Mu-miso無線攜能通信系統的魯棒構造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信技術領域，具體涉及MU-MISO無線攜能通信系統的魯棒構造方 法。
【背景技術】
[0002] 無線攜能通信（SimultaneousWirelessInformationandPower Transfer，SWIPT)是在現有無線供電技術的基礎上，通過某種技術手段，在完成能量的傳輸 與收集（EnergyHarvesting,EH)的同時，實現高效可靠通信，從而充分利用寶貴的發射功 率。基于信息與能量并行傳輸這一顯著特點，SWIPT技術有望廣泛用于高速射頻標簽（Radio FrequencyIdentification，RFID)、物聯網以及各類移動終端之間的信息交換與能量傳 輸，在實現高速信息交換的同時，通過提取接收信號中的能量有效地向各種終端設備饋電， 從而取代傳統有線或電池供電所帶來的不便，減小終端設備的體積與成本，并延長其待機 時間。
[0003] 多輸入單輸出（Multiple-InputSingle-Output，MIS0)技術是指發送端采用 了多根天線。隨著多天線技術研宄的深入，MISO技術已從點對點的單用戶多輸入多輸出 (Multiple-InputMultiple-Output，MIM0)技術擴展到了點對多點的多用戶MISO系統 (MultipleUserMIS0，MU_MIS0)。研宄表明，在MU-MISO系統中，發射機利用準確的信道信 息對帶發射數據進行簡單的波束成形的預處理，從而實現分集和陣列增益。然而，這一假設 并不現實。在時分雙工（Time-DivisionDuPlexJDD)系統中，雖然上下行鏈路空間傳播信 道的基帶響應在理論上滿足互易性（reciprocity)，但在考慮射頻到基帶之間相互轉換等 因素時則很難實現。對頻分雙工（Frequenency-DivisionDuplex，FDD)系統，其上下行鏈 路信道不具有互易性。因此，一種較為可行的方式是：接收機先估計信道信息，再將其反饋 給發射機。但由于開銷不能太大，反饋鏈路的帶寬受到限制，加之目前通信系統的數字化實 現需要，一般只能用若干比特對需要反饋的信道信息進行量化，再傳遞給發射機，但是實際 系統中接收機可以反饋的信息量是有限的。這種方案導致發射機端獲得的系統信道信息與 真實的信道信息之間存在一定的誤差。在上述兩種情況下，發射機獲得的下行鏈路信道信 息與真實的信道信息不能完全匹配，根據不完全信道信息計算得到的波束成形方案性能也 會受到很大影響。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種MU-MISO無線攜能通信系統的魯棒構造 方法，能夠解決在部分信道信息條件下所需的發射總功率過大的問題，從而降低基站側操 作的復雜度。
[0005] 第一方面，本發明提供了一種MU-MISO無線攜能通信系統的魯棒構造方法，所述 方法包括：
[0006] Sl:獲取系統中各用戶的信道估計矩陣；
[0007] S2:以所述信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為 信道估計模型；
[0008]S3:根據所述信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構建 平均發射總功率最小優化問題模型；
[0009] S4 :將所述優化問題模型中變量的二次型轉換為一次型；
[0010] S5:根據松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達式，簡 化所述優化問題模型；
[0011] S6:根據簡化后的優化問題模型，獲取各用戶的最佳發射協方差矩陣和功率分裂 因子；
[0012] S7 :對所述最佳發射協方差矩陣根據特征值進行分解，獲得最佳波束成形向量。
[0013] 優選地，所述步驟Sl具體包括：
[0014] 通過反饋的方式或系統的信道互惠性，獲取系統中各用戶的信道估計矩陣。
[0015] 優選地，所述步驟S2具體包括：
[0016] 以所述信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，表示為：
[0017]
【主權項】
1. 一種MU-MISO無線攜能通信系統的魯椿構造方法，其特征在于，所述方法包括： 51 ;獲取系統中各用戶的信道估計矩陣； 52. W所述信道估計矩陣為中屯、W信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為信道 估計模型； S3;根據所述信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構建平均 發射總功率最小優化問題模型； 54 ;將所述優化問題模型中變量的二次型轉換為一次型； 55 ;根據松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達式，簡化所 述優化問題模型； 56 ;根據簡化后的優化問題模型，獲取各用戶的最佳發射協方差矩陣和功率分裂因 子； 57 ;對所述最佳發射協方差矩陣根據特征值進行分解，獲得最佳波束成形向量。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括： 通過反饋的方式或系統的信道互惠性，獲取系統中各用戶的信道估計矩陣。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括： W所述信道估計矩陣為中屯、W信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，表示為：
其中，'巧表示信道估計誤差集合，Ahk表示第k個用戶的信道估計誤差，表示第k個 用戶的信道估計向量，Ek表示所述歐幾里得球體的半徑； 根據所述歐幾里得球體，獲得信道估計模型： h* =心+Ah* 其中，^l,_表示信道估計模型，么11,€。1^是一個范數界誤差向量滿足I I Ahkll《￡k， 系統的用戶個數為K，系統基站端的發射天線數為M。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括： 531 ;對系統進行初始化設置，并根據所述信道估計模型確定各用戶設備所需最小的信 干噪比為：
其中，SINRk(Pk，ivj)表示第k個用戶所需最小的信干噪比，Pk表示第k個用戶的接 收天線裝配的功率分裂器的功率分裂因子，Vk表示第k個用戶的發射波束成形向量，基站到 第k個用戶的噪聲為獨立復高斯白噪聲rik，滿足IV.在V(O.of)，Zk表示為第k個用戶信息 解碼部分的加性噪聲，滿足Z,?CAT(0，《）； 532 ;確定各用戶設備的采集功率為：
其中，Ek(Pk，{vj)表示第k個用戶采集的功率，CkE (01]表示為第k個用戶的能量 轉換效率； S33 ;根據預設的闊值條件，建立平均發射總功率最小優化問題模型：
其中，表示發射總功率，°k表示預設的信干噪比闊值，且a k〉〇,6k表示預設 的功率闊值，且ek〉0。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3之后，該方法還包括： 判斷所述總功率最小優化問題模型中用戶所需的信干噪比是否滿足可行性條件，若不 滿足，則降低所述信干噪比，直至滿足所述可行性條件。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括： 獲取所述優化問題模型的等價式：
將所述優化問題模型中變量的二次型轉換為一次型：
其中，，白;=<1;擊戸:表示為第1^用戶的信道估計協方差矩陣，Ak表示為第k 用戶的信道估計協方差矩陣的不確定值，滿足+Ah&：fif +AhtAhf ;引入輔助因子
寫k，滿足II Akll《寫k。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S5中所述根據松弛下界理論，更新信 干噪比和功率采集表達式，簡化所述優化問題模型，具體包括： 將信干噪比表達式分子最小化且分母最大化，獲得信干噪比的最小化表達式：
根據信干噪比和功率采集的最小化等價式，將所述優化問題模型轉化為：
根據半正定松弛技術，去掉（P3)優化問題模型中rank(W;_) = l，VA限制，（P3)優化問題 模型轉化成半正定問題模型。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S5中所述根據拉格朗日乘子理論，更 新信干噪比和功率采集表達式，簡化所述優化問題模型，具體包括： 利用拉格朗日乘子法，獲取第k用戶的信道估計協方差矩陣的不確定值Ak的上下界 表達形式：
根據所述Ak的上下界，獲取各用戶信干噪比的最優化表達式：
根據所述Ak的下界，獲取各用戶功率采集的最優化表達式：
根據所述信干噪比和功率采集的最優化表達式，將（P2)優化問題模型轉化為：
根據半正定松弛技術，去掉（P4)優化問題模型中rank(Wk) = 1，VA限制，所述優化問 題模型轉化成厄爾米特矩陣的跡tr與范數norm之和的問題模型。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6具體包括： 根據數值優化工具，獲取各用戶的最佳發射協方差矩陣Wk和矩陣分裂因子P k。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7具體包括： 根據特征值分解公式對所述最佳發射協方差矩陣Wk進行分解，獲取各用戶 的最佳波束成形向量<，其中，k = 1，2,. . .，K。
【專利摘要】本發明提供了MU-MISO無線攜能通信系統的魯棒構造方法，包括：獲取系統中各用戶的信道估計矩陣；以信道估計矩陣為中心以信道估計誤差為半徑建立歐幾里得球體，作為信道估計模型；根據信道估計模型，確定各用戶所需最小的信干噪比和采集功率，并構建平均發射總功率最小優化問題模型；將優化問題模型中變量的二次型轉換為一次型；根據松弛下界理論或拉格朗日乘子理論，更新信干噪比和功率采集表達式，簡化優化問題模型；獲取各用戶的最佳發射協方差矩陣和功率分裂因子；對最佳發射協方差矩陣根據特征值進行分解，獲得最佳波束成形向量。本發明能夠解決在部分信道信息條件下所需的發射總功率過大的問題，從而降低基站側操作的復雜度。
【IPC分類】H04L25-02, H04B7-06
【公開號】CN104601213
【申請號】CN201510074650
【發明人】王忠勇, 朱政宇, 張園園, 張延彬, 路新華, 崔建華
【申請人】鄭州大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月12日