其中所述信道增益H與所述信道矩陣h滿足 丑=|丨1感 步驟二:根據(jù)所述大尺度衰落系數(shù)Θ、發(fā)射信號功率P、噪聲功率σ2、信道增益H、天線數(shù)Nt 確定最優(yōu)門限值3分別關(guān)于平均收集能量值以及平均可達(dá)速率值的函數(shù)關(guān)系式； 步驟三:根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系式確定最優(yōu)化函數(shù)； 步驟四：根據(jù)所述最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門限值2 ; 步驟五:根據(jù)所述最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果控制能量接收部件進(jìn)行能量 接收或控制信息接收部件進(jìn)行信息接收。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法，其特征在于， 步驟二中所述最優(yōu)門限值2關(guān)于平均可達(dá)速率值的函數(shù)關(guān)系式具體為：(17) 其中，a為積分變量； 步驟二中所述最優(yōu)門限值：i關(guān)于平均收集能量值的函數(shù)關(guān)系式具體為：(IB)3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法，所述接收機 包括能量受限型接收機以及速率受限型接收機，其特征在于， 在步驟四中，當(dāng)所述接收機為能量受限型接收機時，所述根據(jù)最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門 限值2具體為：(19) 其中qth為所述接收機正常工作所需要的最低能量，Γ為伽瑪函數(shù)，A(k)為第k個時隙的 信道能量； 在步驟四中，當(dāng)所述接收機為速率受限型接收機時，所述根據(jù)最優(yōu)化函數(shù)求得最優(yōu)門 限值I具體， （20) 其中γ th為所述接收機正常工作所需的最低速率。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法，其特征在于，所 述公式(19)的求解方法為二分法迭代求解，其中門限上限為max(A(k))，求解區(qū)間上界初始 值為所述門限上限，求解區(qū)間下界初始值為〇,根據(jù)系統(tǒng)需求預(yù)設(shè)的求解精度為let，所述接 收機具有特定的系統(tǒng)消耗能量值，所述二分法迭代求解具體包括以下步驟： 步驟A:檢測本次求解區(qū)間上界與下界之差是否小于或等于所述求解精度let，若是，則 最優(yōu)門限為所述求解區(qū)間上界，若否，則將此次迭代的門限值賦值為所述求解區(qū)間上界與 下界的均值； 步驟B:根據(jù)所述門限值計算平均收集能量值，若所述平均收集能量值大于所述系統(tǒng)消 耗能量值，則將所述求解區(qū)間上界賦值為此次迭代的門限值，若所述平均收集能量值低于 所述系統(tǒng)消耗能量值，則將所述求解區(qū)間下界賦值為此次迭代的門限值，并執(zhí)行步驟A，直 至求解區(qū)間的上界與下界之差小于或等于所述求解精度let; 步驟C:計算滿足所述求解精度let條件下的平均收集能量值以及平均可達(dá)速率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于時隙分配的無線攜能通信信號接收方法，其特征在 于，步驟五中所述根據(jù)最優(yōu)門限值進(jìn)行判斷具體為：當(dāng)接收信號能量高于最優(yōu)門限值時進(jìn) 行能量接收，低于最優(yōu)門限值時進(jìn)行信息接收。6. -種接收機，其特征在于，所述接收機包括門限切換模塊，所述門限切換模塊用于控 制切換能量接收或信息接收，門限切換模塊的功能是基于如權(quán)利要求1至5中任一方法來實 現(xiàn)的。
【文檔編號】H04B7/04GK105897321SQ201610464713
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】馬琳, 馮雨晴, 徐玉濱, 崔揚
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)