本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種信息與能量聯(lián)合傳輸系統(tǒng)的預編碼傳輸方法。

背景技術：

能量收集技術可以為無線傳感網(wǎng)絡或者蜂窩移動網(wǎng)絡提供能量，延長設備節(jié)點的生存期，因而近年來受到了廣泛關注。另一方面，信息傳輸問題一直是通信系統(tǒng)的關鍵和研究熱點。因此，兩種技術相結合，產生了無線信息與能量聯(lián)合傳輸?shù)男录夹g。

《國際電氣與電子工程師協(xié)會無線通信學報》(“MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer，”IEEE Transactions on Wireless Communications,2013,11(5):1989-2001)研究了一個典型多發(fā)多收的信息—能量通信系統(tǒng)，系統(tǒng)中一個節(jié)點發(fā)送信息，另外兩個節(jié)點分別接收能量和信息。在發(fā)送端功率一定的條件下，發(fā)送信號協(xié)方差矩陣的設計將會對信息和能量接收機同時產生影響。該文求出了在滿足系統(tǒng)最低能量需求時，達到最大傳輸速率時發(fā)送端協(xié)方差矩陣應滿足的形式。另外，還系統(tǒng)的分析了時分復用、功率拆分等復用方案對可達功率－速率域的影響。《國際電氣與電子工程師協(xié)會無線通信快報》(“Energy-efficient optimization for wireless information and power transfer in large-scale MIMO systems employing energy beamforming，”IEEE Wireless Communications Letters,2013,2(6):667-670)研究了大規(guī)模多天線系統(tǒng)的聯(lián)合傳輸系統(tǒng)，接收機從較遠的發(fā)送端獲取能量而后返回觀測數(shù)據(jù)給發(fā)送端。該文以能量效率為優(yōu)先優(yōu)化目標，在保證了所需最低信息通信質量的條件下，研究了無線資源優(yōu)化問題，包括最優(yōu)發(fā)送功率和能量、信息傳輸時間分配比等。

目前現(xiàn)有研究大多需要即時的信道狀態(tài)信息，無論是理想還是非理想信息。可是如果信道是快衰落變化，則頻繁測量和反饋信道信息將不可避免地給系統(tǒng)回程鏈路帶來很大負擔，鏈路開銷大。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種信息與能量聯(lián)合傳輸系統(tǒng)的預編碼傳輸方法，該方法僅使用信道統(tǒng)計信息—信道收發(fā)協(xié)方差矩陣和信噪比，可以顯著的降低系統(tǒng)測量和反饋開銷。在滿足系統(tǒng)能量需求的條件下，該方法將實現(xiàn)系統(tǒng)信息傳輸速率的最大化。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種信息與能量聯(lián)合傳輸系統(tǒng)的預編碼傳輸方法，其特征在于如下處理步驟：

S1:基站通過一段時間的測量分別獲取信息信道和能量信道的協(xié)方差信息、信息信道的噪聲功率，這里信息信道和能量信道分別指發(fā)送端到信息接收機和能量接收機的信道；

S2:初始化迭代指數(shù)、輔助參數(shù)、搜索步長，根據(jù)子算法一計算發(fā)送協(xié)方差矩陣和對偶函數(shù)數(shù)值作為初始值；

S3:更新兩個輔助參數(shù)；

S4:根據(jù)輔助參數(shù)，采用與步驟S2相同的子算法計算新的發(fā)送協(xié)方差矩陣和對偶函數(shù)數(shù)值；

S5：按照一定的判定準則決定算法是否結束。若不滿足準則，增加迭代指數(shù)，轉到步驟S3；否則算法結束，輸出預編碼矩陣。

優(yōu)選的，所述步驟S2的初始化操作，其特征在于：

迭代指數(shù)k初始設置為零，輔助參數(shù)有兩個，記為λ和u,這兩個參數(shù)初始設置均大于或等于零，搜索步長t滿足0<t<1。

優(yōu)選的，所述步驟S2的子算法一，其特征在于：

S21:根據(jù)子算法二，獲得功率分配矩陣N_T是發(fā)送天線數(shù)，diag(.)是矩陣的對角化操作，p_i是功率值；

S22:計算最優(yōu)發(fā)送協(xié)方差矩陣，

其中，矩陣V是矩陣奇異值分解中的右奇異矩陣，是維度是N_T的單位矩陣，N_T是發(fā)送天線數(shù)，Tr(.)是矩陣的跡函數(shù)，(.)^1/2表示矩陣開方，(.)^-1/2表示矩陣開方并求逆，(.)^H是矩陣的Hermitian操作，θ_RE、θ_TE分別是發(fā)送端到能量接收機的信道接收、信道發(fā)送協(xié)方差矩陣，θ_TD是發(fā)送端到信息接收機的信道發(fā)送協(xié)方差矩陣；

S23:將Q代入下式，求出對偶函數(shù)g(λ,u)。

其中，H_D是發(fā)送端到信息接收機的信道矩陣，稱為信息信道，是一個復N_D×N_T的矩陣，定義為：

上式中，θ_RD、θ_TD是發(fā)送端到信息接收機的信道接收、信道發(fā)送協(xié)方差矩陣；H_ω,D是一個維度為N_D×N_T的復高斯隨機矩陣，每個元素統(tǒng)計獨立，且服從均值零、方差1的復高斯分布；此外，P_T為發(fā)送功率,ε_ng是功率最低要求，是信息信道的噪聲功率。

優(yōu)選的，所述步驟S3的輔助參數(shù)更新，其特征在于：

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

其中，t是搜索步長，上標k代表迭代次數(shù)。

優(yōu)選的，步驟S4的對偶函數(shù)，其特征在于：

對偶函數(shù)定義為：

這里函數(shù)L(Q,λ,u)為拉格朗日算子，定義為：

是維度是N_D的單位矩陣，N_D是信息接收機的天線數(shù)。

優(yōu)選的，所述步驟S5的判定準則，其特征在于：

判斷兩次迭代取得的對偶函數(shù)數(shù)值之差，即g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|，是否小于某個預設門限，來決定是否結束算法。

優(yōu)選的，所述步驟S21的子算法二，特征如下：

S211：初始化迭代指數(shù)k＝0,

S212：更新l∈Φ，這里是一個列向量，是的第i列；U_B和Λ_B分別是矩陣B的奇異值分解對應的左奇異矩陣和對角陣，和分別是矩陣θ_RD的特征分解中的對角陣和特征向量組成的矩陣；

S213:增加迭代指數(shù)k:＝k+1，重復步驟S212-S213若干次；

S214：如果存在l，使得但是p_l不收斂為零，則找到最小的功率值設置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{l_min}，回到步驟S212，否則，結束程序。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于信道協(xié)方差及系統(tǒng)信噪比反饋，為信息與能量聯(lián)合傳輸系統(tǒng)提供了一種預編碼方法。該方法能夠在滿足系統(tǒng)能量需要的同時，有效的提升系統(tǒng)信息傳輸速率。相比非預編碼方法，在滿足相同的能量需求時，該方法取得的信息傳輸速率更高，其信息-能量可達域也更寬闊。本發(fā)明還具有反饋量小、系統(tǒng)開銷小的優(yōu)點。

以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的預編碼方法的實施流程圖；

圖2是本發(fā)明預編碼方法涉及的子算法一流程圖；

圖3是本發(fā)明預編碼方法涉及的子算法二流程圖；

圖4是圖1中方法在三節(jié)點2×2MIMO系統(tǒng)情況下與各向同性傳輸方法性能對比圖。

具體實施方式

本發(fā)明適用的通信系統(tǒng)包括三個節(jié)點：一個發(fā)送節(jié)點，一個信息接收節(jié)點和一個能量接收節(jié)點，三個節(jié)點均配備多根天線，分別是N_T、N_RD和N_RE。用戶數(shù)據(jù)x在發(fā)送之前需要乘以一個預編碼矩陣W，而后廣播出去。這樣，信息和能量接收機的接收信號表示式寫成：

y_D＝H_DWx+N_D

y_E＝H_EWx+N_E

其中，H_D是N_RD×N_T維的復矩陣，表示發(fā)送端到信息接收機的信道，不妨稱之為信息信道；H_E是N_RE×N_T維的復矩陣，表示發(fā)送端到能量接收機的信道，不妨稱之為能量信道；N_D是N_RD維的列向量，是信息信道的噪聲向量，元素間獨立，每個元素服從零均值、方差的復高斯分布；N_E是N_RE維的列向量，是信息信道的噪聲向量，元素間獨立，每個元素服從零均值、方差的復高斯分布。

由信息接收信號表達式可推得，系統(tǒng)的信息傳輸速率為

其中，符號E(.)代表求期望，(.)^H代表復共軛。由能量接收信號表達式可推得，系統(tǒng)在單位時間取得的能量為

ε_ng＝ηTr(W^HWθ_TE)Tr(θ_RE)

其中，常數(shù)η為能量轉化效率，Tr(.)表示對矩陣求跡，θ_TE和θ_RE分別是能量信道的發(fā)送和接收協(xié)方差矩陣。

本發(fā)明即設計預編碼W，在滿足能量需求ε_ng的條件下，最大化信息傳輸速率R.發(fā)送端的操作可以分成兩個階段：訓練階段和數(shù)據(jù)發(fā)送階段。在訓練階段，發(fā)送端發(fā)射導頻信號，能量和信息接收機測量各自的信道矩陣，計算收發(fā)協(xié)方差矩陣，反饋給發(fā)送端；另外，信息接收機還要反饋信息信道的信噪比。發(fā)送端根據(jù)收到的信息和能量信道的收發(fā)協(xié)方差矩陣、信息信道的信噪比，計算最優(yōu)的預編碼矩陣W。然后系統(tǒng)進入發(fā)送數(shù)據(jù)階段：發(fā)送端將用戶數(shù)據(jù)乘以預編碼矩陣W發(fā)送出去。

具體地，本發(fā)明的一種信息與能量聯(lián)合傳輸系統(tǒng)的預編碼傳輸方法，其特征在于如下處理步驟：

S1:基站通過一段時間的測量分別獲取信息信道和能量信道的協(xié)方差信息、信息信道的噪聲功率，這里信息信道和能量信道分別指發(fā)送端到信息接收機和能量接收機的信道；

S2:初始化迭代指數(shù)、輔助參數(shù)、搜索步長，根據(jù)子算法一計算發(fā)送協(xié)方差矩陣和對偶函數(shù)數(shù)值作為初始值；

S3:更新兩個輔助參數(shù)；

S4:根據(jù)輔助參數(shù)，采用與步驟S2相同的子算法計算新的發(fā)送協(xié)方差矩陣和對偶函數(shù)數(shù)值；

S5：按照一定的判定準則決定算法是否結束。若不滿足準則，增加迭代指數(shù)，轉到步驟S3；否則算法結束，輸出預編碼矩陣。

本實施例中，所述步驟S2的初始化操作，其特征在于：

迭代指數(shù)k初始設置為零，輔助參數(shù)有兩個，記為λ和u,這兩個參數(shù)初始設置均大于或等于零，搜索步長t滿足0<t<1。

本實施例中，所述步驟S2的子算法一，其特征在于：

S21:根據(jù)子算法二，獲得功率分配矩陣N_T是發(fā)送天線數(shù)，diag(.)是矩陣的對角化操作，p_i是功率值；

S22:計算最優(yōu)發(fā)送協(xié)方差矩陣，

其中，矩陣V是矩陣奇異值分解中的右奇異矩陣，是維度是N_T的單位矩陣，N_T是發(fā)送天線數(shù)，Tr(.)是矩陣的跡函數(shù)，(.)^1/2表示矩陣開方，(.)^-1/2表示矩陣開方并求逆，(.)^H是矩陣的Hermitian操作，θ_RE、θ_TE分別是發(fā)送端到能量接收機的信道接收、信道發(fā)送協(xié)方差矩陣，θ_TD是發(fā)送端到信息接收機的信道發(fā)送協(xié)方差矩陣；

S23:將Q代入下式，求出對偶函數(shù)g(λ,u)。

其中，H_D是發(fā)送端到信息接收機的信道矩陣，稱為信息信道，是一個復N_D×N_T的矩陣，定義為：

上式中，θ_RD、θ_TD是發(fā)送端到信息接收機的信道接收、信道發(fā)送協(xié)方差矩陣；H_ω,D是一個維度為N_D×N_T的復高斯隨機矩陣，每個元素統(tǒng)計獨立，且服從均值零、方差1的復高斯分布；此外，PT為發(fā)送功率,ε_ng是功率最低要求，是信息信道的噪聲功率。

本實施例中，所述步驟S3的輔助參數(shù)更新，其特征在于：

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

其中，t是搜索步長，上標k代表迭代次數(shù)。

本實施例中，步驟S4的對偶函數(shù)，其特征在于：

對偶函數(shù)定義為：

這里函數(shù)L(Q,λ,u)為拉格朗日算子，定義為：

是維度是N_D的單位矩陣，N_D是信息接收機的天線數(shù)。

本實施例中，所述步驟S5的判定準則，其特征在于：

判斷兩次迭代取得的對偶函數(shù)數(shù)值之差，即|g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|，是否小于某個預設門限，來決定是否結束算法，這里上標(k)表示第k次循環(huán)。若不滿足準則，增加迭代指數(shù)，轉到步驟S3；否則算法結束，輸出預編碼矩陣W＝Q^1/2。

本實施例中，所述步驟S21的子算法二，特征如下：

S211：初始化迭代指數(shù)k＝0,

S212：更新l∈Φ，這里是一個列向量，是的第i列；U_B和Λ_B分別是矩陣B的奇異值分解對應的左奇異矩陣和對角陣，和分別是矩陣θ_RD的特征分解中的對角陣和特征向量組成的矩陣；

S213:增加迭代指數(shù)k:＝k+1，重復步驟S212-S213若干次；

S214：如果存在l，使得但是p_l不收斂為零，則找到最小的功率值設置其中然后更新集合Φ:＝Φ-{l_min}，回到步驟S212，否則，結束程序。

當上述步驟執(zhí)行完畢之后，在給定的能量要求ε_ng和系統(tǒng)信噪比下，最優(yōu)的發(fā)送協(xié)方差矩陣Q和預編碼W＝Q^1/2都得到了。將W代入表達式可以求得此時的系統(tǒng)信息傳輸速率。

由圖4可見，在給定的能量要求下，本發(fā)明方法取得的信息傳輸速率較各向同性傳輸方案更高；另外，本方法的可達信息—速率域也更寬闊些。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。