基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通信領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分 配設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動通信系統(tǒng)從第二代到第四代的發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)流量的需求呈現(xiàn)爆炸式增 長，并且在未來十年中還將增長一千倍，與此同時伴隨而來的便是智能手機、平板電腦等無 線終端設(shè)備的迅速普及和數(shù)量急劇增加，在該個背景下，最亟待解決解決的問題之一便是 由于電池容量限制而導(dǎo)致的設(shè)備使用時間有限的困擾。隨著用戶對設(shè)備使用時間需求的提 高，射頻無線能量捕獲技術(shù)（RF-EH)應(yīng)運而生。作為理論上能提供中遠(yuǎn)距離無線能量供應(yīng) 實現(xiàn)無線充電與無線信號同時傳輸?shù)募夹g(shù)，RF-H1提供了讓無線設(shè)備終端免去有線充電的 解決方案。并且隨著RF-H1技術(shù)的興起，無線信號和能量同時傳輸（SWIPT)系統(tǒng)也引起了 廣泛的關(guān)注。
[0003] 目前，業(yè)界已對SWIPT系統(tǒng)展開廣泛討論與深入研究?，F(xiàn)有文獻中關(guān)于SWIPT系 統(tǒng)的分析大多是基于無線設(shè)備終端從周圍環(huán)境中捕獲能量進行設(shè)計的，并沒有考慮?？谔?供能量的節(jié)點。值得指出的是，在該種條件下，終端只能捕獲極少的能量，但該些能量僅能 滿足諸如傳感器等小功耗設(shè)備的運行而遠(yuǎn)不能滿足智能手機、平板電腦、便攜式電腦等常 用無線設(shè)備的能耗。由于該個原因，該些技術(shù)并不適用于更加普遍的場景。
[0004] 因此提出了一種由多天線能量站?？诠╇姷臒o線通信系統(tǒng)，能量站作為一個?？?提供射頻無線能量的設(shè)備，不需要任何回程鏈路，由此大大降低了設(shè)備實現(xiàn)的開銷，使得大 規(guī)模布置能量站用W覆蓋大范圍無線終端成為了可能。并且發(fā)明人從時間分配比例T和 波束賦形器W出發(fā)，根據(jù)實際信道狀態(tài)，進行基于最大化系統(tǒng)容量的參數(shù)設(shè)計，得到了比一 般情況下更為突出的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對目前現(xiàn)狀中存在的不足，提供一種基于無線能量傳輸?shù)淖罴?能量波束和時間分配設(shè)計方法。
[0006] 基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法：該系統(tǒng)中包含一個發(fā)送 節(jié)點，一個接收節(jié)點，一個解碼轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點和一個采用波束賦形的能量站，除了能量站 配置有多根天線，其余節(jié)點都只配置單根天線，其中能量站，發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點構(gòu)成一個 無線能量傳輸子系統(tǒng)；發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點和中繼節(jié)點構(gòu)成一個無線信號傳輸子系統(tǒng)，在一 個時隙T中該兩個子系統(tǒng)按照時間分配比例T分別進行能量傳輸和信息傳輸，即，在前tT 時間內(nèi)，能量站對發(fā)送節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量，在后（1-t)T時間內(nèi)，發(fā)送節(jié)點通過中繼 節(jié)點給接收節(jié)點傳輸信息，對時間比例和波束賦形器進行聯(lián)合優(yōu)化，使系統(tǒng)容量達到最大， 具體的方法包括如下步驟：
[0007] (1)能量站獲取信道狀態(tài)信息；
[0008] (2)能量站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)容量最大化計算最佳波束向量和最佳 能量分配時間。
[0009] 所述的能量站獲取信道狀態(tài)信息包括：
[0010] (1)能量站通過偵聽發(fā)射節(jié)點和中繼節(jié)點的導(dǎo)頻，估計出能量站與相應(yīng)的節(jié)點之 間的信道響應(yīng)；
[0011] (2)能量站通過中繼反饋獲得發(fā)射節(jié)點與中繼節(jié)點，中繼節(jié)點與接收節(jié)點之間的 信道響應(yīng)。
[0012] 所述的計算最佳波束向量和最佳能量分配時間為；在獲得信道狀態(tài)信息的條件 下，建立波束向量W和時間分配比例T的聯(lián)合優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件分別為；
[0013]
【主權(quán)項】
1. 一種基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其特征在于該系統(tǒng)中 包含一個發(fā)送節(jié)點，一個接收節(jié)點，一個解碼轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點和一個采用波束賦形的能量 站，除了能量站配置有多根天線，其余節(jié)點都只配置單根天線，其中能量站，發(fā)送節(jié)點、接收 節(jié)點構(gòu)成一個無線能量傳輸子系統(tǒng)；發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點和中繼節(jié)點構(gòu)成一個無線信號傳 輸子系統(tǒng)，在一個時隙T中這兩個子系統(tǒng)按照時間分配比例T分別進行能量傳輸和信息傳 輸，即，在前TT時間內(nèi)，能量站對發(fā)送節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量，在后（l-T)T時間內(nèi)，發(fā) 送節(jié)點通過中繼節(jié)點給接收節(jié)點傳輸信息，對時間比例和波束賦形器進行聯(lián)合優(yōu)化，使系 統(tǒng)容量達到最大，具體的方法包括如下步驟： (1) 能量站獲取信道狀態(tài)信息； (2) 能量站在獲取信道狀態(tài)信息后基于系統(tǒng)容量最大化計算最佳波束向量和最佳能量 分配時間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其 特征在于：所述的能量站獲取信道狀態(tài)信息包括： (1) 能量站通過偵聽發(fā)射節(jié)點和中繼節(jié)點的導(dǎo)頻，估計出能量站與相應(yīng)的節(jié)點之間的 信道響應(yīng)； (2) 能量站通過中繼反饋獲得發(fā)射節(jié)點與中繼節(jié)點，中繼節(jié)點與接收節(jié)點之間的信道 響應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其 特征在于：所述的計算最佳波束向量和最佳能量分配時間為：在獲得信道狀態(tài)信息的條件 下，建立波束向量w和時間分配比例T的聯(lián)合優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件分別為：
S. t. 0 < T < 1, | |W| |2< 1 其中，n表示能量利用效率，p表示能量站的發(fā)射功率，隊表示噪聲功率，W表示波束賦 形器，VhyfdPf2分別表示能量站與發(fā)射節(jié)點、能量站與中繼節(jié)點、發(fā)射節(jié)點與中繼節(jié)點 以及中繼節(jié)點與接收節(jié)點之間的信道響應(yīng)，di、d2、d3、d4分別表示表示能量站與發(fā)射節(jié)點、 能量站與中繼節(jié)點、發(fā)射節(jié)點與中繼節(jié)點以及中繼節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，〇表示路 徑衰落指數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其 特征在于：所述建立波束向量w和時間分配比例t的聯(lián)合優(yōu)化問題可以分解為兩個單變量 的優(yōu)化問題，包括： (1) 對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題； (2) 對時間分配比例t單獨進行優(yōu)化問題； 化簡后的目標(biāo)孩I數(shù)縣體為：
5. t. 0 < T < 1
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其 特征在于：所述的對波束賦形器w單獨進行優(yōu)化問題為：
5. t. | |w| |2< 1，。 所得的最優(yōu)波束賦形器W為：
其弓
nx代表X 在其列空間的正交投影，丄代表垂直空間，*代表復(fù)共軛，1?代表共軛轉(zhuǎn)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，其 特征在于：所述的對時間分配比例t單獨進行優(yōu)化問題為：在對波束賦形器w完成優(yōu)化使 zm達到最大以后的基礎(chǔ)上，再基于系統(tǒng)容量達到最大對時間分配比例T進行單獨優(yōu)化，通 過一定的優(yōu)化算法，所得的最佳時間分配比例T為：
2/7/^z 其中夕=一，W為Lambert函數(shù)。 /v〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線能量傳輸?shù)淖罴涯芰坎ㄊ蜁r間分配設(shè)計方法，該系統(tǒng)中包含一個發(fā)送節(jié)點，一個接收節(jié)點，一個中繼節(jié)點和一個采用波束賦形的能量站，除了能量站配置有多根天線，其余節(jié)點都只配置單根天線，其中能量站，發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點構(gòu)成一個無線能量傳輸子系統(tǒng)；發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點和中繼節(jié)點構(gòu)成一個無線信號傳輸子系統(tǒng)；在一個時隙T中這兩個子系統(tǒng)按照時間分配比例τ分別進行能量傳輸和信息傳輸，即，在前τT時間內(nèi)，能量站對發(fā)送節(jié)點和中繼節(jié)點傳輸能量，在后(1-τ)T時間內(nèi)，發(fā)送節(jié)點通過中繼節(jié)點給接收節(jié)點傳輸信息。在此系統(tǒng)下，能量站基于系統(tǒng)容量最大化對時間分配比例以及發(fā)射波束進行調(diào)整，獲得最佳時間分配比例τ和波束賦形器w。
【IPC分類】H04B7-04, H04L12-10
【公開號】CN104811313
【申請?zhí)枴緾N201510157351
【發(fā)明人】鐘財軍, 梁晗, 孔垂麗, 張朝陽
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月3日