CN104601296A - 无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，包括(1)发送端将信息发送给中继；(2)中继接收发送端发送的信息，并根据中继与接收端之间信道状态进行发送信息的鲁棒性预编码，即得到信息预编码矩阵和能量预编码矩阵；(3)中继将处理后的信息以及期望传送给接收端的能量发送出去；(4)接收端接收中继发送的信息和能量。本发明既能有效降低中继所消耗的功率，又可以保证接收端的服务质量和能量获取量。

Description

无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法

技术领域

本发明涉及无线信息和能量传输网络和预编码设计领域，具体是在无线信息和能量中继传输网络中的鲁棒性中继预编码方法。

背景技术

随着移动无线蜂窝网络通信技术的发展，智能终端已经得到了广泛的普及。为了满足人们日益增长的体验要求，智能终端的功能也不断的增多，随之而来的是智能终端的耗电量也越来越大。能量限制成了制约智能终端服务时间的一个重要因素。尽管更换电池可以延长智能终端的服务时间，但是这将减低智能终端的便捷性，并提升用户的使用成本。一个更方便、安全、绿色的替代方法是从环境中获取能量。这几乎为无线终端提供了永恒的能量来源。通常太阳能、风能可作为能量来源，除此之外，无线射频信号可作为一种可用的新的能量来源。值得注意的是，从无线射频信号中获取的能量一般适用于消耗功率低的网络，比如传感网络。但是如果建立了专用的无线能量传输网络，那么无线射频信号就可以作为一种稳定可靠的能量供给源了。

随着无线通信技术的发展，诸如飞蜂窝、小小区等等无线访问接入节点部署的越来越密集。学术界开始研究如何更好的从各类无线节点发送的无线信号中获取能量。学者们设想了采用时分、频分等方案，试图在传输信息的时候也能给终端传输一部分能量。虽然实际中终端能够接收的能量很小，但是对这一还在雏形中的技术来说已经提供了很大的发展动力了。

在之前学术界的讨论当中出现了使用中继进行无线能量传输的模型，并且信道的状态信息都被认为可以被中继准确无误的测量到的。这对未来即将大量部署的无线中继的使用无疑又增加了一项诱人的功能。而中继在实际使用中并不能准确的测量到信道的状态信息。

本发明首先提出了一种基于同时进行信息和能量传输的无线中继网络的信号传输流程。其中发送端和中继之间的信道是理想信道，但是中继和接收端之间的信道具有范数受限误差。针对所存在的误差本发明提出了一种信息和能量传输预编码的鲁棒性预编码设计方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的是提出一种无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，可以同时进行信息和能量传输的无线中继网络，该网络中包含一个发送端、一个接收端和多个单天线中继。其中的发送端和接收端可以发送信息，并接收信息和能量。中继可以接收信息并发送信息和能量。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

(1)发送端将信息发送给中继；

(2)中继接收发送端发送的信息，并根据中继与接收端之间信道状态进行发送信息的鲁棒性预编码，即得到信息预编码矩阵和能量预编码矩阵；

(3)中继将处理后的信息以及期望传送给接收端的能量发送出去；

(4)接收端接收中继发送的信息和能量。

所述的发送端将信息发送给中继过程中，发射端可以准确地测量到其与中继之间的信道状态信息。

所述的步骤(2)中继接收发送端发送的信息，并根据中继与接收端之间信道状态进行发送信息的鲁棒性预编码，所述的中继要发送的信号包含信息和能量两部分。中继会分别对这两种信号进行预编码设计。

中继的发送信号如下：

$x_r=\mathrm{WH}{s}_r^I+W{n}_r+A{s}_r^E---\left(1\right)$

式中，W是信息预编码矩阵，分别是中继要传送给接收端的信息和能量信号序列，A＝aa^*，其中a＝[a₁,a₂,......,a_M]，a_r是中继的能量预编码矩阵，H代表了发送端和中继之间的上行信道，n_r是中继接收到的加性高斯白噪声。

所述的发送端和接收端之间距离相对较远，两者之间不存在直通链路，因此，接收端所接收的信号只包含中继发送的信号和噪声两部分。

接受者接收到的信号写为：

$y_d=\mathrm{GWH}{s}_r^I+\mathrm{GW}{n}_r+\mathrm{GA}{s}_r^E+n_d---\left(2\right)$

式中，G代表接收端和中继之间的下行信道，n^d是接受端接收到的有用信号中混杂的加性高斯白噪声。

所述的中继发送信号的鲁棒性预编码设计是为了最小化中继的发射功率，同时保证用户的服务质量和能量接收量，给出了如下最优化问题：

$\begin{array}{c}\underset{W,A}{\min }E\left\{{\left|\right|x_r\left|\right|}^2\right\}\\ s.t.\mathrm{SNR}=\frac{\mathrm{GWH}{H}^H{W}^H{G}^H}{{\mathrm{\σ}}_r^2\mathrm{GW}{W}^H{G}^H+{\mathrm{\σ}}_d^2}\≥\mathrm{\η}\\ \mathrm{EH}=\mathrm{Tr}\left(G^H\mathrm{GA}\right)\≥\mathrm{\γ}\end{array}---\left(3\right)$

其中η和γ分别代表接收端信噪比SNR和接收到的能量值EH的预设门限。如果定义v＝diag(W)和Z＝vv^H，Z是信息预编码矩阵的对角矩阵乘以该对角矩阵的共轭转置矩阵所得的矩阵，中继的发射功率可以写为：

$E\left\{{\left|\right|x_r\left|\right|}^2\right\}=\mathrm{Tr}\left(Z(I_M\⊗({\mathrm{\σ}}_s^{2}H{H}^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M))\right)+\mathrm{Tr}\left(A\right)---\left(4\right)$

其中，I_M是M×M的单位矩阵。

同样的，接收端的SNR和EH可以写成如下形式：

$\mathrm{SNR}=\frac{\mathrm{Tr}\left(Z({\left(G^{H}G\right)}^T\⊗\left(H{H}^H\right))\right)}{\mathrm{Tr}\left(Z({\left(G^{H}G\right)}^T\⊗\left({\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M\right))\right)}---\left(5\right)$

EH＝a^HG^HGa＝Tr(G^HGA)     (6)

直接得到接收端SNR和EH的值域特性。

本发明根据中继与接收端之间的测量误差转而求取接收端所能得到的SNR和EH最坏的情况，即分别寻找SNR分子的下界、分母的上界和EH的下界。

所述的中继与接收端之间的测量误差是中继和接收端之间的下行信道存在范数受限的误差：

$G=\stackrel{\‾}{G}+\mathrm{\ΔG},\left|\right|\mathrm{\ΔG}\left|\right|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(7\right)$

式中，是估计信道，ΔG是信道估计误差。

得到接收端的接收信号为：

$\begin{array}{c}{y}_d=(\stackrel{\‾}{G}+\mathrm{\ΔG})\mathrm{WH}{s}_r^I+(\stackrel{\‾}{G}+\mathrm{\ΔG})W{n}_r\\ +(\stackrel{\‾}{G}+\mathrm{\ΔG})\mathrm{Wa}{s}_r^E+n_d\end{array}---\left(8\right)$

SNR分子的下界和分母的上界分别为：

$\begin{array}{c}\mathrm{GWH}{H}^H{W}^H{G}^H\\ \≥\mathrm{Tr}\left(Z(\left({\stackrel{\‾}{G}}^H{\stackrel{\‾}{G}}^T\right)\⊗\left(H{H}^H\right))\right)\\ -2\mathrm{\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}\left(H{H}^T\right)\⊗({\stackrel{\‾}{G}}^{*}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r^2\mathrm{GW}{W}^H{G}^H+{\mathrm{\σ}}_d^2\\ \≤\mathrm{Tr}\left(Z(\left({\stackrel{\‾}{G}}^H{\stackrel{\‾}{G}}^T\right)\⊗\left({\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M\right))\right)\\ +2\mathrm{\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}\left(I_M^T\right)\⊗(\stackrel{\‾}{G}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\end{array}---\left(10\right)$

同样的，EH的下界为：

$\mathrm{Tr}\left(G^H\mathrm{GA}\right)\≥\mathrm{Tr}\left({\stackrel{\‾}{G}}^H\stackrel{\‾}{G}\right)-2\mathrm{\ϵ}\left|\right|\stackrel{\‾}{G}A\left|\right|---\left(11\right)$

因此，最优化问题(3)表示如下：

$\begin{array}{c}\underset{Z,A}{\min }\mathrm{Tr}\left(Z(I_M\⊗(H{H}^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M))\right)+\mathrm{Tr}\left(A\right)\\ s.t.\mathrm{Tr}\left(\mathrm{ZB}\right)\\ \≥2\mathrm{\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}{\left(H{H}^H\right)}^T\⊗({\stackrel{\‾}{G}}^{*}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\\ +2\mathrm{\η\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}{\left(I_M\right)}^T\⊗(\stackrel{\‾}{G}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\\ \mathrm{Tr}\left({\stackrel{\‾}{G}}^H\stackrel{\‾}{G}\right)\≥\mathrm{\γ}+2\mathrm{\ϵ}\left|\right|\stackrel{\‾}{G}A\left|\right|\\ \mathrm{rank}\left(Z\right)=1,\mathrm{rank}\left(A\right)=1\end{array}---\left(12\right)$

其中， $B=({\left({\stackrel{\‾}{G}}^H\stackrel{\‾}{G}\right)}^T\⊗\left(G{G}^H\right))-\mathrm{\η}({\left({\stackrel{\‾}{G}}^H\stackrel{\‾}{G}\right)}^T\⊗\left({\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M\right)).$ 忽略矩阵秩为1的条件下使用半正定松弛的方法来转化这个优化问题。

优化问题(14)转换为：

$\begin{array}{c}\underset{Z,A}{\min }\mathrm{Tr}\left(Z(I_M\⊗(H{H}^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_M))\right)+\mathrm{Tr}\left(A\right)\\ s.t.\mathrm{Tr}\left(\mathrm{ZB}\right)\\ \≥2\mathrm{\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}{\left(H{H}^H\right)}^T\⊗({\stackrel{\‾}{G}}^{*}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\\ +2\mathrm{\η\ϵ}\left|\right|(\mathrm{vec}{\left(I_M\right)}^T\⊗(\stackrel{\‾}{G}\⊗I_M))T_f\mathrm{vec}\left(Z\right)\left|\right|\\ \mathrm{Tr}\left({\stackrel{\‾}{G}}^H\stackrel{\‾}{G}\right)\≥\mathrm{\γ}+2\mathrm{\ϵ}\left|\right|\stackrel{\‾}{G}A\left|\right|\end{array}---\left(13\right)$

优化问题(13)是一个凸优化问题，可以使用内点法解得矩阵Z和A。然后本发明使用cholesky分解分别得到中继信息和能量信号的预编码矩阵W和a。

与现有技术相比，本发明的有益效果是既能有效降低中继所消耗的功率，又可以保证接收端的服务质量和能量获取量。需要说明的是，对于同行业的研究人员和工程人员，也许存在更好的确定SNR和EH的下界的方法，但是只要最后写出的约束条件满足凸函数的特性，都可以用该算法求解。

附图说明

图1是无线信息和能量中继传输网络示意图。

图2是不同的ε和η条件下接受者的SNR分布情况。

图3是不同的ε和η条件下接受者的EH分布情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。本实施例在以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

具体实现步骤包括下列几步：

第一步，初始化系统参数和约束条件。

本实施例中包含有一个发送端、一个接收端以及两个中继。发送端、中继、接收端都只配置一根天线，即M＝2。设置接收者和EH的预设门限η、γ，本实施例取用了两对η和γ进行了算法验证，分别是η＝1、γ＝0.5和η＝2、γ＝1。上行信道H∈C^M×1是服从瑞丽分布的理想信道，下行信道除了服从瑞丽信道G∈C^1×M之外还包含范数受限的误差项ΔG。本实施例对10000对不同的上下行信道的结果做了仿真。

第二步，计算信息预编码矩阵的对角矩阵乘以该对角矩阵的共轭转置矩阵所得的矩阵Z和能量预编码矩阵与该矩阵的共轭转置矩阵乘积所得的矩阵A。

根据内点法，先使用数学工具求出信道误差系数ε＝0.1时最优化问题公式(13)所对应的Z₁和A₁。再使用数学工具求出信道误差系数ε＝0.01时最优化问题公式(13)所对应的Z₂和A₂。

第三步，计算中继的发射功率和接收端的SNR、EH。

中继的发射功率为分别代入Z₁和A₁、Z₂和A₂，得到中继在不同的误差水平下发射功率大小。

同样的利用公式(5)、(6)得到接收端的信息信号信噪比SNR、能量信号的能量值EH的值。以验证SNR和EH是否分别大于相应预设的阈值，进而验证本发明的合理性。

图2是不同的ε和η条件下接受者的SNR分布情况，从图中可以更清晰的看到接受者SNR的分布情况。进一步说明鲁棒性预编码能够保证接收者的服务质量。

图3是不同的ε和η条件下接受者的EH分布情况，从图中可以更清晰的看到接受者EH的分布情况。进一步说明鲁棒性预编码能够保证接收者的能量接收量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)发送端将信息发送给中继；

(2)中继接收发送端发送的信息，并根据中继与接收端之间信道状态进行发送信息的鲁棒性预编码，即得到信息预编码矩阵和能量预编码矩阵；

(3)中继将处理后的信息以及期望传送给接收端的能量发送出去；

(4)接收端接收中继发送的信息和能量。

2.根据权利要求1所述的无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，其特征在于，所述的步骤(2)中继根据中继与接收端之间的信道状态进行发送信息鲁棒性预编码，即根据中继与接收端之间的所存在的测量误差求取接收端所能得到接收端信噪比SNR和接收到的能量值EH的最坏的情况，具体是求解信息预编码矩阵的对角矩阵乘以该对角矩阵的共轭转置矩阵所得的矩阵Z，以及求解能量预编码矩阵与该矩阵的共轭转置矩阵乘积所得的矩阵A，然后使用cholesky分解得到的信息和能量信号预编码矩阵。

3.根据权利要求2所述的无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，中继与接收端之间的所存在的测量误差是指：中继和接收端之间的下行信道存在范数受限的误差其中，是估计信道，ΔG是信道估计误差。

4.根据权利要求2所述的无线信息和能量传输中继网络中鲁棒性预编码方法，其特征在于，所述的步骤(2)中接收端信噪比SNR和接收到的能量值EH的最坏的情况是指接收端信噪比SNR分子的下界、分母的上界和接收到的能量值EH的下界。