CN105897321A - 一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机，涉及无线通信接收机领域。为了解决现有技术的接收机算法中对于速率和能量的资源分配粗略，接受机工作效率低的问题，本发明从待接收信号获取大尺度衰落系数、发射信号功率、噪声功率、信道增益以及天线数；根据前述参数确定最优门限值关于平均收集能量值和平均可达速率值的函数关系式和最优化函数并得到最优门限值；根据最优门限值进行判断，并控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。本发明提供的接收机包括门限切换模块，用于控制切换能量接收或信息接收，其功能是基于前述的方法实现的。本发明适用于无线携能通信***接收机设计。

Description

一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法及接收机

技术领域

本发明涉及无线通信接收机领域，尤其涉及无线携能通信信号接收方法。

背景技术

当今时代，无线通信业务***式增长，网络大规模化，通信设备多样化。例如传感器网络等许多能量受限网络，耗电量低，但因其网络规模大，存在布线困难、可持续性差等问题。

射频信号同时携带信息与能量，无线携能通信(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer,SWIPT)技术可以利用信号中携带的能量以及周围空间中的射频信号能量为接收机进行充电，接收机能够同时实现信息传输与能量收集两种功能。但对于同一接收机而言，由于接收信号能量受限，能量与信息速率是两种矛盾的需求，不能同时满足。传统周期切换算法将一个完整时隙分为不等的前后两段，比例系数由***确定，并未将信道增益、多径衰落等时变要素考虑到算法设计中，因而其性能较差。参考图5，其中直线部分为现有技术的周期切换算法，从图中可看出，当平均收集能量为40μW时，现有技术的平均可达速率为0.32bps/Hz；当平均可达速率为0.4bps/Hz时，现有技术的平均收集能量为33μW。也就是说，现有技术中无线携能通信信号接收方法中对于速率和能量的资源分配过于粗略，难以同时满足，致使资源分配不合理，降低了接收机工作效率。因此，需要一种新的通信信号接收方法，来通过合理的资源分配实现能量与速率的折中。

发明内容

本发明为了解决现有无线携能通信信号接收方法存在资源分配粗略、接收机工作效率低的问题，进而提供了一种基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法及接收机。

无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法包括以下步骤：

步骤一：从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H以及天线数N_t，所述待接收信号携带能量与信息，其中所述信道增益H与所述信道矩阵h满足

步骤二：根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H、天线数N_t确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；

步骤三：根据所述函数关系式确定最优化函数；

步骤四：根据所述最优化函数求得最优门限值

步骤五：根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。

本发明还提供了一种接收机，所述接收机包括门限切换模块，所述门限切换模块用于控制切换能量接收或信息接收，门限切换模块的功能是基于上述方法来实现的。

本发明方法的技术效果是，根据从通信信号中获得的大尺度衰落系数、发射信号功率、噪声功率、信道增益以及天线数来计算较为精确的平均可达速率以及平均收集能量。并且应用于具体的能量受限型接收机时，可以达到更高的信息速率，在应用于具体的速率受限型接收机时，可以收集更多的能量。参考图5，可以看出，当平均收集能量为40μW时，平均可达速率为0.37bps/Hz，相比现有技术高出0.05bps/Hz；当平均可达速率为0.4bps/Hz时，平均收集能量为38bps/Hz，相比现有技术高出5μW。也就是说，本发明在平均收集能量区间处于15μW至65μW时，最高可比现有技术效果高出0.05bps/Hz；在平均可达速率区间处于0至0.6bps/Hz时，最高可比现有技术效果高出5μW。

附图说明

图1是本发明的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法的流程图；

图2是无线携能通信***的发射端与接收端的结构示意图；

图3是用二分法求解最优门限值的算法流程图；

图4是根据门限值进行接收的流程图；

图5是周期切换算法与门限切换算法的对比图；

图6为能量受限型接收机与速率受限型接收机的差异对比图；

图7为本发明的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法，无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，包括以下步骤：

在步骤一中，从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H以及天线数N_t，所述待接收信号携带能量与信息，信道增益H与信道矩阵h满足

在步骤二中，根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H、天线数N_t确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；

在步骤三中，根据所述函数关系式确定最优化函数；

在步骤四中，根据所述最优化函数求得最优门限值

在步骤五中，根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：

计算平均可达速率R具体为：

$R(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})={\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f\left(a\right|H)da---\left(1\right)$

计算收集能量的平均值Q具体为：

$Q(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})=\mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}---\left(2\right)$

其中a为积分变量。

上述公式(17)以及公式(18)通过以下推导过程得出：

通信信号由射频信号的发送端利用随机波束赋形技术对发送信号进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行SVD分解(即奇异值分解)得到。发送信号由若干资源块组成，每个资源块由若干时隙组成，第k个时隙的预编码矩阵为Φ(k)＝[Φ₁(k) Φ₂(k)…Φ_N(k)]，N＝N_t为发射端的天线数。预编码矩阵应满足其中I_Nt为单位矩阵，且即各预编码矩阵符合独立同分布，其中CN表示零均值循环对称高斯分布。发射端可以通过控制指令、专用导频验证或者专用导频信道估计告知接收端信道矩阵的具体值h。

可以根据式(1)计算任一时隙k接收信号的归一化信道能量：

$A\left(k\right)=\frac{1}{N_t}\left|\right|a\left(k\right)|{|}^2---\left(3\right)$

其中，a(k)＝Φ^T(k)h，k＝1,2,…,K，K为一个资源块内的总时隙数。

对于第k个时隙，根据A(k)取值选择接收机模式，其中接收机模式包括能量接收机模式以及信息接收机模式，通过调整预设门限值来获得最大能量收集与信息速率的折中。其中预设门限值可以通过最优化函数得到。

在接收机模式选择过程中，第k个子模块模式选择的指示函数设置如式(2)所示：

$\mathrm{\ρ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& A\left(k\right)\≤\stackrel{\‾}{A}\\ 0,& A\left(k\right)>\stackrel{\‾}{A}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，A(k)为第k个时隙信道能量，为预设门限值。由于能量接收机的灵敏度远低于信息接收机的灵敏度，因此，式(2)表示的是当接收信号能量高于门限值时进行能量接收，低于门限时进行信息接收。

接收端接收信号可表达为：

$y\left(k\right)=\sqrt{\mathrm{\θ}}Xa\left(k\right)+z\left(k\right)---\left(5\right)$

式(3)中，θ表示信号大尺度衰落系数，X为发送信号矢量，y(k)为接收信号，z(k)为高斯白噪声。设发射信号功率为P，σ²为噪声功率，L为预编码码长，E(·)为求均值运算，则：当ρ(k)＝1时，时隙k的最大可达速率可表示为

$R\left(k\right)={\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}PA\left(k\right)}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(6\right)$

当ρ(k)＝0时，时隙k的归一化收集能量为

$Q\left(k\right)=\frac{1}{L}E\[\left|\right|\sqrt{\mathrm{\θ}}{X}^{T}a\left(k\right)|{|}^2\]=\mathrm{\θ}PA\left(k\right)---\left(7\right)$

由于a(k)是服从独立同分布的零均值且具有共同方差H的高斯随机变量，因此为具有n个自由度的χ²随机变量，根据χ²分布自由度可加性得n＝2N_t，σ²＝H/2N_t。根据定义得给定信道增益H下(H为一常数)的其概率密度函数(ProbabilityDensity Function,PDF)为

$\begin{array}{c}f\left(a\right)=\frac{1}{2^{n/2}\mathrm{\Γ}\left(\frac{n}{2}\right){\mathrm{\σ}}^n}{a}^{\frac{n}{2}-1}{e}^{-\frac{a}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\\ =\frac{1}{{(H/H_t)}^{N_t}\mathrm{\Γ}\left(N_t\right)}{a}^{N_t-1}{e}^{-\frac{N_{t}a}{H}}\end{array}---\left(8\right)$

累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)表示为

$\begin{array}{c}F\left(a\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{x}f\left(t\right)dt\\ =1-\frac{\mathrm{\Γ}(N_t,\frac{N_{t}a}{H})}{\mathrm{\Γ}\left(N_t\right)}\end{array}---\left(9\right)$

其中，Γ(x)为伽玛函数，定义为若时隙数K→∞，那么根据χ²分布的概率密度函数可将各资源块内收集能量的平均值(也称为平均收集能量值)以及平均可达速率可表示成天线数N_t、门限以及信道增益H的函数，即与分别如式(8)和(9)所示。

$\begin{array}{c}R(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})=E\[\mathrm{\ρ}\left(k\right){\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}PA\left(k\right)}{{\mathrm{\σ}}^2})\]\\ ={\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f\left(a\right|H)da\end{array}---\left(10\right)$

$\begin{array}{c}Q(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})=\frac{1}{T}\underset{K\→\mathrm{\∞}}{\lim }\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}(1-\mathrm{\ρ}(k\left)\right)\frac{T\·Q\left(k\right)}{K}\\ =E\[(1-\mathrm{\ρ}(k\left)\right)\mathrm{\θ}PA\left(k\right)\]\\ ={\∫}_{\stackrel{\‾}{A}}^{\mathrm{\∞}}\mathrm{\θ}Paf\left(a\right|H)da\\ =\mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}\end{array}---\left(11\right)$

由此可得各资源块内平均每个时隙获得的平均可达速率与平均收集能量。

下面再结合图2具体说明：

发射端Tx将信源运用随机波束赋形技术转换为信道编码，在经过调制产生具有发送信号矢量X的预编码，预编码由信道矩阵h进行奇异值分解并发送至接收端，接收端得到接收信号Y，其中T为时隙，并根据本发明的接收方法得到最优门限值，根据最优门限值判断需要进行能量接收还是信息接收，若为信息接收，则需要再经过解调和信道译码过程。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：接收机可以包括能量受限型接收机以及速率受限型接收机，当所述接收机为能量受限型接收机时，所述根据最优化函数求得最优门限值具体为：

$\begin{array}{c}\underset{\stackrel{\‾}{A}}{\max }{\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f\left(a\right)da\\ \begin{array}{cc}s.t.& \mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}\≥q_{th}\end{array}\\ \stackrel{\‾}{A}\≤\max \left(A\right(k\left)\right)\end{array}---\left(12\right)$

其中q_th为所述接收机正常工作所需要的最低能量，Γ为伽玛函数；

当所述接收机为速率受限型接收机时，“根据最优化函数求得最优门限值”具体为：

$\begin{array}{c}\underset{\stackrel{\‾}{A}}{\max }\left\{\mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}\right\}\\ \begin{array}{cc}s.t.& {\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f(H,N_t)da\≥{\mathrm{\γ}}_{th}\end{array}\\ \stackrel{\‾}{A}\≤\max \left(A\right(k\left)\right)\end{array}---\left(13\right)$

其中γ_th为接收机正常工作所需的最低速率，Γ为伽玛函数。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：公式(19)的求解方法为二分法迭代求解，其中门限上限为max(A(k))，求解区间上界初始值为所述门限上限max(A(k))，求解区间下界初始值为0，根据***需求预设的求解精度为let，接收机具有特定的***消耗能量值，所述***消耗能量值即为前述的q_th。二分法迭代求解具体包括步骤A至步骤C，具体结合图3的算法流程图进行说明：

步骤A：检测本次求解区间上界A_up与下界A_down之差是否小于或等于求解精度let，若是，则最优门限为求解区间上界A_up，若否，则将此次迭代的门限值赋值为求解区间上界A_up与下界A_down的均值；

步骤B：根据门限值计算平均收集能量值Q，若平均收集能量值大于***消耗能量值q_th，则将求解区间上界A_up赋值为此次迭代的门限值若平均收集能量值低于***消耗能量值q_th，则将求解区间下界A_down赋值为此次迭代的门限值并执行步骤A，直至求解区间的上界A_up与下界A_down之差小于或等于求解精度let；

步骤C：计算满足求解精度let条件下的平均收集能量值以及平均可达速率。

上述过程针对能量受限型接收机进行运算，同理，针对公式(20)也有相似的过程，区别在于，接收机为速率受限型接收机，将q_th置换为接收机正常工作时所需的最低速率γ_th，并将平均收集能量值与***消耗能量值的比较置换为平均可达速率与γ_th的比较。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：可以结合图4做详细说明。本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：根据最优门限值进行判断具体为：当接收信号能量高于最优门限值时进行能量接收，低于最优门限值时进行信息接收。图4中的流程图对应于公式(2)，判断第k个时隙的信道能量A(k)与门限值的大小关系，若即ρ＝1，则进行信息接收，若即ρ＝0，则进行能量接收。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：结合图5对本实施方式做详细说明：

图5为现有技术中的周期切换算法与门限切换算法的差异对比。门限切换算法即为本发明的通信信号接收方法。图中直线为周期切换算法，曲线为门限切换算法，再两者交点c的右侧，对于相同的接收能量Q，本发明的门限切换算法的平均可达速率更高；类似地，对于相同的平均可达速率，本发明的接受能量Q更高，因此可以判断出，本发明的算法在交点c和交点a之间部分的性能要优于现有技术。门限切换算法的曲线切线即为门限值将门限值与周期切换算法函数的斜率的比值记为τ，可以通过τ的增大或减小判断本发明的算法在实际应用中的性能。

具体实施方式七：结合图6和图7对本实施方式做详细说明：

图6为使用本发明的方法的能量受限型接收机与速率受限型接收机的差异对比图。能量受限型接收机是在正常工作时有最低能量要求的接收机，速率受限型接收机是在正常工作时有最低速率要求的接收机。从图中可以看出，最佳门限不仅满足平均收集能量Q＞Q_th，还使所有满足条件的门限中获得平均可达速率最高的，如直线(a)上三点所示，代表相同信道条件下的仿真结果。相似地，对于速率受限型接收机，如直线(b)上三点所示，对比门限1不能满足***对信息速率的需求，而对比门限2虽然平均速率较高，但其收集的平均能量较低，在优化函数为最大化收集能量的背景下显然其性能较最佳门限要差一些，因而可见，最佳门限在满足R＞R_th条件下收集能量最多。

图7为本发明的基于时隙分配的接收机的无线携能通信信号接收方法的示意图，其中Ptot表示发射信号的能量总和，其可由能量接收机以及速率受限接收机的信号能量相加得到，从图中可看出，当曲线高于门限时为浅色区域，表示此时进行能量接收，当曲线低于门限时为深色区域，表示此时进行信息接收。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，本发明还包括一种接收机，所述接收机包括门限切换模块，所述门限切换模块用于控制切换能量接收或信息接收，门限切换模块的功能是基于前述实施例的方法来实现的。

Claims (6)

1.一种基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，所述无线携能通信信号通过随机波束赋形技术进行预编码，预编码矩阵由信道矩阵h进行奇异值分解得到，并且满足独立同分布，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：从接收信号获取大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H以及天线数N_t，所述接收信号携带能量与信息，其中所述信道增益H与所述信道矩阵h满足

步骤二：根据所述大尺度衰落系数θ、发射信号功率P、噪声功率σ²、信道增益H、天线数N_t确定最优门限值分别关于平均收集能量值以及平均可达速率值的函数关系式；

步骤三：根据所述函数关系式确定最优化函数；

步骤四：根据所述最优化函数求得最优门限值

步骤五：根据所述最优门限值进行判断，并根据判断结果控制能量接收部件进行能量接收或控制信息接收部件进行信息接收。

2.根据权利要求1所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，其特征在于，

步骤二中所述最优门限值关于平均可达速率值的函数关系式具体为：

$R(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})={\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f\left(a\right|H)da---\left(17\right)$

其中，a为积分变量；

步骤二中所述最优门限值关于平均收集能量值的函数关系式具体为：

$Q(H,N_t,\stackrel{\‾}{A})=\mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}---\left(18\right)$

3.根据权利要求1或2所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，所述接收机包括能量受限型接收机以及速率受限型接收机，其特征在于，

在步骤四中，当所述接收机为能量受限型接收机时，所述根据最优化函数求得最优门限值具体为：

$\begin{array}{c}\underset{\stackrel{\‾}{A}}{\max }{\∫}_0^{\stackrel{\‾}{A}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\θ}Pa}{{\mathrm{\σ}}^2})f\left(a\right)da\\ \begin{array}{cc}s.t.& \mathrm{\θ}PH\frac{\mathrm{\Γ}(N_t+1,\frac{N_t\stackrel{\‾}{A}}{H})}{\mathrm{\Γ}(N_t+1)}\≥q_{th}\end{array}\\ \stackrel{\‾}{A}\≤\max \left(A\right(k\left)\right)\end{array}---\left(19\right)$

其中q_th为所述接收机正常工作所需要的最低能量，Γ为伽玛函数，A(k)为第k个时隙的信道能量；

在步骤四中，当所述接收机为速率受限型接收机时，所述根据最优化函数求得最优门限值具体为：

其中γ_th为所述接收机正常工作所需的最低速率。

4.根据权利要求3所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，其特征在于，所述公式(19)的求解方法为二分法迭代求解，其中门限上限为max(A(k))，求解区间上界初始值为所述门限上限，求解区间下界初始值为0，根据***需求预设的求解精度为let，所述接收机具有特定的***消耗能量值，所述二分法迭代求解具体包括以下步骤：

步骤A：检测本次求解区间上界与下界之差是否小于或等于所述求解精度let，若是，则最优门限为所述求解区间上界，若否，则将此次迭代的门限值赋值为所述求解区间上界与下界的均值；

步骤B：根据所述门限值计算平均收集能量值，若所述平均收集能量值大于所述***消耗能量值，则将所述求解区间上界赋值为此次迭代的门限值，若所述平均收集能量值低于所述***消耗能量值，则将所述求解区间下界赋值为此次迭代的门限值，并执行步骤A，直至求解区间的上界与下界之差小于或等于所述求解精度let；

步骤C：计算满足所述求解精度let条件下的平均收集能量值以及平均可达速率。

5.根据权利要求1或4所述的基于时隙分配的无线携能通信信号接收方法，其特征在于，步骤五中所述根据最优门限值进行判断具体为：当接收信号能量高于最优门限值时进行能量接收，低于最优门限值时进行信息接收。

6.一种接收机，其特征在于，所述接收机包括门限切换模块，所述门限切换模块用于控制切换能量接收或信息接收，门限切换模块的功能是基于如权利要求1至5中任一方法来实现的。