CN105812043B - 一种基于信道协方差反馈的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于信道协方差反馈的预编码方法，包括一个发射机、一个信息接收机和一个能量接收机，发射机发送数据，信息与能量接收机同时收到数据。在本发明的设计准则是：根据***的能量要求和信道统计信息，在满足能量要求的条件下，设计预编码使得***信息传输速率最大。发送机首先通过测量分别获取发送端到两个接收机的信道协方差、信噪比信息；通过引入两个辅助参数，构造一个对偶函数，将预编码求解问题转化为一个等价的对偶问题；对该对偶问题，由高维最陡下降循环迭代法求出最优预编码。与各向同性传输方案相比，在给定的***能量要求时，本方法取得的***传输速率更高；本方法的信息—能量可达域也较前者更宽阔。

Description

一种基于信道协方差反馈的预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线信息与能量联合传输***的预编码方法。

背景技术

能量收集技术可以为无线传感网络或者蜂窝移动网络提供能量，延长设备节点的生存期，因而近年来受到了广泛关注。另一方面，信息传输问题一直是通信***的关键和研究热点。因此，两种技术相结合，产生了无线信息与能量联合传输的新技术。

《2011年度国际电气与电子工程师协会信息论研讨会》(“Shannon meets Tesla:wireless information and power transfer，”IEEE International Symposium onInformation Theory(ISIT),Austin,Texas,U.S.A,2011,2363-2367)研究了如何在通信***联合传输信息与能量的问题。基于发送端可以获取理想信道信息的假设，该文设计了实际的***电路，提供了***可达速率–能量域的具体推导。《国际电气与电子工程师协会无线通信学报》(“Simultaneous wireless infromation and power transfer underdifferent CSI acquisition schemes，”IEEE Transactions on WirelessCommunications,2015,14(4):1911-1926)研究了一个三节点的多天线无线通信***的信息与能量联合传输问题，该***包括一个发送节点和两个接收节点，分别用以获取信息和能量。该文研究了发送端对于信道信息(channel state information,CSI)获取的三种情况：未知、TDMA复用时已知部分CSI、FDMA复用时已知部分CSI，分别对这些情况研究了能量和信息中断概率，给出了最优的能量传输时段与信道估计/反馈时段之比。

目前现有研究大多需要即时的信道状态信息，无论是理想还是非理想信息。可是如果信道是快衰落变化，则频繁测量和反馈信道信息将不可避免地给***回程链路带来很大负担。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于信道协方差反馈的预编码方法。可使用信道统计信息—信道收发协方差矩阵和信噪比，可以显著的降低***测量和反馈开销。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于信道协方差反馈的预编码方法，包括以下步骤：

S1：基站在设定时间内分别获取发送端到信息接收机的信息信道和能量接收机的能量信道的协方差信息、信息信道的信噪比；

S2：初始化迭代指数、两个辅助参数、搜索步长，根据子算法计算预编码矩阵和对偶函数数值作为初始值；

S3：更新所述两个辅助参数；

S4：根据所述两个辅助参数，采用所述子算法计算新的预编码矩阵和对偶函数数值；

S5：按照决定准则决定是否结束，当不满足所述决定准则时，增加所述迭代指数，并重复步骤S3直至结束，并输出预编码矩阵。

其中，所述步骤S2的初始化包括设置迭代指数k＝0；辅助参数λ≥0和μ≥0；搜索步长t满足0＜t＜1。

其中，所述子算法包括步骤：

S201：初始化循环索引i＝0；搜索步长0＜s＜1，随机选择一个复数矩阵作为初始的预编码矩阵，记为W⁽⁰⁾；

S202：根据下式计算当前迭代下的搜索方向D(W⁽ⁱ⁾)，

其中，是维度是N_T的单位矩阵，N_T是发送天线数，Τr(x)是矩阵的迹函数；E(x)代表对随机矩阵H_D求期望，θ_RE、θ_TE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵,为复N_D×N_T的矩阵，定义为：

上式中，H_ω,D是一个维度为N_D×N_T的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布，N_D是是信息接收机的天线数目，是信息信道的噪声功率，θ_R,D、θ_T,D分别是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；

S203：更新预编码矩阵W⁽ⁱ⁺¹⁾:＝W⁽ⁱ⁾+sD(W⁽ⁱ⁾)，

S204：若|L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)-L(W⁽ⁱ⁾,λ,u)|＜ξ，ξ为预设门限，算法结束，输出L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)和W⁽ⁱ⁺¹⁾；否则增加循环索引，返回步骤S202，函数L(W,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

其中P_T为发送功率,ε_ng是能量接收机的能量需求。

其中，所述步骤S3更新所述两个辅助参数按照下式更新：

其中t为搜索步长。

其中，所述步骤S4对偶函数为

其中，所述决定准则通过判断两次迭代取得的对偶函数数值之差|g(λ^(k+1),u^{(k +1)})-g(λ^(k),u^(k))|是否满足设定门限。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过基于信道协方差及***信噪比反馈，为信息与能量联合传输***提供了一种预编码方法，该方法能够在满足***能量需要的同时，有效的提升***信息传输速率，相比非预编码方法—各向同性传输方法，在满足相同的能量需求时，该方法取得的信息传输速率更高；其信息-能量可达域也更宽阔。本发明还具有反馈量小、***开销小的优点。

附图说明

图1是本发明的预编码方法的实施流程图；

图2是本发明预编码方法涉及的子算法流程图；

图3中方法在三节点2×2MIMO***情况下与各向同性传输方法性能对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参照图1所示的实施流程图。

本发明实施例的一种基于信道协方差反馈的预编码方法，通过三个节点：一个发送节点，一个能量接收节点和一个信息接收节点，它们均配备2根天线。

采用经典的指数相关模型对信道协方差矩阵建模，该类型矩阵位置(i,j)的元素为ρ^|i-j|，其中常数ρ是相关指数；设置相关矩阵θ_R,E、θ_T,E、θ_R,D、θ_T,D的相关指数分别为0.4、0.8、0.3和0.5。此外，还定义***的信噪比为信息信道的信噪比，即这里PT是发送端发送功率，是信息信道噪声功率，仿真中设置为1，***信噪比设置为5分贝，因此PT＝3.16；能量接收机的转化效率η设置为1。

总体而言，发送端的操作可以分成两个阶段：训练阶段和数据发送阶段。在训练阶段，发送端发射导频信号，能量和信息接收机测量各自的信道矩阵，计算收发协方差矩阵，反馈给发送端；另外，信息接收机还要反馈信息信道的信噪比。在发送数据阶段，首先发送端根据反馈的信道信息计算最优的预编码矩阵W，然后将用户数据乘以预编码矩阵W发送出去。

具体操作包括如下步骤：

S1：基站通过一段时间的测量分别获取信息信道和能量信道的协方差信息、信息信道的信噪比，这里信息信道和能量信道分别指发送端到信息接收机和能量接收机的信道。

S2：初始化迭代指数、辅助参数、搜索步长；根据一个子算法计算预编码矩阵和对偶函数数值作为初始值。

其中具体步骤为：

设置迭代指数k＝0；辅助参数λ≥0和u≥0；搜索步长t满足0＜t＜1。

该步骤提及的对偶函数定义为：

该步骤中提及的一个子算法，如图2所示，包括：

S201:初始化循环索引i＝0；搜索步长0＜s＜1，随机选择一个复数矩阵作为初始的预编码矩阵，记为W⁽⁰⁾。

S202:根据下式计算当前迭代下的搜索方向D(W⁽ⁱ⁾)，

其中，发送天线数N_T为2，故而是维度是2的单位矩阵；Τr(x)是矩阵的迹函数；E(x)代表对随机矩阵H_D求期望；θ_R,E、θ_T,E分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵，称为信息信道，是一个复2×2的矩阵，

上式中，H_ω,D是一个2×2的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布，θ_R,D、θ_T,D分别是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵。

最后，需要说明的是，在计算D(W⁽ⁱ⁾)的时候，首先产生若干H_ω,D样本，然后将每个样本连同已知数据W⁽ⁱ⁾、u、λ等代入D(W⁽ⁱ⁾)的表达式，计算求平均即可。

S203：更新预编码矩阵：W⁽ⁱ⁺¹⁾:＝W⁽ⁱ⁾+sD(W⁽ⁱ⁾)

S204:若|L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)-L(W⁽ⁱ⁾,λ,u)|＜ξ，ξ为预设门限，算法结束，输出W⁽ⁱ⁺¹⁾和g(λ,u)≈L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)；否则增加循环索引，返回步骤S202。这里函数L(W,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

上式ε_ng是给定的能量要求。需要说明，在计算L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)的时候，也是首先由Matlab产生若干H_ω,D样本，再连同已知数据W⁽ⁱ⁺¹⁾u、λ等代入上式求平均，从而替代期望的运算。

S3:更新两个辅助参数；

λ^(k+1)＝max(0,λ^(k)+tΔλ^(k)),

u^(k+1)＝max(0,u^(k)+tΔu^(k)),

S4:根据两个辅助参数，采用与步骤S2相同的子算法计算新的预编码矩阵和对偶函数；

S5：通过判断两次迭代取得的对偶函数数值之差，即|g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|是否小于某个预设门限，来决定是否结束算法。若不满足准则，增加迭代指数，转到步骤S3；否则算法结束，输出预编码矩阵。

在本发明的方法对应的通信***中包括三个节点：一个发送节点，一个信息接收节点和一个能量接收节点，三个节点均配备多根天线，分别是N_T、N_RD和N_RE。用户数据x在发送之前需要乘以一个预编码矩阵W，而后广播出去。这样，信息和能量接收机的接收信号表示式写成：

y_D＝H_DWx+n_D

y_E＝H_EWx+n_E

其中，H_D是N_D×N_T维的复矩阵，表示发送端到信息接收机的信道，不妨称之为信息信道；H_E是N_E×N_T维的复矩阵，表示发送端到能量接收机的信道，不妨称之为能量信道；n_D是N_D维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布；n_E是N_E维的列向量，是信息信道的噪声向量，元素间独立，每个元素服从零均值、方差的复高斯分布。

当上述步骤执行完毕之后，在给定的能量要求ε_ng和***信噪比下，最优的预编码W就得到了。将W代入表达式可以求得此时的***信息传输速率。

由能量接收信号表达式可推得，***在单位时间取得的能量为

ε_ng＝ηTr(W^HWθ_TE)Tr(θ_RE)

其中，常数η为能量转化效率，Τr(x)表示对矩阵求迹，θ_TE和θ_RE分别是能量信道的发送和接收协方差矩阵。

本发明即设计预编码W，在满足能量需求ε_ng的条件下，最大化信息传输速率R。

发送端的操作可以分成两个阶段：训练阶段和数据发送阶段。在训练阶段，发送端发射导频信号，能量和信息接收机测量各自的信道矩阵，计算收发协方差矩阵，反馈给发送端；另外，信息接收机还要反馈信息信道的信噪比。发送端根据收到的信息和能量信道的收发协方差矩阵、信息信道的信噪比，计算最优的预编码矩阵W。然后***进入发送数据阶段：发送端将用户数据乘以预编码矩阵W发送出去。

由图3可见，在给定的能量要求下，本发明方法取得的信息传输速率较各向同性传输方案更高；另外，本方法的可达信息—速率域也更宽阔些。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基站在设定时间内分别获取发送端到信息接收机的信息信道和能量接收机的能量信道的协方差信息、信息信道的信噪比；

S2：初始化迭代指数、两个辅助参数、搜索步长，根据子算法计算预编码矩阵和对偶函数数值作为初始值；

S3：更新所述两个辅助参数；

S4：根据所述两个辅助参数，采用所述子算法计算新的预编码矩阵和对偶函数数值；

S5：按照决定准则决定是否结束，当不满足所述决定准则时，增加所述迭代指数，并重复步骤S3直至结束，并输出预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，所述步骤S2的初始化包括设置迭代指数k＝0；辅助参数λ≥0和μ≥0；搜索步长t满足0＜t＜1。

3.根据权利要求1所述的基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，所述子算法包括步骤：

S201：初始化循环索引i＝0；搜索步长0＜s＜1，随机选择一个复数矩阵作为初始的预编码矩阵，记为W⁽⁰⁾；

S202：根据下式计算当前迭代下的搜索方向D(W⁽ⁱ⁾)，

其中，是维度是N_T的单位矩阵，N_T是发送天线数，Τr(x)是矩阵的迹函数；E(x)代表对随机矩阵H_D求期望，θ_RE、θ_TE分别是发送端到能量接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；H_D是发送端到信息接收机的信道矩阵,为复N_D×N_T的矩阵，定义为：

上式中，H_ω,D是一个维度为N_D×N_T的复高斯随机矩阵，每个元素统计独立，且服从均值零、方差1的复高斯分布，N_D是是信息接收机的天线数目，是信息信道的噪声功率，θ_R,D、θ_T,D分别是发送端到信息接收机的信道接收、信道发送协方差矩阵；

S203：更新预编码矩阵W⁽ⁱ⁺¹⁾:＝W⁽ⁱ⁾+sD(W⁽ⁱ⁾)，

S204：若|L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)-L(W⁽ⁱ⁾,λ,u)|＜ξ，ξ为预设门限，算法结束，输出L(W⁽ⁱ⁺¹⁾,λ,u)和W⁽ⁱ⁺¹⁾；否则增加循环索引，返回步骤S202，函数L(W,λ,u)为拉格朗日算子，定义为：

其中P_T为发送功率,ε_ng是能量接收机的能量需求。

4.根据权利要求1所述的基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，所述步骤S3更新所述两个辅助参数按照下式更新：

其中t为搜索步长。

5.根据权利要求1所述的基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，所述步骤S4对偶函数为

6.根据权利要求1所述的基于信道协方差反馈的预编码方法，其特征在于，所述决定准则通过判断两次迭代取得的对偶函数数值之差|g(λ^(k+1),u^(k+1))-g(λ^(k),u^(k))|是否满足设定门限。