一種低復(fù)雜度的多用戶信能同傳系統(tǒng)能效優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及綠色無線通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為多用戶MIS0(MultipleInput SingleOutput)無線信能同傳系統(tǒng)中的低復(fù)雜度能效最大化優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著綠色通信技術(shù)在當(dāng)今通信界的地位越來越重要，尋求一種更加節(jié)能和環(huán)保的 資源變得尤為迫切，因此無線信能同傳系統(tǒng)，即能夠同時(shí)傳輸信息和能量的系統(tǒng)，受到廣大 研宄者的親睞，并成為綠色通信中的重點(diǎn)研宄領(lǐng)域。
[0003] 在傳統(tǒng)無線設(shè)備中通常使用有限電量的電池，這使得系統(tǒng)工作效率大大降低。因 此，為了使無線設(shè)備能夠更好地為人們提供服務(wù)，在綠色通信的大背景下，無線信能同傳 系統(tǒng)技術(shù)開始進(jìn)入人們的視野，這種技術(shù)的出現(xiàn)使得無線通信設(shè)備能夠更好地發(fā)揮其作 用，同時(shí)也能緩解當(dāng)今環(huán)境污染與能源匱乏問題。但在研宄開始，大多研宄工作多以提 升頻譜效率為目標(biāo)，卻忽略了綠色通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的性能指標(biāo)一一能量效率，簡(jiǎn) 稱能效，在數(shù)學(xué)上可以表示為系統(tǒng)和速率（總的信道容量）與系統(tǒng)總功率消耗之比，通 過文獻(xiàn)檢索可以發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[D.W.K.Ng，E.S.Lo,andR.Schober,"Robustbeamforming forsecurecommunicationinsystemswithwirelessinformationandpower transfer，"IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 13,no.8,pp. 4599-4615,Aug. 2013.]雖 然針對(duì)能效問題進(jìn)行研宄并且設(shè)計(jì)了相關(guān)方法最終實(shí)現(xiàn)能效最大化，但是該方法卻是一 種雙層迭代算法，增加了計(jì)算復(fù)雜度，不適合實(shí)際應(yīng)用。因此，本發(fā)明針對(duì)這個(gè)問題設(shè)計(jì) 了一種更實(shí)際的方案，即首先求出每個(gè)用戶在滿足服務(wù)質(zhì)量QoS下的最小傳輸功率，然后 根據(jù)最小傳輸功率值計(jì)算總功率分配比例得到每個(gè)用戶獨(dú)立的功率約束值，并將用戶獨(dú) 立功率約束的信能同傳系統(tǒng)能效最大化問題分解為一系列存在閉式解的子問題；再根據(jù) Dinkelbach方法，迭代求解這些子問題直至得到最大能效值；最后基站得到最大能效所對(duì) 應(yīng)的預(yù)編碼向量并通過控制信道將接收功率分裂因子發(fā)送給用戶，從而實(shí)現(xiàn)信能同傳系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)。本發(fā)明通過巧妙構(gòu)思引入用戶獨(dú)立功率約束從而將一個(gè)總功率約束的復(fù)雜問題分 解為存在閉式解的獨(dú)立子問題，從而降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低復(fù)雜度的多用戶信能同傳系 統(tǒng)能效優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0005] (1)初始化如下變量：總功率約束值Pt(rtal，采集功率約束值ek，信干噪比約束值 yk，采集電路單元的能量轉(zhuǎn)化效率Gk，k=1，2,. ..，K;
[0006] (2)求解MU-MIS0無線信能同傳系統(tǒng)下所有用戶在滿足服務(wù)質(zhì)量QoS時(shí)所需最小 的傳輸功率，具體為：第k個(gè)用戶根據(jù)方程+C=〇計(jì)算其在滿足服務(wù)質(zhì)量QoS時(shí) 的功率分裂因子pk，即可求得最小的傳輸功率
，其中&^lhftl2， hk為信道估計(jì)得到的基站到用戶k的信道向量，h表示基站到用戶k的最優(yōu)迫零預(yù)編碼 方向向量；同理，其余用戶均求得Pi，min，i=l，2，...，k-l，k+l，...，K，K為總的用戶數(shù)； 從而得到所有用戶獨(dú)立的功率約束目標(biāo)Pk，即
沖：+ 心， k二1
f為射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?hào)進(jìn)行信號(hào)處 理時(shí)引起的加性噪聲方差；然后根據(jù)Dinkelbach思想，將MU-MISO無線信能同傳系統(tǒng)下的 能效最大化問題變?yōu)闇p式問題，并分解為獨(dú)立子問題，第k個(gè)獨(dú)立子問題如下：
[0007
[0008] 其中：Rk(pk,Pk)為用戶k的信道容量，Ek(pk,pk)為用戶k的采集功率，pk為用戶 k的發(fā)射功率，P。為系統(tǒng)固定總消耗功率，n表示能效值，表示功率放大器效率；
[0009] (3)初始化迭代次數(shù)n= 0、可行解，并根據(jù)能效函數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的能效 值n(n)，其中；分別表示用戶在第n次迭代所求得的傳輸功率和功率分裂因子，所述 能效函數(shù)為系統(tǒng)和速率（總的信道容量）與系統(tǒng)總功率消耗之比，即：
[0010]
[0011] ⑷更新迭代次數(shù)n=n+1，求解第k個(gè)子問題，即求解該子問題所對(duì)應(yīng)的四個(gè)一 元多次方程，即：
[0012]
[0013]
[0027] 求出對(duì)應(yīng)閉式解集合{Pk，pk}，找出滿足可行域0彡p1和maxdJPkhUPk))彡pk彡P(guān)k并且使得目標(biāo)函數(shù)
' 取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的(/^，/>丨1，即為用戶k所求的解，同理，按照此方式余下用戶都找到 對(duì)應(yīng)解，i=1，2,. . .，k-1，k+1，. . .，K，并計(jì)算能效值n(n);
[0028] (5)判斷是否滿萬
<S,其中e為判定閾值，如果滿足則輸出 ，即為K個(gè)子問題的最優(yōu)解，即最優(yōu)發(fā)射功率和功率分裂因子;否則執(zhí) 行步驟（3);
[0029] (6)計(jì)算傳輸預(yù)編碼向量\ k= 1，2, . . .K，基站利用vk對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn) 行預(yù)編碼，同時(shí)通過控制信道將每個(gè)功率分裂因子A，k= 1，2, ...K發(fā)送到相應(yīng)的用戶， 從而每個(gè)用戶設(shè)定功率分裂因子，實(shí)現(xiàn)信息與能量的同時(shí)接收，即完成信能同傳系統(tǒng)的收 發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明針對(duì)多用戶信能同傳系統(tǒng)能效優(yōu)化方法，通過巧妙 地構(gòu)思引入用戶獨(dú)立功率約束從而將一個(gè)總功率約束的復(fù)雜問題分解為存在閉式解的獨(dú) 立子問題，然后根據(jù)Dinkelbach方法，迭代求解這些子問題直至得到最大能效值；最后基 站得到最大能效所對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼向量并通過控制信道將接收功率分裂因子發(fā)送給用戶，從 而實(shí)現(xiàn)信能同傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明通過巧妙構(gòu)思引入用戶獨(dú)立功率約束從而將一個(gè)總功 率約束的復(fù)雜問題分解為存在閉式解的獨(dú)立子問題，從而降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)模型圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例采用該方法的收斂性仿真；
[0033] 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；
[0034] 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】
[0035] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
[0036] 如圖1所示，在該系統(tǒng)模型中假設(shè)基站（BS)(或接入點(diǎn)）天線數(shù)為Nt(Nt>0)，基 站利用傳輸預(yù)編碼（或稱傳輸波束賦形向量）vk，k= 1，. . .，K，向K個(gè)單天線接收機(jī)傳輸符 號(hào)sk，k= 1，. . .，K，然而不同于傳統(tǒng)的多用戶MIS0系統(tǒng)，用戶接受到的信號(hào)將分裂兩部分， 其中一部分用于信息譯碼，另一部分則進(jìn)行能量采集。由此信道模型可知，在功率分裂前第 k個(gè)用戶接收到的信號(hào)yk為：
[0037]
(1)
[0038] 其中：hk為基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法得到的基站到用戶k的信道向量，sk表示用 戶k的符號(hào)，nk為天線引入的加性噪聲，服從均值為0方差為的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布。
[0039] 在經(jīng)過功率分裂以后，信號(hào)分成兩部分，其中信息譯碼部分可表示為：
[0040]
⑵
[0041] 上式中zk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，服從均值 為〇方差為和的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布，pk表示接收機(jī)k的功率分裂因子。。
[0042] 第二部分能量采集函數(shù)表達(dá)式可寫為：
[0043]
(3)[0044] 因此，信干噪比SINRk(v,Pk)可表示為：
: K⑷
[0045]
[0046] 相應(yīng)的速率函數(shù)Rk可表示為：
[0047] Rk=fflog(l+SINRk) (5)
[0048] 其中W表示系統(tǒng)帶寬。
[0049] 而接收機(jī)采集功率Ek(v，Pk)，即單位時(shí)間內(nèi)所采集的能量，可表示為：
[0050]
(6)
[0051] 其中表示采集電路單元的能量轉(zhuǎn)化效率。
[0052] 再根據(jù)能效函數(shù)的定義，能效函數(shù)n可以表示為：
[0053](?) rv
[0054] 這里
g示系統(tǒng)消耗的總功率， 其中|;表示功率放大器效率，P。表示收發(fā)機(jī)總固定電路消耗（包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、頻率合成 等），。
[0055] 對(duì)于信能同傳系統(tǒng)，通信服務(wù)質(zhì)量包括兩種，一種是為保證正常通信需要信干噪 比SINRk達(dá)到一定的要求，另一種為了維持系統(tǒng)正常工作需要采集功率Ek滿足一定的條件。 特別地，為了簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)，本發(fā)明考慮常用的波束成形方案一一迫零預(yù)編碼來消除多用戶 之間的信號(hào)干擾。因此，基于迫零波束形成的多用戶信能同傳系統(tǒng)能效最大化設(shè)計(jì)問題可 描述為：
[0056]
[0057] 其中：yk和ek分別為SINRk和Ek的設(shè)計(jì)目標(biāo)，Hk= [h丨，…，hH，hk+1，…，hK]，k 1C〇
[0058] 定J
。根據(jù)矩陣零 空間知識(shí)，最優(yōu)迫零波束成形向量的方向t可以表示為
其中：Uk表 示Hf的零空間正交基。
[0059] 則問題⑶可等價(jià)地轉(zhuǎn)化成下面問題
[0060]
[0061]為使問題（9)容易求解，考慮將總功率約束條件變?yōu)槊總€(gè)用戶自己獨(dú)立約束，即pk彡P(guān)K,VA，那么則原問題就可輕易分解為子問題然后只需要采用Dinkelbach迭代方 法求解即可。從這個(gè)角度出發(fā)，我們將按照一定比例分配每個(gè)用戶的最大的功率約束，即
其中Ptmin為第k個(gè)用戶在滿足Q〇s時(shí)所需最小的傳輸功率，如此一來， 問題的關(guān)鍵就轉(zhuǎn)向求解Pk，min。
[0068] 再根據(jù)Dinkelbach迭代方法，首先引入符號(hào)n，將問題（12)中的分式問題轉(zhuǎn)換為 減式問題，即
[0069]
[0070] 然后求解問題（13)，根據(jù)已知知識(shí)，假設(shè)由Pk表示pk的表達(dá)式pk(Pk)可導(dǎo)且已 知，那么問題（13)關(guān)于Pk的最優(yōu)解必滿足下列式子：
[