CN111030795B - 非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，该方法中充分考虑了时间反演特性对非理想信道状态信息下多用户多发单收无线携能通信***可靠性和有效性的影响，利用时间反演时空聚焦特性增强了***的效性，通过含有信道估计误差的能量‑速率闭合表达式，在非理想CSI的条件下规划优化问题，通过本发明提供的方法可以在保证一定信息可达速率条件下提升能量收集效率，相比于传统MISO‑SWIPT，提高了***的可靠性和有效性。

Description

非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法。

背景技术

随着通信技术的不断演进，绿色通信和万物互联成为未来通信网络主要发展趋势。手机、传感器、家用电器在内的海量设备被连接到通信网络中，实现远程控制、数据收集和数据交换等功能。低成本、低功耗的设备也是未来通信的一类典型设备，这类设备将在物联网(Internet of Things，IoT)、无线传感网(Wireless Sensor Network，WSN)应用领域愈加广泛。然而，这类设备运行所需要的能量往往来自于预先满电的电池，由于成本、尺寸和应用场景的限制，很难给设备电池充电或更换电池。因此从环境中的射频信号获取能量给各设备充能，同时实现安全接收信息数据，这是可行且高效的解决方案。这也为无线携能通信的概念奠定了基础。

无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)***中，通常采用EH路径进行能量采集，ID路径进行信息传输。目前，接收到的射频信号功率可用两种方式实现能量收集和信息传输，分别为：时间分配方案和功率分割方案，时间分配(Time Sharing,TS)方案以交替时间间隔方式分别向每条路径提供射频信号，功率分割(PowerSplitter，PS)方案则是根据功率分割比同时向各路径提供射频信号。

但是现有的无线携能通信***的传输方案中均是基于理想信道假设，即发射端可得到准确的信道状态信息，再通过优化功率分割实现能量、信息的有效收集。但在实际中，由于信道估计误差等因素的影响，同时无线信道的状态是时刻变化的，完全能够与信道匹配的理想信道状态信息(Channel State Information，CSI)的提取是非常困难的。所以在目前的方案中存在以下问题：一是普遍忽略了更符合实际的非理想信道对SWIPT***的影响；二是现有的方案中普遍忽略了各种干扰对多用户的影响。这会导致SWIPT***的服务质量QoS约束条件放宽，从而使得SWIPT***的传输可能无法达到预期的效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法。

本发明采用的技术方案是：

一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，包括如下步骤：

S1：用户终端向基站发送探测导频信号；

S2：所述基站根据接收到的信号估计对应用户终端的信道增益；

S3：通过求解第一问题模型计算出基站在非理想信道下向第k个用户终端发送数据的最优发射功率p_k，所述第一问题模型为：

s.t.C1:R_k≥R_k ^*

C2:E_k≥E_k ^*

C4:0≤p_k≤p_peak

且k∈{1,2…K}

其中，P1表示所述第一问题模型中待求解的目标函数，C1、C2、C3、C4以及C5表示所述第一问题模型中目标函数P1的约束条件，p_k表示基站在第k时隙向对应的第k个用户终端发送数据的发射功率，α_k表示第k个用户终端对应的非负模型变量，K表示用户终端数，

表示非理想信道下第k个用户终端的信道增益，

表示第k个用户终端的天线噪声，

表示***噪声，R_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最小信息可达速率阈值，E_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最低接收能量阈值，R_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际信息可达速率，E_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际能量值，P表示预先设置的基站的最大发射功率，

表示第k个用户终端在非理性信道下接收到的符号间干扰功率，

表示k个用户终端在非理想信道下接收到的码间干扰功率，表示通信过程中偏向信息传输的加权因子，p_peak表示每个时隙的峰值功率，0＜β＜1，R_k、E_k、

以及

均通过含有信道估计误差的表达式计算得到；

S4：基站将第k个时隙的发射功率设置为p_k，并基于该发射功率发送经过时间反转处理的信息数据给对应的用户终端；

S5：用户终端在接收到信息数据后，将β倍的信号功率传递给信号解码器，将1-β倍的信号功率传递给能量收集器。

进一步地，步骤S3中通过将所述第一问题模型转化成第二问题模型来计算基站第k个时隙的发射功率p_k，所述第二问题模型为：

s.t.C6:R_k≥R_k ^*

C7:E_k≥E_k ^*

C9:0≤p_k≤p_peak

且k∈{1,2…K}

其中，P2表示所述第二问题模型中待求解的目标函数，C6、C7、C8、C9以及C10表示所述第二问题模型中目标函数P2的约束条件，q_k表示非负的中间变量，q_k＝α_kp_k。

进一步地，步骤S3中通过CVX凸优化工具箱求解目标函数P2从而得到目标解p_k。

进一步地，所述用户终端为单天线用户终端。

进一步地，

R_k以及E_k分别通过以下公式计算得到：

其中，

表示第k个用户终端在非理想信道下的接收功率，

表示能量转化效率，L表示多径总条数，M表示基站的发射天线总数，ψ表示预先设置的信道误差，p'_k表示用户终端k的发射功率，

表示基站天线x与用户终端y之间的噪声功率，

表示基站天线i与用户终端j之间第r条多径的高斯白噪声，

其中，(x,y)∈{(m,l),(m',l),(m,k+1-l),(m,L+1-l)}，(i,j,r)∈{(m,k,L-1-l),(m,k,l),(m,k',l),(m',k',l')}，m,m'∈{1,2…M}，k,k'∈{1,2…K}，l,l'∈{1,2…L}，

表示基站天线m与基站天线m'之间的相关性矩阵，

表示用户终端k的传输天线与用户终端k'的传输天线之间的相关性矩阵，(R_U)_kk'表示用户终端k与用户终端k'之间的相关性矩阵。

本发明提供的非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法充分考虑了时间反演特性对非理想信道状态信息下多用户多发单收无线携能通信***可靠性和有效性的影响，利用时间反演时空聚焦特性增强了***的效性，通过含有信道估计误差的能量-速率闭合表达式，在非理想CSI的条件下规划优化问题，通过本发明提供的方法可以在保证一定信息可达速率条件下提升能量收集效率，相比于传统MISO-SWIPT，提高了***的可靠性和有效性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本实施例提供的非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法的流程示意图；

图2为本实施例所提供的时间反演无线携能通信***的***框图；

图3为实验过程中SINR随SNR变化的关系图。；

图4为实验过程中用户终端的能量收集器接收到的能量随用基站发射功率变化的示意图；

图5为实验过程中用户终端的能量收集器接收到的能量随用户终端的可达信息速率变化的示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，请参见图1所示，包括如下步骤：

S1：用户终端向基站发送探测导频信号。

S2：基站根据接收到的信号估计对应用户终端的信道增益。

为了保证用户终端在一定的信息可达速率条件下最大化能量获取，预先设置了第一问题模型。

S3：通过求解第一问题模型计算出基站在非理想信道下向第k个用户终端发送数据的最优发射功率p_k，第一问题模型为：

s.t.C1:R_k≥R_k ^*

C2:E_k≥E_k ^*

C4:0≤p_k≤p_peak

且k∈{1,2…K}

其中，P1表示第一问题模型中待求解的目标函数，C1、C2、C3、C4以及C5表示第一问题模型中目标函数P1的约束条件，p_k表示基站在第k时隙向对应的第k个用户终端发送数据的发射功率，α_k表示第k个用户终端对应的非负模型变量，K表示用户终端数，

表示非理想信道下第k个用户终端的信道增益，

表示第k个用户终端的天线噪声，

表示***噪声，R_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最小信息可达速率阈值，E_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最低接收能量阈值，R_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际信息可达速率，E_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际能量值，P表示预先设置的基站的最大发射功率，

表示第k个用户终端在非理性信道下接收到的符号间干扰功率，

表示k个用户终端在非理想信道下接收到的码间干扰功率，表示通信过程中偏向信息传输的加权因子，p_peak表示每个时隙的峰值功率，0＜β＜1，R_k、E_k、

以及

均通过含有信道估计误差的表达式计算得到。

第一问题模型为非凸优化问题，在计算过程中，可以通过引入非负变量q_k来保证其连续性将非凸优化问题转化为凸优化问题，其中，q_k＝α_kp_k(k＝1,···,k)，也即是在步骤S3中可以将第一问题模型转化成第二问题模型来计算基站第k个时隙的发射功率p_k，其中，第二问题模型为：

s.t.C6:R_k≥R_k ^*

C7:E_k≥E_k ^*

C9:0≤p_k≤p_peak

且k∈{1,2…K}

其中，P2表示第二问题模型中待求解的目标函数，C6、C7、C8、C9以及C10表示第二问题模型中目标函数P2的约束条件，q_k表示非负的中间变量，q_k＝α_kp_k。

步骤S3中可以通过CVX凸优化工具箱求解目标函数P2从而得到目标解p_k。应当说明的是，本实施例中的步骤S3可以由基站执行，也即可以由基站计算出p_k，但是在其他的实施例中p_k也可以由另外专门设置的计算终端计算得到，计算终端在计算出p_k后将p_k发送给基站以供基站设置发射功率。

S4：基站将第k个时隙的发射功率设置为p_k，并基于该发射功率发送经过时间反转处理的信息数据给对应的用户终端。

由于TR(Time Reversal，时间反演)的时空聚焦特性，基站的发送信号能在很短的时间间隔内汇集大部分有用信号功率，并在目标处形成聚。

S5：用户终端在接收到信息数据后，将β倍的信号功率传递给信号解码器，将1-β倍的信号功率传递给能量收集器。

本实施例中的用户终端可以采用PS接收机。

本实施例所提供的时间反演无线携能通信***的***框图可以参见图2所示，图2中用户终端在接收到基站发送的经TR调制的信号功率后，将信号功率的β部分传递给信号接收机(也即信号解码器)，将信号功率的1-β部分传递给能量接收机(也即能量收集器)。

应当说明的是，优选的，本实施例中的用户终端为单天线用户终端。

假设本实施例中的发送端(基站)采用M根发送天线，合法接收端(用户终端侧)采用K根接收天线，也即***中具有K个用户终端，每一用户终端均为单天线用户终端，发送端发射天线m∈(1,M)与合法接收端接收天线k∈(1,K)之间的信道冲击响应(channelimpulse response,CIR)可通过信道估计获得，本实施例中的CIR可记为：

其中,

和

分别是第l个抽头的振幅和延迟。CSI在时域内离散的矢量h_mk∈C^{L ×1}，特别的E[h_mk[l]]＝0，

E[·]表示信号期望。

单天线用户终端接收到的信号可以写作：

对应上式中各部分详解，其中s_k和s_k'分别代表第k个用户和第k'个用户的所要发送的符号(E(|s|²)＝1)。将多径信道模型化为抽头延迟线模型，即假设h_mk∈C^L×1是第m根发射天线和第k个用户的目标天线之间的信道状态矩阵E(|h_mk[l]|)＝0，

h_mk∈C^L×1是引入***的天线噪声

又由于h_mk是属于复数的向量集合，则对复信道h_m[l]进行复共轭和时序反转操作可以获得

因此，g_m每个抽头的值可以写作：

为使现在非理想CSI条件下达到目标能量收集效果，本实施例所提供的方法利用TR时空聚焦特性弥补SWIPT技术劣势。

本实施例所提供的无线携能通信***由具有M根发射天线的基站和N根单天线用户终端组成。在多径信道中,每个信道冲击响应的最大长度为L。在信息发送阶段，发送方首先经过时间反演镜，完成信号在非理想CSI条件下的时间反演过程，以下对上述过程展开分析：

由于在实际应用中，真正的信道是一个未知的参数，因此将信道误差估计的影响进行如下建模：

和e_mk∈C^L×1分别表示估计通道和误差向量，它们相互独立分布且带有一个非负的误差因子ψ，可以发现具有以下特征：

E[|e_mk[l]|²]＝ψE[||h_mk[l]|²]

基于非理想信道的TR技术，结合上面两式得到

表示的是含有发送功率p'_k的非理想信道TR预滤波向量，每个抽头的值定义为：

是h_mk[l]的在非理想信道条件下的共轭和时序反转操作。

由此，第k个用户终端接收到的信号为

本***的SINR表达式为：

各用户终端的接收功率可表示为：

符号间干扰的功率可表示为：

用户间干扰的功率可表示为：

可得到SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)具体推导过程如下

本实施例所提供的方法充分考虑了信道误差对传输的影响，在推导过程中引入了信道误差，进一步推导各个表达式，各部分具体推导如下：

所以，在多径误差信道和上面给出的相关性的假设下,本实施例中的

R_k以及E_k可以分别通过以下公式计算得到：

其中，

表示第k个用户终端在非理想信道下的接收功率，

表示能量转化效率，L表示多径总条数，M表示基站的发射天线总数，ψ表示预先设置的信道误差，p'_k表示用户终端k的发射功率，

表示基站天线x与用户终端y之间的噪声功率，

表示基站天线i与用户终端j之间第r条多径的高斯白噪声，

其中，(x,y)∈{(m,l),(m',l),(m,k+1-l),(m,L+1-l)}，(i,j,r)∈{(m,k,L-1-l),(m,k,l),(m,k',l),(m',k',l')}，m,m'∈{1,2…M}，k,k'∈{1,2…K}，l,l'∈{1,2…L}，

表示基站天线m与基站天线m'之间的相关性矩阵，

表示用户终端k的传输天线与用户终端k'的传输天线之间的相关性矩阵，(R_U)_kk'表示用户终端k与用户终端k'之间的相关性矩阵。

以上计算

R_k以及E_k的计算公式都充分考虑了信道误差的影响，因此提高了***的可靠性和有效性。

为了验证本实施例所提供的方法的有效性，对不同条件下基于TR的无线携能通信***的传输方法进行理论推导值的仿真验证，并分析***性能在这些条件下的变化趋势，最后与传统无线携能通信***传输方案进行性能对比，研究加入TR及凸优化后的鲁棒性方案对***性能的影响。实验过程中的参数为：当m＝m'时，(R_T)_mm'＝1，当m≠m'时，(R_T)_mm'＝ρ_T，ρ_T表示第m根天线和第m'根天线之间的相关程度，其它通用设置为抽头数L＝110，基站的平均发射功率p＝1W。

进行了相关实验仿真。

图3为在时间反演过程中理想信道和非理想信道这两种条件下SINR随SNR变化的关系图，图3中的信道误差因子为ψ＝0.5，也就是说，在实际应用中的非理想信道条件下，会给***带来一定程度上的削弱。

图4是在基站发射天线相关性为0(天线之间相互独立)，传统的理想信道条件下的无线携能通信***传输方法和本实施例所提供的非理想信道条件下基于TR的无线携能通信***传输方法在实验过程中的仿真图，示出了用户终端的能量收集器接收到的能量随用户终端的发送功率变化的示意图，从图中可以看到仿真值和理论值相符，验证了本实施例中理论推导值在功率分割比例β、基站天线数量、基站发射功率变化时的正确性。其中具体的变化趋势有：基站的发送功率增大时，用户终端的能量接收器接收到的能量也增大，但通过本实施例提供的方法，在任一发送功率下，能量效率都优于传统方案的能量效率，证实了本实施例所提供方法的有效性。

图5是在基站发射天线相关性为0(相互独立)、功率分割比例、天线数量发生变化时，通过仿真得到的。图中有两种传输方案，一种是本实施例所提供的基于TR的无线携能通信***传输方法(非理想信道鲁棒性方法)，另一种是传统的理想信道无线携能通信***传输方法，从图中可以看到，在功率分割比例较小时(可达信息速率较小)，采用鲁棒性方案的基于TR的无线携能通信***收集到的能量已经接近增加一定数量天线的传统方案，而在天线数量不变时，鲁棒性方案不论是可达信息速率还是收集到的能量都比通过传统理想信道无线携能通信***传输方案收集到的能量大。当需要从可达信息速率和收集到的能量两个方面整体的考虑***性能时，鲁棒性方案中平均速率-能量区的大小接近于一个正方形框，且其面积大于传统方案，此时***既能满足一定可达信息速率，也能兼顾收集一定大小的能量。本实施例所提供的传输方法相较于传统的传输方法明显提升了能量收集效率。

针对SWIPT-MISO功率分割和假设中天线相互独立的局限性，本文将非理想信道条件下TR与SWIPT-MISO相结合并利用凸优化算法优化其能量收集，提出了一种基于TR的新型SWIPT-MISO传输方法。通过该方法，可以采用PS接收机，在考虑天线具有相关性的情况下，引入克罗内克模型推导多径信道下的平均速率-能量区理论表达式。仿真结果显示，本实施例提供的方法在发射端天线数量、功率分割比例等条件发生变化时，得到的理论值与仿真值始终处于同一条曲线上，验证了本实施例所提供方法的推导过程的正确性，而在随后与传统SWIPT-MISO传输方案的性能对比中，充分显示了引入TR技术对***性能的改善作用。这也从另一方面说明，将TR和SWIPT-MISO结合，可以实现两者优势互补，达到理想效果。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：用户终端向基站发送探测导频信号；

S2：所述基站根据接收到的信号估计对应用户终端的信道增益；

S3：通过求解第一问题模型计算出基站在非理想信道下向第k个用户终端发送数据的最优发射功率p_k，所述第一问题模型为：

P1:

s.t.C1:R_k≥R_k ^*

C2:E_k≥E_k ^*

C3:

C4:0≤p_k≤p_peak

C5:

且k∈{1,2L K}

其中，P1表示所述第一问题模型中待求解的目标函数，C1、C2、C3、C4以及C5表示所述第一问题模型中目标函数P1的约束条件，p_k表示基站在第k时隙向对应的第k个用户终端发送数据的发射功率，α_k表示第k个用户终端对应的非负模型变量，K表示用户终端数，

表示非理想信道下第k个用户终端的信道增益，

表示第k个用户终端的天线噪声，

表示***噪声，R_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最小信息可达速率阈值，E_k ^*表示预先设置的第k个时隙对应的用户终端的最低接收能量阈值，R_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际信息可达速率，E_k表示第k个时隙对应的用户终端在非理想信道下的实际能量值，P表示预先设置的基站的最大发射功率，

表示第k个用户终端在非理性信道下接收到的符号间干扰功率，

表示k个用户终端在非理想信道下接收到的码间干扰功率，表示通信过程中偏向信息传输的加权因子，p_peak表示每个时隙的峰值功率，0＜β＜1，R_k、E_k、

以及

均通过含有信道估计误差的表达式计算得到；

其中，

表示第k个用户终端在非理想信道下的接收功率，

表示能量转化效率，L表示多径总条数，M表示基站的发射天线总数，ψ表示预先设置的信道误差，p'_k表示用户终端k的发射功率，

表示基站天线x与用户终端y之间的噪声功率，

表示基站天线i与用户终端j之间第r条多径的高斯白噪声，

其中，(x,y)∈{(m,l),(m',l),(m,k+1-l),(m,L+1-l)}，(i,j,r)∈{(m,k,L-1-l),(m,k,l),(m,k',l),(m',k',l')}，m,m'∈{1,2L M}，k,k'∈{1,2L K}，l,l'∈{1,2L L}，

表示基站天线m与基站天线m'之间的相关性矩阵，

表示用户终端k的传输天线与用户终端k'的传输天线之间的相关性矩阵，(R_U)_kk'表示用户终端k与用户终端k'之间的相关性矩阵；

S4：基站将第k个时隙的发射功率设置为p_k，并基于该发射功率发送经过时间反转处理的信息数据给对应的用户终端；

S5：用户终端在接收到信息数据后，将β倍的信号功率传递给信号解码器，将1-β倍的信号功率传递给能量收集器。

2.如权利要求1所述的非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，其特征在于，步骤S3中通过将所述第一问题模型转化成第二问题模型来计算基站第k个时隙的发射功率p_k，所述第二问题模型为：

P2:

s.t.C6:R_k≥R_k ^*

C7:E_k≥E_k ^*

C8:

C9:0≤p_k≤p_peak

C10:

且k∈{1,2L K}

其中，P2表示所述第二问题模型中待求解的目标函数，C6、C7、C8、C9以及C10表示所述第二问题模型中目标函数P2的约束条件，q_k表示非负的中间变量，q_k＝α_kp_k。

3.如权利要求2所述的非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，其特征在于，步骤S3中通过CVX凸优化工具箱求解目标函数P2从而得到目标解p_k。

4.如权利要求1所述的非理想信道下时间反演无线携能通信***的传输方法，其特征在于，所述用户终端为单天线用户终端。

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